范浩建

（開(kāi)封空分集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 開(kāi)封 475001）

1 空分設(shè)備概述

1.1 空分裝置概念

空分裝置是指空氣分離的裝置?？辗盅b置主要是利用空氣中各種氣體的物理性質(zhì)的區(qū)別,采用一些特殊的方式進(jìn)行氧氣、氮?dú)狻⒑獾葰怏w的分離,一般采用吸附、膜分離以及冷凍等方式,分離效果較好。目前,大型煤化工行業(yè)進(jìn)行氧氣、液態(tài)氬及氮?dú)獾纳a(chǎn)普遍是采用深冷法?？辗之a(chǎn)品的應(yīng)用范圍較廣,被廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、石油等行業(yè)。

1.2 空分設(shè)備的液氮取出裝置介紹

空分設(shè)備一般能生產(chǎn)一定的液氧和液氮產(chǎn)品,存入液體貯存系統(tǒng)以備需要時(shí)使用?？辗衷O(shè)備包括上塔和下塔,上塔內(nèi)設(shè)置有液氮取出裝置。液氮產(chǎn)品的取出位置一般有兩種：一是從過(guò)冷器后的管道上直接取出；二是從液氮過(guò)冷器后的管道上取出后經(jīng)液氮量桶輸送至液體貯存系統(tǒng)。直接從過(guò)冷器后的管道取出時(shí),經(jīng)送出閥節(jié)流后會(huì)有一定的氣化率,這部分低溫氮?dú)鈱㈦S液氮一同進(jìn)入液氮貯槽,最后通過(guò)液氮貯槽頂部的氣體泄放裝置排入大氣,造成產(chǎn)品浪費(fèi)的同時(shí),低溫氣體直接排入大氣還將攜帶走少許冷量,是一種能源上的浪費(fèi)。

空分設(shè)備的液氮取出裝置包括液氮進(jìn)口接管、液氮出口接管、以及呈環(huán)形的液氮槽盤,液氮進(jìn)口接管和液氮出口接管相對(duì)布設(shè)在空分設(shè)備的上塔筒體側(cè)壁上,且液氮進(jìn)口接管的位置高于液氮出口接管的位置；液氮槽盤設(shè)置在液氮出口接管下部的上塔筒體內(nèi)壁上,其中,液氮通過(guò)液氮進(jìn)口接管流入液氮槽盤中,經(jīng)過(guò)液氮槽盤并由液氮出口接管流出。與液氮進(jìn)口接管對(duì)應(yīng)的上塔筒體內(nèi)壁上設(shè)置有擋液槽,擋液槽的出液口與液氮槽盤相對(duì)應(yīng)。擋液槽包括上弧板、下弧板和側(cè)擋板,擋液槽的左右兩出液口與液氮槽盤對(duì)應(yīng)。液氮槽盤包括固定設(shè)置在上塔筒體內(nèi)壁上的環(huán)形接液底盤、設(shè)置在環(huán)形接液底盤內(nèi)側(cè)的擋液堰、橫向跨設(shè)并連通設(shè)置在環(huán)形接液底盤上的降液槽和設(shè)置在降液槽上的至少一根降液管。降液槽的上沿高度小于等于擋液堰的上沿高度,降液管的上端部高于液氮出口接管的高度,且降液管的上端部低于降液槽和擋液槽的出液口的高度。液氮進(jìn)口接管和液氮出口接管以上塔筒體側(cè)壁上成夾角為α布置,其中,90°≤α≤180°。（見(jiàn)圖1,圖2）

圖1 原理結(jié)構(gòu)圖

圖2 液氮取出裝置示意圖

2 空分裝置設(shè)備布置時(shí)要考慮的因素

空分裝置主要由空壓站、空分空壓機(jī)系統(tǒng)、空分主裝置、液體貯罐區(qū)以及氮壓機(jī)廠房等部分組成,各組成部分間由內(nèi)管廊連接。布置空分裝置時(shí)需要考慮的因素有以下幾方面。

2.1 安全性方面要求

《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》（GB 16912-2008）以及《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50160-2008）明確規(guī)定,在布置空分裝置設(shè)備時(shí),應(yīng)該嚴(yán)格遵守規(guī)范,確保安全,具體的安全性要求如下。

