淺談空氣分離技術的發展和改進

陳錦偉（林德工程（杭州）有限公司，浙江 杭州 310012）

空氣分離技術目前發展以比較成熟，隨著我國經濟的高速發展，特別是近幾年冶金、石化、石油、化肥等行業的持續穩定發展，國內對空分設備的需求不斷加大，大型空分設備產業帶來難得的發展機遇。龐大的市場需求，使國內對大型空分設備的需求將迎來新一輪高峰。經過近幾年的發展，空分裝置在大型化的發展道路上解決了許多關鍵技術問題。本文針對空氣分離技術的發展和氣體分離裝置的發展進行了介紹。

1 低溫法空氣分離工藝流程簡述

低溫法分離空氣設備均由以下四大部分組成：空氣壓縮、膨脹制冷；空氣中水分、雜質等凈除、空氣通過換熱冷卻、液化；空氣精餾、分離；低溫產品的冷量回收及壓縮。各部分實現的方式和采用的設備不同，組成不同的流程。

按工作壓力分為高壓流程、中壓流程、低壓流程。高壓流程的工作壓力高達10.0-20.0MPa，制冷量來自于節流效應，不需要膨脹機，操作簡單，只適用于小型制氧機或液氮機。中壓流程的工作壓力在1.0-5.0 MPa，對于小型空分裝置由于單位冷損大，需要有較大的單位制冷量來平衡，所以要求工作壓力較高。此時，制冷量主要靠膨脹機，但節流效應制冷量也占較大的比例。低壓流程的工作壓力接近下塔壓力，它是目前應用最廣的流程，該裝置具有低的單位能耗，因此這種空氣分離流程的應用范圍越來越廣。

按產品的壓縮方式分為分離裝置外壓縮和裝置內壓縮兩類。裝置外壓縮是單獨設置產品氣體壓縮機，對裝置的工作沒直接影響。裝置內壓縮是用泵壓縮液態產品，再經復熱、氣化后送至裝置外。相對來說內壓縮較為安全，但是，液體泵是否正常將直接影響到裝置的運轉。

2 空氣分離裝置低溫管道設計要點

2.1 低溫管道材料

－196℃的超低溫條件需求用于空氣分離裝置管道的材料具有杰出的低溫韌性、抗腐蝕功能、焊接功能，管道在常溫下安裝，在低溫下運行時，材料的線膨脹系數應盡量小。目前國內低溫管道多選用奧氏體不銹鋼材料。同時，9%鎳鋼以其優良的綜合性能和超低溫功能在國外空氣分離項目中使用越來越廣泛，并且其線膨脹系數明顯低于不銹鋼，也有望變成空氣分離管道的主流材料。另外特別要注意的是，通常情況奧氏體不銹鋼管道壁厚較薄，故強度、剛度較差。需要綜合考慮管道壁厚的計算和管道支架的設置，避免震動引起的嚴重后果。

2.2 閥門的結構及安裝

低溫閥門與普通常溫閥門相比，結構和功能上有很多不同。低溫球閥、截止閥宜采用加長閥蓋結構，可防止填料被凍住，損壞填料。低溫閥門通常閥桿垂直向上安裝或中心垂直線30度向上安裝，避免低溫介質與填料蓋長時間接觸。閥門閉合時，為防止內部液體受熱蒸發產生的壓力破壞閥門，需要在閥門的高壓側設置一泄壓閥，或安全閥。另外，閥門安裝時要注意流向的正確。

2.3 低溫柔性

冷箱內的溫度變化很大，從常溫降至-196℃。溫度的變化會引起管道的冷縮，所以管道的設計中要考慮冷熱的補償問題。低溫管道上所有必需的柔性都通過改變管道走向自然補償或增加π型補償彎來完成。因此，應對低溫管道進行應力分析，采用合理的管道走向來補償由于溫度變化帶來的收縮量。另外，大管徑低溫管道還應考慮低溫彎曲變形情況。

