空分裝置工藝特點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則

孫小娟陳曉明

（1.東華工程科技股份有限公司， 安徽 合肥 230024；2.肥水泥研究設(shè)計(jì)院， 安徽 合肥 230051）

空分裝置工藝特點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則

孫小娟1陳曉明2

（1.東華工程科技股份有限公司， 安徽 合肥 230024；2.肥水泥研究設(shè)計(jì)院， 安徽 合肥 230051）

本文詳細(xì)介紹了空氣過濾和壓縮、空氣的冷卻和純化、空氣的精餾的工藝流程。總結(jié)了空分裝置的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則。

空分裝置；工藝流程；特點(diǎn)；原則

空分裝置是采用深度冷凍的方法，將空氣中的氧氣、氮?dú)饧捌渌∮袣怏w根據(jù)其沸點(diǎn)不同而進(jìn)行分離的裝置［1］。空分裝置制氧設(shè)備是一套采用填料塔、液體泵內(nèi)壓縮和前段預(yù)凈化流程的制氧裝置，即采用常溫分子篩預(yù)凈化，空氣增壓透平膨脹機(jī)提供裝置所需冷量，空氣增壓膨脹，雙塔精餾，內(nèi)壓縮流程。空分裝置采用DCS系統(tǒng)控制，包括空氣壓縮系統(tǒng)的控制。流程和工藝遵循最先進(jìn)和最通用的國際慣例，并貫徹以穩(wěn)定運(yùn)行為前提的設(shè)計(jì)模式。

1 工藝流程

空分設(shè)備采用分子篩吸附預(yù)凈化、增壓透平膨脹機(jī)及液體泵內(nèi)壓縮工藝。整套設(shè)備包括：空氣過濾壓縮系統(tǒng)、空氣預(yù)冷系統(tǒng)、分子篩純化系統(tǒng)、分餾塔系統(tǒng)、液體貯存及汽化系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等。

1.1 空氣過濾和壓縮

空氣首先進(jìn)入自潔式空氣吸入過濾器，在空氣吸入過濾器中除去灰塵和其它顆粒雜質(zhì)，然后進(jìn)入主空壓機(jī)，經(jīng)過多級(jí)壓縮后進(jìn)入空冷塔，壓縮機(jī)級(jí)間的熱量被中間冷卻器中的冷卻水帶走。

1.2 空氣的冷卻和純化

空氣在進(jìn)入分子篩吸附器前在空冷塔中冷卻，以盡可能降低空氣溫度減少空氣中水含量從而降低分子篩吸附器的工作負(fù)荷，并對(duì)空氣進(jìn)行洗滌。進(jìn)入空冷塔上部的冷凍水，首先在水冷塔中利用干燥的出分餾塔污氮?dú)膺M(jìn)行冷卻，經(jīng)過冷水機(jī)冷卻后，然后再進(jìn)入空冷塔上部。出空氣預(yù)冷系統(tǒng)的工藝空氣進(jìn)入用來吸附除去水分、二氧化碳、碳?xì)浠衔锏目諝饧兓到y(tǒng)［2］。

1.3 空氣的精餾

出吸附器的空氣分為兩部分：一部分直接進(jìn)入低壓主換熱器冷卻后進(jìn)入下塔；另一部分通過空氣增壓機(jī)進(jìn)一步壓縮，然后抽出一股經(jīng)過膨脹機(jī)增壓端的壓縮及后冷卻器的冷卻，再進(jìn)入主換熱器被冷卻，經(jīng)膨脹機(jī)膨脹后進(jìn)入下塔，增壓機(jī)末級(jí)空氣送入冷箱經(jīng)主換熱器冷卻后節(jié)流進(jìn)入下塔。