（1）在對(duì)冷箱氧氮總放空塔進(jìn)行布置時(shí),可將其與氧氣閥門室相連,完成之后將其放置在裝置中比較空曠的地方。（2）對(duì)于氧氣調(diào)節(jié)閥組的設(shè)備布置,因?yàn)樽陨淼奶厥庑?需要獨(dú)立的閥門室或者防護(hù)墻。（3）對(duì)于氧壓機(jī),需要單獨(dú)設(shè)置氧壓機(jī)間,氧壓機(jī)和其他廠房之間用防火墻間隔開(kāi),若不能達(dá)到該要求,可將氮壓機(jī)和氧壓機(jī)放在一個(gè)廠房,并在兩者之間設(shè)置防火墻。（4）布置氧壓機(jī)、氨冷器及高壓氧放空閥時(shí),要根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置防爆墻。（5）布置氧氣（包括液氧）儲(chǔ)罐時(shí),要注意之間的防火間距。氧氣和氬氣以及氮?dú)鈨?chǔ)罐間的距離應(yīng)滿足實(shí)際要求,一般情況下不能小于2m。（6）在空分裝置中布置液氧貯槽、液氮貯槽以及液氬貯槽設(shè)備時(shí),應(yīng)將其盡量放在一起,并且根據(jù)實(shí)際工藝要求設(shè)置貯槽區(qū)防護(hù)圍欄。（7）為了方便統(tǒng)一管理,吹掃管路、排液及放空應(yīng)該集中進(jìn)行放空排放,采取集中治理措施。

2.2 符合工藝流程的設(shè)計(jì)要求

在進(jìn)行空分設(shè)備布置時(shí),不但要實(shí)現(xiàn)合理布置,并且要切實(shí)符合工藝流程的設(shè)計(jì)要求。在布置設(shè)備層高時(shí),要根據(jù)工藝流程的設(shè)計(jì)要求設(shè)置,有時(shí)候還要考慮風(fēng)向頻率以及地形情況,設(shè)備可以在廠房或者管廊上面的空間放置,在必要的時(shí)候可設(shè)置框架,框架要注意符合工藝流程的設(shè)計(jì)要求。

（1）在布置壓縮機(jī)時(shí),要預(yù)留一些位置用來(lái)放置空調(diào)機(jī)閥組以及進(jìn)出口氣路大管線上的閥組。（2）空氣過(guò)濾器的吸入口應(yīng)該遠(yuǎn)離二氧化碳?xì)怏w的排放口,布置在裝置全年最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)。如果空氣過(guò)濾器的吸入口離二氧化碳排氣口太近,時(shí)常吹來(lái)碳?xì)浠衔?情況比較嚴(yán)重的話可能使得空分裝置停車。（3）對(duì)于壓縮機(jī)油站設(shè)備的布置,應(yīng)該將其放在總回油管和壓縮機(jī)組總進(jìn)油的一端。此外,在廠房中應(yīng)將高位油箱和壓縮機(jī)油站放在同一側(cè)。（4）在進(jìn)行設(shè)備布置的時(shí)候,應(yīng)該先布置較大管道,通過(guò)計(jì)算應(yīng)力從而確定最終的設(shè)備布置,主要是因?yàn)橄穹肿雍Y系統(tǒng)管道等大管道具有機(jī)械應(yīng)力,要充分考慮這個(gè)問(wèn)題,以防以后進(jìn)行配管修改的時(shí)候?qū)υO(shè)備布置產(chǎn)生影響。（5）在進(jìn)行設(shè)備布置以及廠房布置的時(shí)候,由于空氣管道、氮?dú)庖约芭蛎洐C(jī)增壓端的進(jìn)口管的線上都有流量計(jì),一定要考慮流量計(jì)對(duì)于安裝距離的要求,最好剛開(kāi)始就大致布置下管道。（6）液體貯槽的基礎(chǔ)高度設(shè)置主要考慮滿足液體泵的凈正吸入壓頭,這樣能夠有效防止氣蝕情況的發(fā)生。（7）對(duì)于液體貯存管線的布置,可設(shè)置單獨(dú)的桁架跨至貯槽區(qū),盡量減小冷箱到貯槽區(qū)的距離,從而減少冷量的損失。

