热泵技术驱动空分工艺革新：高效生产富氧与高压氮气的创新方案

引言：破解传统空分工艺的能耗困境

在石化、冶金等工业领域，对富氧气（85%-95%氧含量）与高压高纯氮气（≥99.99%）的复合需求日益增长。传统深冷空分工艺面临两大核心痛点：下塔过度精馏导致能耗攀升，氮气压缩环节的设备冗余。河南大学科研团队通过热泵技术与流程重构，成功开发出创新型的空气分离装置，在行业内首次实现双高产品的协同生产与能效突破。

一、技术突破：三维架构破解能效困局

1. 系统结构革新
该装置构建了空气压缩-预冷纯化-双塔精馏的三维耦合体系（图1）。核心创新体现在：

• 分馏体系重构：将传统单下塔精馏拆分为主精馏塔（含下塔+上塔）与纯氮塔双系统，下塔仅需产出富氧液空与污液氮，精馏负荷降低50%

• 热泵集成设计：纯氮塔内置蒸发器-冷凝器组，利用液氧泵增压实现冷热耦合，形成自平衡热力循环

2. 关键设备参数优化

• 下塔采用22-30盘筛板塔（工作压力0.35-0.45MPa）

• 上塔配置52-68盘规整填料塔

• 纯氮塔设计为26-36盘筛板塔（操作压力0.7-2.5MPa）
  通过塔器类型的差异化设计，实现气相流通效率提升与压降控制。

二、工艺流程：三流路协同的能量网络

1. 空气处理路径
原料空气经三级处理形成高效分流：

• 主冷流（40%气量）：经主换热器冷却至露点进入下塔

• 增压流（30%气量）：经增压机压缩至0.7-2.5MPa，作为纯氮塔热源

• 膨胀流（30%气量）：通过增压膨胀机制冷，维持系统冷量平衡

2. 精馏过程创新

• 下塔功能转型：产出富氧液空（35%氧）与污液氮（99.5%氮），精馏强度降低至传统工艺的1/3

• 纯氮塔提纯：污液氮经液氮泵加压后，在纯氮塔内完成99.99%以上纯度精馏，塔顶气相氮经主换热器复热后直接输出7-25bar产品

3. 热泵循环体系
液氧泵将富氧液空加压至0.2-0.6MPa，作为纯氮塔冷凝器的冷媒吸收热量汽化，实现：

• 液氧产品复热能耗降低60%

• 取消传统氮压机设备，系统电耗下降15-20%

三、经济效益与行业价值

1. 能效指标突破

• 单位氧氮综合电耗≤0.38kWh/Nm³，较传统工艺下降25%

• 冷箱高度缩减30%，设备投资降低18%

2. 应用场景拓展

• 适用于同时需要富氧燃烧与高压氮保护的冶金热处理

• 满足电子级高纯氮（5N级）与医用氧联产需求

• 在煤化工领域实现氧氮联供系统整合

结语：空分技术的绿色升级路径

该技术通过流程再造与热力学优化，成功破解了传统空分装置的高能耗桎梏。其创新价值不仅体现在设备结构的精简，更开创了低温精馏与热泵技术深度耦合的新范式。随着双碳战略的推进，此类高效节能技术的推广应用，将有力推动工业气体领域向绿色低碳方向转型，预计可带来年减排CO₂ 800万吨的环保效益。

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