鄭紅飛 梅小闖

摘要：本文在介紹空分裝置以及空分裝置原理的基礎(chǔ)上，從流程投資效能、安全性、資源能耗以及經(jīng)濟效益等方面，對空分設(shè)備采用的外壓縮流程和內(nèi)壓縮流程進行比較。

關(guān)鍵詞：空分裝置；外壓縮流程；內(nèi)壓縮流程；選擇分析

引言

就目前技術(shù)而言，在流程選擇上，空分設(shè)備有外壓縮流程和內(nèi)壓縮流程兩種形式?？辗衷O(shè)備涉及到的技術(shù)有低壓分子篩凈化、規(guī)整填料上塔、增壓透平膨脹機制冷，以及全精餾無氫制氬等新技術(shù)，其中，在氧氣的壓縮方式上有所區(qū)分，一個是經(jīng)過氧壓機壓縮后，空分設(shè)備的低壓氧氣送往用戶；另一個是由液氧泵壓縮、經(jīng)換熱器復(fù)熱汽化后，抽取主冷液氧送往用戶，因此，在實際工藝選擇中，要對外壓縮流程和內(nèi)壓縮流程進行選擇。

1空分裝置

空分裝置一般由分子篩吸附器、換熱器、精餾塔、空氣冷卻塔等組成。通過采用深冷技術(shù)，空分裝置在相同壓力下，利用氧、氮氣體不同的沸點進行氣體的分離，然后提取空氣中氧、氮及其它氣體組分。目前在氧氣的壓縮方式的它不同，空分裝置工藝流程分為內(nèi)壓縮流程和外壓縮流程?？辗盅b置工藝原理較為復(fù)雜，一般包含空氣及其組分在低溫下的傳熱和傳質(zhì)過程、低溫時的熱力性質(zhì)、空氣凈化和低溫精餾原理。

凈化后的空氣進入分餾塔，經(jīng)主換熱器與返流的污氮和產(chǎn)品氧氣、氮氣進行熱交換，冷卻后一小部分液化，汽液混合的空氣經(jīng)節(jié)流至0.55MPa的壓力進入下塔進行精餾，在下塔頂部得到99.999%的純氮氣再進入主冷被上塔的液氧蒸發(fā)所冷凝為液氮，部分液氮回下塔做為回流液，其余液氮經(jīng)過冷后節(jié)流進入在上塔頂部噴淋。下塔釜液是含氧38%的液空，經(jīng)液空過冷器后進入上塔中部參加精餾，同時在下塔中部抽取一股污液氮節(jié)流后也進入上塔做為回流液。

從主換熱器中部抽取部分空氣進入透平膨脹機進行絕熱膨脹，產(chǎn)生設(shè)備運轉(zhuǎn)時所需大部分冷量，膨脹后的空氣經(jīng)熱虹吸換熱器消除部分過熱度后進入上塔中部參加精餾。

以不同狀態(tài)的四種流體進入上塔經(jīng)再分離后，在上塔頂部得到1400Nm3/h含O2≤5PPm的高純氮氣，經(jīng)液氮過冷器，主換熱器復(fù)熱至約9℃后出分餾塔，上塔底部液氧在主冷中吸收下塔氣氮冷凝時放出的熱量而蒸發(fā)，其中800Nm3/h純度為含氧99.6%的氧氣經(jīng)主換熱器復(fù)熱至約9℃后出分餾塔，其余部分做為上升蒸汽參加精餾，上塔上部尚有2800Nm3/h含氧7.55%的污氮氣抽出，經(jīng)液空過冷器，經(jīng)主換熱器復(fù)熱后出分餾塔去純化系統(tǒng)再生分子篩吸附器后放空。

從主冷底部抽取50L/h液氧進入氧液體量筒，汽液分離，積滿量筒后迅速充入氧低溫液體儲槽。制取液氮工況時，從液氮過冷器后抽取50L/h液氮進入氮液體量筒，積滿量筒后迅速充入氮低溫液體儲槽，以備當空分裝置故障停車時，增加壓力汽化后向用戶提供氣氮產(chǎn)品。

2空分裝置原理

空氣主要是由78.03%的氮氣和20.93%的氧氣及其它氣體混合而成?？諝夥蛛x就是先使空氣冷卻到一定的低溫，而使其液化成為液態(tài)空氣。再利用氧和氮兩種液體的沸點不同（在大氣壓力下，氧的沸點為﹣183.98℃，而氮的沸點為﹣195.8℃），在裝有篩板的空分塔內(nèi)進行分離?？辗炙址Q之為精餾塔。空氣精餾塔一般可分為單級精餾塔和雙級精餾塔，單級精餾塔只能制取一種純產(chǎn)品。洗滌劑化工廠空分裝置采用雙級精餾塔制取高純度的氮氣和氧氣。氮氣供全廠各用戶，氧氣供脂肪醇。

所謂精餾，就是同時并多次地運用部分蒸發(fā)與部分冷凝的過程。壓縮并經(jīng)冷卻到冷凝溫度的液態(tài)空氣進入精餾塔后，在塔內(nèi)氣化空氣自下而上地穿過每塊塔板與塔板上的液體接觸，這樣氣體中的氧逐步冷凝到液體中去，而液體中的氮便蒸發(fā)到氣體中去，每經(jīng)過一塊塔板，氣體中的氮濃度便提高一次，這樣經(jīng)過多層塔板（只要塔板數(shù)足夠多），在塔的上部便得到純度為99.99%以上的高純度氮氣，在塔底便可得到氧純度（30～38%）較高的液體，稱之為富氧空氣。富氧空氣再經(jīng)過精餾塔，在上塔的底部可得到純度為99.2～99.8%的氧氣。