2.3 設(shè)備布置要滿足操作、施工、檢修等各方面的要求

在進(jìn)行空分裝置設(shè)備布置的時(shí)候,不僅要考慮方便操作者操作,還要考慮以后設(shè)備的維修和施工問(wèn)題,需要預(yù)留一定的空間方便操作。

（1）汽輪機(jī)表冷器上方一定要留充足的空間,這樣能夠使得位于表冷器下面的熱井抬起從而放到表冷器里面。（2）對(duì)于汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的空壓機(jī)增壓機(jī)廠房布置,可在二樓樓面上放置排氣安全閥以及兩級(jí)抽氣射氣裝置,這樣不僅方便操作和檢修,而且看著也比較美觀整潔。（3）壓縮機(jī)基礎(chǔ)表冷器附近的基礎(chǔ)柱間距需滿足表冷器循環(huán)水配管的空間要求。（4）壓縮機(jī)廠房進(jìn)行檢修吊車設(shè)置時(shí),要注意吊車軌頂?shù)母叨?它的高度主要是根據(jù)壓縮機(jī)尺寸以及最大檢修部件尺寸來(lái)進(jìn)行計(jì)算的,這點(diǎn)非常關(guān)鍵。（5）壓縮機(jī)廠房的安全出入口以及樓梯在進(jìn)行設(shè)備布置的時(shí)候,最重要的是一定要符合相關(guān)的規(guī)范要求。（6）分析小屋和控制室一定要注意遠(yuǎn)離震動(dòng)設(shè)備以及危險(xiǎn)區(qū),合理進(jìn)行位置設(shè)置。（7）對(duì)于壓縮機(jī)的高位油箱設(shè)置,要根據(jù)所處地區(qū)的天氣而定,在比較寒冷的地區(qū)要注意放在廠房?jī)?nèi)部,主要是為了避免放在外面被凍壞,而在南方的話,天氣溫暖則可以將高位油箱放在廠房外面。（8）在進(jìn)行二層壓縮機(jī)廠房布置時(shí),要注意設(shè)置檢修以及吊裝孔的區(qū)域。（9）在進(jìn)行設(shè)備布置的時(shí)候,為了方便后期操作及檢修,要在早期就將大管道閥組做好規(guī)劃、合理放置,切忌不要讓閥組堵塞設(shè)備檢修以及操作的通道,以免留下隱患。（10）對(duì)于壓縮機(jī)廠房吊車有操作室的情況,在設(shè)置吊車檢修平臺(tái)的時(shí)候,要注意吊車檢修平臺(tái)高度的設(shè)置,根據(jù)吊車的尺寸參數(shù)計(jì)算出平臺(tái)的高度。（11）凈空高度以及設(shè)備間距一定要注意合理設(shè)置,需要留有操作平臺(tái)和通道。（12）在進(jìn)行分子篩吸附器設(shè)備布置的時(shí)候,要注意考慮活性氧化鋁的卸料和裝填問(wèn)題,根據(jù)實(shí)際情況以及相關(guān)要求進(jìn)行合理設(shè)置。（13）在進(jìn)行設(shè)備布置的時(shí)候,要注意預(yù)留現(xiàn)場(chǎng)組裝大型設(shè)備以及吊裝主要設(shè)備所需要的場(chǎng)地,以免對(duì)后期產(chǎn)生影響。

2.4 進(jìn)行設(shè)備布置要講究經(jīng)濟(jì)合理

對(duì)于空分裝置的設(shè)備布置,不僅要考慮符合工藝要求,還要講究經(jīng)濟(jì)合理,減少投資、控制能耗,同時(shí)還要盡量減小占地面積,爭(zhēng)取將工程造價(jià)做到經(jīng)濟(jì)合理。

2.5 其他

（1）有些業(yè)主可能根據(jù)個(gè)人情況會(huì)提出特殊的要求,對(duì)此,還要滿足業(yè)主的要求。（2）要根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚯闆r而定,像是否進(jìn)行室內(nèi)布置主要是根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)沙、氣溫、降水等情況,有時(shí)候還要考慮一些特殊的要求進(jìn)行設(shè)置。（3）進(jìn)行設(shè)備布置的時(shí)候還要注意裝置的整齊美觀,進(jìn)行合理布置。

