深冷空气分离装置工艺特点及设计原则分析

邓伟隆

摘 要：在现代科技带动下，深冷空气分离装置工艺技术水平不断提升，在工艺生产中的应用越发自如与成熟。深冷空气分离装置的主要作用是通过沸点不同原理，分离空气中的稀有气体与氧气、氮气，以此得到生产所需气体。本文主要对装置工艺特征与设计原则展开分析，希望对装置空气分离效率提升以及装置性能优化起到参照作用。

关键词：空分装置；工艺特点；设计原则

市场竞争加大，工业生产制造对气体的要求随之提高。空气填充后会降低产品质量；对此，需要将空气成分分离，深冷空气分离装置应运而生。但影响装置运行效果的因素较多，包括冷量供应增压程度等因素。要求技术人员明确掌握设计原则与工艺特征，确保装置规范操作与安全稳定运行。

一、深冷分离法与装置设置

1.深冷分离法概述

主要指利用不同温度分离气体。多采取机械性措施膨胀气体，根据气体沸点不同，针对性展开降温冷却，实现气体精准分离。深冷分离法常用于氧气分离，气体精度高且成本大。除此之外，适合制备氮气等比重大的气体，但仍有局限性与不足，还需加强经验总结与性能优化升级。深冷分离法基本原理主要是利用指定程序，包括浓缩与净化、压缩、干燥热交换等方法，液化空气成液态气体。

2.装置设置

设置空气分离装置，应当确保多种液流妥善收集处理。净化后的空气应进入到装置主换热增热容器内，未获得通过的液态气体，通过冷却装置降温后，送入净化蒸馏容器内以收集氮气，冷凝蒸发蒸馏器内底部液态空气，最终获得冷凝氮气。置留部分液体用于分节设置。也可以再次置入到主换热增热容器内，随后进入膨胀器内，降温后获得分离再次利用的气体，其余部分排入大气。可见设置空分装置的重要性，以达到空气压缩净化，以及空气最终分离的目的。

二、空分装置特点

1.流程特征

空分装置以也养内压缩与膨胀等流程为主，安全可靠性强，且投资成本低，操作简单，具有较大的发展与完善空间[1-2]。

2.机组特征

涉及以下几项内容；一是空气过滤器。脉冲反吹自洁式过滤器包括控制系统、净气室与空气滤筒灯主要部件。其中反吹系统由电磁阀、压缩空气管路、启动隔膜阀等组成。控制系统由控制电路、差压变送器等组成。装置空压机入口与净化室出口接通，利用负压吸入空气。过滤筒阻挡灰尘，尘膜虽然能增强过滤效果，但也增加了气流阻力。二是预冷系统。空冷塔能下调温度，优化分子筛环境，同时清除了空气中的酸性气体、机械杂质。散装填料塔能够降低阻力与空压机出口压力，确保塔的换热性能，最终达到降耗目的。分布器能促使空气、水充分接触，具有降低冷冻水量作用。淡水冷却塔可回收污氮冷量，符合高效与节能等生产标准。

3.纯化系统

分子筛吸附器由分子筛、活动氧化铝双结构组成，保护分子筛的同时，能够降低吸附器再生阻力、再生温度与再生能耗。每个系统阀门都没有开关信号与状态回馈，出现阀门卡死情况，需暂停自动控制程度，确保阀门状态不变，或是恢复控制程序，使系统在正常共工作程序下进行。系统以长周期设计方式为主，吸附时间长，对阀门、分子筛起到了保护作用，同时减少了切换次数与压力波动，工况得以安全稳定进行。基于无冲击切换方式的分子筛切换系统，利用切换阀能够匀速缓慢的开关阀门。基于分程控制原则的进口均压阀门，可确保充气过程与工况稳定。基于DCS控制方式的切换系统，能够自动判断压力、压差，有效配合阀位反馈信号，进一步提升了切换系统的稳定性。

4.精馏塔系统

精馏塔系统包括上下塔、冷凝蒸发器。上塔具有降耗、降压与提高效率等作用，主要以规整填料为主。下塔可降低投资成本，主要以高效筛板塔为主。冷凝蒸发器以全铝结构为主，具有结构紧凑与成本低等特征；对此，被空分装置广泛应用。进料板上下层分别为精馏段、提馏段，前者具有持续冷凝分离上升汽相重组份的作用；后者具有汽化分离下流液相内轻组份的作用。上下塔以冷凝蒸发器为联系纽带，具有下塔顶部气氮、上塔底部液氧热交换的作用。液氧转化成气氧，以吸热蒸发流程为主；气氮转化成液氧，以放热冷凝流程为主。下塔气氮精馏处理后，能够达到空气分离效果[3]。

5.控制系统

基于DCS系统的空分装置，包括在线分析仪、调节阀等测控组件，确保装置正常运行的同时，能够在故障停车时确保设备安全。

三、深冷空气分离装置设计原则

1.装置布置

空分装置涉及较多净化分离系统，需要加强统筹规划，确保装置协调统一布置，提高各个系统的匹配度。设计空分装置前，应当充分了解装置应用环境、生产技术要求等内容，综合考虑安装位置等情况，合理展开空分装置设计。安装空分装置时，需要合理布置重荷载设备、有振动设备。同时围绕经济合理等原则安装管道，以降低管理成本，实现资源高效利用。

2.冷箱内配管

在配管前应做好配管坡口缝隙焊接工作，焊接后清理管件内外部，为确保装置稳定运行，应对配管展开脱脂操作，并按照顺序向冷箱内放置配管。配管直径主要根据冷箱空间确定，防止出现配管应力增大与形变等情况。通常情况下，冷热管道外壁间距应>0.2m，配管上接头需先开口，防止配管内落入杂质。严格按照技术文件规定，控制气体吹除管坡度等技术参数，当无规定时，应沿吹除阀门方向下降倾斜1/10坡度，确保无下凹死区，防止出现管内水分冻结等情况。

3.阀门配置

合理设计阀门配置意义重大，安装前需脱脂清洗阀门，避免阀门出现与分离气体出现生化反应，从而降低阀门的质量，影响气体分离成效。严格控制冷箱内阀门位置，要求阀门手轮中心距离地面>1.2m。合理安装伸长杆，阀门盖与紧固元件应以不锈钢材质为主，避免出现腐蚀生锈等情况。

总结

空分装置应用相对普及，但为了迎合安全降耗与高效等生产标准的号召，还需加强空分装置技术特征与设计原则的分析，了解空分技术现状，为装置设计方案优化提供价值参照。与此同时，本着引进来合走出其的原则，引用国外发达国家空分技术与设计经验，结合实际生产条件与装置运行环境进行整合升级，带动我国工业生产现代化发展。

参考文献

[1]谢含幸，常涵彧.大型合成气气体分离装置工艺路线选擇[J].中国石油和化工标准与质量，2018，38（18）：191-192.

[2]王静，丁玉峰.深冷分离法加膜分离法的空气分离装置分析[J].化工设计通讯，2017（9）.

[3]孙戈砺，张霞，皮军.深冷技术在空气分离设备设计中的应用[J].化工设计通讯，2018.

[4]谢灿灿.空分设备保冷箱内的配管设计与优化[J].化工设计通讯，2017（12）：98-99.