空分裝置的工藝路線及設(shè)備選型分析

陸君君，王永健

（杭州辰睿空分設(shè)備制造有限公司，杭州 富陽 311400）

引言

化工行業(yè)安全發(fā)展規(guī)劃的確定為化工園區(qū)產(chǎn)業(yè)定位提供了明確方向，化工集中區(qū)域發(fā)展也是發(fā)展趨勢。某化工企業(yè)積極響應國家號召，將新項目建設(shè)在新石化產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，并最大限度地與原廠區(qū)資源互相進行補充，以便提升產(chǎn)值以及綜合競爭力[1]。新項目建設(shè)中空分裝置是不可或缺的重要生產(chǎn)設(shè)備，其工藝及選型的工作要慎重對待。

1 空分裝置工藝分析

1.1 膜分離工藝

膜分離技術(shù)所利用的原理是氣體在膜中溶解及系數(shù)存在差異，滲透的速度不同，通過膜時，有快有慢，最后氣體出現(xiàn)分離現(xiàn)象。在這種工藝中，影響空氣分離效果的是分離膜本身，其質(zhì)量的好壞決定著最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

當有氣體通過分離膜時，受到膜的作用，氣體會被分離。在膜兩側(cè)，分離快的氣體與分離慢的氣體可自然分離。自然分離的效率較低，在實際應用中，多會增加催化劑工序，提高分離速度，并且凈化預處理系統(tǒng)也要經(jīng)過才可。

與氣體空分工藝相比，膜分離工藝的優(yōu)勢在于靈活性強。針對不同的應用場景，會使用不同的纖維材質(zhì)膜，獲得不同純度、不同類的氣體產(chǎn)品。實踐證明，在膜分離工藝使用過程中，壓力與產(chǎn)出率成正比。

1.2 變壓吸附工藝

變壓吸附工藝難度較低。在變壓吸附工藝中，使用分子篩作為吸附劑?？諝庵兴牡肿印⒀醴肿釉诜肿雍Y中的吸附能力不同。利用這種不同，在空氣經(jīng)過分子篩的過程中實現(xiàn)分離。分離之后，對氧分子、氮分子進行卸壓程序。卸壓程序之后，分子篩可被重新使用。變壓吸附制氮工藝流程如圖1所示。在實際的生產(chǎn)過程中，因為分子篩可被重復使用，所以該種工藝降低了生產(chǎn)成本。

圖1 變壓吸附制氮工藝流程圖

1.3 低溫精餾工藝

低溫精餾工藝是在低溫深冷空氣分離工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是對其的進一步改進與完善。低溫精餾工藝利用的是空氣中氮氧分子自身物理特性不同而實現(xiàn)分離。氮分子、氧分子沸點不同，在高壓低溫的條件下，首先將空氣進行液化處理，之后進行精餾工序，傳熱對液體空氣進行分離，使得氧分子、氮分子最終實現(xiàn)分離。與膜分離工藝相比，低溫精餾工藝的優(yōu)勢更為明顯，其最終產(chǎn)成品的純度也更高，但是工藝流程相對較為復雜，而且該工藝所使用的裝置啟動時間較長，使用并不便捷，成本較高，這些都制約了低溫精餾工藝進一步的發(fā)展應用[2]。

2 空分裝置工藝流程的選擇分析

2.1 氣態(tài)產(chǎn)品

如果所需要的最終產(chǎn)品是氣態(tài)的，那么在選擇空分裝置的工藝流程時相對困難。在實際的使用情況中，使用分子篩以及分離膜的情況較多。這兩種工藝可降低生產(chǎn)成本，也能實現(xiàn)循環(huán)生產(chǎn)，但是這些工藝所獲得的產(chǎn)品純度不如低溫精餾工藝。如果想獲得氣態(tài)產(chǎn)品，那么其純度要求較高，選擇低壓空分低溫雙塔精餾工藝是最優(yōu)的。因為采用這種工藝可獲得99.99%純度的成品氣體，膜分離工藝、吸附工藝都無法與其相比。

2.2 液態(tài)產(chǎn)品

如果所需要的最終產(chǎn)品是液態(tài)的，那么選擇低溫精餾工藝也可獲得較高純度的產(chǎn)品。對于要求不太高的，可選擇其他方式。空分裝置的主要原料是氣態(tài)的，要實現(xiàn)向液態(tài)的轉(zhuǎn)換需要借助低溫、高壓等外界條件。在非低溫狀態(tài)下，即使能利用分離膜、分子篩進行氣體的分離，但是氧氣、氮氣由于沸點分別為90.17 K、77.35 K，因此在大氣壓力下，無法完成向液態(tài)的轉(zhuǎn)換。為了最終獲得液態(tài)產(chǎn)品，一定要做好溫度把控、壓力把控，綜合運用好，另外還要把存儲環(huán)節(jié)做好。