2.6 空分設(shè)備布置案例分析——以冷箱的布置設(shè)計(jì)為例

冷量損失能夠客觀反映空分設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),是衡量該設(shè)備穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。冷量損失越小,說(shuō)明空分設(shè)備的保冷能力及換熱效率越高,相應(yīng)的設(shè)備穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性也越高。冷量損失對(duì)空分設(shè)備而言,是不可避免的存在,它與空分設(shè)備自身的特性密切相關(guān)。盡管空分在設(shè)計(jì)之初會(huì)根據(jù)不同需求,采取不同的工藝流程,但冷量損失的形式基本相同,大致可以概括為以下三種：（1）熱交換不完全；（2）跑冷損失；（3）其他形式的冷量損失,如液體產(chǎn)品的生產(chǎn)及排放（液氧、液氮、液氬等）、閥門的泄露等。相比傳統(tǒng)冷箱,整裝空分冷箱安裝具有質(zhì)量?jī)?yōu)、現(xiàn)場(chǎng)安裝周期短等優(yōu)點(diǎn),因此相較于傳統(tǒng)的小格空分設(shè)備,當(dāng)前的空分設(shè)備逐漸向大型化發(fā)展,市場(chǎng)與部分特殊用戶均需要適用于大型空分設(shè)備的整裝冷箱。本文即以某10000m3/h空分設(shè)備為例,簡(jiǎn)要介紹某設(shè)備冷箱的設(shè)計(jì)特征與部分問(wèn)題的解決方法。本空分裝置工藝流程采用液氧泵內(nèi)壓縮流程：（1）空氣壓縮→（2）空氣預(yù)冷和純化系統(tǒng)→（3）熱交換和制冷→（4）空氣分離。

該空分設(shè)備為了達(dá)到運(yùn)輸要求,必須保證冷箱內(nèi)設(shè)備與管道的合理布局。按照塔器直徑以及高度,結(jié)合冷箱現(xiàn)有運(yùn)輸條件,綜合該設(shè)備工藝流程以及使用方對(duì)設(shè)計(jì)的要求,在設(shè)計(jì)期間不斷對(duì)冷箱予以優(yōu)化,最終確定設(shè)備按照如下條件布置。

第一,上塔、下塔與主冷組合；粗氬冷凝設(shè)備同粗氬塔組合；精氬冷凝設(shè)備與精氬蒸發(fā)設(shè)備組合；設(shè)備布置于主冷箱位置,主冷箱規(guī)格為6300mm×4500mm×60000mm。第二,主冷箱側(cè)面作為運(yùn)輸面,冷箱內(nèi)閥門全部置于冷箱正面或是背面。第三,主換熱設(shè)備、過(guò)冷設(shè)備、液氧蒸發(fā)設(shè)備均置于副冷箱內(nèi),副冷箱規(guī)格為6300mm×3500mm×18000mm。第四,副冷箱側(cè)面作為運(yùn)輸面,副冷箱內(nèi)閥門全部置于冷箱正面或是背面。第五,主冷箱的側(cè)面與背面各自配置兩個(gè)液氧泵冷箱與液氬泵冷箱,副冷箱側(cè)面配置膨脹機(jī)過(guò)橋冷箱,主、副冷箱利用過(guò)橋冷箱實(shí)現(xiàn)連接。

3 結(jié)論

如今,空分單套裝置產(chǎn)氧量越來(lái)越大,空分裝置的管道設(shè)計(jì)布置以及設(shè)備布置在進(jìn)行空分工程設(shè)計(jì)時(shí)占據(jù)著越來(lái)越重要的地位?？辗衷O(shè)備以及管道布置是非常復(fù)雜的,需要結(jié)合很多專業(yè)知識(shí),具有一定的技術(shù)含量,這就需要工程設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工作中長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累。想要完成一個(gè)設(shè)計(jì)比較好的空分裝置和管道布置,需要空分設(shè)計(jì)人員刻苦、細(xì)致的思考勞動(dòng),達(dá)到創(chuàng)造效益,為用戶節(jié)約投資的目的。