空分设备布置研究

范浩建

（开封空分集团设计研究院有限公司,河南 开封 475001）

1 空分设备概述

1.1 空分装置概念

空分装置是指空气分离的装置。空分装置主要是利用空气中各种气体的物理性质的区别,采用一些特殊的方式进行氧气、氮气、氦气等气体的分离,一般采用吸附、膜分离以及冷冻等方式,分离效果较好。目前,大型煤化工行业进行氧气、液态氩及氮气的生产普遍是采用深冷法。空分产品的应用范围较广,被广泛应用于化工、医药、石油等行业。

1.2 空分设备的液氮取出装置介绍

空分设备一般能生产一定的液氧和液氮产品,存入液体贮存系统以备需要时使用。空分设备包括上塔和下塔,上塔内设置有液氮取出装置。液氮产品的取出位置一般有两种：一是从过冷器后的管道上直接取出；二是从液氮过冷器后的管道上取出后经液氮量桶输送至液体贮存系统。直接从过冷器后的管道取出时,经送出阀节流后会有一定的气化率,这部分低温氮气将随液氮一同进入液氮贮槽,最后通过液氮贮槽顶部的气体泄放装置排入大气,造成产品浪费的同时,低温气体直接排入大气还将携带走少许冷量,是一种能源上的浪费。

空分设备的液氮取出装置包括液氮进口接管、液氮出口接管、以及呈环形的液氮槽盘,液氮进口接管和液氮出口接管相对布设在空分设备的上塔筒体侧壁上,且液氮进口接管的位置高于液氮出口接管的位置；液氮槽盘设置在液氮出口接管下部的上塔筒体内壁上,其中,液氮通过液氮进口接管流入液氮槽盘中,经过液氮槽盘并由液氮出口接管流出。与液氮进口接管对应的上塔筒体内壁上设置有挡液槽,挡液槽的出液口与液氮槽盘相对应。挡液槽包括上弧板、下弧板和侧挡板,挡液槽的左右两出液口与液氮槽盘对应。液氮槽盘包括固定设置在上塔筒体内壁上的环形接液底盘、设置在环形接液底盘内侧的挡液堰、横向跨设并连通设置在环形接液底盘上的降液槽和设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挡液堰的上沿高度,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挡液槽的出液口的高度。液氮进口接管和液氮出口接管以上塔筒体侧壁上成夹角为α布置,其中,90°≤α≤180°。（见图1,图2）

图1 原理结构图

图2 液氮取出装置示意图

2 空分装置设备布置时要考虑的因素

空分装置主要由空压站、空分空压机系统、空分主装置、液体贮罐区以及氮压机厂房等部分组成,各组成部分间由内管廊连接。布置空分装置时需要考虑的因素有以下几方面。

2.1 安全性方面要求

《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》（GB 16912-2008）以及《石油化工企业设计防火规范》（GB 50160-2008）明确规定,在布置空分装置设备时,应该严格遵守规范,确保安全,具体的安全性要求如下。

（1）在对冷箱氧氮总放空塔进行布置时,可将其与氧气阀门室相连,完成之后将其放置在装置中比较空旷的地方。（2）对于氧气调节阀组的设备布置,因为自身的特殊性,需要独立的阀门室或者防护墙。（3）对于氧压机,需要单独设置氧压机间,氧压机和其他厂房之间用防火墙间隔开,若不能达到该要求,可将氮压机和氧压机放在一个厂房,并在两者之间设置防火墙。（4）布置氧压机、氨冷器及高压氧放空阀时,要根据实际要求设置防爆墙。（5）布置氧气（包括液氧）储罐时,要注意之间的防火间距。氧气和氩气以及氮气储罐间的距离应满足实际要求,一般情况下不能小于2m。（6）在空分装置中布置液氧贮槽、液氮贮槽以及液氩贮槽设备时,应将其尽量放在一起,并且根据实际工艺要求设置贮槽区防护围栏。（7）为了方便统一管理,吹扫管路、排液及放空应该集中进行放空排放,采取集中治理措施。

2.2 符合工艺流程的设计要求

在进行空分设备布置时,不但要实现合理布置,并且要切实符合工艺流程的设计要求。在布置设备层高时,要根据工艺流程的设计要求设置,有时候还要考虑风向频率以及地形情况,设备可以在厂房或者管廊上面的空间放置,在必要的时候可设置框架,框架要注意符合工艺流程的设计要求。

（1）在布置压缩机时,要预留一些位置用来放置空调机阀组以及进出口气路大管线上的阀组。（2）空气过滤器的吸入口应该远离二氧化碳气体的排放口,布置在装置全年最小频率风向的下风侧。如果空气过滤器的吸入口离二氧化碳排气口太近,时常吹来碳氢化合物,情况比较严重的话可能使得空分装置停车。（3）对于压缩机油站设备的布置,应该将其放在总回油管和压缩机组总进油的一端。此外,在厂房中应将高位油箱和压缩机油站放在同一侧。（4）在进行设备布置的时候,应该先布置较大管道,通过计算应力从而确定最终的设备布置,主要是因为像分子筛系统管道等大管道具有机械应力,要充分考虑这个问题,以防以后进行配管修改的时候对设备布置产生影响。（5）在进行设备布置以及厂房布置的时候,由于空气管道、氮气以及膨胀机增压端的进口管的线上都有流量计,一定要考虑流量计对于安装距离的要求,最好刚开始就大致布置下管道。（6）液体贮槽的基础高度设置主要考虑满足液体泵的净正吸入压头,这样能够有效防止气蚀情况的发生。（7）对于液体贮存管线的布置,可设置单独的桁架跨至贮槽区,尽量减小冷箱到贮槽区的距离,从而减少冷量的损失。

