0.前(qian)言
內壓縮流程經過不斷完善和發展，其所涉及到的相平衡、精餾及換熱方面都要比傳統外壓縮要復雜的多，空分設備冷箱內的換熱與精餾都相互作用又影響，由于內壓縮的產品是在冷箱內通過液體泵壓縮后經過高壓換熱器復熱出冷箱的，其工作壓力往往都超出氧氮的臨界點，液體在超臨界狀態下進行換熱也是內壓縮的一大特點。而在精餾方面，由于產品種類及獲取方式的不同，導致塔設備的物料進出口與外壓縮相比有很大的變化；換熱的情況相比精餾更要復雜，如今應用到空分低溫換熱的一般首選板翅式換熱器，其可以滿足多股流、相變與無相變及超臨界狀態下的換熱形式，這些對于外壓縮都是未出現過的換熱方式，所以對內壓縮流程的換熱方式的研究對進一步加深對其的理解有重大意義。
1. 內壓縮空分流程
內(nei)壓(ya)縮流(liu)程是(shi)產品氧氣(qi)通過液氧在冷箱(xiang)內(nei)加壓(ya)獲取壓(ya)力(li)再復熱(re)出冷箱(xiang)的(de)一種流(liu)程型式(shi)，其適合氧氣(qi)壓(ya)力(li)不(bu)受限制，氮氣(qi)產品最大可達(da)到氧氣(qi)產品的(de)2.8倍，氬氣產品提取率可達85%左右。
內壓(ya)縮(suo)空分設(she)備一(yi)般由壓(ya)縮(suo)系統(tong)，預冷系統(tong)，純化(hua)系統(tong)，精餾系統(tong)，產品壓(ya)縮(suo)系統(tong)和貯存與(yu)汽化(hua)系統(tong)等組成。
，一(yi)般有三種流(liu)程(cheng)(cheng)(cheng)形(xing)式：空氣(qi)(qi)循(xun)環(huan)(huan)單(dan)(dan)泵流(liu)程(cheng)(cheng)(cheng)（中高壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)氧內(nei)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)，中高壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)氮外(wai)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)，壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力氮氣(qi)(qi)下(xia)塔(ta)(ta)抽(chou)，低壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)氮氣(qi)(qi)上(shang)塔(ta)(ta)抽(chou)），空氣(qi)(qi)循(xun)環(huan)(huan)雙(shuang)泵流(liu)程(cheng)(cheng)(cheng)（中高壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)氧內(nei)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)，中高壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)氮內(nei)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)，壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力氮氣(qi)(qi)下(xia)塔(ta)(ta)抽(chou)，低壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)氮氣(qi)(qi)上(shang)塔(ta)(ta)抽(chou)）和氮氣(qi)(qi)循(xun)環(huan)(huan)單(dan)(dan)泵流(liu)程(cheng)(cheng)(cheng)（中高壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)氧內(nei)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)，中高壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)氮外(wai)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)（循(xun)環(huan)(huan)氮壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)機(ji)與產品壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)縮機(ji)合二(er)為一(yi)），壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力氮氣(qi)(qi)下(xia)塔(ta)(ta)抽(chou)，低壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)氮氣(qi)(qi)上(shang)塔(ta)(ta)抽(chou)）。內(nei)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)縮空分設備工藝(yi)流(liu)程(cheng)(cheng)(cheng)圖
