深冷空气分离装置工艺特点及设计原则探究

2016-08-12兖矿集团内蒙古荣信化工有限公司内蒙古鄂尔多斯市017000

低碳世界 2016年17期

郭　震（兖矿集团内蒙古荣信化工有限公司，内蒙古鄂尔多斯市 017000）

深冷空气分离装置工艺特点及设计原则探究

郭震（兖矿集团内蒙古荣信化工有限公司，内蒙古鄂尔多斯市 017000）

深冷空气分离法（以下简称深冷法）是利用空气中各组分沸点的不同，将空气中的氧气、氮气以及其他的稀有气体进行分离。本文主要对深冷空分装置工艺的基本概述以及空分装置工艺的基本流程和特点进行了简要的分析，并提出了相关的设计原则，以期为相关人员提供参考。

空分装置；工艺特点；设计原则

1　引言

深冷法空分装置制氧设备中使用的是一套的填料塔、液体泵内压缩以及前段预净化流程，使用常温分子筛预净化，空气增压透平膨胀机提供装置所需的冷量，从而形成空气增压膨胀、双塔精馏、内压缩的一种流程。

2　空分装置工艺的基本概述

空分装置能够为气化装置提供生产过程中所需要的中压纯度较高的氧气，为生产装置提供密封、置换以及吹扫时所需要的中低压氮气，并产出液氧、液氮以及其他稀有气体产品。另外，空分装置配套的空压站系统可为全厂提供仪表空气，密封气以及工厂空气。由于空分产品在石油、化工、冶金、医药等各行各业被广泛的应用，因此是具有广阔发展前景的行业。

3　空分装置工艺的基本流程

空分设备使用的是分子筛吸附预净化、增压透平膨胀机以及液体泵内压缩工艺，其整套设备主要包含有以下几个系统：①空气过滤压缩系统；②空气预冷系统；③分子筛纯化系统；④精馏塔系统；⑤液体贮存及汽化系统；⑥仪控系统；⑦电控系统等。主要的工艺流程如下所述：

3.1空气的过滤和压缩

空气首先会进入到自洁式空气吸入过滤器，而空气过滤器会将吸入到的灰尘以及其它颗粒杂质过滤掉，而后进入到空压机，在多级压缩后会进入到空冷塔中，冷却器中的冷却水会带走压缩机级间产生的热量。

3.2空气的预冷和纯化

空气在进入到分子筛吸附器前会事先在空冷塔中进行冷却，进入空冷塔的水有两部分，中部是循环水，顶部是经过氮水冷却塔冷却后的冷冻水，从而能够有效降低空气的温度，以及减少空气中水分的含量，最终能够减轻分子筛吸附器的工作负荷，并对空气起到一定的洗涤作用。而从空气预冷系统冷却后的空气会进入到分子筛吸附器中，它能够将空气中的水分、二氧化碳、碳氢化合物等去除，得到纯化后的空气，此系统就是所谓的空气纯化系统。

3.3空气的精馏

一般将出吸附器的空气分成两个部分，即：①直接进入到污氮换热器，经冷却后进入下塔；②通过空气增压机进一步进行压缩，而后将膨胀机增压端进行增压压缩后的一股气流，经由后冷却器进行冷却，而后进入到主换热器进行冷却，再经由气体膨胀机进行膨胀，最终进入下塔；增压机的末级空气送入冷箱，再经主换热器进行冷却后，经由液体膨胀机进入下塔。下塔中的上升气体在与回流的液体发生接触后，其含氮量会有所增加，下塔顶部的冷凝蒸发器会将纯氮气冷凝，液氧会在此环节中有所蒸发。

纯液氮、纯氮气、污液氮、贫液空以及富氧液空会从下塔从上到下产生，其中纯液氮主要为下塔提供回流液，另外一部分经过过冷器则作为产品送出；而纯氮气则经主换热器重新复热后作为产品氮气；污液氮经由过冷器冷却后流向上塔顶部，并作为上塔回流液；富氧液空经由冷却器冷却后去往上塔上部，并作为上塔的回流液。

当上塔顶部有污氮气产生后，底部会有液氧产生，此时上塔中不同产品的去向也发生了变化，具体如下所述：从上塔顶部抽出污氮气后，经由冷却器以及主换热器污氮换热器复热出冷箱，一部分被当做纯化系统的再生气体，另外一部分则去氮水冷却塔；从上塔底部将液氧抽出，经由液氧泵进行压缩，直至压力与所要求的压力相同，而后被送到主换热器中通过与正流空气中进行热交换，从而得到压力较高的氧气，另有部分液氧会被作为产品送出冷箱外。

4　空分装置的特点

4.1流程特点

空分装置采用液氧内压缩、空气膨胀流程，具有安全性好、可靠性高、操作维护方便、投资成本低、配置更合理的特点。

4.2成套设备机组特点

（1）脉冲反吹自洁式空气过滤器

脉冲反吹自洁式空气过滤器的主要部件包括：空气滤筒、脉冲反吹系统、净气室、框架、控制系统。反吹系统由气动隔膜阀、电磁阀、专用喷嘴及压缩空气管路组成。控制系统主要由脉冲控制仪、差压变送器、控制电路等组成。其结构如图1所示。

图1　自洁式空气过滤器自动反吹过滤系统

自洁式空气过滤器的净气室出口与空压机入口连接，在负压的作用下，从大气中吸入加工空气。空气经过过滤筒，灰尘被滤料阻挡。无数小颗粒粉尘在滤料的迎风表面形成一层尘膜。尘膜可使过滤效果有所提高，同时也使气流阻力增大。

