空分設備布置研究

范浩建

（開封空分集團設計研究院有限公司,河南 開封 475001）

1 空分設備概述

1.1 空分裝置概念

空分裝置是指空氣分離的裝置?？辗盅b置主要是利用空氣中各種氣體的物理性質的區別,采用一些特殊的方式進行氧氣、氮氣、氦氣等氣體的分離,一般采用吸附、膜分離以及冷凍等方式,分離效果較好。目前,大型煤化工行業進行氧氣、液態氬及氮氣的生產普遍是采用深冷法。空分產品的應用范圍較廣,被廣泛應用于化工、醫藥、石油等行業。

1.2 空分設備的液氮取出裝置介紹

空分設備一般能生產一定的液氧和液氮產品,存入液體貯存系統以備需要時使用?？辗衷O備包括上塔和下塔,上塔內設置有液氮取出裝置。液氮產品的取出位置一般有兩種：一是從過冷器后的管道上直接取出；二是從液氮過冷器后的管道上取出后經液氮量桶輸送至液體貯存系統。直接從過冷器后的管道取出時,經送出閥節流后會有一定的氣化率,這部分低溫氮氣將隨液氮一同進入液氮貯槽,最后通過液氮貯槽頂部的氣體泄放裝置排入大氣,造成產品浪費的同時,低溫氣體直接排入大氣還將攜帶走少許冷量,是一種能源上的浪費。

空分設備的液氮取出裝置包括液氮進口接管、液氮出口接管、以及呈環形的液氮槽盤,液氮進口接管和液氮出口接管相對布設在空分設備的上塔筒體側壁上,且液氮進口接管的位置高于液氮出口接管的位置；液氮槽盤設置在液氮出口接管下部的上塔筒體內壁上,其中,液氮通過液氮進口接管流入液氮槽盤中,經過液氮槽盤并由液氮出口接管流出。與液氮進口接管對應的上塔筒體內壁上設置有擋液槽,擋液槽的出液口與液氮槽盤相對應。擋液槽包括上弧板、下弧板和側擋板,擋液槽的左右兩出液口與液氮槽盤對應。液氮槽盤包括固定設置在上塔筒體內壁上的環形接液底盤、設置在環形接液底盤內側的擋液堰、橫向跨設并連通設置在環形接液底盤上的降液槽和設置在降液槽上的至少一根降液管。降液槽的上沿高度小于等于擋液堰的上沿高度,降液管的上端部高于液氮出口接管的高度,且降液管的上端部低于降液槽和擋液槽的出液口的高度。液氮進口接管和液氮出口接管以上塔筒體側壁上成夾角為α布置,其中,90°≤α≤180°。（見圖1,圖2）

圖1 原理結構圖

圖2 液氮取出裝置示意圖

2 空分裝置設備布置時要考慮的因素

空分裝置主要由空壓站、空分空壓機系統、空分主裝置、液體貯罐區以及氮壓機廠房等部分組成,各組成部分間由內管廊連接。布置空分裝置時需要考慮的因素有以下幾方面。

2.1 安全性方面要求

《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程》（GB 16912-2008）以及《石油化工企業設計防火規范》（GB 50160-2008）明確規定,在布置空分裝置設備時,應該嚴格遵守規范,確保安全,具體的安全性要求如下。

（1）在對冷箱氧氮總放空塔進行布置時,可將其與氧氣閥門室相連,完成之后將其放置在裝置中比較空曠的地方。（2）對于氧氣調節閥組的設備布置,因為自身的特殊性,需要獨立的閥門室或者防護墻。（3）對于氧壓機,需要單獨設置氧壓機間,氧壓機和其他廠房之間用防火墻間隔開,若不能達到該要求,可將氮壓機和氧壓機放在一個廠房,并在兩者之間設置防火墻。（4）布置氧壓機、氨冷器及高壓氧放空閥時,要根據實際要求設置防爆墻。（5）布置氧氣（包括液氧）儲罐時,要注意之間的防火間距。氧氣和氬氣以及氮氣儲罐間的距離應滿足實際要求,一般情況下不能小于2m。（6）在空分裝置中布置液氧貯槽、液氮貯槽以及液氬貯槽設備時,應將其盡量放在一起,并且根據實際工藝要求設置貯槽區防護圍欄。（7）為了方便統一管理,吹掃管路、排液及放空應該集中進行放空排放,采取集中治理措施。