2.3 操作方式的工藝要求

小型的空分裝置對于吸附法、膜分離法、低溫法的工藝都能滿足。對于非低溫精餾工藝的設(shè)備來講，其啟動所需時間不長，負荷調(diào)整范圍寬，操作起來更為簡單、靈活，如果想快速產(chǎn)出產(chǎn)品，那么這種設(shè)備非常適合?？墒撬痪邆溥B續(xù)生產(chǎn)的條件。如果使用小型的空分裝置，無論是使用哪種工藝，都無法達到連續(xù)性較高的產(chǎn)出條件。所以，遇到連續(xù)性強的工作要求時，設(shè)備啟動時間長、操作難度較大的低溫精餾工藝更加合適[3]。對于大型的空分裝置產(chǎn)品的工藝要求來說，選擇全低壓空分工藝更適宜，因為它技術(shù)成熟，運行起來更為穩(wěn)定，可靠性更高。產(chǎn)品質(zhì)量也優(yōu)于其他工藝，其產(chǎn)品為雙高產(chǎn)品，即高質(zhì)量、高產(chǎn)出。其在質(zhì)量、數(shù)量上都遠超小型的空分裝置。在化工行業(yè)、石油行業(yè)中，全低壓空分工藝技術(shù)應用得尤其廣泛。

3 某大型化工集團空分裝置設(shè)備選型案例

為響應國家號召，某大型化工集團建立年產(chǎn)600 kt醇氨聯(lián)產(chǎn)項目。項目中低溫甲醇洗所需的低壓汽提氮氣、全廠所需公用氮氣、水煤漿氣化用氣、低溫液氮洗需要5.9 MPa高壓配氮氣源，這就要求配置80 000 m3/h空分裝置。本文對當前空分項目的規(guī)模、品類、生產(chǎn)技術(shù)等進行對比，選擇出最適宜的裝備。

3.1 可選工藝方案

項目需要80 000 m3/h的氧氣，為滿足該需求，對各種空分工程技術(shù)進行考察分析后，選擇出兩種空分裝置的建設(shè)方案：方案1為使用80 000 m3/h的空分裝置1套；方案2為使用40 000 m3/h的空分裝置2套。

從產(chǎn)量、氮產(chǎn)品、氧產(chǎn)品的純度角度看，無論是方案1，還是方案2，項目的日常生產(chǎn)需求都能被滿足，而且從制造技術(shù)、設(shè)備運輸方面看，也都沒有困難存在。

如果使用方案1，配置一套80 000 m3/h的空分裝置，那么需要從國外訂購。因為當前國內(nèi)的空分廠家的80000等級的空分裝置產(chǎn)品起步晚，質(zhì)量稍遜于國外產(chǎn)品。該方案的優(yōu)勢在于進口設(shè)備的質(zhì)量更為可靠，其一次開車的成功率、達產(chǎn)率較高于國內(nèi)裝置。其故障率較低，能耗較低，運行周期也較長。即使在初始投資時成本較高，但是產(chǎn)品投入運行后，短時間內(nèi)不會更好，所以從長期的方向看，其經(jīng)濟效益較高。1套裝置的維護比2套裝置簡單。但是選擇1整套設(shè)備也有缺點。其負荷調(diào)節(jié)的范圍在70%～105%，如果尿素系統(tǒng)、甲醇系統(tǒng)中某一套停車，那么部分氣體產(chǎn)品會被放空。一旦出現(xiàn)了空分事故，那么全廠都必須停車，影響巨大。需要另外配置可靠的后備系統(tǒng)，防止出現(xiàn)全廠停車的機率。

如果使用方案2，配置兩套40 000 m3/h的空分裝置，那么需從國內(nèi)購置空氣過濾器、三大機組、水冷塔、空冷塔、冷水機組（或氨冷）、蒸汽加熱器、分子篩吸附器、氬塔、上塔、下塔、國產(chǎn)膨脹機、低壓換熱器、儲存汽化系統(tǒng)等。另外需要進口部分設(shè)備有高壓換熱器、切換閥、液氮泵、液氧泵、高壓手動閥、液氬泵、低溫調(diào)節(jié)閥、高壓氧氣放空和調(diào)節(jié)閥等。

在該購置方案的基礎(chǔ)上，可選方案又分為三種：選擇國內(nèi)空分廠家，增壓機、空壓機選擇進口方式；選擇國內(nèi)空分廠家，增壓機、空壓機選擇合作生產(chǎn)方式；選擇國外空分廠家。

