深冷空氣分離裝置工藝特點及設計原則探究

郭　震（兗礦集團內蒙古榮信化工有限公司，內蒙古鄂爾多斯市 017000）

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深冷空氣分離裝置工藝特點及設計原則探究

郭震（兗礦集團內蒙古榮信化工有限公司，內蒙古鄂爾多斯市 017000）

深冷空氣分離法（以下簡稱深冷法）是利用空氣中各組分沸點的不同，將空氣中的氧氣、氮氣以及其他的稀有氣體進行分離。本文主要對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進行了簡要的分析，并提出了相關的設計原則，以期為相關人員提供參考。

空分裝置；工藝特點；設計原則

1　引言

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

2　空分裝置工藝的基本概述

空分裝置能夠為氣化裝置提供生產過程中所需要的中壓純度較高的氧氣，為生產裝置提供密封、置換以及吹掃時所需要的中低壓氮氣，并產出液氧、液氮以及其他稀有氣體產品。另外，空分裝置配套的空壓站系統可為全廠提供儀表空氣，密封氣以及工廠空氣。由于空分產品在石油、化工、冶金、醫藥等各行各業被廣泛的應用，因此是具有廣闊發展前景的行業。

3　空分裝置工藝的基本流程

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

3.1空氣的過濾和壓縮

空氣首先會進入到自潔式空氣吸入過濾器，而空氣過濾器會將吸入到的灰塵以及其它顆粒雜質過濾掉，而后進入到空壓機，在多級壓縮后會進入到空冷塔中，冷卻器中的冷卻水會帶走壓縮機級間產生的熱量。

3.2空氣的預冷和純化

空氣在進入到分子篩吸附器前會事先在空冷塔中進行冷卻，進入空冷塔的水有兩部分，中部是循環水，頂部是經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荷，并對空氣起到一定的洗滌作用。而從空氣預冷系統冷卻后的空氣會進入到分子篩吸附器中，它能夠將空氣中的水分、二氧化碳、碳氫化合物等去除，得到純化后的空氣，此系統就是所謂的空氣純化系統。

3.3空氣的精餾

一般將出吸附器的空氣分成兩個部分，即：①直接進入到污氮換熱器，經冷卻后進入下塔；②通過空氣增壓機進一步進行壓縮，而后將膨脹機增壓端進行增壓壓縮后的一股氣流，經由后冷卻器進行冷卻，而后進入到主換熱器進行冷卻，再經由氣體膨脹機進行膨脹，最終進入下塔；增壓機的末級空氣送入冷箱，再經主換熱器進行冷卻后，經由液體膨脹機進入下塔。下塔中的上升氣體在與回流的液體發生接觸后，其含氮量會有所增加，下塔頂部的冷凝蒸發器會將純氮氣冷凝，液氧會在此環節中有所蒸發。

純液氮、純氮氣、污液氮、貧液空以及富氧液空會從下塔從上到下產生，其中純液氮主要為下塔提供回流液，另外一部分經過過冷器則作為產品送出；而純氮氣則經主換熱器重新復熱后作為產品氮氣；污液氮經由過冷器冷卻后流向上塔頂部，并作為上塔回流液；富氧液空經由冷卻器冷卻后去往上塔上部，并作為上塔的回流液。

當上塔頂部有污氮氣產生后，底部會有液氧產生，此時上塔中不同產品的去向也發生了變化，具體如下所述：從上塔頂部抽出污氮氣后，經由冷卻器以及主換熱器污氮換熱器復熱出冷箱，一部分被當做純化系統的再生氣體，另外一部分則去氮水冷卻塔；從上塔底部將液氧抽出，經由液氧泵進行壓縮，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行熱交換，從而得到壓力較高的氧氣，另有部分液氧會被作為產品送出冷箱外。

4　空分裝置的特點

4.1流程特點

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

4.2成套設備機組特點

（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、凈氣室、框架、控制系統。反吹系統由氣動隔膜閥、電磁閥、專用噴嘴及壓縮空氣管路組成。控制系統主要由脈沖控制儀、差壓變送器、控制電路等組成。其結構如圖1所示。

圖1　自潔式空氣過濾器自動反吹過濾系統

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

（2）預冷系統

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境，同時又洗滌空氣中的機械雜質和酸性氣體。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，能夠將水充分的與空氣接觸，確保塔的熱換性能，使得冷凍水量有所降低，最終實現降低能耗的目的。氮水冷卻塔使用的散裝填料塔較為高效，且能夠將污氮的冷量進行充分的回收。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

