化工企业空气分离装置工艺流程选择探究

杨保宏

摘 要：空气分离装置是现代化工业生产中的重要配套装置，以空气为主要生产原料，因为空气中富含氧元素和氮元素，化工企业可以运用不同的生产工艺流程来分离空气中的氧气、氮气等，并将其转化成高纯度的气态以及液态形式，分别供应给石油、冶金、生物制药等多种工业领域生产使用。随着我国现代化工业的发展越来越快，空气分离装置的使用面也越来越广泛。就化工企业空气分离装置工艺流程的选择进行探究。

关键词：化工企业;空气分离装置;工艺流程选择

1 选择空气分离装置工艺流程对化工企业的重要性

我国经济和科技的迅猛发展，无形中带动了多个经济支撑产业的繁荣。在化工产业中，一些先进技术的引进显著提高了企业的生产效率，同时节省了很多人力、物力、财力。其中，空气分离装置为化工产业的生产提供了一定的动力。在化工企业中，高纯度的氧气和氮气是非常重要的工艺原料气体，比如氮气主要用作保护气体、置换气体、洗涤气体、安全保障气体，是化工企业进行正常生产运作的重要前提，但是其工艺流程的选择是多种多样的，如何选择正确的空气分离装置工艺流程一直是化工企业的一道难题[1-2]。化工企业一方面要根据客户所需要的气体比较工艺流程，另一方面要结合实际情况进行选择，才能最大限度地发挥应用价值。空气分离装置的工作原理是利用氨和空气的不同物理性质，根据它们冷凝所需的不同温度，利用空气分离装置中的制冷系统把不能被液化的空气分离出来。在空气分离装置工作时，所使用的冷源利用从贮液器来的氨液进入空气分离器内部的盘管里，在盘管内吸收分离器中混合气体的热量再蒸发，而混合气体中的氨气冷却后被液化，空气因不能冷凝而被分离出来。目前常用的空气分离方法有低温空气分离法、膜分离法以及变压吸附法3种方式，均有利有弊。所以，化工企业的工作人员在选择工艺流程时，既要坚持安全性能好、技术可靠、经济效益高且节省能源的原则，也要满足客户对货品质量的要求。

2 空气分离方法分类

2.1  低温空气分离方法

低温空气分离方法即低温精馏法，先将收集到的空气冷凝成液体，再根据以液体形式存在的气体分子的不同沸点，通过蒸馏提取出纯度较高的各种气体。利用这种方法可实现空气成分的完全分离，具有产品纯度和精度较高、工艺可靠等优点，但是工艺流程复杂，投资成本较高。随着空气分离工艺的不断改良，该方法目前在化工企业生产运作方面占主导地位，同时低温空气分离方法也是目前化工企业广泛应用的空气分离法[3-4]。低温空气分离方法的空气分离设备具有空气压缩、膨胀制冷，水分干燥、去除杂质，换热冷却、液化，空气精馏、分离，低温产品的冷量回收及压缩等功能。以上每一个步骤的实现方法以及所用的设备都是不一样的，所以可以组合为作用不同的工艺流程。低温蒸馏对于将空气分离成高纯度和高压的组成部分是特别有利的，但是目前低温蒸馏制得的分离产品纯度不高。

根據工作压力可分成低压、中压、高压3个压度。每种压力程度适用于不同的机械设备。比如高压工作设备可以同时制得纯氧和纯氮，还可以提取少量的液氧。所需的低温条件来源于节流效应，空气被冷却后，再经过接触传热，使空气中的氧冷凝成液体，达到氧和氮分离的目的，操作过程方便简单。然而，对于比较小型的空气分离装置而言，因为在运行过程中冷量损失较大，为了满足低温精馏的条件，需要借助膨胀机。低压的工作压力和装置下塔的压力相差不大，对装置的整体运行影响不大，且能耗低，是现代化工企业使用频率最高的一种空分工艺流程。

产品的压缩方法有两种—内压缩和外压缩。外压缩即产品单一、特意设置的气体压缩机，好处就是单独运行。内压缩即利用泵压缩液态产品，通过复热与气化传输到装置外。两者各有优势和劣势，相比之下，内压缩的安全性能更高，但是其中的低温液体泵能否正常运作对装置整体运行起关键性作用。针对全低压低温精馏技术来说，不管是挑选外压缩还是内压缩工艺流程，均可以制出液态氧产品和氮产品。最后的选择需要比较液态产品中氧的占比，比重大则对装置能源的消耗大。综合来说，选择全低压内压缩工艺流程更为合理。

2.2  膜分离方法

膜是一种具有选择性分类功能的材料。膜分离技术以分离膜两侧的物质为核心，达到组分分离的目的，再根据需要判别是否继续浓缩和提纯物质。该技术是一种使用半透膜进行组分分离的方法，选择不同的膜材料最终得到的物质的量也不同。由于膜分离技术的操作一般在常温条件下进行，被分离的物质可以保持原来的性质。膜分离技术兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，高效、节能、环保，采用分子级过滤，过滤过程简单、易于控制，因此，已广泛应用于食品、医药、生物、化工、冶金、能源、石油、仿生等促进经济发展的重要领域，为社会创造了巨大的经济效益，已成为当今分离技术中的重要手段。膜分离法实际上是根据气体扩散的原理，主要利用膜渗透技术，首先利用空压机压缩，除油干燥，再经过加热进入膜分离器，压缩空气在膜的两边有压力差，可根据氧、氮通过膜的不同速率，分别在膜的两边收集氧气和氮气。而且，在实际的化工操作过程中，一般会使用催化剂来提高产品的产量。这种方法的优点是用到的装置更简单、操作方便、能耗低，而且投资小。所谓“种瓜得瓜，种豆得豆”，膜分离方法的产品得率在28%～35%，比较适用于中小型规模企业。