2.2 符合工藝流程的設計要求

在進行空分設備布置時,不但要實現合理布置,并且要切實符合工藝流程的設計要求。在布置設備層高時,要根據工藝流程的設計要求設置,有時候還要考慮風向頻率以及地形情況,設備可以在廠房或者管廊上面的空間放置,在必要的時候可設置框架,框架要注意符合工藝流程的設計要求。

（1）在布置壓縮機時,要預留一些位置用來放置空調機閥組以及進出口氣路大管線上的閥組。（2）空氣過濾器的吸入口應該遠離二氧化碳氣體的排放口,布置在裝置全年最小頻率風向的下風側。如果空氣過濾器的吸入口離二氧化碳排氣口太近,時常吹來碳氫化合物,情況比較嚴重的話可能使得空分裝置停車。（3）對于壓縮機油站設備的布置,應該將其放在總回油管和壓縮機組總進油的一端。此外,在廠房中應將高位油箱和壓縮機油站放在同一側。（4）在進行設備布置的時候,應該先布置較大管道,通過計算應力從而確定最終的設備布置,主要是因為像分子篩系統管道等大管道具有機械應力,要充分考慮這個問題,以防以后進行配管修改的時候對設備布置產生影響。（5）在進行設備布置以及廠房布置的時候,由于空氣管道、氮氣以及膨脹機增壓端的進口管的線上都有流量計,一定要考慮流量計對于安裝距離的要求,最好剛開始就大致布置下管道。（6）液體貯槽的基礎高度設置主要考慮滿足液體泵的凈正吸入壓頭,這樣能夠有效防止氣蝕情況的發生。（7）對于液體貯存管線的布置,可設置單獨的桁架跨至貯槽區,盡量減小冷箱到貯槽區的距離,從而減少冷量的損失。

2.3 設備布置要滿足操作、施工、檢修等各方面的要求

在進行空分裝置設備布置的時候,不僅要考慮方便操作者操作,還要考慮以后設備的維修和施工問題,需要預留一定的空間方便操作。

（1）汽輪機表冷器上方一定要留充足的空間,這樣能夠使得位于表冷器下面的熱井抬起從而放到表冷器里面。（2）對于汽輪機驅動的空壓機增壓機廠房布置,可在二樓樓面上放置排氣安全閥以及兩級抽氣射氣裝置,這樣不僅方便操作和檢修,而且看著也比較美觀整潔。（3）壓縮機基礎表冷器附近的基礎柱間距需滿足表冷器循環水配管的空間要求。（4）壓縮機廠房進行檢修吊車設置時,要注意吊車軌頂的高度,它的高度主要是根據壓縮機尺寸以及最大檢修部件尺寸來進行計算的,這點非常關鍵。（5）壓縮機廠房的安全出入口以及樓梯在進行設備布置的時候,最重要的是一定要符合相關的規范要求。（6）分析小屋和控制室一定要注意遠離震動設備以及危險區,合理進行位置設置。（7）對于壓縮機的高位油箱設置,要根據所處地區的天氣而定,在比較寒冷的地區要注意放在廠房內部,主要是為了避免放在外面被凍壞,而在南方的話,天氣溫暖則可以將高位油箱放在廠房外面。（8）在進行二層壓縮機廠房布置時,要注意設置檢修以及吊裝孔的區域。（9）在進行設備布置的時候,為了方便后期操作及檢修,要在早期就將大管道閥組做好規劃、合理放置,切忌不要讓閥組堵塞設備檢修以及操作的通道,以免留下隱患。（10）對于壓縮機廠房吊車有操作室的情況,在設置吊車檢修平臺的時候,要注意吊車檢修平臺高度的設置,根據吊車的尺寸參數計算出平臺的高度。（11）凈空高度以及設備間距一定要注意合理設置,需要留有操作平臺和通道。（12）在進行分子篩吸附器設備布置的時候,要注意考慮活性氧化鋁的卸料和裝填問題,根據實際情況以及相關要求進行合理設置。（13）在進行設備布置的時候,要注意預留現場組裝大型設備以及吊裝主要設備所需要的場地,以免對后期產生影響。

