郭　震（兗礦集團(tuán)內(nèi)蒙古榮信化工有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市 017000）

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深冷空氣分離裝置工藝特點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則探究

郭震（兗礦集團(tuán)內(nèi)蒙古榮信化工有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市 017000）

深冷空氣分離法（以下簡(jiǎn)稱深冷法）是利用空氣中各組分沸點(diǎn)的不同，將空氣中的氧氣、氮?dú)庖约捌渌南∮袣怏w進(jìn)行分離。本文主要對(duì)深冷空分裝置工藝的基本概述以及空分裝置工藝的基本流程和特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，并提出了相關(guān)的設(shè)計(jì)原則，以期為相關(guān)人員提供參考。

空分裝置；工藝特點(diǎn)；設(shè)計(jì)原則

1　引言

深冷法空分裝置制氧設(shè)備中使用的是一套的填料塔、液體泵內(nèi)壓縮以及前段預(yù)凈化流程，使用常溫分子篩預(yù)凈化，空氣增壓透平膨脹機(jī)提供裝置所需的冷量，從而形成空氣增壓膨脹、雙塔精餾、內(nèi)壓縮的一種流程。

2　空分裝置工藝的基本概述

空分裝置能夠?yàn)闅饣b置提供生產(chǎn)過程中所需要的中壓純度較高的氧氣，為生產(chǎn)裝置提供密封、置換以及吹掃時(shí)所需要的中低壓氮?dú)?，并產(chǎn)出液氧、液氮以及其他稀有氣體產(chǎn)品。另外，空分裝置配套的空壓站系統(tǒng)可為全廠提供儀表空氣，密封氣以及工廠空氣。由于空分產(chǎn)品在石油、化工、冶金、醫(yī)藥等各行各業(yè)被廣泛的應(yīng)用，因此是具有廣闊發(fā)展前景的行業(yè)。

3　空分裝置工藝的基本流程

空分設(shè)備使用的是分子篩吸附預(yù)凈化、增壓透平膨脹機(jī)以及液體泵內(nèi)壓縮工藝，其整套設(shè)備主要包含有以下幾個(gè)系統(tǒng)：①空氣過濾壓縮系統(tǒng)；②空氣預(yù)冷系統(tǒng)；③分子篩純化系統(tǒng)；④精餾塔系統(tǒng)；⑤液體貯存及汽化系統(tǒng)；⑥儀控系統(tǒng)；⑦電控系統(tǒng)等。主要的工藝流程如下所述：

3.1空氣的過濾和壓縮

空氣首先會(huì)進(jìn)入到自潔式空氣吸入過濾器，而空氣過濾器會(huì)將吸入到的灰塵以及其它顆粒雜質(zhì)過濾掉，而后進(jìn)入到空壓機(jī)，在多級(jí)壓縮后會(huì)進(jìn)入到空冷塔中，冷卻器中的冷卻水會(huì)帶走壓縮機(jī)級(jí)間產(chǎn)生的熱量。

3.2空氣的預(yù)冷和純化

空氣在進(jìn)入到分子篩吸附器前會(huì)事先在空冷塔中進(jìn)行冷卻，進(jìn)入空冷塔的水有兩部分，中部是循環(huán)水，頂部是經(jīng)過氮水冷卻塔冷卻后的冷凍水，從而能夠有效降低空氣的溫度，以及減少空氣中水分的含量，最終能夠減輕分子篩吸附器的工作負(fù)荷，并對(duì)空氣起到一定的洗滌作用。而從空氣預(yù)冷系統(tǒng)冷卻后的空氣會(huì)進(jìn)入到分子篩吸附器中，它能夠?qū)⒖諝庵械乃?、二氧化碳、碳?xì)浠衔锏热コ?，得到純化后的空氣，此系統(tǒng)就是所謂的空氣純化系統(tǒng)。