2.3 设备布置要满足操作、施工、检修等各方面的要求

在进行空分装置设备布置的时候,不仅要考虑方便操作者操作,还要考虑以后设备的维修和施工问题,需要预留一定的空间方便操作。

（1）汽轮机表冷器上方一定要留充足的空间,这样能够使得位于表冷器下面的热井抬起从而放到表冷器里面。（2）对于汽轮机驱动的空压机增压机厂房布置,可在二楼楼面上放置排气安全阀以及两级抽气射气装置,这样不仅方便操作和检修,而且看着也比较美观整洁。（3）压缩机基础表冷器附近的基础柱间距需满足表冷器循环水配管的空间要求。（4）压缩机厂房进行检修吊车设置时,要注意吊车轨顶的高度,它的高度主要是根据压缩机尺寸以及最大检修部件尺寸来进行计算的,这点非常关键。（5）压缩机厂房的安全出入口以及楼梯在进行设备布置的时候,最重要的是一定要符合相关的规范要求。（6）分析小屋和控制室一定要注意远离震动设备以及危险区,合理进行位置设置。（7）对于压缩机的高位油箱设置,要根据所处地区的天气而定,在比较寒冷的地区要注意放在厂房内部,主要是为了避免放在外面被冻坏,而在南方的话,天气温暖则可以将高位油箱放在厂房外面。（8）在进行二层压缩机厂房布置时,要注意设置检修以及吊装孔的区域。（9）在进行设备布置的时候,为了方便后期操作及检修,要在早期就将大管道阀组做好规划、合理放置,切忌不要让阀组堵塞设备检修以及操作的通道,以免留下隐患。（10）对于压缩机厂房吊车有操作室的情况,在设置吊车检修平台的时候,要注意吊车检修平台高度的设置,根据吊车的尺寸参数计算出平台的高度。（11）净空高度以及设备间距一定要注意合理设置,需要留有操作平台和通道。（12）在进行分子筛吸附器设备布置的时候,要注意考虑活性氧化铝的卸料和装填问题,根据实际情况以及相关要求进行合理设置。（13）在进行设备布置的时候,要注意预留现场组装大型设备以及吊装主要设备所需要的场地,以免对后期产生影响。

2.4 进行设备布置要讲究经济合理

对于空分装置的设备布置,不仅要考虑符合工艺要求,还要讲究经济合理,减少投资、控制能耗,同时还要尽量减小占地面积,争取将工程造价做到经济合理。

2.5 其他

（1）有些业主可能根据个人情况会提出特殊的要求,对此,还要满足业主的要求。（2）要根据当地气候情况而定,像是否进行室内布置主要是根据当地的风沙、气温、降水等情况,有时候还要考虑一些特殊的要求进行设置。（3）进行设备布置的时候还要注意装置的整齐美观,进行合理布置。

2.6 空分设备布置案例分析——以冷箱的布置设计为例

冷量损失能够客观反映空分设备的运行状态,是衡量该设备稳定性与经济性的一项重要指标。冷量损失越小,说明空分设备的保冷能力及换热效率越高,相应的设备稳定性与经济性也越高。冷量损失对空分设备而言,是不可避免的存在,它与空分设备自身的特性密切相关。尽管空分在设计之初会根据不同需求,采取不同的工艺流程,但冷量损失的形式基本相同,大致可以概括为以下三种：（1）热交换不完全；（2）跑冷损失；（3）其他形式的冷量损失,如液体产品的生产及排放（液氧、液氮、液氩等）、阀门的泄露等。相比传统冷箱,整装空分冷箱安装具有质量优、现场安装周期短等优点,因此相较于传统的小格空分设备,当前的空分设备逐渐向大型化发展,市场与部分特殊用户均需要适用于大型空分设备的整装冷箱。本文即以某10000m3/h空分设备为例,简要介绍某设备冷箱的设计特征与部分问题的解决方法。本空分装置工艺流程采用液氧泵内压缩流程：（1）空气压缩→（2）空气预冷和纯化系统→（3）热交换和制冷→（4）空气分离。

该空分设备为了达到运输要求,必须保证冷箱内设备与管道的合理布局。按照塔器直径以及高度,结合冷箱现有运输条件,综合该设备工艺流程以及使用方对设计的要求,在设计期间不断对冷箱予以优化,最终确定设备按照如下条件布置。

第一,上塔、下塔与主冷组合；粗氩冷凝设备同粗氩塔组合；精氩冷凝设备与精氩蒸发设备组合；设备布置于主冷箱位置,主冷箱规格为6300mm×4500mm×60000mm。第二,主冷箱侧面作为运输面,冷箱内阀门全部置于冷箱正面或是背面。第三,主换热设备、过冷设备、液氧蒸发设备均置于副冷箱内,副冷箱规格为6300mm×3500mm×18000mm。第四,副冷箱侧面作为运输面,副冷箱内阀门全部置于冷箱正面或是背面。第五,主冷箱的侧面与背面各自配置两个液氧泵冷箱与液氩泵冷箱,副冷箱侧面配置膨胀机过桥冷箱,主、副冷箱利用过桥冷箱实现连接。

3 结论

如今,空分单套装置产氧量越来越大,空分装置的管道设计布置以及设备布置在进行空分工程设计时占据着越来越重要的地位。空分设备以及管道布置是非常复杂的,需要结合很多专业知识,具有一定的技术含量,这就需要工程设计人员在实际工作中长期的经验积累。想要完成一个设计比较好的空分装置和管道布置,需要空分设计人员刻苦、细致的思考劳动,达到创造效益,为用户节约投资的目的。