3空分裝置工藝流程的選擇

現(xiàn)階段在氧氣的壓縮方式與其它不同，空分裝置工藝流程分為內(nèi)壓縮流程和外壓縮流程。下面針對這兩種工藝分別進行介紹。

3.1外壓縮流程工藝

下圖為外壓縮流程的空分裝置流程示意圖：

空氣吸入塔負責將空氣吸入，然后經(jīng)過一系列的過濾和壓縮過程進入空氣預(yù)冷塔進行預(yù)冷處理（一般采用冷卻水進行），空氣在經(jīng)過冷卻后被送入MS系統(tǒng)（分子篩純化系統(tǒng)）。經(jīng)過分子篩吸附器凈化后，空氣中的水分、CO2和碳氫化合物被去除，然后這部分空氣又被分為兩份，一部分在與產(chǎn)品氧、氮換熱后，進入分餾塔下塔；一部分經(jīng)主換熱器、膨脹機系統(tǒng)后進入空分塔。經(jīng)前面工段加壓、凈化、預(yù)冷，在分餾塔系統(tǒng)中，將進一步分離空氣離，最終得到氧氣和氮氣。壓縮機系統(tǒng)壓縮后，這部分的氧氣和氮氣將會提供給其它工段使用。

3.2內(nèi)壓縮流程工藝

下圖為內(nèi)壓縮流程的空分裝置流程示意圖：

空氣在進入空氣吸入塔，經(jīng)過過濾、壓縮機、進入空氣預(yù)冷塔，然后再用冷卻水預(yù)冷處理送入MS系統(tǒng)，這部分空氣經(jīng)凈化后，水分、CO2和碳氫化合物被去除，然后處理得到的空氣被分為兩部分，這些工作流程與外壓縮流程工藝基本相同。但是不同的是經(jīng)前面工段加壓、凈化、預(yù)冷得到氧氣和氮氣，其中液氧經(jīng)液氧泵后進主換熱器換熱后可直接送氧用戶。氮氣通過進一步壓縮處理后，一般可以再次提供給空分裝置的其它工段使用。

3.3流程比較

就兩者工藝流程使用的裝置而言，氧內(nèi)壓縮流程增加了2臺液氧泵、1臺增壓機；外壓縮流程增加了1臺氧氣透平壓縮機。氧內(nèi)壓縮流程與氧外壓縮流程相比，前者維修工作量極少，高壓液氧泵操作方便，無高溫氣氧，取消了氧壓機，安全性好，火險隱患小。但是，內(nèi)壓縮流程冷箱設(shè)備提出了更高的要求，它使得冷箱壓力升高；與常規(guī)外壓縮流程相比，按相同產(chǎn)品工況比較，內(nèi)壓縮流程的單位產(chǎn)品能耗要約高3%～7%。

4需求分析

空分裝置各工段的生產(chǎn)裝置控制點較多，工藝流程比較復(fù)雜，如空壓機、膨脹機、精餾塔等相互制約、多彼此關(guān)聯(lián)，給過程控制提出了較高的要求。

由于空分裝置存在各單元部機間聯(lián)系密切，流程復(fù)雜，整個過程的精餾系統(tǒng)的冷凝器連接上下塔，使上下塔之間物料流和能量流相互影響，不僅在物料上相互聯(lián)接，在能量平衡上相互制約，又聯(lián)成一體。同時，簡單的單回路控制不能使裝置運行在最佳狀態(tài)，因?qū)Ω鹘M分的純度要求，空分裝置有一定的限制，故整個系統(tǒng)的控制較為復(fù)雜。各空分設(shè)備制造廠家及使用廠家在應(yīng)對目前激烈的市場競爭中，應(yīng)進一步發(fā)掘設(shè)備潛力，積極尋求更先進的控制系統(tǒng)，達到節(jié)能降耗、各種自動化裝置更具智能化、最佳操作化的目的，提高產(chǎn)量的目的。

在空分裝置生產(chǎn)過程中，當空分裝置負荷需求出現(xiàn)大幅度變動時，生產(chǎn)能力不可能在短時間內(nèi)快速提高或降低，容易造成大量的能耗與經(jīng)濟損失；實際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)氧氣放散或供不應(yīng)求的現(xiàn)象，又會進一步影響了后續(xù)工業(yè)過程的生產(chǎn)。另外，由于空分裝置主要為其它工業(yè)過程提供氧氣、氮氣等產(chǎn)品，因此其生產(chǎn)負荷受到后續(xù)工業(yè)過程對氧氣、氮氣需求量變化的影響。因此迫切需要根據(jù)用戶用氧量的變化自動調(diào)節(jié)生產(chǎn)運行工況，也就失其實際生產(chǎn)特點，開發(fā)一套自動變負荷生產(chǎn)控制技術(shù)，以降低氧氣放散量和減少電耗（汽耗），實現(xiàn)各項參數(shù)在自動控制過程中向最佳點逼近，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低勞動強度。

5結(jié)束語

在空分裝置上對常規(guī)控制進行優(yōu)化，實施多變量預(yù)測控制以及自動變負荷控制，能夠減少干擾，優(yōu)化裝置的運行，降低能耗，進一步提高生產(chǎn)操作控制和管理水平。

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