下塔中的上升氣體通過與回流液體接觸含氮量增加。所需的回流液氮來自下塔頂部的冷凝蒸發(fā)器，在這里氧得到蒸發(fā)，而氮得到冷凝。

下塔從上到下產(chǎn)生純液氮、純氮?dú)狻⑽垡旱⒇氁嚎蘸透谎跻嚎铡Ｏ滤鳟a(chǎn)品去向如下：純液氮一部分在過冷器中過冷后送入上塔頂部作回流液，一部分作為產(chǎn)品送出；純氮?dú)庖徊糠秩ブ骼洌徊糠殖槌鋈ブ鲹Q熱器復(fù)熱后作產(chǎn)品氣；污液氮在過冷器中過冷后送入上塔作回流液；貧液空經(jīng)過冷器過冷節(jié)流后進(jìn)入上塔，作為其回流液；富氧液空經(jīng)過冷器過冷后節(jié)流進(jìn)入上塔，作為其回流液。

在上塔頂部產(chǎn)生污氮?dú)猓撞慨a(chǎn)生液氧。上塔各產(chǎn)品去向如下：污氮?dú)鈴纳纤敳砍槌龊蠼?jīng)過冷器和主換熱器復(fù)熱出冷箱，一部分做純化系統(tǒng)再生氣，其余去水冷塔；液氧從上塔底部抽出，在液氧泵中被壓縮至所需壓力，然后送到高壓換熱器中通過與高壓空氣進(jìn)行熱交換而得到高壓氧氣。部分液氧作為產(chǎn)品送出冷箱。

2 空分裝置特點(diǎn)

空分裝置可分為空氣過濾系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)、空氣預(yù)冷系統(tǒng)、空氣純化系統(tǒng)、分餾塔系統(tǒng)和液體貯存及汽化系統(tǒng)六個(gè)主要系統(tǒng)，還包括過程控制的操作儀表和分析儀器及電器設(shè)備。

2.1 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)。

2.2 成套設(shè)備機(jī)組特點(diǎn)

①空氣過濾器系統(tǒng)。自潔式空氣過濾器設(shè)有自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以自動(dòng)定時(shí)反吹，并可以根據(jù)過濾器阻力大小調(diào)整程序。

②預(yù)冷系統(tǒng)。采用高效低阻散堆填料塔，既保證了塔的換熱性能，又減少了阻力，降低了空壓機(jī)出口壓力，從而降低了能耗。液體分布裝置采用新型、高效、先進(jìn)的分布器，使水與空氣充分的接觸，保證塔的換熱性能，減少冷凍水量，從而降低了能耗。水冷塔采用高效散堆填料塔，充分回收污氮的冷量，采用三位一體防帶水結(jié)構(gòu)。冷凍水泵、冷卻水泵采用可靠產(chǎn)品，且均為一用一備，保證裝置的可靠性。

③純化系統(tǒng)。分子篩純化系統(tǒng)采用長(zhǎng)周期設(shè)計(jì)，即單個(gè)吸附器吸附時(shí)間為4小時(shí)，從而使分子篩及閥門使用壽命延長(zhǎng)，切換損失減小，同時(shí)減少因切換引起的壓力波動(dòng)次數(shù)，保持主塔工況穩(wěn)定，對(duì)于空冷系統(tǒng)帶水冷塔的流程，采用長(zhǎng)周期設(shè)計(jì)可以減少再生污氮量，這樣更有利于空冷系統(tǒng)的工作，使二者之間形成良好的匹配，彼此良性循環(huán)，使二個(gè)系統(tǒng)保持長(zhǎng)期可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

分子篩吸附器采用雙層床結(jié)構(gòu)（活性氧化鋁+分子篩）底層活性氧化鋁床層可有效地保護(hù)分子篩，延長(zhǎng)分子篩使用壽命，同時(shí)采用雙層床也使吸附器再生阻力下降，再生溫度降低，節(jié)約了再生能耗。

切換系統(tǒng)采用無沖擊切換，切換閥帶調(diào)速器，保證閥門開關(guān)緩慢，速度均勻；均壓閥采用分程控制，保證充氣過程平穩(wěn)；污氮放空閥采用預(yù)開方式，防止上塔“憋壓”；切換系統(tǒng)采用DCS自動(dòng)控制，并設(shè)有壓力壓差自動(dòng)判斷，再配合閥位返饋信號(hào)，可充分保證切換系統(tǒng)的可靠性；均壓采用正反流流通能力相近的且具備良好調(diào)節(jié)性能的進(jìn)口閥門，保證裝置再生過程中工況的相對(duì)穩(wěn)定。