3.3空氣的精餾

一般將出吸附器的空氣分成兩個(gè)部分，即：①直接進(jìn)入到污氮換熱器，經(jīng)冷卻后進(jìn)入下塔；②通過空氣增壓機(jī)進(jìn)一步進(jìn)行壓縮，而后將膨脹機(jī)增壓端進(jìn)行增壓壓縮后的一股氣流，經(jīng)由后冷卻器進(jìn)行冷卻，而后進(jìn)入到主換熱器進(jìn)行冷卻，再經(jīng)由氣體膨脹機(jī)進(jìn)行膨脹，最終進(jìn)入下塔；增壓機(jī)的末級(jí)空氣送入冷箱，再經(jīng)主換熱器進(jìn)行冷卻后，經(jīng)由液體膨脹機(jī)進(jìn)入下塔。下塔中的上升氣體在與回流的液體發(fā)生接觸后，其含氮量會(huì)有所增加，下塔頂部的冷凝蒸發(fā)器會(huì)將純氮?dú)饫淠?，液氧?huì)在此環(huán)節(jié)中有所蒸發(fā)。

純液氮、純氮?dú)?、污液氮、貧液空以及富氧液空?huì)從下塔從上到下產(chǎn)生，其中純液氮主要為下塔提供回流液，另外一部分經(jīng)過過冷器則作為產(chǎn)品送出；而純氮?dú)鈩t經(jīng)主換熱器重新復(fù)熱后作為產(chǎn)品氮?dú)?；污液氮?jīng)由過冷器冷卻后流向上塔頂部，并作為上塔回流液；富氧液空經(jīng)由冷卻器冷卻后去往上塔上部，并作為上塔的回流液。

當(dāng)上塔頂部有污氮?dú)猱a(chǎn)生后，底部會(huì)有液氧產(chǎn)生，此時(shí)上塔中不同產(chǎn)品的去向也發(fā)生了變化，具體如下所述：從上塔頂部抽出污氮?dú)夂?，?jīng)由冷卻器以及主換熱器污氮換熱器復(fù)熱出冷箱，一部分被當(dāng)做純化系統(tǒng)的再生氣體，另外一部分則去氮水冷卻塔；從上塔底部將液氧抽出，經(jīng)由液氧泵進(jìn)行壓縮，直至壓力與所要求的壓力相同，而后被送到主換熱器中通過與正流空氣中進(jìn)行熱交換，從而得到壓力較高的氧氣，另有部分液氧會(huì)被作為產(chǎn)品送出冷箱外。

4　空分裝置的特點(diǎn)

4.1流程特點(diǎn)

空分裝置采用液氧內(nèi)壓縮、空氣膨脹流程，具有安全性好、可靠性高、操作維護(hù)方便、投資成本低、配置更合理的特點(diǎn)。

4.2成套設(shè)備機(jī)組特點(diǎn)

（1）脈沖反吹自潔式空氣過濾器

脈沖反吹自潔式空氣過濾器的主要部件包括：空氣濾筒、脈沖反吹系統(tǒng)、凈氣室、框架、控制系統(tǒng)。反吹系統(tǒng)由氣動(dòng)隔膜閥、電磁閥、專用噴嘴及壓縮空氣管路組成。控制系統(tǒng)主要由脈沖控制儀、差壓變送器、控制電路等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　自潔式空氣過濾器自動(dòng)反吹過濾系統(tǒng)

自潔式空氣過濾器的凈氣室出口與空壓機(jī)入口連接，在負(fù)壓的作用下，從大氣中吸入加工空氣。空氣經(jīng)過過濾筒，灰塵被濾料阻擋。無(wú)數(shù)小顆粒粉塵在濾料的迎風(fēng)表面形成一層塵膜。塵膜可使過濾效果有所提高，同時(shí)也使氣流阻力增大。

（2）預(yù)冷系統(tǒng)

采用水和空氣直接接觸式的空冷塔，既降低空氣溫度，改善分子篩的工作環(huán)境，同時(shí)又洗滌空氣中的機(jī)械雜質(zhì)和酸性氣體。利用效率高，阻力小的散裝填料塔，不但能夠有效確保塔的換熱性能，還能夠有效降低阻力，使得空壓機(jī)出口的壓力極大的降低，最終起到降低能耗的作用。液體的分布裝置使用的分布器較為新型、高效，能夠?qū)⑺浞值呐c空氣接觸，確保塔的熱換性能，使得冷凍水量有所降低，最終實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的。氮水冷卻塔使用的散裝填料塔較為高效，且能夠?qū)⑽鄣睦淞窟M(jìn)行充分的回收。使用的冷凍水泵以及冷卻水泵均采用一用一備的方式，從而有效確保裝置的可靠性。