分子篩吸附器使用了活性氧化鋁和分子篩構成的雙層床結構，底層的活性氧化鋁床層能夠對分子篩進行有效的保護，使得分子篩的使用壽命有所延長，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，大大的節省了再生能耗。

純化系統閥門主要由三桿閥控制，每個閥門都有開關兩個信號，而且均有開關狀態回饋，如果閥門卡死在中間狀態或在切換過程中，操作員可以根據生產需要選擇暫停自動控制程序，使所有閥門保持在該操作狀態不變化，也可以恢復運行自動控制程序，讓純化系統繼續投入正常工作時序。

分子篩純化系統使用的是長周期設計的方式，單個吸附器吸附的時間為4h，能夠有效延長分子篩以及閥門的使用壽命，切換所造成的損失也會減小，同時將切換而引起的壓力波動次數有所降低，確保主塔工況足夠的穩定。

分子篩的切換系統主要使用無沖擊切換方式，利用帶調速器的切換閥，確保閥門的開關較為緩慢，勻速進行切換；均壓閥使用的是正反流通能力相近的且具備良好調節性能的進口閥門，采用分程控制的原則，確保裝置充氣過程足夠的平穩，工況的相對穩定；污氮放空閥使用的預開放式，避免上塔出現“憋壓”的問題。切換系統使用DCS自動控制方式，其中包含有壓力壓差進行自動判斷，與閥位反饋信號進行有效配合，能夠使得切換系統的可靠性得到保障。

（4）精餾塔系統

精餾塔系統主要分為上塔、下塔和冷凝蒸發器。上塔采用規整填料，可以提高效率，降低空壓機排壓，提高裝置提取率，降低能耗。下塔采用高效篩板塔，可以節省投資。冷凝蒸發器常見的型式有板翅式和管式兩種，因板翅式冷凝蒸發器采用的是全鋁結構，主要優點是結構緊湊、重量輕、體積小，而且制造容易，因此，在大中型空分設備中得到了廣泛應用。

待分離的原料進入上塔，進料板以上為精餾段，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。冷凝蒸發器則是聯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。液氧在冷凝蒸發器中吸收熱量而蒸發為氣氧，作為上塔的上升蒸氣；氣氮在冷凝蒸發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，實現了空氣的分離。

（5）控制系統

空分裝置采用DCS集散型控制系統。結合選用國際先進的DCS系統、調節閥、在線分析儀等測控組件，除了確保空分裝置的正常運行外，還可以在裝置出現事故停車時保證設備安全。

5　設計原則

5.1裝置布置的原則

為了有效滿足裝置的總體規劃要求，確保裝置以及布置能夠協調統一，對裝置未來的生產以及技術改造的相關要求進行考慮，確定設備、設施以及建筑物的相對位置時，要按照風向等條件進行確定，決定零點標高和絕對標高之間的關系。而在確定是否需要進行室內布置時，則需要按照氣溫、降水量、風沙等氣候條件以及生產過程或某些設備的特殊需求進行確定。按照地質條件，對重荷載和有振動的設備進行合理布置，要確保安裝的管道足夠的合理經濟，較好的節省用地，降低能耗，便于施工、操作以及維修，對環境形成保護。

5.2冷箱內配管的原則

（1）配管前，應加工焊縫坡口，管件應清洗潔凈，并應嚴格脫脂。

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

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

（4）各管路不應相碰，其管間的最小距離應符合下列要求：

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

（5）氣體吹除管的坡度應符合設備技術文件的規定；當無規定時，應設1/10的坡度向吹除閥方向下降傾斜，并應無下凹死區，防止水分在管內凍結。

5.3閥門配置的原則

閥門安裝前需進行脫脂清洗，務必按介質流向安裝閥門，冷箱內的閥門安裝位置能使閥門手輪中心與地面或平臺面的距離為1200mm左右，必要時閥門應裝有伸長桿，閥門填料壓蓋和緊固件應采用不銹鋼材質。

6　結語

總而言之，市場的主要選擇依舊是低能耗、高效能以及安全生產的空分裝置，利用對現階段空分技術的現狀進行分析，對國內外廣泛應用的空分技術進行比較，空分技術在工藝流程方面和設備選擇方面都有較好的發展。

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郭 震（1988-），男，助理工程師，本科，主要從事空分車間運行工作。

TQ116.11

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2095-2066（2016）17-0245-02

2016-6-2