淺析某空分裝置布置及管道設(shè)計(jì)

王 海

(廣東寰球廣業(yè)工程有限公司,廣東 廣州 510655)

1 空分

空氣分離，簡(jiǎn)稱空分。是指應(yīng)用低溫冷凍原理從空氣中分離出其組分(氧、氮和氬、氦等稀有氣體)的過程。一般先將空氣壓縮，并冷至很低溫度，或用膨脹方法使空氣液化，再在精餾塔中進(jìn)行分離。例如當(dāng)液態(tài)空氣沸騰時(shí)，比較容易揮發(fā)的氮(沸點(diǎn)-196℃)先氣化，氧則后氣化(沸點(diǎn)-183℃)[1]。

空氣分離三種技術(shù)方法：吸附法、膜分離法及低溫法。

吸附法：利用分子篩對(duì)不同分子的選擇吸附性能來達(dá)到最終分離目的，該技術(shù)流程簡(jiǎn)單，操作方便，運(yùn)行成本低，但獲得高純度產(chǎn)品較為困難，而且裝置容量有限，所以該技術(shù)有其局限的應(yīng)用范圍。

膜分離法：利用膜滲透技術(shù)，利用氧、氮通過膜的速率的不同，實(shí)現(xiàn)兩種組分的粗分離。這種方法裝置更為簡(jiǎn)單，操作方便，投資小但產(chǎn)品只能達(dá)到28%～35%的富氧空氣，且規(guī)模只宜中小型化，只適用于富氧燃燒及醫(yī)療保健領(lǐng)域應(yīng)用。

低溫法：利用空氣中各組分沸點(diǎn)的不同，通過一系列的工藝過程，將空氣液化，并通過精餾來達(dá)到不同組分分離的方法。這種方法較前兩種方法可實(shí)現(xiàn)空氣組分的全分離、產(chǎn)品精純化、裝置大型化、狀態(tài)雙元化(液態(tài)及氣態(tài))，故在生產(chǎn)裝置工業(yè)化方面占據(jù)主導(dǎo)地位。和傳統(tǒng)的分離相比，這些氣體的分離需在100K以下的低溫環(huán)境下才能實(shí)現(xiàn)，所以稱之為低溫法(或深冷法)。

目前工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的就是低溫空氣分離技術(shù)。

2 總平面布置

目前在煤化工行業(yè)因空分裝置的不穩(wěn)定造成主提生產(chǎn)裝置出現(xiàn)問題的事件時(shí)有發(fā)生，在空分系統(tǒng)運(yùn)行過程中，常見的問題是區(qū)域性污染源排放的CO2等污染物對(duì)空分的影響，如：分子篩二氧化碳穿透造成板式換熱器通道堵塞、原料空氣壓縮機(jī)吸入的空氣質(zhì)量差使分子篩吸附能力設(shè)計(jì)不足等，均能造成空分裝置運(yùn)行不穩(wěn)定或無法達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)負(fù)荷，故此，空分裝置的總圖布置和關(guān)鍵設(shè)計(jì)理念應(yīng)從以下幾個(gè)方面綜合考慮。

(1)空分裝置在總圖中的位置選擇首先應(yīng)該符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。

(2)空分裝置要相對(duì)靠近氧氣主要用戶煤氣化裝置和高壓蒸汽的供給裝置動(dòng)力站。

(3)空分裝置布置于廠區(qū)全年主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)口。

(4)空分裝置的布置應(yīng)避開低甲裝置CO2排放擴(kuò)散的影響。

(5)空分裝置的布置應(yīng)充分考慮到或避開廠區(qū)內(nèi)及廠區(qū)周邊各類裝置烴類氣體的泄露或排放帶來的影響。

(6)空分裝置純化系統(tǒng)分子篩吸附劑的設(shè)計(jì)裝填量要考慮一定的裕度，一般按照CO2含量≥800ppm來設(shè)計(jì)裝填。

(7)原料空氣自潔式空氣過濾器應(yīng)按照加工空氣量的2.5倍設(shè)計(jì)。

(8)建立原料空壓機(jī)吸入空氣組份CO2含量的監(jiān)控。

(9)設(shè)立區(qū)域風(fēng)向標(biāo)實(shí)時(shí)掌握風(fēng)向、建立廠區(qū)內(nèi)外各裝置緊急排放聯(lián)系制度、加強(qiáng)對(duì)空分裝置液氧的分析檢測(cè)頻次等。