（3）純化系統(tǒng)

分子篩吸附器使用了活性氧化鋁和分子篩構(gòu)成的雙層床結(jié)構(gòu)，底層的活性氧化鋁床層能夠?qū)Ψ肿雍Y進(jìn)行有效的保護(hù)，使得分子篩的使用壽命有所延長(zhǎng)，利用雙層床能夠有效降低吸附器的再生阻力，降低其再生溫度，大大的節(jié)省了再生能耗。

純化系統(tǒng)閥門主要由三桿閥控制，每個(gè)閥門都有開關(guān)兩個(gè)信號(hào)，而且均有開關(guān)狀態(tài)回饋，如果閥門卡死在中間狀態(tài)或在切換過程中，操作員可以根據(jù)生產(chǎn)需要選擇暫停自動(dòng)控制程序，使所有閥門保持在該操作狀態(tài)不變化，也可以恢復(fù)運(yùn)行自動(dòng)控制程序，讓純化系統(tǒng)繼續(xù)投入正常工作時(shí)序。

分子篩純化系統(tǒng)使用的是長(zhǎng)周期設(shè)計(jì)的方式，單個(gè)吸附器吸附的時(shí)間為4h，能夠有效延長(zhǎng)分子篩以及閥門的使用壽命，切換所造成的損失也會(huì)減小，同時(shí)將切換而引起的壓力波動(dòng)次數(shù)有所降低，確保主塔工況足夠的穩(wěn)定。

分子篩的切換系統(tǒng)主要使用無(wú)沖擊切換方式，利用帶調(diào)速器的切換閥，確保閥門的開關(guān)較為緩慢，勻速進(jìn)行切換；均壓閥使用的是正反流通能力相近的且具備良好調(diào)節(jié)性能的進(jìn)口閥門，采用分程控制的原則，確保裝置充氣過程足夠的平穩(wěn)，工況的相對(duì)穩(wěn)定；污氮放空閥使用的預(yù)開放式，避免上塔出現(xiàn)“憋壓”的問題。切換系統(tǒng)使用DCS自動(dòng)控制方式，其中包含有壓力壓差進(jìn)行自動(dòng)判斷，與閥位反饋信號(hào)進(jìn)行有效配合，能夠使得切換系統(tǒng)的可靠性得到保障。

（4）精餾塔系統(tǒng)

精餾塔系統(tǒng)主要分為上塔、下塔和冷凝蒸發(fā)器。上塔采用規(guī)整填料，可以提高效率，降低空壓機(jī)排壓，提高裝置提取率，降低能耗。下塔采用高效篩板塔，可以節(jié)省投資。冷凝蒸發(fā)器常見的型式有板翅式和管式兩種，因板翅式冷凝蒸發(fā)器采用的是全鋁結(jié)構(gòu)，主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小，而且制造容易，因此，在大中型空分設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。

待分離的原料進(jìn)入上塔，進(jìn)料板以上為精餾段，以下為提餾段。其中精餾段所起的作用是將上升汽相中的重組份不斷冷凝分離，汽相中輕組份不斷提純。提餾段的作用是將下流液相中輕組份不斷汽化分離，液相中重組份不斷提純。冷凝蒸發(fā)器則是聯(lián)系上塔和下塔的紐帶，它用于上塔底部的液氧和下塔頂部的氣氮之間的熱交換。液氧在冷凝蒸發(fā)器中吸收熱量而蒸發(fā)為氣氧，作為上塔的上升蒸氣；氣氮在冷凝蒸發(fā)器中放出熱量而冷凝成液氮，作為下塔的下流液體。通過精餾，實(shí)現(xiàn)了空氣的分離。

（5）控制系統(tǒng)

