空分裝置工藝路線選擇及設備選型

李 耀

（天津大沽化工股份有限公司，天津300455）

隨著化工行業安全發展規劃的逐步確定，化工集中區域或化工園區產業定位進一步明確，某化工企業響應國家政策安排，在新確定的石化產業聚集區實施新項目建設，實現與原有廠區的資源互補及互動，達到提升競爭力、提高產值的目的。

新項目將形成以甲醇制烯烴（MTO）裝置作為龍頭的化工產業鏈，配套乙、丙烯下游產品，乙烯下游規劃建設氯堿一體化裝置，配套建設雙氧水裝置，主要產品為燒堿、聚氯乙烯、雙氧水；丙烯下游規劃建設PO/SM 聯產裝置，配套建設聚丙烯裝置，主要產品為環氧丙烷、苯乙烯、聚丙烯。

作為上述各生產裝置的配套項目，該項目規劃建設空分裝置1 套，以空氣為原料，為生產裝置提供工藝所使用的氧氣、氮氣。目前各裝置氧氣需求量為10 000 m3/h，氧氣用戶壓力≥1.1 MPa；氮氣需求量為40 000 m3/h，氮氣用戶壓力≥0.6 MPa。

1 空分裝置工藝路線選擇

1.1 空分工藝比較

空分氣體分離工藝主要有深冷分離、變壓吸附、膜分離等工藝，化工企業一般對氣體（氧氣、氮氣）純度、用量要求較高，空分裝置宜采用深冷分離工藝路線。

深冷分離基本原理：空氣經壓縮、冷卻、凈化后，在利用熱交換把空氣液化為液空；根據液氧和液氮的沸點不同，對液空進行精餾，氧（重組分）在精餾塔底部富集，氮（輕組分）在精餾塔頂部富集，在精餾塔底、頂部分別獲得高純度的氧氣與氮氣。

目前空分裝置深冷工藝主要分為內壓縮流程及外壓縮流程：外壓縮流程是空分設備生產低壓氧氣，然后經氧氣壓縮機加壓至所需壓力供給用戶；內壓縮流程取消氧壓機，液氧在冷箱內經液氧泵加壓達到所需壓力供給用戶。2 種工藝主要的區別見表1。

表1 內、外壓縮流程主要區別

1.2 空分工藝運行比較

（1）主冷凝蒸發器中碳氫化合物

空分設備長時間運行后，主冷凝蒸發器液氧中的碳氫化合物會有不同程度的濃縮、累積，對空分設備的安全運行是一種潛在的威脅。為了防止碳氫化合物的積累，外壓縮流程采用連續排放1%的液氧來降低主冷凝蒸發器中的碳氫化合物的含量；內壓縮流程氧氣產品為冷凝蒸發器中的液氧經液氧泵加壓復熱后所得。本空分裝置建于化工企業，大氣中VOC 含量較高，工藝上內壓縮工藝流程可進一步提供高空分設備運行的安全性。

（2）氧氣壓縮機安全性

氧氣是一種助燃物質，壓力越高，溫度越高，爆炸危險性就越大，因此在高溫、高壓下壓縮氧氣危險性較大。內壓縮流程是液氧泵提供壓力，加之低溫泵在低溫運轉，安全系數比外壓縮流程中氧氣壓縮機大大提高。

（3）液體產品率

空分裝置中液體產品（液氧、液氮）占產品的比例對能耗的影響較大。行業中認為8%左右的比例是一個分界點，低于8%一般采用外壓縮流程，若高于8%一般采用內壓縮流程。

為提供MTO 裝置開車氮氣（需求量為50 000 m3/h，需求時間36 h），該空分裝置擬配套建設1 臺3 000 m3液氮儲罐，宜選用液體產品比例較高的內壓縮流程以補充液氮儲罐蒸發損失或緊急工況使用。

結論：該空分裝置宜選用內壓縮工藝流程。

2 空分設備選型

空分內壓縮流程中，氧氮產品采出比一般介于1∶1～1∶3，多數空分項目氧氮產品一般按1∶2 采出。本項目氧氮產品需求比達到1∶4，嚴重偏離正常空分裝置產品采出比例。

針對本項目用氣情況，國內某空分設備制造商提出以下方案進行比較（氧氮產品采出比均按1∶2.5計）。

方案一：10 000 m3/h 內壓縮空分裝置+15 000 Nm3/h 制氮設備；

方案二：16 000 m3/h 內壓縮空分裝置；

方案三：40 000 m3/h 制氮設備，外掛10 000 m3/h氧塔。

2.1 設備參數比較

針對上述提出不同空分設備的形式，該空分設備制造商對各方案中壓縮機主要參數及設備投資進行了比較，見表2。

由表2 可知，針對本項目各生產裝置氣體需求（氧氣：10 000 m3/h，氮氣：40 000 m3/h），上述3 種方案均可滿足生產裝置工藝運行。在空分裝置中，主要運行成本為電耗，方案二壓縮機總軸功率優于其他方案，并且設備投資也較為合理。

表2 方案壓縮機比較

2.2 設備操作性比較

在化工企業中，生產工藝裝置平穩、安全運行為重中之重，該空分設備制造商對各方案中設備操作性進行了比較，見表3。

表3 設備操作性比較

化工生產裝置工藝復雜，生產負荷調整，檢修、停車、開車相對頻繁，用氣波動導致空分裝置負荷波動。特別是生產裝置緊急停車，對氣體管網壓力沖擊很大，致使空分裝置需短時間內調整負荷。

針對生產負荷波動性的特點，若氧氣用量不變、氮氣用量波動，方案一需調整制氮裝置負荷，方案三則較難調整制氮裝置運行負荷； 若氮氣用量不變、氧氣用量波動，方案一需先調整內壓縮空分裝置負荷， 同時根據氮氣產出相應調整制氮裝置負荷，方案三亦較難調整制氮裝置運行負荷；而上述2 種工況，方案二中內壓縮空分裝置可改變上、下塔采出，靈活調整負荷，滿足生產裝置工藝使用。

3 結論

鑒于化工企業裝置安全運行的考慮，本項目中空分裝置選用內壓縮流程。為提高企業經濟性，考慮前期投資及運行成本，選用一套16 000 m3/h 等級內壓縮流程的空分裝置滿足各工藝裝置氧氣、氮氣使用，同時該空分裝置可滿足化工生產裝置負荷波動和運行隨時調整的特點。