空分裝置工藝路線選擇及設備選型

張小雙，姚雅諾(青海鹽湖元品化工有限責任公司，青海 格爾木 816099)

0 引言

空分裝置的工藝路線和設備選型受到經濟因素、配套項目、安全因素等影響，在選擇工藝路線時應該綜合考慮設備的選型需求。為了保證生產安全和生產效率，生產過程中必須做好設備的選型和工藝路線選擇工作，為高質量、高效率的空氣分離工作創造條件。

1 空氣分離裝置常用工藝特點概述

1.1 低溫精餾

低溫精餾利用了氧氣和氮氣沸點不同的特點，由于氧氣的沸點高于氮氣12 K，因此氧氣是更容易被氣化的，所以低溫精餾過程中通過控制溫度，就能滿足精餾工作的需要。使用低溫精餾工藝時，會產生氣液混合液體冷凝的情況，將會導致氮的含量大幅度提升，還會導致蒸發和發散的問題[1]。為了避免相關情況的出現，應該防止出現空氣分離隔斷情況。目前一般采用深度冷凍的方法，對空氣進行沸點隔離，雖然會消耗較長的生產時間，但是可以滿足安全和純度的要求。

1.2 吸附變壓

吸附變壓主要利用分子篩對氣體進行篩選，達到分離氣體的目的，由于分子篩的特點，所以對氧氣和氮氣具有不同的吸附能力，能滿足操作指向性的要求。使用該技術的過程中需要確保分子篩的兼容度和吸附因子的儲備容量，如果出現吸附因子過多、過重的情況，就會導致吸附空間持續飽和，會影響原有的吸附效果[2]。比如目前的工藝改良中，為了能夠獲得更高的氮分子吸附效率，就需要在分子篩中加入一定的碳元素。使用吸附變壓技術的特點在于初始成本比較低，運行也比較方便，但是在提煉氧氣時，純度相對較低，而且容量比較小，也很難進行大規模的應用，生產過程中也會因為操作不合理導致誤差出現。所以該技術一般都被作為備選方案。

1.3 薄膜分離

薄膜分離技術在使用時會利用具有滲透性的薄膜，可以根據滲透物質的特征選擇合適的薄膜，滿足生產工作的需要。實際生產過程中，使用該方法速度比較快，而且對很多裝置的兼容性都很強；但是由于生產過程中氧氣的純度相對較低，因此很難應用到高純度的生產中，一般應用在醫療保健產品中。

2 空分裝置設備選型思路

不同類型的設備對空分工藝效果影響不同，所以在設備選型時應該對設備的特點進行逐一分析，保證裝置能滿足生產工作的需求，以及符合安全、經濟、效率等綜合需要。

2.1 液態產品設備選型思路

液態產品生產時會將空氣從氣態轉化為液態，通過蒸餾等方式提升空氣的提煉純度，所獲得的液氧、液氮能夠應用在很多不同的領域當中。但是無論使用那種生產方式，都應該了解客戶對于液氧、液氮產品的需求，而且要保證生產流程能符合操作準則，滿足氣體沸點的控制需要[3]。如果使用分子篩進行分離，在前期并不能確定分子篩的滲透量，所以在空分裝置設備選型工作中應該側重于低溫精餾工藝的兼容使用；在內外壓縮工藝的選擇中，應該對設備的能耗情況、提取量的比值區進行一定的劃分，結合過去的長期生產經驗確定提煉方式，并且在生產過程中分析提煉工作的規律和實施準則，不斷優化生產流程，獲得最合理的生產途徑。

另一方面，由于客戶對產品的需求具有一定的波動性，所以需要保證產品選擇的靈活，所以需要在選擇空分裝置時，充分研究設備產值帶來的經濟效益影響，以及分析設備能否滿足產率調整的要求，滿足生產負荷的開拓和發散需要。比如產品的分批次和同批次生產對負荷和生產工藝要求就有明顯不同，而且在短時間內獲得大量空氣分離產品也會導致產品的純度下降，需要合理選擇設備解決效率和產品質量之間的矛盾，以及在提煉純度要求較高產品時，應該延長生產時長和周期。

選擇產品時也要考慮產值、產能能夠帶來的市場回饋，例如使用低溫蒸餾工藝的直接投資比較高，生產過程中的工藝比較繁瑣，但是由于其生產的氧氣、氮氣純度都比極高，純凈度超過了95%，所以市場收益比較高，因此在滿足要求的情況下可以使用這類工藝開展生產工作。也要選擇更多自動化水平較高的裝置，降低對人工成本要求，提升總體經濟效益。

2.2 氣態產品設備的選型

氣態產品對氣體的純度有著極高的標準，所以無論是操作、工藝選擇、設備選擇都需要結合低溫蒸餾技術保證設備的使用效果。選擇設備時，應該考慮生產工藝的雙技術兼容，以確保生產出更高質量的氣體產品，以及滿足生產線穩定運轉的需求。對于特定的分離產品，也要合理使用吸附劑來獲取，而且要控制好吸附劑的比例，防止對生產質量造成影響。

生產氣態產品時同樣需要結合生產產品和生產的主體進行劃分和界定，例如需要正確區分空分裝置的生產產品性能，在進行分次和多次生產時，防止產品類別過于分散導致不能大規模制取氣態產品。也可以改變生產工業流程，一次性生產大量的同類產品，解決過往存在的產品生產矛盾。設備選型的過程中，也要考慮變壓吸附之后的效果和產品的分利率問題，所以選擇設備時應該考慮生產數量和批次，選擇最合適的生產設備。