（2）预冷系统

采用水和空气直接接触式的空冷塔，既降低空气温度，改善分子筛的工作环境，同时又洗涤空气中的机械杂质和酸性气体。利用效率高，阻力小的散装填料塔，不但能够有效确保塔的换热性能，还能够有效降低阻力，使得空压机出口的压力极大的降低，最终起到降低能耗的作用。液体的分布装置使用的分布器较为新型、高效，能够将水充分的与空气接触，确保塔的热换性能，使得冷冻水量有所降低，最终实现降低能耗的目的。氮水冷却塔使用的散装填料塔较为高效，且能够将污氮的冷量进行充分的回收。使用的冷冻水泵以及冷却水泵均采用一用一备的方式，从而有效确保装置的可靠性。

（3）纯化系统

分子筛吸附器使用了活性氧化铝和分子筛构成的双层床结构，底层的活性氧化铝床层能够对分子筛进行有效的保护，使得分子筛的使用寿命有所延长，利用双层床能够有效降低吸附器的再生阻力，降低其再生温度，大大的节省了再生能耗。

纯化系统阀门主要由三杆阀控制，每个阀门都有开关两个信号，而且均有开关状态回馈，如果阀门卡死在中间状态或在切换过程中，操作员可以根据生产需要选择暂停自动控制程序，使所有阀门保持在该操作状态不变化，也可以恢复运行自动控制程序，让纯化系统继续投入正常工作时序。

分子筛纯化系统使用的是长周期设计的方式，单个吸附器吸附的时间为4h，能够有效延长分子筛以及阀门的使用寿命，切换所造成的损失也会减小，同时将切换而引起的压力波动次数有所降低，确保主塔工况足够的稳定。

分子筛的切换系统主要使用无冲击切换方式，利用带调速器的切换阀，确保阀门的开关较为缓慢，匀速进行切换；均压阀使用的是正反流通能力相近的且具备良好调节性能的进口阀门，采用分程控制的原则，确保装置充气过程足够的平稳，工况的相对稳定；污氮放空阀使用的预开放式，避免上塔出现“憋压”的问题。切换系统使用DCS自动控制方式，其中包含有压力压差进行自动判断，与阀位反馈信号进行有效配合，能够使得切换系统的可靠性得到保障。

（4）精馏塔系统

精馏塔系统主要分为上塔、下塔和冷凝蒸发器。上塔采用规整填料，可以提高效率，降低空压机排压，提高装置提取率，降低能耗。下塔采用高效筛板塔，可以节省投资。冷凝蒸发器常见的型式有板翅式和管式两种，因板翅式冷凝蒸发器采用的是全铝结构，主要优点是结构紧凑、重量轻、体积小，而且制造容易，因此，在大中型空分设备中得到了广泛应用。

待分离的原料进入上塔，进料板以上为精馏段，以下为提馏段。其中精馏段所起的作用是将上升汽相中的重组份不断冷凝分离，汽相中轻组份不断提纯。提馏段的作用是将下流液相中轻组份不断汽化分离，液相中重组份不断提纯。冷凝蒸发器则是联系上塔和下塔的纽带，它用于上塔底部的液氧和下塔顶部的气氮之间的热交换。液氧在冷凝蒸发器中吸收热量而蒸发为气氧，作为上塔的上升蒸气；气氮在冷凝蒸发器中放出热量而冷凝成液氮，作为下塔的下流液体。通过精馏，实现了空气的分离。

（5）控制系统

空分装置采用DCS集散型控制系统。结合选用国际先进的DCS系统、调节阀、在线分析仪等测控组件，除了确保空分装置的正常运行外，还可以在装置出现事故停车时保证设备安全。

5　设计原则

5.1装置布置的原则

为了有效满足装置的总体规划要求，确保装置以及布置能够协调统一，对装置未来的生产以及技术改造的相关要求进行考虑，确定设备、设施以及建筑物的相对位置时，要按照风向等条件进行确定，决定零点标高和绝对标高之间的关系。而在确定是否需要进行室内布置时，则需要按照气温、降水量、风沙等气候条件以及生产过程或某些设备的特殊需求进行确定。按照地质条件，对重荷载和有振动的设备进行合理布置，要确保安装的管道足够的合理经济，较好的节省用地，降低能耗，便于施工、操作以及维修，对环境形成保护。

5.2冷箱内配管的原则

（1）配管前，应加工焊缝坡口，管件应清洗洁净，并应严格脱脂。

（2）配管的顺序应为先大管、后小管，先主管、后辅管，先下部管，后上部管。为了防止产生外加应力，不得强行配管；直径大于45mm的管道进行配接或预装时，应留一段作为最终接管，待其他管道连接焊好后方可单独接管。

（3）管路上的温度计、压力表和分析管等接头应先开口，不得在配管后再开口；施工中，各容器和管道的开口应封闭，防止杂物掉进设备和管道内。

（4）各管路不应相碰，其管间的最小距离应符合下列要求：

①冷热管道的外壁间距不应小于200mm；②热管道外壁距液体容器表面的间距不应小于300mm；③冷管道外壁距保冷箱面板的间距不应小于400mm；④冷管道外壁距分馏塔基础表面的间距不应小于300mm。

（5）气体吹除管的坡度应符合设备技术文件的规定；当无规定时，应设1/10的坡度向吹除阀方向下降倾斜，并应无下凹死区，防止水分在管内冻结。

5.3阀门配置的原则

阀门安装前需进行脱脂清洗，务必按介质流向安装阀门，冷箱内的阀门安装位置能使阀门手轮中心与地面或平台面的距离为1200mm左右，必要时阀门应装有伸长杆，阀门填料压盖和紧固件应采用不锈钢材质。