空氣分離整體工藝的發(fā)展及優(yōu)化

摘要：隨著我國化工行業(yè)的迅速發(fā)展，對空氣分離工藝的要求也越來越高，特別是近二十年空分技術(shù)的發(fā)展日新月異，逐步進入節(jié)能環(huán)保發(fā)展階段，通過引進和借鑒國外先進技術(shù)，自主研發(fā)，不斷取得技術(shù)上的突破。

關(guān)鍵詞：空氣分離 工藝流程 節(jié)能

1 空氣分離系統(tǒng)發(fā)展概況

因生產(chǎn)生活需要，利用空氣中各組分物理性質(zhì)不同，把氧氣、氮氣等從空氣中分離出來的過程稱為空氣分離，簡稱空分?？諝庵饕傻獨?、氧氣、氬氣組成，還含有一定的灰塵、水蒸氣、硫化物以及氮氧化物等微量雜質(zhì)，氮氣含量約為78%、氧氣含量約為21%、其他氣體約為1%，想要分離某種氣體的產(chǎn)量和純度成為選擇工藝方法的主要依據(jù)?？諝夥蛛x方法可以分為非低溫和低溫兩種，變壓吸附、膜分離、化學(xué)分離等為非低溫法，低溫精餾法為低溫法。變壓吸附法是利用充填有分子篩的吸附塔對不同分子有選擇性吸附將空氣分離。分子篩達到飽和時需要對其進行再生，因此一般最少需要兩個吸附塔交替使用，分子篩的再生可用加熱法或者降壓法。壓力吸附法所得產(chǎn)品氧純度不高，為93%左右，且制氧量有限。膜分離法是空氣通過具有滲透選擇性的有機聚合膜時，氧氣和氮氣穿過薄膜的速度不同，氧氣是氮氣的4-5倍，來實現(xiàn)氧氮分離。膜分離法具有設(shè)備簡單，操作方便，易于管理等優(yōu)點，但是氧氣濃度很低，在28%-35%左右，制氧量很低。低溫精餾法的主要工作原理是將空氣除去雜質(zhì)并液化冷卻后，根據(jù)各成分沸點不同經(jīng)過精餾分離，實現(xiàn)氧氮分離的效果。低溫精餾法多的氧氣純度大于99.6%，氮氣純度約99.9%，且產(chǎn)氣量較大，是目前國內(nèi)大型空分的主要技術(shù)。

1903年，德國林德采用高壓節(jié)流技術(shù)，發(fā)明了世界第一臺制氧機。1906年，德國海蘭特用高壓膨脹機來液化空氣和生產(chǎn)液氧。1924年，德國法蘭克爾提出在中大型空分設(shè)備上采用金屬填料的蓄冷器代替熱交換器，是大規(guī)模氣體液化與分離方面的一個重要進展。20世紀70年代后，隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟的不斷發(fā)展進步，精餾塔、水冷塔和其他設(shè)施得到不同程度改進，在滿足生產(chǎn)需要的同時更加注重安全、節(jié)能和整體優(yōu)化。

新中國成立后，國民經(jīng)濟得到迅速發(fā)展，工業(yè)用氧困難的問題日漸突出，我國空分研究始于1955年，1978年引進德國林德公司的空分設(shè)計制造技術(shù)，在此后的研究中，除了單機組和單元設(shè)備上有所改進外整體沒有明顯進步。自1992年起，國內(nèi)開始了解和跟蹤國外的規(guī)整填料上塔和全精餾制氬技術(shù)，1997年開封空分設(shè)備集團采用全精餾制氬技術(shù)，促進了新技術(shù)的推廣應(yīng)用，一定程度縮小了我國與國外的技術(shù)差距。

