随着经济发展，能源的日趋紧张，空分设备对节能降耗提出了更高的要求。开封黄河空分集团有限公司根据用户不同的产品需求和不同的地理环境条件，采取不同的工艺流程组织形式，进行针对性的设计，努力挖掘设备运行的节能潜力，开发出一系列具有黄河空分特色的制氮工艺流程，多冷凝蒸发器双塔工艺循环制氮流程就是其中代表之一。
开封黄河空分集团有限公司为宁夏平罗宝马化工铸造有限责任公司（以下简称宝马化工）提供的KDN-4000型制氮设备，于2013年6月18日顺利出氮，其中氮气产品纯度≤3PPmO2。本套制氮设备采用常温分子筛吸附预净化、透平膨胀机制冷、多冷凝蒸发器双塔精馏工艺循环流程；该设备具有提取率高、性能稳定、能耗低等特点；并采用先进的工业控制系统，实现了中控、机旁、就地一体化的控制，可以有效监控整套制氮设备的生产过程，保证设备安全稳定运行。流程如图1所示，主要技术参数见表1所示。
表1 制氮设备技术参数
2、装置特点
本套制氮装置包含6个系统（含仪、电控系统），除土建部分外，全部由黄河空分成套设计、供货，各系统配套特点如下：空气过滤压缩系统采用自洁式空气过滤器，处理气量大于空压机组排气量的2.5倍，有利于长期运转；选用型式为框架式结构，设备安装简便，更换滤筒方便快捷不需停车；滤料采用进口材料，使用寿命长，过滤精度高；阻力联锁电磁阀控制，阻力过大自动反吹除尘。空压机组配套进口离心式空压机组，高效率，低消耗，运转稳定可靠。
工艺流程示意图
预冷系统采用原装进口螺杆制冷压缩机及全部进口制冷元件组合；滑阀+热气旁通微调的负荷跟踪使冷却空气温度稳定；空气阻力损失≤8.7KPa；丝网除雾与碰撞+重度沉降组合自动分离冷凝水，并配有自动排放+手动监护；整机能效比≥3.6；机组无基础安装，操作简单方便，运行噪音≤70dB(A)，具有完备的报警和连锁保护装置。
纯化系统采用立式单层设计，内置过滤器。采用电加热器(带超温保护)加热再生，一用一备确保设备稳定运行。加热和再生为同一流路，再生污氮气采用调节蝶阀控制纯化器再生过程流量恒定，确保分馏塔系统工况稳定。合理的吸附床结构以及开封黄河空分集团有限公司独有的防壁流气流分配器，确保了吸附器的吸附效果更好。空气出该系统CO2含量设计值为≤1×10-6，实际运行值为 0.3×10-6，纯化系统运行阻力＜8KPa。吸附剂容量计算充分考虑到吸附容量和阻力控制的优化配合，从而保证了再生气流分配和床层截面的温度梯度分布相对均匀，大大降低了再生能耗。为保证纯化系统长期稳定运行，对纯化系统切换周期设计均为长周期切换，可使分子筛及阀门使用寿命延长，切换损失减小，同时减少因切换引起的压力波动次数，保持主塔工况稳定，再生次数少、电耗降低。
分馏塔系统采用双塔精馏，多冷凝蒸发器，空气膨胀循环。上、下塔均采用蕴含黄河空分多项专利技术的高效对流筛板塔，其精馏效果好，操作弹性大，效率高。板翅式换热器采用先进的设计软件MUSE辅助设计，使各介质分配更为合理，换热效果更好，热端温差控制在2.5℃以内，把冷量损失减少到最小。透平膨胀机组采用气体轴承形式，一用一备，工作性能稳定，绝热效率高达83%，具有轴承气压力低及超转速自动保护功能。由撬装块组成，结构紧凑，安装方便。
转子及轴承可以从常温端进行直接更换，不需扒珠光砂，维护方便。冷箱内的阀门选用低温铝制焊接阀门，减少冷箱内因法兰连接造成的泄漏。冷箱内的塔体及主要管道，采用5083高强度铝合金材料，增加了塔的强度，减少了管道扭变破坏的可能性。分馏塔系统内管道运用先进的工程专用三维配管软件PDMS进行设计，采用自补偿方法布置，并运用CAESARⅡ管道应力分析软件，对每一根管线进行常温和低温状态下的模拟状态分析，计算、校核管道应力，避免管道因应力变形造成管道破裂。另外对冷箱内的管架、阀架和设备支架的支撑结构进行改进，材料均采用不锈钢，大大提高设备安全性可靠性。冷箱内设备及配管均在开封黄河空分集团有限公司厂内制作组装，采用集装箱式供货，分馏塔整体组装出厂，大大缩短了工程安装周期。
分馏塔是整套空分装置核心中的核心，它的设计和制造水平代表着一个企业的实力。从设计上精确模拟计算，使精馏塔的运行工况稳定可靠。
从制造上严格控制过程，从原材料的采购、到单体设备的制造都有专人进行监督、检查。每一塔器的制作均建立有文字档案，量化制造、检验人员的责任。分馏塔筒体采用独特的板材辗轧工艺，整料拼筒，使塔体的焊缝减少30%左右，大大减少了质量隐患。
采用黄河空分专利技术的分馏塔筒体轧槽工艺，提高设备刚性，降低设备椭圆度，有效减少了运输、安装过程中塔体的变形，大大增加了塔体的稳定性。卧装塔板及相匹配的结构设计，提高塔板刚性、平整度、板间距的控制。采用黄河空分专利技术的大翼T型环固定塔板，保证塔板与筒体的良好吻合。专用工装控制塔筒的几何尺寸，内控指标高于行业标准。
3、装置运行总结
本套制氮装置的氮产品提取率高达86％，单位制氮能耗仅为0.17 kW•h/m3，整套装置的输入功率比用户现正在运行的KDN-1700型制氮设备还低。
设备的成功投运，使得黄河空分在制取高纯氮先进技术的地位进一步得到了巩固和提升。这也是继黄河空分为山东冠洲鼎鑫板材科技有限公司，宁夏贝利特化工有限公司，洛阳赛阳硅业有限公司，石嘴山市鹏盛化工有限公司，宁夏华岳化工有限公司等企业提供的多套制氮装置后，又一套使用黄河空分自主开发和设计的新一代制氮设备。实际运行的结果大大超过用户的期望，用户对黄河空分的设计和制造能力也极为认可，年初宝马化工再次与黄河空分合作，签订了第二套运用此工艺流程的高纯氮设备。
近年来开封黄河空分集团有限公司在制取高纯氮设备的设计制造方面投入很大精力，采用了大量的辅助设计软件，其中有流程热力计算软件、精馏计算软件、管道应力分析软件、板翅式换热器性能与结构设计软件、压力容器设计校核软件等，在总结多年设计经验的同时，还大量收集设备现场实际运行数据，通过数据回归优化，设计水平不断提高，工艺不断创新，也得到了国内较多企业的认可，新行业的拓展也在不断扩大。今后，黄河空分会在提高设备安全可靠性、降低运行能耗等方面积极努力，加快技术创新步伐，使每一个与黄河空分合作的用户都能得到一个满意的结果。