2.相平衡
深冷(leng)法分(fen)(fen)(fen)離空氣(qi)即在低溫狀態下利(li)用各組(zu)(zu)分(fen)(fen)(fen)沸點(dian)的(de)不(bu)同而(er)進(jin)行分(fen)(fen)(fen)離的(de)過程。相平衡(heng)(heng)存在于(yu)兩組(zu)(zu)分(fen)(fen)(fen)以(yi)及多組(zu)(zu)分(fen)(fen)(fen)的(de)精餾分(fen)(fen)(fen)離當中，兩組(zu)(zu)分(fen)(fen)(fen)以(yi)及多組(zu)(zu)分(fen)(fen)(fen)之間的(de)相平衡(heng)(heng)是空分(fen)(fen)(fen)精餾的(de)基礎。
2.1不同壓(ya)力（1bar,3bar,5bar,8bar）下，N2,O2兩(liang)組分(fen)相平衡圖
由上圖可以看(kan)出壓力(li)越(yue)高，精(jing)餾(liu)溫(wen)(wen)差(cha)越(yue)小，精(jing)餾(liu)效果(guo)會(hui)(hui)越(yue)差(cha)；壓力(li)越(yue)低，精(jing)餾(liu)溫(wen)(wen)差(cha)越(yue)大(da)，精(jing)餾(liu)效果(guo)會(hui)(hui)越(yue)好。
2.2下塔N2,O2兩組分相平衡圖
下塔也叫壓力塔，一般壓力塔的精餾選擇篩板塔，填料塔在壓力高時精餾效率并沒有優勢，篩板塔具有高度較低，精餾效率較為穩定的特點，因此應用較多。但是填料塔由于類型不斷地改進，同時變負荷范圍較寬，與篩板塔相比塔徑小而在大型空分上應用較多。
2.3上塔(ta)N2,O2兩組(zu)分相平衡圖
由上圖可以看出氧組分(fen)與氮組分(fen)在低壓下精(jing)餾溫差大，因而精(jing)餾效果(guo)好。
上塔(ta)(ta)也叫低壓(ya)塔(ta)(ta)，多采用填料(liao)(liao)塔(ta)(ta)，因(yin)為填料(liao)(liao)塔(ta)(ta)在低壓(ya)下的(de)精餾效果要優于篩板塔(ta)(ta)，而且上塔(ta)(ta)的(de)進出料(liao)(liao)較多，要求(qiu)變負荷范圍(wei)大，并且填料(liao)(liao)塔(ta)(ta)阻力只有篩板塔(ta)(ta)的(de)1/3，具有極大的優勢(shi)。
2.4上塔氬(ya)餾分抽口段N2,O2,AR三(san)組分相平衡圖
可以看出(chu)氬組(zu)(zu)(zu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)的(de)(de)精餾(liu)溫度(du)在氮(dan)組(zu)(zu)(zu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)與(yu)氧組(zu)(zu)(zu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)之間，并(bing)且接近(jin)氧組(zu)(zu)(zu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)，所以一般只要氮(dan)產(chan)(chan)品(pin)(pin)或者只要氧氮(dan)產(chan)(chan)品(pin)(pin)的(de)(de)空分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)設備，把(ba)氬組(zu)(zu)(zu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)劃歸氧組(zu)(zu)(zu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)當中，氬組(zu)(zu)(zu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)對(dui)氧組(zu)(zu)(zu)分(fen)(fen)(fen)(fen)(fen)精餾(liu)的(de)(de)影響隨著氧純度(du)的(de)(de)提(ti)高(gao)而愈(yu)加明(ming)顯。
2.5粗氬(ya)塔AR,O2兩組分(fen)相(xiang)平衡(heng)圖
粗氬(ya)塔AR,O2兩組分的(de)精餾溫差較小，而且(qie)精餾純度要求高，所(suo)以這也是粗氬塔的(de)塔板較多的(de)原因。
2.6精(jing)氬塔AR,N2兩組(zu)分相平衡圖
精氬塔的(de)氮組(zu)分(fen)(fen)(fen)與(yu)(yu)氬組(zu)分(fen)(fen)(fen)的(de)比氮組(zu)分(fen)(fen)(fen)與(yu)(yu)氧組(zu)分(fen)(fen)(fen)的(de)精餾溫(wen)差(cha)稍微小(xiao)一點。所以對(dui)于氮組(zu)分(fen)(fen)(fen)的(de)廢氣(qi)來說(shuo)比較容(rong)易(yi)，但是(shi)一般(ban)廢氣(qi)中氮含量較小(xiao)（通常0.1%以(yi)下，氮(dan)塞工況(kuang)例外(wai)），而且氮(dan)氣對混合(he)物溫度影響較大，直接影響冷凝器溫差，所以(yi)一般需要反復精餾，同時減少產品(pin)損失(shi)。