2.3  变压吸附的分离方法

变压吸附法即PSA法，是在较高的压力下吸附，实现气体分离，在较低压力下实现吸附剂再生。将分子筛作为吸附剂，基于分子筛对不同分子的选择吸附性能，达到各组分分离的效果。空气经过压缩、净化和去除有害物质后，吸附塔里的分子筛将氮气分子优先吸附，把氧分子变为氧气。当吸附达到一定的比例时，可以利用减压方式去除分子筛表面吸附的氮分子，使分子筛恢复吸附能力。一般化工企业为了持续不断地作业，需要一直提供氧气补给，所以选择的装置通常都设有两个或以上的吸附塔，以达到连续产氧、供氧效果。也可以通过吸附剂及其压力的转变，获取不同质量等级的氮产品与氧产品。另外，在真空解吸的操作流程中所需压力低，容器可以不受压力容器的规范控制。该技术的优点为工艺流程较简单、操作方便、自动化水平高、运行成本低，但是想要获得高纯度产品比较困难，同时由于该装置的容量非常有限，该技术的应用范围不太广泛。变压吸附工艺也可按吸附器的数量，分为单塔流程、两塔流程、三塔流程以及五塔流程等。其中，五塔流程的变压吸附法比较常用，解决了大规模产氧的技术问题。所以，如果客户所需的产品为大量氧气，化工企业可以优先考虑变压吸附的分离方法。

3 空气分离装置工艺流程的选择

3.1  气态成品的工艺流程选择

气态成品的工艺流程选择比液态成品更加多元化，对各方面要求严格。其中，产量高、纯度高的双高产品需要满足低压、低温等条件，因此低温空气分离法是最好的工艺流程。虽然通过变压吸附、膜分离或者其他工艺也能够实现组分分离，但是得到的产品在纯度上无法达到理想标准。变压吸附工艺流程和低温精馏工艺流程均能够重复利用，为化工企业节省了大量资金和资源，但是不足就是无法提供高纯度的空气成品。假设客户所需要的产品是量大且种类单一的气体，化工企业可以选择膜分离技术或是变压吸附分离法，但是它们的工艺流程有得也有失，用这两种方法提取的产品纯度和气体消耗量互相“打擂台战”，最后的结果是不可以提取大量纯氮气。现如今，根据实践报告可知，膜分离技术和变压吸附分离法提取的产品纯度无法达到99%。另外，对于小型的空氣分离装置，需要选择变压吸附分离方法或者低温空气分离方法。当提取的氧气纯度大于90%时，也需要选择低温空气分离工艺流程。上述两种情况选择使用膜分离工艺装置是无法获取高纯度氧气的，所以，这种工艺仅适用于对氧气纯度要求较低的领域。

3.2  液态成品的工艺流程选择

空气分离装置及其流程所需要的原料都是气体形态，若化工企业想将气态成品转化为液态，该过程需要满足的条件为高温、低压。根据以上两个条件不难看出，若想得到液态成品，最佳的选择便是低温精馏工艺。虽然在非低温条件下，变压吸附分离法和膜分离技术也能将氧气、氮气分别分离出来，但根据物理知识可知，纯氧、纯氮气体的沸点都在零下，因此根本不能将气体转化成液体。所以，要想得到液态的空气成品，要对装置的温度控制以及压力高低作出相应的要求，同时对液态空气成品的储存要求也比较严格，这就要与生产空气分离工艺流程进行对接。综上所述，提取液体形态比较适合选用低温精馏装置工艺流程。

4 结语

随着我国科学技术的不断更新，空气分离装置工艺流程也在不断完善。虽然我国的科学进步给化工企业带来了很多较为先进的技术，但是从整体情况来看，我国的空气分离装置仍然有很大的提升空间，需要进一步优化配置，提高生产效率和产量。同时，化工企业要知道，新的空气分离装置工艺仍然无法完全替代传统的工艺，传统工艺依然拥有很大的发展潜力，化工企业要注意两者的有机结合。无论选择哪一种空气分离装置工艺流程，都有各自的优点和不足。所以，各大化工企业在选择空气分离装置工艺流程时，还是要考虑企业本身的实际情况，结合客户的产品需求以及每种工艺流程的利弊，再综合比较各种情况可能造成的后果，最终选择最适合企业实际情况的空气分离装置工艺流程。

[参考文献]

[1]齐洪波.关于空气分离方法和工艺流程选择的一些探讨[J].农家参谋，2018（17）：226.

[2]何永，席俊峰.化工企业空气分离装置工艺流程选择[J].化工管理，2016（9）：115.

[3]李朝荣.浅析空分装置工艺流程的选择[J].化工管理，2015（18）：161.

[4]林军.大型低温空气分离装置工艺流程浅析[J].中小企业管理与科技，2013（10）：302-304.