深冷空氣分離裝置工藝的特點分析

王敏娜

[摘 要]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。基于此，本文對深冷空氣分離裝置工藝進行分析。

[關鍵詞]空分裝置；工藝特點

中圖分類號：G181 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）30-0398-01

采用深冷技術開發的空氣分離裝置，是以空氣為原料，通過壓縮循環和深度冷凍的方法將空氣液化，通過精餾操作從液態空氣中分離出氧氣、氮氣、氬氣等氣體，是煤制甲醇化工生產裝置中的重要組成部分。空分裝置主要包括空氣壓縮、空氣凈化、空氣的冷卻及液化、精餾等單元。

1 深冷分離法

深冷分離法，簡單的講即為通過不同的溫度來最大程度的對氣體進行分離。主要是采取一種機械性的方式，例如通過不同手段讓氣體實現膨脹，再根據各種不同氣體各自的沸點不同，對它們再進行降溫冷卻。不同的氣體通過這種方式實現了較為精準的分離。在我國，制取氧氣的80%都是來源于這種方法。這種方法分離出的氣體精度相對較高，但是在分離過程當中的成本也較大。這種方法比較適合空氣中比重較大氣體含量的分離，比如氮氣和氧氣的制取就非常適合，而在分離在空氣中所占比重較小的氣體時則顯示出他的不足與局限性。盡管我們當前在改進技術管理等方面一直在努力，也取得了不小的成就，但是水平仍有待于進一步的提高。

2 深冷分離法基本原理及其對應的空氣分離裝置

深冷分離法在空氣分離上，工作原理較為簡單。它把空氣作為原料，經過一系列的程序，包括大幅度的濃縮、有步驟的凈化，以及還要使用熱交換的方法使空氣液化成液態的空氣。大致如下：空氣在進入壓縮機之前要先通過空氣的過濾裝置進行過濾，使其更加純凈后再進入空氣壓縮裝置中，壓縮到了具有合適壓力后再進入空氣的冷卻裝置中，使空氣的溫度迅速地降低。在此基礎之上，再對空氣進行干燥處理，可以通過空氣干燥凈化器來進行，使空氣中一些不被需要的物質被清除，比如所含的水分、二氧化碳等物質。在空氣分離的裝置的設置中，也必須要保障兩種流液被很好的處理和收集。一方面，空氣被凈化后要保證其進入空氣分離裝置中的主換熱增熱容器中，未獲得通過的，即返回來的液態氣體通過冷卻裝置達到最佳溫度時，再送入凈化蒸餾容器的底部，在容器上部能夠充分搜集氮氣，在底部的液態空氣再進行冷凝，通過一系列的冷凝裝置進行冷凝蒸發，氮氣最終被冷凝，部分最后對滯留的液體進行分節設置。當然，也可以把它再次流入主要的換熱增熱容器中，之后到達一定程度進入膨脹的容器中進行膨脹，降溫，一部分的氣體可以被再分離和再次的利用，其他的部分也會被排入大氣。由此可以看出，要建立空氣分離裝置，一方面做到空氣的深度壓制縮小并對空氣進行徹底的凈化；另一方面即是空氣的最終分離。當然，從空氣分離出來的液態氮氣也應有專門的容器進行液態的貯藏和運輸。在對其設備進行檢查時，必須要確保液態氮氣的密封性好，安全的進入對應的容器里。

3 空分裝置的特點

3.1 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。

3.2 成套設備機組特點

3.2.1 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。

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。

3.2.2 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。

3.2.3 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。

3.2.4 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。

3.2.5 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。

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。

參考文獻

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