空分裝置中空氣凈化區的設備及管道布置

趙林濤

德希尼布(天津)化學工程有限公司上海分公司 上海 200235

空分裝置主要是利用空氣中各組分物理性質不同，采用深度冷凍、吸附、膜分離等方法分離出氧氣、氮氣，或同時提取氦氣、氬氣等稀有氣體的過程?？辗之a品廣泛應用于石油、化工、冶金、醫藥等各行業中。

空氣凈化區是空分裝置的關鍵區域之一，空氣凈化區主要包括空氣預冷及空氣純化兩部分，經空氣壓縮機壓縮后的空氣經過直接接觸式空氣冷卻器冷卻后進入分子篩吸附系統，經分子篩凈化后的空氣進入冷凍區處理。

1 空氣凈化區的設備布置

對于大型空分裝置來說，空氣凈化區管道大都是DN 1000mm～2000mm的大口徑管道，故在進行設備布置及管道布置時應充分考慮設備及管道安裝與檢修所需的空間，并深化管道布置研究圖。下文以某項目為例，探討空分裝置中空氣凈化區的設備布置及管道布置。

1.1 空氣預冷系統的設備布置

空氣預冷系統的核心設備是直接接觸式空氣冷卻器和蒸發冷卻器，經空氣壓縮機壓縮后的空氣進入空氣冷卻器進行冷卻，盡可能降低空氣溫度并減少空氣中水含量，從而降低分子篩吸附器的工作負荷?？諝饫鋮s器內部為二級冷卻，空氣冷卻器的冷卻水用循環水，冷凍水來自蒸發冷卻器冷卻后的水，再經過冷凍機組冷卻后進入空氣冷卻器上部。蒸發冷卻器主要利用富余氮氣的冷能對循環水進行預冷卻，以節省能耗。該系統工藝流程圖見圖1。

來自空氣壓縮機的空氣一般經管廊進入空氣冷卻器，所以空氣冷卻器宜正對空氣壓縮機組并靠近管廊布置。對于大型空分裝置，進入空氣冷卻器的空氣管線直徑一般不大于2000mm，故在布置空氣冷卻器時應充分考慮管道的轉彎半徑對布置的影響。

圖1 某專利商的空氣預冷系統工藝流程簡圖

裝置中富余的氮氣經管廊匯合后，再經蒸發冷卻器，利用其冷能來預冷卻循環水；故蒸發冷卻器宜靠近管廊布置，以方便管線進入。因匯合后管線口徑較大，故在布置時應充分考慮管道轉彎所需的空間。富余氮氣經過蒸發冷卻器后，溫度會有所提升，這部分氮氣一般直接排放到大氣中，所以蒸發冷卻器頂部會有一個高點排放口，在設備布置時，應注意規范中關于連續氣體排放的相關要求。

基于工藝流程，空氣冷卻器、蒸發冷卻器以及冷凍單元應就近布置，根據布置美觀的原則，空氣冷卻器和蒸發冷卻器宜與兩臺分子篩吸附器水平方向并排布置。該冷卻系統包含預冷卻水泵和和冷凍水泵分別服務于空氣冷卻器及蒸發冷卻器；在某專利商提供的參考布置圖上，將這兩組泵與冷卻單元一起放置在冷凍機棚內，見圖2。

圖2 某專利商的空氣預冷系統設備布置

這種布置方式具有操作方便、節省空間等優點，但因經蒸發冷卻器冷卻后的冷凍水出口在蒸發冷卻器底部，即在靠近地面的高度，根據泵入口管線的配管“步步低”的原則，導致冷凍水泵的入口管線會沿地面布置較長一段距離，嚴重影響各人行通道；其次，根據幾家冷凍單元廠商提供的圖紙，冷凍單元的設備尺寸都較大。綜上因素，將冷凍水泵移至蒸發冷卻器附近，大幅縮短冷凍水泵入口管線的長度，也避免了入口管線對通道的影響；同時，將預冷卻水泵與冷凍機組分開布置，以充分利用布置空間，節省占地面積。修改后的布置方案見圖3。

圖3 修改后的設備布置圖

冷凍機組服務于空氣冷卻器，兩者宜靠近布置，根據相關規范要求，冷凍機組宜布置在室內或設置機棚，可根據場地情況或業主要求選擇。在布置冷凍機組時，應注意預留操作通道以及足夠的檢修空間，同時注意設備外廓與開關柜或者其他電氣設備的間隔應符合規范的相關要求。