3、低(di)溫精餾
精餾(liu)對于(yu)空分(fen)設(she)備來說是借助(zhu)于(yu)篩板或者規(gui)整填料等(deng)載體(ti)進行(xing)的低溫工況下的各組分(fen)的傳(chuan)質傳(chuan)熱，從而(er)獲取產品(pin)的過(guo)程。
精餾塔的液相負荷：對于不同組分而言，氬組分質量較重，氮組分較輕，氧組分居中（精餾各組分的液體密度為氧：1140kg/m3氮(dan)：810kg/m3氬：1410kg/m3），所(suo)以由(you)于(yu)其組分比(bi)例得(de)不同，對液相負荷(he)的重度(du)影響也不同。
對(dui)于塔板氣(qi)液(ye)負(fu)荷值來說：對(dui)于氣(qi)相而言上(shang)升氣(qi)先(xian)(xian)低后高，原因是氧組(zu)(zu)分(fen)的汽(qi)化(hua)潛熱較大，液(ye)化(hua)能力較氮組(zu)(zu)分(fen)強(qiang)，因而氣(qi)相先(xian)(xian)低后高，也即精餾塔從底(di)部到頂部，氧組(zu)(zu)分(fen)濃度漸小(xiao)，這也是上(shang)述狀(zhuang)況出現的原因。（各組(zu)(zu)分(fen)的汽(qi)化(hua)熱：氧：213.65kJ/kg；氮(dan)：199.25kJ/kg；氬(ya)：164.09kJ/kg）
對于(yu)下流的液相(xiang)而(er)言，氬組(zu)分(fen)的液體(ti)密(mi)度最大，氧組(zu)分(fen)次之(zhi)，氮組(zu)分(fen)最小；所以氬組(zu)分(fen)濃(nong)度大的塔板液體(ti)質(zhi)量負荷較(jiao)大；而(er)對于(yu)氬組(zu)分(fen)濃(nong)度較(jiao)小的塔板，質(zhi)量負荷較(jiao)小。
3.1.1下塔氧氮(dan)氬(ya)三組(zu)分(fen)沿(yan)塔板濃度(du)分(fen)布截面圖
3.1.2下塔沿塔板上的液氣負荷(he)值
第1塊抽液氮；第2塊塔板抽出少(shao)量壓力氮氣；第18塊抽污液氮；第36塊抽(chou)出貧液空；42塊抽富氧液空(kong)；空(kong)氣(qi)由42塊(kuai)進；氬(ya)組分較集(ji)中在貧液空(kong)出口處；氣相由(you)于氧的汽(qi)化潛熱較氮氣的汽(qi)化潛熱大，所以(yi)上升氣質(zhi)量負荷逐漸增大；
3.2.1上塔氧氮氬三(san)組分(fen)沿(yan)塔板濃度分(fen)布(bu)截(jie)面圖
3.2.2上塔沿塔板分布的液(ye)氣負荷(he)值
頂部第1塊抽氮氣；第8塊(kuai)進污液氮，抽污氮氣；第18塊(kuai)貧(pin)液空進(jin)；第24塊液空(kong)進(jin)；第30塊(kuai)液空蒸汽進(jin)；第(di)47塊(kuai)氬(ya)餾分抽出，液氬(ya)餾分回流；底部第81塊抽液氧；
3.3.1粗(cu)氬(ya)塔氧氮氬(ya)三組分(fen)沿塔板濃度分(fen)布截面圖
3.3.2粗氬(ya)塔(ta)沿塔(ta)板液(ye)氣負荷值
第195塊進(jin)氣相氬餾分（含氬10%左右），同時回液相（含(han)氬餾分5.5%左右）；由于氬組分密(mi)度較大，氧組分密(mi)度較小，所以在171塊至(zhi)195塊，氧組分濃度為90%左右；第1塊(kuai)至(zhi)171塊(kuai)，氬組(zu)分(fen)占90%以上，因此(ci)氣(qi)液質(zhi)量負荷會增大較多(duo)。
3.4.1精氬塔(ta)氧氮氬三組分沿塔(ta)板(ban)濃度分布截面圖
3.4.2精氬塔沿塔板液氣負荷值
氣相第10塊(kuai)進料，廢(fei)氣放(fang)空微量(liang)；經(jing)過冷(leng)凝(ning)器(qi)冷(leng)凝(ning)后（大(da)約為(wei)氣相2倍量）全部作為回流液(ye)；蒸發器所蒸發的(de)液(ye)體大約為進料的(de)1倍；在第30塊塔板抽出液體(ti)產品，其量(liang)為氣相(xiang)進(jin)料的1倍少一點（少氣相廢氣放空量）；
4.低溫換熱(re)
4.1液氧內壓縮高壓主換熱器(qi)溫差(cha)沿長度分布圖（超臨界(jie)狀態換熱）
4.2液氧液氮內壓(ya)縮高壓(ya)主(zhu)換(huan)熱(re)(re)器溫(wen)差沿(yan)長度分布圖（超臨界狀態換(huan)熱(re)(re)）
4.3液氧內(nei)壓縮(suo)低壓主換(huan)熱器溫差沿長度分布圖（氣-氣(qi)換熱，無(wu)相變(bian)）
4.4過(guo)冷器沿長度溫差沿長度分布(bu)圖（液-氣換熱(re)，無相變(bian)）
4.5主冷(leng)凝(ning)蒸發器的溫差(cha)沿著主冷(leng)高度(du)的分布圖（相變及無相變的各種換熱類(lei)型(xing)都存在(zai)）
下塔(ta)頂部壓力5.78bar,飽和態氮氣（組(zu)分N2:0.999997;AR:0.0000003）,飽和(he)溫度95.865K.