2 空分整體工藝流程

原料空氣是含塵氣體，經(jīng)過自潔式空氣過濾器，除去灰塵及機械雜質(zhì)，溫度沒有變化，為環(huán)境溫度。過濾后空氣進入透平壓縮機，將氣體壓力增大至0.5825MPa（A）左右，溫度隨之增大，氣體被通入空氣冷卻塔進行冷卻操作?？諝庾陨隙麓┻^空冷塔，空氣冷卻塔的冷卻水分上、下段進入，下段為工程冷卻水，上段為來自水冷塔的冷凍水，空氣除冷卻外還除去一部分硫化物和雜質(zhì)，氣體溫度降至-18.5℃。隨后，空氣開始通過分子篩純化器，經(jīng)分子篩的吸附，除去其中因冷卻而產(chǎn)生的水分、二氧化碳、部分碳氫化合物等成分。分子篩純化器為兩只切換使用，其中一只工作時，另一只再生，定時自動切換。空氣經(jīng)分子篩純化器時由于分子篩的吸附熱溫度升至26℃。經(jīng)吸附后的空氣分為兩股，一股空氣直接進入低壓換熱器，在低壓換熱器中與反流污氮換熱冷卻，使空氣達到接近液化溫度約-173.5℃，進入精餾塔下塔中。另一股空氣進入空氣增壓機中壓縮，從增壓機的一級抽出2000Nm3/h作為儀表空氣送用戶；從增壓機的一段抽出一股空氣，從中抽量2.2MPa（A）去膨脹機增壓端，增壓后進入高壓換熱器，在高壓換熱器內(nèi)被反流冷氣體及壓力液氧、液氮液冷卻至-120℃左右，進入膨脹機膨脹制冷，出膨脹機氣體進入精餾塔下塔中；增壓機末級的壓縮空氣進入高壓換熱器，在高壓換熱器內(nèi)被反流冷氣體及壓力液氧、液氮液化，然后經(jīng)過節(jié)流進入氣液分離器，出氣液分離器的空氣和一部分液空進入精餾塔下塔中，另一部分液空進入過濾器過冷后進入精餾塔上塔中。

在精餾塔下塔中，空氣被初步分離成氮氣和富氧液空，頂部氣氮在主冷凝器中液化，同時主冷的低壓側(cè)液氧被氣化，被冷凝下來的液氮一部分作為下塔回流液，其余從下塔頂部引出。從下塔頂部引出的液氮一部分經(jīng)液氮液空過冷器被污氣氮過冷后作為產(chǎn)品送至液體貯存系統(tǒng)，另一部分經(jīng)液氮泵加壓，經(jīng)高壓換熱器復(fù)熱后以5.5MPa（G）的壓力作為產(chǎn)品氮氣出冷箱。從精餾塔下塔中部引出的污液氮，經(jīng)過冷卻器過冷后節(jié)流送入精餾塔上塔頂部作為上塔的回流液。從下塔頂部抽出壓力氮氣，經(jīng)高壓換熱器復(fù)熱后作為氮氣產(chǎn)品輸出。液氧從主冷凝蒸發(fā)器抽出，一部分經(jīng)過液氮液空冷器過冷后作為液氧產(chǎn)品送用戶，另一部分經(jīng)液氧泵加壓，經(jīng)過高壓換熱器復(fù)熱后以6.0MPa（G）的壓力作為產(chǎn)品氧氣出冷箱。污氮氣從上塔上部引出，經(jīng)過冷器及高低壓換熱器復(fù)熱后出冷箱，部分作為分子篩純化器的再生氣體，另一部分進入水冷塔預(yù)冷空冷塔的上部用水。

3 流程特點

3.1 流程裝置：本流程采用分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機、規(guī)整填料塔（上塔、下塔）、氧氣內(nèi)壓縮、氮氣內(nèi)壓縮的雙泵輸送工藝流程。其中分子篩純化器采用立式徑向流雙層床，不但大大降低了床層阻力，空壓機消耗在吸附器上的能耗也可節(jié)省15%-20%；透平膨脹機采用CRYOSTAR進口膨脹機，等熵效率高；分餾塔的上塔、下塔采用規(guī)整填料塔，可大大降低塔的阻力，從而使空壓機排氣壓力降低、能耗降低；氧氮產(chǎn)品采用液氧泵、液氮泵雙泵輸送，不但降低了成本、節(jié)省了能耗，同時液氧從主冷大量的抽出，乙炔等碳氫化合物不易積聚，有利于設(shè)備的安全運轉(zhuǎn)。

3.2 控制系統(tǒng)：空分裝置采用DCS集散型控制系統(tǒng)，對整個生產(chǎn)過程在中央控制室實行集中監(jiān)測控制為主，機旁盤和就地儀表監(jiān)測控制相結(jié)合的原則。主要工藝參數(shù)的顯示、趨勢記錄、歷史事件記錄、報警、控制及流程圖畫面動態(tài)顯示等均由集散系統(tǒng)完成。當(dāng)工藝參數(shù)越限時，能顯示、報警并記憶。空分裝置的聯(lián)鎖保護將根據(jù)工藝要求，由DCS系統(tǒng)完成啟動或停車，打開或關(guān)閉閥門，并可進行手動操作設(shè)備的開停和改變運行狀態(tài)。