2.4 保冷結構及材料選用

為避免空氣分離裝置管道外表凝露、減少吸熱以及達到低溫工作時的防凍需求，需要對管道進行隔熱規劃整體的保冷設計。導熱系數是衡量保冷性能的重要標志，保冷結構應具有良好的絕熱性。當前冷箱內的保冷材料有以下幾種:碳酸鎂、玻璃棉、珠光砂及礦渣棉。由于珠光砂重量輕，保冷性能好，價格較便宜，流動性好，易于裝填，目前主要用它作為保冷材料。對于經常需要檢修的局部隔箱中宜裝礦渣棉或玻璃棉。冷箱外當前國內外公司認可的保冷材料有以下幾種:聚氨酯泡沫(PIR/PUR)、泡沫玻璃(FG)以及丁腈橡膠和二烯烴泡沫(LT+LTD)。其間，前兩種材料的組合用于硬質保冷體系，后兩種材料的組合用于柔性保冷體系。針對低溫管道支架保冷結構，除了滿足保冷性外還應考慮機械強度和保護性的要求，通常保冷結構包括保冷層、防潮層和保護層。當保冷層厚度≥80mm時應分層敷設。空氣分離低溫管道支架多采用卡箍式結構，這樣不僅降低施工難度，也便于日后維護。

3 空氣分離技術的實際運用

3.1 空氣分離制氮。在空氣分離制氮過程中，這項技術的應用具有重要意義，上海化工研究所曾研究出新型的PSA制氮裝置，這種裝置的原料空氣壓力是在0.8MPa，相對濕度是在80%，氮氣的純度則能夠保持在95%到99%之間。制氮過程中空氣首先是需要進行壓縮，壓縮到0.6MPa的時候，再對其冷卻，之后進入吸附塔來吸附分離。

3.2 壓縮空氣脫濕處理。在這方面的應用，工程人員首先是需要根據變壓吸附原理來對壓縮空氣進行干燥。干燥之后就是要進入到WZG微熱再生裝置中來加熱。WZG微熱再生裝置本身既有熱再生空氣干燥器的優點，同時還有無熱再生的優點。這種裝置是先加熱而后再進行吹掃。通過這樣一種方式能夠有效減少再生耗氣量，這樣一種方式能夠使得干燥之后的空氣露點能夠降到零下40度。在采用了分子篩作為吸附劑之后，空氣露點就能夠達到零下52度以下。從中我們可以看出分子篩的優點。在今后工作過程中對于這項內容應該保持高度重視。

4 空氣分離技術的改進措施

4.1 系統優化

提高產品產量，提高設備效率，降低設備所耗蒸汽、電能和循環水，進一步降低氧氣生產單位能耗，是每個空分廠家都在努力追求的目標。今后空分技術的發展將體現在壓縮機效率的提高、冷箱內物流循環的改進、新型換熱設備的采用、新型分子篩的采用等方面。

4.2 節能優化

4.2.1 主換熱器。空分裝置冷量損失主要由主換熱器的熱交換不完全造成，主換熱端溫差一般要求控制在3℃以內，由于調節不當以及設備原因，造成換熱器偏流，主換熱器溫差過大，導致主冷液位及液氧采出量明顯下降。冷量不足還會導致上塔不能正常運行，氧氣提取率降低，導致能耗增加。

4.2.2 調節換熱器溫差。熱交換不完全冷損與熱端溫差的大小成正比，在操作時應盡量把熱端溫差控制在3℃以內；合理分配高低壓換熱器的氣體流量，減少主換熱系統熱端溫差，以減少熱交換不完全帶來的冷損。定期拆檢冷箱頂部裝砂口，檢查珠光砂沉降程度，避免因其造成的冷量損失，可補砂解決。

5 結語

綜上所述，本文對空氣分離技術的概況以及國內外的發展進行了詳細的分析，并對目前實際的運用進行了介紹，隨著空氣分離技術的優化措施的提出，從而保證了空氣分離設備在良好的參數下運行。

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