空分裝置工藝特點及設計原則

孫小娟陳曉明

（1.東華工程科技股份有限公司， 安徽 合肥 230024；2.肥水泥研究設計院， 安徽 合肥 230051）

空分裝置工藝特點及設計原則

孫小娟1陳曉明2

（1.東華工程科技股份有限公司， 安徽 合肥 230024；2.肥水泥研究設計院， 安徽 合肥 230051）

本文詳細介紹了空氣過濾和壓縮、空氣的冷卻和純化、空氣的精餾的工藝流程。總結了空分裝置的特點及設計原則。

空分裝置；工藝流程；特點；原則

空分裝置是采用深度冷凍的方法，將空氣中的氧氣、氮氣及其他稀有氣體根據其沸點不同而進行分離的裝置［1］。空分裝置制氧設備是一套采用填料塔、液體泵內壓縮和前段預凈化流程的制氧裝置，即采用常溫分子篩預凈化，空氣增壓透平膨脹機提供裝置所需冷量，空氣增壓膨脹，雙塔精餾，內壓縮流程。空分裝置采用DCS系統控制，包括空氣壓縮系統的控制。流程和工藝遵循最先進和最通用的國際慣例，并貫徹以穩定運行為前提的設計模式。

1 工藝流程

空分設備采用分子篩吸附預凈化、增壓透平膨脹機及液體泵內壓縮工藝。整套設備包括：空氣過濾壓縮系統、空氣預冷系統、分子篩純化系統、分餾塔系統、液體貯存及汽化系統、儀控系統、電控系統等。

1.1 空氣過濾和壓縮

空氣首先進入自潔式空氣吸入過濾器，在空氣吸入過濾器中除去灰塵和其它顆粒雜質，然后進入主空壓機，經過多級壓縮后進入空冷塔，壓縮機級間的熱量被中間冷卻器中的冷卻水帶走。

1.2 空氣的冷卻和純化

空氣在進入分子篩吸附器前在空冷塔中冷卻，以盡可能降低空氣溫度減少空氣中水含量從而降低分子篩吸附器的工作負荷，并對空氣進行洗滌。進入空冷塔上部的冷凍水，首先在水冷塔中利用干燥的出分餾塔污氮氣進行冷卻，經過冷水機冷卻后，然后再進入空冷塔上部。出空氣預冷系統的工藝空氣進入用來吸附除去水分、二氧化碳、碳氫化合物的空氣純化系統［2］。

1.3 空氣的精餾

出吸附器的空氣分為兩部分：一部分直接進入低壓主換熱器冷卻后進入下塔；另一部分通過空氣增壓機進一步壓縮，然后抽出一股經過膨脹機增壓端的壓縮及后冷卻器的冷卻，再進入主換熱器被冷卻，經膨脹機膨脹后進入下塔，增壓機末級空氣送入冷箱經主換熱器冷卻后節流進入下塔。

下塔中的上升氣體通過與回流液體接觸含氮量增加。所需的回流液氮來自下塔頂部的冷凝蒸發器，在這里氧得到蒸發，而氮得到冷凝。

下塔從上到下產生純液氮、純氮氣、污液氮、貧液空和富氧液空。下塔各產品去向如下：純液氮一部分在過冷器中過冷后送入上塔頂部作回流液，一部分作為產品送出；純氮氣一部分去主冷，一部分抽出去主換熱器復熱后作產品氣；污液氮在過冷器中過冷后送入上塔作回流液；貧液空經過冷器過冷節流后進入上塔，作為其回流液；富氧液空經過冷器過冷后節流進入上塔，作為其回流液。

在上塔頂部產生污氮氣，底部產生液氧。上塔各產品去向如下：污氮氣從上塔頂部抽出后經過冷器和主換熱器復熱出冷箱，一部分做純化系統再生氣，其余去水冷塔；液氧從上塔底部抽出，在液氧泵中被壓縮至所需壓力，然后送到高壓換熱器中通過與高壓空氣進行熱交換而得到高壓氧氣。部分液氧作為產品送出冷箱。

2 空分裝置特點

空分裝置可分為空氣過濾系統、空氣壓縮系統、空氣預冷系統、空氣純化系統、分餾塔系統和液體貯存及汽化系統六個主要系統，還包括過程控制的操作儀表和分析儀器及電器設備。

2.1 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。

2.2 成套設備機組特點

①空氣過濾器系統。自潔式空氣過濾器設有自動控制系統，可以自動定時反吹，并可以根據過濾器阻力大小調整程序。

②預冷系統。采用高效低阻散堆填料塔，既保證了塔的換熱性能，又減少了阻力，降低了空壓機出口壓力，從而降低了能耗。液體分布裝置采用新型、高效、先進的分布器，使水與空氣充分的接觸，保證塔的換熱性能，減少冷凍水量，從而降低了能耗。水冷塔采用高效散堆填料塔，充分回收污氮的冷量，采用三位一體防帶水結構。冷凍水泵、冷卻水泵采用可靠產品，且均為一用一備，保證裝置的可靠性。