上(shang)塔底(di)部(bu)壓(ya)力1.4bar時，板式頂部(bu)液氧（組分O2,0.996,Ar:0.004），飽和溫度93.27K,由于(yu)有2.2m的液柱靜(jing)壓，板式底部(bu)壓力1.65bar（此壓力下液氧飽(bao)和溫度(du)95.07K），液氧處于過冷(leng)態，過冷(leng)度1.8K，在板式中間隨(sui)著液(ye)氧的壓力降低（液(ye)柱靜壓從底(di)部(bu)到(dao)頂(ding)部(bu)，先為全(quan)液(ye)體(ti)，出(chu)現(xian)氣泡后，逐漸增多(duo)，成(cheng)為氣液(ye)混合物，氣體(ti)逐漸增多(duo)，到(dao)板式頂(ding)部(bu)大約(yue)有31%的液體汽(qi)化，液氧循環(huan)倍率為3.225，（一(yi)般液氧(yang)循(xun)環倍(bei)率取(qu)3∽5即可））;對數溫差1.02K，熱端溫差1.838K,冷端溫(wen)差2.18K.最小溫差0.5K;（一般主冷凝蒸(zheng)發器的(de)對數溫(wen)差(cha)只需大于0.8K即可滿足(zu)）。
液(ye)氧(yang)過(guo)冷區與液(ye)氮液(ye)-液換(huan)熱，達到飽和點(dian)后，進行相變換(huan)熱，此(ci)時(shi)液氧壓力1.62bar左(zuo)右，同時(shi)飽和點也隨(sui)著壓力(li)(li)的降低(di)（液柱(zhu)靜壓減小）而降低(di)，液氧(yang)進入相(xiang)變(bian)換(huan)熱區(qu)（與氮氣同為相(xiang)變(bian)換(huan)熱區(qu)），壓力(li)(li)降低(di)至板式出口(kou)為1.40bar(氣液化合物，69%的液體占液柱靜壓(ya)約17 kpa，板式(shi)阻力(li)3kpa,剩余5kpa轉化為(wei)(wei)氣液(ye)混(hun)合(he)物(wu)的(de)(de)壓力頭，出口有一(yi)定的(de)(de)流速，即(ji)勢能轉化為(wei)(wei)動能；而實(shi)際上氣液(ye)混(hun)合(he)物(wu)的(de)(de)出口密度僅僅為(wei)(wei)液(ye)氧(yang)的(de)(de)1/40，即液氧(yang)隨著相(xiang)變汽化的進(jin)行(xing)，密度(du)由100%的液體密度(du)，逐漸變為相當于2.5%的液體(ti)密(mi)度，所(suo)以嚴格(ge)來說(shuo)，應該是底部所(suo)產生的液柱靜壓0.25bar同出口69%的液(ye)體(ti)的液(ye)柱靜壓（氣(qi)體(ti)忽略）與(yu)其(qi)動能及阻力之(zhi)和相等，也即(ji)mgh=0.69mgh+0.5×(0.69m)v2+f，但是此(ci)公式僅(jin)僅(jin)適合出(chu)口界(jie)面(mian)，其它界(jie)面(mian)只需將(jiang)氣化(hua)率0.31改變即可)，液(ye)氧汽化后出口為飽和態，氮氣也為飽和態進,在板式(shi)上(shang)(shang)(shang)段進(jin)(jin)行(xing)大溫差(cha)的(de)(de)(de)相(xiang)變換熱，但是(shi)由于氣(qi)液(ye)混(hun)合(he)物(wu)的(de)(de)(de)流(liu)速逐漸(jian)增大，導致(zhi)液(ye)氧與(yu)板式(shi)壁面(mian)接觸的(de)(de)(de)層(ceng)面(mian)僅(jin)僅(jin)局限于邊界層(ceng)，因此受到氣(qi)液(ye)混(hun)合(he)物(wu)的(de)(de)(de)流(liu)速漸(jian)增的(de)(de)(de)影響（未汽化液(ye)體無(wu)法(fa)接觸壁面(mian)），換熱實際上(shang)(shang)(shang)在上(shang)(shang)(shang)段逐漸(jian)趨緩（只進(jin)(jin)行(xing)氣(qi)-氣(qi)換熱，液(ye)體做垂直上拋運(yun)動，無(wu)法貼(tie)近壁面，氣(qi)相換熱溫差小(xiao)而較弱），而在流速較緩的(de)中部(bu)區(qu)達到最大（相變換熱），底部(bu)由于有過(guo)冷區(qu)以(yi)及(ji)相變區(qu)溫差小(xiao)，換熱較弱。