(10)建立完善科學(xué)高效的應(yīng)急處理措施。

3 空分裝置的布置

空分裝置主要由空壓機(jī)系統(tǒng)、空冷塔、水冷塔、冷箱、分子篩、冰機(jī)、液體儲(chǔ)槽、公用工程房等組成，各組成區(qū)間由管廊連接。空分裝置生產(chǎn)類別為乙類，危險(xiǎn)介質(zhì)有氧氣、氮?dú)狻⒁貉酢⒁旱ⅲ鯕庖簹濉儆谥嘉镔|(zhì)，氮?dú)馕脒^量會(huì)引起窒息，液氬等低溫物質(zhì)會(huì)使人發(fā)生凍傷危險(xiǎn)。設(shè)備布置圖設(shè)計(jì)時(shí)需嚴(yán)格遵守相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范。

(1)液氧、液氮、液氬儲(chǔ)槽要布置在一個(gè)區(qū)域，設(shè)置防護(hù)欄。

(2)壓縮機(jī)房?jī)?nèi)的空壓機(jī)、氮?dú)鈮嚎s機(jī)、循環(huán)氮壓機(jī)相隔足夠凈空，以免結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)生基礎(chǔ)膨脹的情況，為了維修方便，各壓縮機(jī)周圍應(yīng)有不小于2米的操作通道。

(3)空氣過濾器出口與空壓機(jī)進(jìn)口保持中心對(duì)齊布置。

(4)容易產(chǎn)生較大應(yīng)力的消音器布置在就近管廊框架上，不可掛在墻上等抗力小的框架上。

(5)氧氣儲(chǔ)罐與有明火操作區(qū)域至少保持35米凈空，各個(gè)儲(chǔ)罐之間應(yīng)滿足施工和檢修要求。

(6)控制室和分析室選擇合適的位置就近布置，避開危險(xiǎn)區(qū)域，遠(yuǎn)離震動(dòng)設(shè)備及管道。

(7)泵集中布置，在滿足操作及檢修間距要求情況下，使其布置緊湊、美觀。

(8)根據(jù)方便操作，便于安裝和維修，經(jīng)濟(jì)合理和整齊美觀的要求安排設(shè)備間距、凈空高度，考慮操作通道及梯子平臺(tái)的設(shè)置。

4 管道布置

4.1 管道

管道布置應(yīng)符合管道及儀表控制流程設(shè)計(jì)的要求；符合現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和規(guī)程的規(guī)定；還應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、整齊美觀；滿足施工、操作和維修等方面的要求。

(1)除一般污水、雨水、循環(huán)水、消防水等管道埋地敷設(shè)以外，所有工藝和公用工程管線均應(yīng)架空敷設(shè)。為便于支撐，應(yīng)盡量集中布置。

(2)管道間距和管道凈空高度:

(a)不保溫管、管法蘭與相鄰管線間應(yīng)為25mm。

(b)保溫管(包括保溫層)與相鄰管線間應(yīng)為50mm。

(c)有側(cè)向位移的管道應(yīng)適當(dāng)加大管道間的凈距。

(d)管道跨越鐵路時(shí)，軌道以上凈空高度不應(yīng)小于6.0m。

(e)管道跨越廠內(nèi)主干道路時(shí)，路面以上凈空高度不應(yīng)小于5.5m;跨越一般道路時(shí)，路面以上凈空高度不應(yīng)小于4.5m；考慮主要操作通道的最小凈寬不得小于1m。

(3) 由于管道布置形成的高點(diǎn)或低點(diǎn)，應(yīng)設(shè)置排氣和排液口。

(4)公用工程主管線來自界區(qū)外，集中布置在管廊上。從水平的氣體、蒸汽、冷凝液主管上引接分支時(shí)，應(yīng)從主管的頂部接出。

(5)管廊上大直徑管道應(yīng)靠近管廊柱子布置，小直徑、氣體管道、公用工程管道宜布置在管廊中間，工藝管道宜布置在與管廊相連接的設(shè)備一側(cè)，需設(shè)置“Π”型補(bǔ)償器的高溫管道，應(yīng)布置在靠近柱子處，且"Π"型補(bǔ)償器宜集中設(shè)置。