空分裝置采用DCS集散型控制系統(tǒng)。結(jié)合選用國(guó)際先進(jìn)的DCS系統(tǒng)、調(diào)節(jié)閥、在線分析儀等測(cè)控組件，除了確保空分裝置的正常運(yùn)行外，還可以在裝置出現(xiàn)事故停車時(shí)保證設(shè)備安全。

5　設(shè)計(jì)原則

5.1裝置布置的原則

為了有效滿足裝置的總體規(guī)劃要求，確保裝置以及布置能夠協(xié)調(diào)統(tǒng)一，對(duì)裝置未來(lái)的生產(chǎn)以及技術(shù)改造的相關(guān)要求進(jìn)行考慮，確定設(shè)備、設(shè)施以及建筑物的相對(duì)位置時(shí)，要按照風(fēng)向等條件進(jìn)行確定，決定零點(diǎn)標(biāo)高和絕對(duì)標(biāo)高之間的關(guān)系。而在確定是否需要進(jìn)行室內(nèi)布置時(shí)，則需要按照氣溫、降水量、風(fēng)沙等氣候條件以及生產(chǎn)過程或某些設(shè)備的特殊需求進(jìn)行確定。按照地質(zhì)條件，對(duì)重荷載和有振動(dòng)的設(shè)備進(jìn)行合理布置，要確保安裝的管道足夠的合理經(jīng)濟(jì)，較好的節(jié)省用地，降低能耗，便于施工、操作以及維修，對(duì)環(huán)境形成保護(hù)。

5.2冷箱內(nèi)配管的原則

（1）配管前，應(yīng)加工焊縫坡口，管件應(yīng)清洗潔凈，并應(yīng)嚴(yán)格脫脂。

（2）配管的順序應(yīng)為先大管、后小管，先主管、后輔管，先下部管，后上部管。為了防止產(chǎn)生外加應(yīng)力，不得強(qiáng)行配管；直徑大于45mm的管道進(jìn)行配接或預(yù)裝時(shí)，應(yīng)留一段作為最終接管，待其他管道連接焊好后方可單獨(dú)接管。

（3）管路上的溫度計(jì)、壓力表和分析管等接頭應(yīng)先開口，不得在配管后再開口；施工中，各容器和管道的開口應(yīng)封閉，防止雜物掉進(jìn)設(shè)備和管道內(nèi)。

（4）各管路不應(yīng)相碰，其管間的最小距離應(yīng)符合下列要求：

①冷熱管道的外壁間距不應(yīng)小于200mm；②熱管道外壁距液體容器表面的間距不應(yīng)小于300mm；③冷管道外壁距保冷箱面板的間距不應(yīng)小于400mm；④冷管道外壁距分餾塔基礎(chǔ)表面的間距不應(yīng)小于300mm。

（5）氣體吹除管的坡度應(yīng)符合設(shè)備技術(shù)文件的規(guī)定；當(dāng)無(wú)規(guī)定時(shí)，應(yīng)設(shè)1/10的坡度向吹除閥方向下降傾斜，并應(yīng)無(wú)下凹死區(qū)，防止水分在管內(nèi)凍結(jié)。

5.3閥門配置的原則

閥門安裝前需進(jìn)行脫脂清洗，務(wù)必按介質(zhì)流向安裝閥門，冷箱內(nèi)的閥門安裝位置能使閥門手輪中心與地面或平臺(tái)面的距離為1200mm左右，必要時(shí)閥門應(yīng)裝有伸長(zhǎng)桿，閥門填料壓蓋和緊固件應(yīng)采用不銹鋼材質(zhì)。

6　結(jié)語(yǔ)

總而言之，市場(chǎng)的主要選擇依舊是低能耗、高效能以及安全生產(chǎn)的空分裝置，利用對(duì)現(xiàn)階段空分技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對(duì)國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的空分技術(shù)進(jìn)行比較，空分技術(shù)在工藝流程方面和設(shè)備選擇方面都有較好的發(fā)展。

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郭 震（1988-），男，助理工程師，本科，主要從事空分車間運(yùn)行工作。

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2095-2066（2016）17-0245-02

2016-6-2