再生用蒸汽加熱器，采用先進(jìn)的雙管板結(jié)構(gòu)蒸汽加熱器，再生氣走管內(nèi)，蒸汽走管間，內(nèi)管板脹接，外管板脹接加焊接，內(nèi)外管板之間有放空閥，從結(jié)構(gòu)和工藝上確保分子篩吸附器的安全工作。

④分餾塔系統(tǒng)。下塔采用高效篩板塔，節(jié)省投資；上塔采用規(guī)整填料，提高效率，降低空壓機(jī)排壓，提高裝置提取率，降低能耗；采用增壓透平膨脹機(jī)，降低能耗，提高可靠性。

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)提供以下保護(hù)措施：所有控制閥門的故障位置處于一個(gè)安全的位置，保證設(shè)備安全。

3 設(shè)計(jì)原則

3.1 裝置布置原則

滿足全廠總體規(guī)劃的要求，注意裝置布置的協(xié)調(diào)性和統(tǒng)一性，適當(dāng)考慮裝置將來的生產(chǎn)和技術(shù)改造的要求；根據(jù)風(fēng)向條件確定設(shè)備、設(shè)施與建筑物的相對(duì)位置；根據(jù)氣溫、降水量、風(fēng)沙等氣候條件和生產(chǎn)過程或某些設(shè)備的特殊要求，決定是否采用室內(nèi)布置；根據(jù)裝置豎向布置，確定裝置地面零點(diǎn)標(biāo)高與絕對(duì)標(biāo)高的關(guān)系；根據(jù)地質(zhì)條件，合理布置重荷載和有振動(dòng)的設(shè)備；滿足工藝流程要求，按物流順序布置設(shè)備；做到管道安裝經(jīng)濟(jì)合理、整齊美觀，節(jié)省用地和減少能耗，便于施工、操作和維修；在滿足生產(chǎn)要求和安全防火、防爆的條件下，應(yīng)做到節(jié)省用地、降低能耗、節(jié)約投資、有利于環(huán)境保護(hù)。

3.2 冷箱內(nèi)配管要求

①轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的配管。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的配管應(yīng)具有足夠的柔性和適當(dāng)?shù)闹С小＾D(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的配管應(yīng)使機(jī)械的內(nèi)件和外殼的各部分方便拆卸進(jìn)行維修，而不影響與其連接的接管。

②分餾塔冷箱內(nèi)配管。冷箱內(nèi)法蘭連接的使用應(yīng)減少到最低限度，冷閥與管道連接盡量采用焊接方式；冷箱內(nèi)使用的過濾器或?yàn)V芯的設(shè)置便于解凍和維修清理；低溫液體泵及附件、管道要與主空分冷箱分開布置以便于維護(hù)；冷箱內(nèi)重要冷閥應(yīng)設(shè)置必要的隔倉，該隔倉大小以能方便檢修為宜，并設(shè)置相應(yīng)人孔和珠光砂或礦渣棉充填口和排放口；冷箱內(nèi)所有管道的設(shè)計(jì)必須進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。

③閥門的配置。所有閥門、閥門連通管、調(diào)節(jié)閥、儀表等均應(yīng)安裝在便于操作和維修處，必須有可靠的加固和防振措施。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［3］。閥箱內(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。

［1］王安利，王麗麗，曲永貴.空分裝置技術(shù)分析及發(fā)展趨勢(shì)［J］.化工科技，2007，（15）.

［2］舒水明，陳彩霞，楊斌，鐘剛.大型低壓空分流程精餾提氬過程［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，（4）.

［3］王金亮.淺談空分冷箱內(nèi)配管安裝控制要點(diǎn)［J］.機(jī)械與電子，2013，（9）.

孫小娟（1982- ），安徽安慶人，2007年于合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生畢業(yè)，畢業(yè)至今在東華工程科技股份有限公司從事工程設(shè)計(jì)工作。