4 系統(tǒng)優(yōu)化

提高產(chǎn)品產(chǎn)量，提高設(shè)備效率，降低設(shè)備所耗蒸汽、電能和循環(huán)水，進一步降低氧氣生產(chǎn)單耗，是每個空分廠家都在努力追求的目標。今后空分技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)在壓縮機效率的提高、冷箱內(nèi)物流循環(huán)的改進、新型換熱設(shè)備的采用、新型分子篩的采用等方面。

4.1 影響空分設(shè)備能耗的主要原因

4.1.1 空壓機組 空壓機入口的濾網(wǎng)和級間溫度都是影響排氣量的重要因素。空壓機入口設(shè)有雙層自潔式過濾器，可以攔截通入氣體的粉塵和其他機械雜質(zhì)，隨著運行時間增加，過濾器吸附的雜質(zhì)逐漸堆積，增大氣體通過阻力?？諌簷C運行時為了節(jié)能和實現(xiàn)壓縮機的等溫壓縮，每級必須要設(shè)置級間冷卻器，以降低空氣溫度。冷卻器中用冷卻水達到冷卻效果，循環(huán)水水壓、水量不足、水溫升高導(dǎo)致級間換熱不及時，溫度升高，排氣量減少，能耗相應(yīng)增加。循環(huán)水水質(zhì)不潔或COD含量偏高，會導(dǎo)致級間換熱器堵塞。

4.1.2 主換熱器 空分裝置冷量損失主要由主換熱器的熱交換不完全造成，主換熱端溫差一般要求控制在3℃以內(nèi)，由于調(diào)節(jié)不當(dāng)以及設(shè)備原因，造成換熱器偏流，主換熱器溫差過大，導(dǎo)致主冷液位及液氧采出量明顯下降。冷量不足還會導(dǎo)致上塔不能正常運行，氧氣提取率降低，導(dǎo)致能耗增加。

4.1.3 膨脹機 膨脹機是空分系統(tǒng)制冷的核心與動力，決定空分制氧量的高低。在機后壓力一定的情況下，機前壓力和進口溫度都稍微高一點，膨脹機效率則會增高，制冷量相應(yīng)增加。

4.2 系統(tǒng)優(yōu)化

4.2.1 空壓機組優(yōu)化 及時更換過濾器，降低空壓機口阻力。降低循環(huán)水溫度，及時補充循環(huán)水，并檢測循環(huán)水質(zhì)，改善空壓機組機間換熱效果，降低壓縮機各級入口溫度，降低系統(tǒng)壓力，可有效提高空氣壓縮機的壓縮比，增加空氣壓縮機出口排氣量。

4.2.2 膨脹機優(yōu)化 在進氣量一定的情況下，膨脹機制冷量大小主要與入口壓力和溫度有關(guān)。合理調(diào)節(jié)膨脹機入口壓力和溫度指標，稍高于設(shè)計指標則膨脹機轉(zhuǎn)速提高，制冷量顯著提高。

4.2.3 降低上塔壓力 當(dāng)上塔壓力降低時，空壓機排氣壓力降低，入口氣量會增加，制氧量提高，而且主塔壓力低一點也會有利于主塔氧、氮的分離。

4.2.4 調(diào)節(jié)換熱器溫差 熱交換不完全冷損與熱端溫差的大小成正比，在操作時應(yīng)盡量把熱端溫差控制在3℃以內(nèi)；合理分配高低壓換熱器的氣體流量，減少主換熱系統(tǒng)熱端溫差，以減少熱交換不完全帶來的冷損。定期拆檢冷箱頂部裝砂口，檢查珠光砂沉降程度，避免因其造成的冷量損失，可補砂解決。

4.2.5 分子篩優(yōu)化 分子篩末期極易出現(xiàn)指標超標現(xiàn)象，原因主要是空氣中二氧化碳、硫化物等超標或空冷塔出口氣溫度過高或帶水，導(dǎo)致分子篩水量過多，造成分子篩吸附能力下降。適當(dāng)減少空壓機排氣量，控制好空冷塔出口溫度來緩解超標現(xiàn)象。

空分主裝置及其輔助設(shè)備是一個整體，在操作時要充分考慮部分環(huán)節(jié)工況變化對系統(tǒng)帶來的影響，并采取措施積極優(yōu)化，保證主要工藝參數(shù)的穩(wěn)定。

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