摘要：一种氮气回收并液化装置，循环利用减少运行成本。阐述几种氮气回收液化系统的流程组织，并比较相互的优劣势，合理选择最佳的流程。
技术
1、概述
某化工科技公司有一套电子产品用高纯新材料生产装置，该装置在运行中，需要用到低温液氮做为冷源在装置中起到冷却作用。液氮用量1350Nm3/h，折合液氮约2.1m3/h，进装置压力0.4Mpa，液氮冷却介质后汽化复热至-30℃，出装置后排入大气。整套装置在连续运行中，每天都需要消耗掉约40吨液氮，装置配套有2台50m3低温真空贮槽，业主每天都需要采购液氮进行补充，液氮冷能被利用后排入大气，不利于环保节能，若将排放的氮气回收并加以液化，重复循环使用，不仅减少了浪费又节省了大量的资金。
方案是否可行？按业主提供的参数，开封空分模拟了几种方案的流程计算，给出了氮气回收液化装置的理论消耗值（见表一），各种方案的配置选择在本文后面会做详细的阐述。
表一 液化装置能耗投资比较
注：整套装置运行电耗主要来自循环氮压机，其它设备相对电耗可忽略不计。
按照目前业主的运行参数，每天消耗40吨液氮，业主采购价为650元/吨，每天需26000元运行成本。采用氮气回收液化装置运行，对比表中费用每天可节省11300元，一年可节省373万（按330天计）。装置增加投资约400万，一年即可收回一次投资成本。每年运行设备维护费用约5万元，人工投入费用20万（按4人计，每人5万/年），所以增设一套氮气回收液化装置，回报远远大于投资，当然若液氮的采购价格低于400元/吨，装置则无投资或运行价值。
2、设计方案比较
使用液氮冷能的生产装置流路大致如下：液氮来自低温贮槽，贮槽内压力保持在0.4Mpa以上，温度饱和状态进生产装置，在装置中经液化器、第一冷却器及第二冷却器被复热到-30℃出装置，排放压力约0.25Mpa。
我们要做的是将这股气态氮再进一步冷却并使之液化。我们知道，只有当气态物质的温度降低到其临界温度以下才能液化，氮气的临界温度远比环境温度低，要使其液化必须应用人工制冷的方法。目前最普遍的方法就是节流液化循环与带膨胀机的液化循环，而压缩气体进入膨胀机膨胀并对外做功，可获得大的温降及冷量，采用气体输出外功绝热膨胀的循环，是目前在气体液化和分离设备中应用最广泛的流程形式。这种流程有多种组织形式，最简单的流程形式见氮气回收液化系统示意图一：
2.1采用单级增压单级膨胀的氮制冷循环。
从冷箱复热出来的0.11MPa(A)氮气进入循环氮压机压缩至0.9MPa(A)，经膨胀机增压端增压后又分为两部分，一部分经主换热器冷却后从主换热器中部抽出进入膨胀机，膨胀后返回主换热器，复热后进入循环氮压机，完成循环。另一部分经主换热器冷却液化为液氮，液氮经阀门节流为后返回主换热器，复热后进入循环氮压机，完成循环。
原料氮气（0.35MPa(A)，-30℃）经主换热器冷却后液化，进入液体量筒，经低温液氮泵加压到0.5MPa(A)，送入贮槽循环利用。
也可采用有预冷的液化循环组织，主换热器中抽出-16℃氮气进冷冻机组冷却到-28℃再进主换热器，经过ASPEN模拟后，虽然可减少些循环氮气量，但投资上增加了一台低温冷冻机组，且冷冻机也消耗一部分电能，总的来说，并没有太明显的优势。
这种流程组织相对简单，运行可靠，但能耗不占优势，最主要的是必须配置两台加压泵（一用一备），否则液化后的氮气无法进入带压的贮槽中，所以这种流程组织并不是最完善的。
氮气回收液化系统示意图一
2.2我们再设计一种流程组织，形式见氮气回收液化系统示意图二：
仍采用单级增压单级膨胀的氮制冷循环。从冷箱复热出来的0.335MPa(A)氮气进入循环氮压机压缩至1.6MPa(A)，经膨胀机增压端增压后又分为两部分，一部分经主换热器冷却后从主换热器中部抽出进入膨胀机，膨胀后返回主换热器，复热后进入循环氮压机，完成循环。另一部分（~1350Nm3/h）经主换热器冷却液化为液氮，液氮经阀门节流后作为产品（0.6MPa(A)，-181℃）送入贮槽。
原料氮气（0.35MPa(A)，-30℃）经主换热器复热至常温后进入循环氮压机进行循环。
这里把流路改动了一下，原料氮气不再作为单独的一路进行液化，而是做为循环气参与整套流程的循环，膨胀机膨胀后压力与原料气保持一致，增压后的氮气抽取一股与原料气同量的气量作为液化产品，保证压力可顺利进入贮槽，并配置一台过冷器，抽取一小部分液氮节流至0.35MPa(A)，使液化后的产品具有一定的过冷度，防止进入贮槽后汽化量过大，保证装置的平稳运行。
这种流程组织相对简单，运行可靠，能耗也占优势，省去了低温泵，操作更加简便，安全。
氮气回收液化系统示意图二
2.3还有另外一种流程组织，形式见氮气回收液化系统示意图三：
在上述流程组织中，压缩后的循环氮气在膨胀机中膨胀到0.335MPa(A)，是为了与原料氮气保持一致的压力，再进循环氮压机压缩循环。现在可将原料氮气压力先降到常压，再与膨胀后的循环氮气汇合后压缩，在原料氮气流路上设置一台膨胀机，将这股氮气膨胀做功回收冷量，因原料氮气流量较少，膨胀机采用气体轴承，效率高，运行简便。
其它流路组织不变，需要调整循环氮压机的循环流量和出口压力：流量小，压力高，循环氮压机不好选型；流量大，压力低，相对能耗增高，且为使主换热器能够设计制造，必须保证主换热器的最小温差，同时还需考虑主换热器的对数温差等影响换热效率的各种因素。通过模拟对比，选择一组最匹配的压缩机参数（参数见表一）。
这种流程组织与前述方案无太大区别，只是增设了一台气轴膨胀机，从理论上应比前述方案更节省能耗，但通过两种方案的主换热器参数调整对比，后者因膨胀比过大，膨胀后温度较低，为防止机后带液，膨胀前温度不能太低，则膨胀机机前温度调整范围较小，无论怎么调整主换热器的换热温差损失都较大，相对来说并没有明显的降低能耗，且多了一台气体膨胀机，增加了操作难度和运行费用。
氮气回收液化系统示意图三
3、结束语
通过以上对氮气回收并液化循环流程方案的对比，采用第二方案是最经济合理的，不仅操作简便、投资最少，且运行能耗低、机型选择范围宽、设备维护方便。相对其它两种方案，这种流程组织中循环氮压机进口压力较高，压比小采用两级压缩即可满足工艺要求，设备投资小，维护费用少。
这种液化装置的流程组织形式多样化，但其原理都是一样的，对于设计者来说，通过对能耗、运行、投资的对比合理选择出一种流程配置。
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