目前需要大規模生產的產品質量標準都比較高，并且在傳統生產工藝逐漸被淘汰之后，各種新型的、具有更高生產效率和質量的生產方式正逐漸占據市場。在實際生產中，無論選擇工藝路線還是選擇設備，都應該結合實際需要，尤其是很多空分生產都和相關項目配套，所以需要考慮產品對象的要求來選擇最合適的工藝路線。目前使用深冷分離工藝能夠實現對氣體最大規模萃取，滿足產品的輸出要求，而且經過長期使用該技術也得到了完善。在選擇相關設備時，也要分析生產過程中存在的管理盲點，優化設備配置，保證生產效率和安全方面的需求。

3 某項目空分裝置的工藝路線和設備選擇

某項目規劃建設空分裝置一套，以空氣為原料生產氧氣和氮氣，對氧氣的需求量為每小時10 000 m3，對氮氣的需求量為每小時40 000 m3。該項目為某甲醇烯烴裝置的配套項目，以實現資源互補，提升生產工作效率。

3.1 空分裝置工藝路線選擇

3.1.1 深冷工藝的不同路線

目前的空分工藝對氣體的純度和用量要求非常高，所以普遍選擇具有更高分離純度的深冷工藝路線，其分離工作原理為，對空氣進行壓縮、冷卻和凈化，然后利用熱交換繼續降低空氣的溫度，使空氣液化。由于液氧和液氮的沸點不同，因此可以進行空氣的精餾工作，讓氧氣在精餾塔的底部富集，而氮氣作為輕組分會在精餾塔的頂部富集，之后就能分別在精餾塔的頂部和底部獲得具有較高純度的氧氣和氮氣。

在工藝上深冷工藝可以分為內壓縮工藝和外壓縮工藝兩種路線，外壓縮工藝路線使用了空分設備生產低壓氧氣，然后會使用氧氣壓縮機加壓將氧氣提供給所需要的用戶，內壓縮流程則不會使用氧氣壓縮機，液氧會直接在冷箱內經過液氧泵加壓達到所需的壓力，將其供給用戶。

3.1.2 空分工藝運行方式比較

(1)主冷凝蒸發器中的碳氫化合物。在空氣分離設備經過長時間的運行之后，設備的主冷凝發生器液氧中的由于含有碳氫化合物，會在主冷凝發生器中逐漸積累，如果碳氫化合物積累過多，會對設備的運行安全造成極大的威脅，所以為了避免碳氫化合物積累過多，在采用外壓縮路線時會連續排放1%的液氧控制主冷凝發生其中的碳氫化合物含量；對于使用內壓縮工藝路線的設備，由于氧氣產品為冷凝蒸發器中液氧經過液氧加壓泵復壓獲得，所以碳氫化合物相對較少。因此采用內壓縮的工藝流程能夠減少VOC的排放，并且能提升空分設備的安全性。(2)氧氣壓縮機的安全性。由于氧氣是一種助燃物，所以氧氣的壓力越高、溫度越高，越容易出現爆炸問題，所以在高溫高壓下的氧氣具有極高的危險性。在使用內壓縮流程時，都是由液氧泵來提供整個設備運轉的壓力，而且氣體長期保持低溫運轉，因此安全系數相對于外壓縮流程相對更高。(3)液體產品率。目前空分生產都是以液體產品為主，而且液體產品的耗能也比較高，業內一般都以8%作為分界點，對于低于8%的情況采用外壓縮流程，如果高于8%則必須使用內壓縮的方式。

3.1.3 結論

經過分析，該項目使用內壓縮工藝路線具有明顯的優勢，能更好地與烯烴生產協調，保證現場安全和確保生產效率，并降低VOC的排放，滿足環保工作要求。

3.2 空分設備選型

使用內壓縮設備的氮氧產品比例一般在1：1-1：3之間，很多項目的氮氧產品還會按照1：2采出，但是結合本項目的要求，氮氧產品的比例需要達到1：4，所以使用內壓縮路線難以滿足要求。為了滿足要求，制定了如下幾類技術方案：10 000 m3/h內壓縮空分裝置；配合15 000 m3/h的制氮設備；20 000 m3/h內壓縮空分裝置；配合29 000 m3/h的制氮設備；20 000 m3/h內壓縮空分裝置；配合40 000 m3/h制氮設備，外掛10 000 m3/h的制氧塔。

結合不同制氮制氧的方式，對設備的參數要求和投資進行了分析，三種方案都能滿足運行要求，但是方案二的壓縮機總軸效率相對于其他方案更優越，而且設備投資也比較合理。結合對設備操作性的比較，方案二相對于另外兩種方案無論在操作性、產品調整靈活性和安全性上都更高，生產過程中不會出現緊急停車的情況，所以對管網的沖擊力非常小，能滿足負荷的要求，因此選擇第二種方案。

4 結語

在選擇空分裝置的工藝路線和設備時，應該綜合考慮空分裝置在效率、純度、安全性等不同方面的需求，以及滿足經濟性的需要，確定最為合理的工藝流程。技術人員應深入對比不同工藝下的運行方式，保證空分生產能配合其他項目的運轉需求和調整負荷的要求，達到最好的生產效果。