所以液氧(yang)的換(huan)熱為先(xian)為過(guo)冷態換(huan)熱，然后隨著(zhu)壓力降(jiang)低(di)，溫差(cha)擴大(da)(da)，進(jin)行變(bian)相換(huan)熱，隨著(zhu)壓力的降(jiang)低(di)，飽和點也隨著(zhu)降(jiang)低(di)，溫差(cha)逐漸擴大(da)(da)，出口(kou)地(di)方溫差(cha)擴大(da)(da)到(dao)1.86K,(95.86-94.0K)，但(dan)是由于(yu)液相有向上的(de)壓力頭(tou)，致使上段液相不能完全接(jie)觸到(dao)板式(shi)(shi)壁面，能接(jie)觸到(dao)的(de)液體汽化后，在(zai)壁面形(xing)成邊(bian)界層，與(yu)板式(shi)(shi)壁面換(huan)(huan)熱溫差(cha)漸漸縮小(xiao)，換(huan)(huan)熱微弱，同時(shi)氣-氣無(wu)相(xiang)變(bian)換熱(re)效果差，所以在板式上段出口地方換熱(re)又轉弱。
所以(yi)主冷板式(shi)(shi)適當有(you)個傾(qing)角實際上(shang)對換(huan)(huan)熱(re)是(shi)有(you)利的(de)（可讓主冷板式(shi)(shi)上(shang)部(bu)實現部(bu)分(fen)(fen)氣(qi)液分(fen)(fen)離，這(zhe)樣(yang)液相與(yu)(yu)板式(shi)(shi)接觸更(geng)充分(fen)(fen)些），但是(shi)液氧循(xun)環倍率會減小，這(zhe)是(shi)不利的(de)地方(fang)。另外降(jiang)膜(mo)主冷的(de)板式(shi)(shi)也可傾(qing)斜，這(zhe)樣(yang)更(geng)有(you)利于增強(qiang)換(huan)(huan)熱(re)減小換(huan)(huan)熱(re)面積(ji)與(yu)(yu)控(kong)制循(xun)環倍率。
5.結束語(yu)
隨著我國冶(ye)金及化工行(xing)業的(de)發展，內(nei)壓縮空分設備(bei)的(de)應(ying)用(yong)(yong)也(ye)變得更(geng)加(jia)廣泛，其流程形式具(ju)有(you)多樣(yang)化的(de)特點，產(chan)品(pin)獲(huo)取(qu)方式可以有(you)多種，使(shi)得精餾與換熱要比傳統外壓縮要復雜許多，對于設計及運(yun)行(xing)操作(zuo)等(deng)方面的(de)理解與應(ying)用(yong)(yong)出(chu)現了新的(de)難題，這也(ye)是氣體分離行(xing)業發展的(de)一個(ge)瓶頸。內(nei)壓縮流程作(zuo)為(wei)新一代(dai)流程，應(ying)用(yong)(yong)40余年來，經(jing)過不斷(duan)地創新和發展，已經(jing)臻于(yu)成熟。
換熱與精餾(liu)是空(kong)(kong)分(fen)設(she)備的兩大主題(ti)，空(kong)(kong)分(fen)設(she)備低溫下(xia)(xia)的換熱型(xing)式，低溫下(xia)(xia)的精餾(liu)載體，其相(xiang)互影響(xiang)又相(xiang)互作用(yong)，而內壓縮空(kong)(kong)分(fen)流(liu)程(cheng)的自身包(bao)容性也(ye)使得這(zhe)些相(xiang)互影響(xiang)，相(xiang)互作用(yong)的因素又完美的結合在了一起，使得空(kong)(kong)分(fen)流(liu)程(cheng)不(bu)斷(duan)推陳出新，向前發展，或許這(zhe)正是內壓縮空(kong)(kong)分(fen)流(liu)程(cheng)的生命力之所在。