1.2 分子篩吸附系統的設備布置

分子篩吸附系統的設備組成較為簡單，由兩臺分子篩吸附器及三臺電加熱器組成，電加熱器用于分子篩的再生，此系統布置較為簡單，見圖4。

圖4 分子篩吸附系統設備布置圖

此部分工藝流程相對較復雜，同時大都也是大口徑管線，因此在布置時應充分考慮管道布置需要的空間，布置消音器時應注意相關規范中關于間歇放空的要求。

分子篩吸附器有臥式和立式兩種，相對于臥式吸附器，立式吸附器能節省占地，但會增加設備檢修以及更換催化劑的難度，可根據場地實際情況以及業主需求來選擇。對于立式分子篩吸附器，設備頂部應設置平臺，同時平臺寬度應考慮有足夠的空間用于催化劑堆積；必要時可在設備頂部設置可旋轉的吊桿以方便人孔法蘭以及催化劑等的吊裝。對于臥式分子篩吸附器，應根據催化劑裝填人孔的位置設置平臺，當裝填人孔設置在設備中間一側位置時，可將兩臺分子篩對稱布置，考慮在兩臺設備中間設置聯合平臺；當分子篩裝填人孔設置在設備兩端時，應在人孔位置分別設置平臺，以方便催化劑裝填。

為節省占地，電加熱器布置較為緊密，因電加熱器進出口均有閥門，所以在其進出口位置應設置平臺，三臺電加熱器可設置聯合平臺。在設置平臺時，應充分考慮閥門的檢修和吊裝。電加熱器檢修需要抽芯，所以電加熱器后方應留有足夠的檢修空間，同時大型空分裝置的電加熱器相對較大，為方便抽芯，一般在電加熱器后方設置門型框用于抽芯時的支撐。

1.3 設備操作、檢修以及施工對設備布置的要求

合理的設備布置，在滿足工藝要求、配管布置及應力要求的前提下，也應充分考慮設備操作、檢修、施工等的要求。對于大型空分裝置空氣凈化區的設備布置，應注意以下幾點要求：

(1)對于設備安裝及檢修、催化劑吊裝,應盡可能采用移動式起吊設備。

(2)道路設置以及凈空高度設計方面，應方便起吊設備的通行。

(3)預先考慮大尺寸閥門及閥組的放置，方便檢修、操作及吊裝。

(4)充分考慮大直徑管道的應力，對于支架的設置，應考慮閥門拆卸時對整個管系支撐的影響。

(5)空氣冷卻器及蒸發冷卻器入口管線可能需要在管口處設置插板插環，因這兩處管口標高相對較低，可能不方便采用移動式起吊設備進行切換及吊裝；這時候可在插板安裝位置上方設置結構梁，采用電動葫蘆進行吊裝，設置電動葫蘆時應預留足夠的吊裝空間。

(6)冷凍機棚應設置電動葫蘆，以方便冷凍機組的安裝與檢修。

2 空氣凈化區的管道布置

大型空分裝置中，空氣凈化區的工藝管線直徑大都在DN1000-2000之間，在管道設計時應充分考慮管件及閥門的安裝及檢修，根據空氣凈化區的流程及特點，在管道布置時應注意以下幾點：

(1)為方便安裝，對于DN1000及以上的調節閥，應盡可能布置在地面上;同時大口徑調節閥很重，一般安裝或者檢修均需要吊裝，因此在調節閥上方不宜有遮擋物,以方便吊裝。

(2)大口徑閥門或者調節閥，因為其閥桿或者模頭高度較高，所以，放置于地面的大口徑閥門及調節閥前應設置踏步，以方便操作或檢修。

(3)因電加熱器操作溫度相對較高，各臺電加熱器工況非同步操作，因此在管道布置時應考慮不同工況對管道柔性的影響；對于大口徑管道，為節省空間，宜采用膨脹節吸收管道膨脹及其他柔性要求。

(4)因兩臺分子篩吸附器同時運行，為使流體分配均勻,并避免管道膨脹引起的應力問題，分子篩吸附器的進出口管線應對稱布置。

(5)對于大口徑管線，一般管件(包括法蘭、閥門、各種儀表閥及特殊件等)重量都較大，所以,應充分注意管件附近管道支架的設置。

3 結語

隨著相關技術以及設備制造能力的不斷改進與提升，空分裝置的大型化已經成為一種趨勢，設備和管道布置的合理性對裝置的占地面積及建設成本的影響也越來越大。管道設計人員應在專利商提供的設備布置圖的基礎上，利用自身的經驗對設備布置及管道布置進行優化，在滿足操作及檢修的同時，節約投資，節省能耗。