方案2與方案1相比，其優(yōu)勢在于兩套裝置的負荷調(diào)節(jié)范圍更廣，假如有一套裝置因故停車，甲醇、氣化爐、尿素系統(tǒng)還可以保另一套滿負荷生產(chǎn)，或者兩套的半負荷生產(chǎn)。

選擇國內(nèi)空分廠家的方案，其裝置初始投資較低。第一套設(shè)備的交貨時間短，兩套設(shè)備的總體交貨時間與進口一套設(shè)備相差無比。但是也有缺點，那就是國內(nèi)廠家的裝置產(chǎn)品普遍自動化程度不如進口產(chǎn)品，對于生產(chǎn)調(diào)節(jié)操作不太方便，而且能耗較高。但是采購國外的空壓機組，初始投資數(shù)額會大大增加。

3.2 工藝方案選擇

為將企業(yè)經(jīng)濟效益最大化，經(jīng)過對比分析，最終空分選擇進口全低壓雙系列，分子篩進化節(jié)能工藝，空壓機選擇全凝式蒸汽透平驅(qū)動離心式壓縮機，公稱制氧能力為80 000 m3/h的一整套空分設(shè)備，且該設(shè)備附帶液氬、液氧系統(tǒng)。具體原因為：進口的空分設(shè)備流程組織合理，更為節(jié)能和高效，其經(jīng)濟效益高于國產(chǎn)設(shè)備，對于長期運行的企業(yè)來講，十分適宜；結(jié)合企業(yè)所在地實際情況，需配置安全可靠、便于維護、自動化水平高的設(shè)備；在企業(yè)所在地周邊并無其他可依托的化工項目，因此后備系統(tǒng)必須配置齊全，可保證萬一發(fā)生了空分事故導致停車，供氣也不會被中斷。從以前的運行經(jīng)驗來看，空分設(shè)備導致的停車故障有八成是在12 h內(nèi)排除的，排除后可重新啟動，所以選擇的后備系統(tǒng)方案在12 h內(nèi)供氣可滿足條件；如果進口兩套40 000 m3/h的空壓機組，投資成本過高，而且在使用時要對其進行維護和管理，所需的成本、人工費用都高于進口一套80 000 m3/h的空分裝置。

由于公司采用的水煤漿加壓氣化裝置的最大氧氣消耗量為78 781×104m3/h，那么結(jié)合上文所述的方案，既要節(jié)約初始投資金額，也要技術(shù)靠得住，選擇靠譜的廠家最佳。經(jīng)過慎重的考慮，最終選取成套引進德國機器，為林德公司產(chǎn)品，規(guī)格為80 000 m3/h的空分裝置，其中汽輪壓縮機組選取曼透平。

4 空分裝置工藝流程選擇要點

4.1 優(yōu)先選擇空氣低溫液化精餾工藝

在生產(chǎn)工藝的選擇過程中，一定要嚴格遵守高效性、穩(wěn)定性、安全性原則，切實避免空分裝置發(fā)生故障引發(fā)安全事故。當前空分裝置的工藝發(fā)展現(xiàn)狀是低溫精餾工藝相對較成熟。雖然該種工藝操作起來難度較大，步驟繁瑣，而且成本高昂，但是它使產(chǎn)品精度遠遠高于其他方式。

4.2 嚴格把控好安全性

在實際應用中，為滿足生產(chǎn)需求，往往需要購置多套空分裝置，然后通過裝置并聯(lián)的方式來進行生產(chǎn)。如果其中某臺空分裝置發(fā)生故障，那么整個機組都會停機。所以，要保證每臺裝置的安全運行。

空分屬于深冷的工藝，在運行過程中所產(chǎn)生的液體溫度在-163～193℃之間，在這個范圍區(qū)間發(fā)生凍傷的危險性極高，工作人員一定要做好防護措施。在這種環(huán)境下，如果進行檢修則需提前做好預熱。預熱完畢進行具體操作時，也必須嚴格遵守操作流程，將對裝置的損傷降到最低。

4.3 合理選擇熱交換方式

煤化工對于大型空分產(chǎn)氣量要求更高。大型煤化工在國家政策引導下，逐漸向中西部方向發(fā)展。由于該類區(qū)域水資源緊張，因此空分裝置的氣體換熱大多采用空冷的方式進行。

5 結(jié)語

我國的醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展過程中，氮氣、氧氣等產(chǎn)品都發(fā)揮了巨大的作用。高質(zhì)量、高效率地生產(chǎn)氮氣、氧氣對于社會的發(fā)展可起到十分重要的正向作用。對空分裝置的工藝路線、設(shè)備選型進行深入研究，對于空分技術(shù)的水平提升有良好的督促作用，為將來提供更為優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品打下堅實基礎(chǔ)，推動我國經(jīng)濟建設(shè)大踏步前進。