(6)冷卻器管道布置應(yīng)方便操作并不妨礙設(shè)備檢修，避免出現(xiàn)“氣袋”或“液袋”，并設(shè)高點(diǎn)放空，低點(diǎn)放凈，在冷卻設(shè)備區(qū)域內(nèi)應(yīng)盡量避免管道交叉和繞行。

(7) 泵的管道布置不得影響起重機(jī)的運(yùn)行，包括吊有重物行走時(shí)不受管道的阻礙，配管應(yīng)留出合適的通道寬度及閥門的高度，泵的配管應(yīng)滿足泵對(duì)凈正吸入壓頭的要求，當(dāng)入口處有變徑時(shí)，應(yīng)采用偏心異徑管，并在低點(diǎn)增加排液口，盡可能將入口切斷閥布置在垂直管道上。

(8) 壓縮機(jī)管道布置的設(shè)計(jì)，除要考慮柔性分析外，有時(shí)還要根據(jù)項(xiàng)目要求必須進(jìn)行震動(dòng)分析，直到兩種分析都合格后，配管設(shè)計(jì)才認(rèn)為合格。支架設(shè)置在地面上，進(jìn)出口管道布置應(yīng)短而直，盡量減少?gòu)濐^數(shù)量，進(jìn)出口管道應(yīng)不影響檢修吊車行走。

(9)管道跨距應(yīng)能滿足管道對(duì)強(qiáng)度和剛度條件的要求，一般取二者中的小者作為最大管道跨距。管道布置設(shè)計(jì)應(yīng)考慮便于做支吊架的設(shè)計(jì)，使管道盡量靠近已有建、構(gòu)筑物，管道應(yīng)集中成排布置，裸管的管底與管托底面取齊，以便設(shè)計(jì)支架。管道支吊架應(yīng)設(shè)在不妨礙管道與設(shè)備的連接和檢修的部位。

(10)管道穿過建筑物的樓板、屋頂或墻面時(shí)，應(yīng)加套管，套管與管道間的空隙應(yīng)密封。套管的直徑應(yīng)大于管道隔熱層的外徑，并不得影響管道的熱位移.管道上的焊縫不應(yīng)在套管內(nèi)，并距離套管端部不應(yīng)小于 150m。套管應(yīng)高出樓板、屋頂面 50mm。管道穿過屋頂時(shí)應(yīng)設(shè)防雨罩.管道不應(yīng)穿過防火墻或防爆墻[2]。

4.2 管道上閥門布置

空分裝置中閥門一般要求設(shè)在容易接近、便于操作、維修的地方，成排管道(如進(jìn)出裝置的管道)上的閥門應(yīng)集中布置，并考慮設(shè)置操作平臺(tái)及梯子。平行布置管道上的閥門，其中心線應(yīng)盡量取齊。手輪間的凈距不應(yīng)小于100mm，為了減少管道間距，可把閥門錯(cuò)開布置；隔斷設(shè)備用的閥門，在條件允許時(shí)宜與設(shè)備管口直接相接，或盡量靠近設(shè)備；閥門最適宜的安裝高度范圍是距離操作平臺(tái)、樓板或地面0.7～1.6m；位置過高或過低時(shí)應(yīng)設(shè)平臺(tái)或操作裝置，不經(jīng)常操作的閥，可用便攜梯或移動(dòng)式平臺(tái)操作。

5 結(jié)束語(yǔ)

在空分裝置的工程設(shè)計(jì)中，首先要從宏觀角度著眼，包括：裝置工藝流程選擇、配套機(jī)組選型、總圖布置及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等；只有在總體工程設(shè)計(jì)中，基礎(chǔ)工作做好、做足了才能為后續(xù)的工作提供有力依據(jù)，才能使設(shè)計(jì)工作得以有條不紊的進(jìn)行，才能使在項(xiàng)目施工過程中變更少、工期快。一是要結(jié)合已建成或在建項(xiàng)目中反饋出來的問題，不斷的改進(jìn)完善，二是要結(jié)合自己以往工作經(jīng)驗(yàn)和業(yè)界同仁的建設(shè)性建議，進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期的安全評(píng)估和流程優(yōu)化，以此來規(guī)避設(shè)計(jì)缺陷乃至安裝、操作缺陷，最終使得自己的“作品”促于完美化、智能化。