③純化系統。分子篩純化系統采用長周期設計，即單個吸附器吸附時間為4小時，從而使分子篩及閥門使用壽命延長，切換損失減小，同時減少因切換引起的壓力波動次數，保持主塔工況穩定，對于空冷系統帶水冷塔的流程，采用長周期設計可以減少再生污氮量，這樣更有利于空冷系統的工作，使二者之間形成良好的匹配，彼此良性循環，使二個系統保持長期可靠穩定運行。

分子篩吸附器采用雙層床結構（活性氧化鋁+分子篩）底層活性氧化鋁床層可有效地保護分子篩，延長分子篩使用壽命，同時采用雙層床也使吸附器再生阻力下降，再生溫度降低，節約了再生能耗。

切換系統采用無沖擊切換，切換閥帶調速器，保證閥門開關緩慢，速度均勻；均壓閥采用分程控制，保證充氣過程平穩；污氮放空閥采用預開方式，防止上塔“憋壓”；切換系統采用DCS自動控制，并設有壓力壓差自動判斷，再配合閥位返饋信號，可充分保證切換系統的可靠性；均壓采用正反流流通能力相近的且具備良好調節性能的進口閥門，保證裝置再生過程中工況的相對穩定。

再生用蒸汽加熱器，采用先進的雙管板結構蒸汽加熱器，再生氣走管內，蒸汽走管間，內管板脹接，外管板脹接加焊接，內外管板之間有放空閥，從結構和工藝上確保分子篩吸附器的安全工作。

④分餾塔系統。下塔采用高效篩板塔，節省投資；上塔采用規整填料，提高效率，降低空壓機排壓，提高裝置提取率，降低能耗；采用增壓透平膨脹機，降低能耗，提高可靠性。

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提供以下保護措施：所有控制閥門的故障位置處于一個安全的位置，保證設備安全。

3 設計原則

3.1 裝置布置原則

滿足全廠總體規劃的要求，注意裝置布置的協調性和統一性，適當考慮裝置將來的生產和技術改造的要求；根據風向條件確定設備、設施與建筑物的相對位置；根據氣溫、降水量、風沙等氣候條件和生產過程或某些設備的特殊要求，決定是否采用室內布置；根據裝置豎向布置，確定裝置地面零點標高與絕對標高的關系；根據地質條件，合理布置重荷載和有振動的設備；滿足工藝流程要求，按物流順序布置設備；做到管道安裝經濟合理、整齊美觀，節省用地和減少能耗，便于施工、操作和維修；在滿足生產要求和安全防火、防爆的條件下，應做到節省用地、降低能耗、節約投資、有利于環境保護。

3.2 冷箱內配管要求

①轉動機械的配管。轉動機械的配管應具有足夠的柔性和適當的支承。轉動機械的配管應使機械的內件和外殼的各部分方便拆卸進行維修，而不影響與其連接的接管。

②分餾塔冷箱內配管。冷箱內法蘭連接的使用應減少到最低限度，冷閥與管道連接盡量采用焊接方式；冷箱內使用的過濾器或濾芯的設置便于解凍和維修清理；低溫液體泵及附件、管道要與主空分冷箱分開布置以便于維護；冷箱內重要冷閥應設置必要的隔倉，該隔倉大小以能方便檢修為宜，并設置相應人孔和珠光砂或礦渣棉充填口和排放口；冷箱內所有管道的設計必須進行應力計算。

③閥門的配置。所有閥門、閥門連通管、調節閥、儀表等均應安裝在便于操作和維修處，必須有可靠的加固和防振措施。閥門安裝前需進行脫脂清洗，務必按介質流向安裝閥門［3］。閥箱內的閥門安裝位置能使閥門手輪中心與地面或平臺面的距離為1200mm左右，必要時閥門應裝有伸長桿；閥門填料壓蓋和緊固件應采用不銹鋼。

［1］王安利，王麗麗，曲永貴.空分裝置技術分析及發展趨勢［J］.化工科技，2007，（15）.

［2］舒水明，陳彩霞，楊斌，鐘剛.大型低壓空分流程精餾提氬過程［J］.華中科技大學學報，2009，（4）.

［3］王金亮.淺談空分冷箱內配管安裝控制要點［J］.機械與電子，2013，（9）.

孫小娟（1982- ），安徽安慶人，2007年于合肥工業大學碩士研究生畢業，畢業至今在東華工程科技股份有限公司從事工程設計工作。