2.4 進行設備布置要講究經濟合理

對于空分裝置的設備布置,不僅要考慮符合工藝要求,還要講究經濟合理,減少投資、控制能耗,同時還要盡量減小占地面積,爭取將工程造價做到經濟合理。

2.5 其他

（1）有些業主可能根據個人情況會提出特殊的要求,對此,還要滿足業主的要求。（2）要根據當地氣候情況而定,像是否進行室內布置主要是根據當地的風沙、氣溫、降水等情況,有時候還要考慮一些特殊的要求進行設置。（3）進行設備布置的時候還要注意裝置的整齊美觀,進行合理布置。

2.6 空分設備布置案例分析——以冷箱的布置設計為例

冷量損失能夠客觀反映空分設備的運行狀態,是衡量該設備穩定性與經濟性的一項重要指標。冷量損失越小,說明空分設備的保冷能力及換熱效率越高,相應的設備穩定性與經濟性也越高。冷量損失對空分設備而言,是不可避免的存在,它與空分設備自身的特性密切相關。盡管空分在設計之初會根據不同需求,采取不同的工藝流程,但冷量損失的形式基本相同,大致可以概括為以下三種：（1）熱交換不完全；（2）跑冷損失；（3）其他形式的冷量損失,如液體產品的生產及排放（液氧、液氮、液氬等）、閥門的泄露等。相比傳統冷箱,整裝空分冷箱安裝具有質量優、現場安裝周期短等優點,因此相較于傳統的小格空分設備,當前的空分設備逐漸向大型化發展,市場與部分特殊用戶均需要適用于大型空分設備的整裝冷箱。本文即以某10000m3/h空分設備為例,簡要介紹某設備冷箱的設計特征與部分問題的解決方法。本空分裝置工藝流程采用液氧泵內壓縮流程：（1）空氣壓縮→（2）空氣預冷和純化系統→（3）熱交換和制冷→（4）空氣分離。

該空分設備為了達到運輸要求,必須保證冷箱內設備與管道的合理布局。按照塔器直徑以及高度,結合冷箱現有運輸條件,綜合該設備工藝流程以及使用方對設計的要求,在設計期間不斷對冷箱予以優化,最終確定設備按照如下條件布置。

第一,上塔、下塔與主冷組合；粗氬冷凝設備同粗氬塔組合；精氬冷凝設備與精氬蒸發設備組合；設備布置于主冷箱位置,主冷箱規格為6300mm×4500mm×60000mm。第二,主冷箱側面作為運輸面,冷箱內閥門全部置于冷箱正面或是背面。第三,主換熱設備、過冷設備、液氧蒸發設備均置于副冷箱內,副冷箱規格為6300mm×3500mm×18000mm。第四,副冷箱側面作為運輸面,副冷箱內閥門全部置于冷箱正面或是背面。第五,主冷箱的側面與背面各自配置兩個液氧泵冷箱與液氬泵冷箱,副冷箱側面配置膨脹機過橋冷箱,主、副冷箱利用過橋冷箱實現連接。

3 結論

如今,空分單套裝置產氧量越來越大,空分裝置的管道設計布置以及設備布置在進行空分工程設計時占據著越來越重要的地位?？辗衷O備以及管道布置是非常復雜的,需要結合很多專業知識,具有一定的技術含量,這就需要工程設計人員在實際工作中長期的經驗積累。想要完成一個設計比較好的空分裝置和管道布置,需要空分設計人員刻苦、細致的思考勞動,達到創造效益,為用戶節約投資的目的。