空分装置中空气净化区的设备及管道布置

赵林涛

德希尼布(天津)化学工程有限公司上海分公司 上海 200235

空分装置主要是利用空气中各组分物理性质不同，采用深度冷冻、吸附、膜分离等方法分离出氧气、氮气，或同时提取氦气、氩气等稀有气体的过程。空分产品广泛应用于石油、化工、冶金、医药等各行业中。

空气净化区是空分装置的关键区域之一，空气净化区主要包括空气预冷及空气纯化两部分，经空气压缩机压缩后的空气经过直接接触式空气冷却器冷却后进入分子筛吸附系统，经分子筛净化后的空气进入冷冻区处理。

1 空气净化区的设备布置

对于大型空分装置来说，空气净化区管道大都是DN 1000mm～2000mm的大口径管道，故在进行设备布置及管道布置时应充分考虑设备及管道安装与检修所需的空间，并深化管道布置研究图。下文以某项目为例，探讨空分装置中空气净化区的设备布置及管道布置。

1.1 空气预冷系统的设备布置

空气预冷系统的核心设备是直接接触式空气冷却器和蒸发冷却器，经空气压缩机压缩后的空气进入空气冷却器进行冷却，尽可能降低空气温度并减少空气中水含量，从而降低分子筛吸附器的工作负荷。空气冷却器内部为二级冷却，空气冷却器的冷却水用循环水，冷冻水来自蒸发冷却器冷却后的水，再经过冷冻机组冷却后进入空气冷却器上部。蒸发冷却器主要利用富余氮气的冷能对循环水进行预冷却，以节省能耗。该系统工艺流程图见图1。

来自空气压缩机的空气一般经管廊进入空气冷却器，所以空气冷却器宜正对空气压缩机组并靠近管廊布置。对于大型空分装置，进入空气冷却器的空气管线直径一般不大于2000mm，故在布置空气冷却器时应充分考虑管道的转弯半径对布置的影响。

图1 某专利商的空气预冷系统工艺流程简图

装置中富余的氮气经管廊汇合后，再经蒸发冷却器，利用其冷能来预冷却循环水；故蒸发冷却器宜靠近管廊布置，以方便管线进入。因汇合后管线口径较大，故在布置时应充分考虑管道转弯所需的空间。富余氮气经过蒸发冷却器后，温度会有所提升，这部分氮气一般直接排放到大气中，所以蒸发冷却器顶部会有一个高点排放口，在设备布置时，应注意规范中关于连续气体排放的相关要求。

基于工艺流程，空气冷却器、蒸发冷却器以及冷冻单元应就近布置，根据布置美观的原则，空气冷却器和蒸发冷却器宜与两台分子筛吸附器水平方向并排布置。该冷却系统包含预冷却水泵和和冷冻水泵分别服务于空气冷却器及蒸发冷却器；在某专利商提供的参考布置图上，将这两组泵与冷却单元一起放置在冷冻机棚内，见图2。

图2 某专利商的空气预冷系统设备布置

这种布置方式具有操作方便、节省空间等优点，但因经蒸发冷却器冷却后的冷冻水出口在蒸发冷却器底部，即在靠近地面的高度，根据泵入口管线的配管“步步低”的原则，导致冷冻水泵的入口管线会沿地面布置较长一段距离，严重影响各人行通道；其次，根据几家冷冻单元厂商提供的图纸，冷冻单元的设备尺寸都较大。综上因素，将冷冻水泵移至蒸发冷却器附近，大幅缩短冷冻水泵入口管线的长度，也避免了入口管线对通道的影响；同时，将预冷却水泵与冷冻机组分开布置，以充分利用布置空间，节省占地面积。修改后的布置方案见图3。

图3 修改后的设备布置图

冷冻机组服务于空气冷却器，两者宜靠近布置，根据相关规范要求，冷冻机组宜布置在室内或设置机棚，可根据场地情况或业主要求选择。在布置冷冻机组时，应注意预留操作通道以及足够的检修空间，同时注意设备外廓与开关柜或者其他电气设备的间隔应符合规范的相关要求。

1.2 分子筛吸附系统的设备布置

分子筛吸附系统的设备组成较为简单，由两台分子筛吸附器及三台电加热器组成，电加热器用于分子筛的再生，此系统布置较为简单，见图4。

图4 分子筛吸附系统设备布置图

此部分工艺流程相对较复杂，同时大都也是大口径管线，因此在布置时应充分考虑管道布置需要的空间，布置消音器时应注意相关规范中关于间歇放空的要求。

分子筛吸附器有卧式和立式两种，相对于卧式吸附器，立式吸附器能节省占地，但会增加设备检修以及更换催化剂的难度，可根据场地实际情况以及业主需求来选择。对于立式分子筛吸附器，设备顶部应设置平台，同时平台宽度应考虑有足够的空间用于催化剂堆积；必要时可在设备顶部设置可旋转的吊杆以方便人孔法兰以及催化剂等的吊装。对于卧式分子筛吸附器，应根据催化剂装填人孔的位置设置平台，当装填人孔设置在设备中间一侧位置时，可将两台分子筛对称布置，考虑在两台设备中间设置联合平台；当分子筛装填人孔设置在设备两端时，应在人孔位置分别设置平台，以方便催化剂装填。

为节省占地，电加热器布置较为紧密，因电加热器进出口均有阀门，所以在其进出口位置应设置平台，三台电加热器可设置联合平台。在设置平台时，应充分考虑阀门的检修和吊装。电加热器检修需要抽芯，所以电加热器后方应留有足够的检修空间，同时大型空分装置的电加热器相对较大，为方便抽芯，一般在电加热器后方设置门型框用于抽芯时的支撑。

1.3 设备操作、检修以及施工对设备布置的要求

合理的设备布置，在满足工艺要求、配管布置及应力要求的前提下，也应充分考虑设备操作、检修、施工等的要求。对于大型空分装置空气净化区的设备布置，应注意以下几点要求：

(1)对于设备安装及检修、催化剂吊装,应尽可能采用移动式起吊设备。

(2)道路设置以及净空高度设计方面，应方便起吊设备的通行。

(3)预先考虑大尺寸阀门及阀组的放置，方便检修、操作及吊装。

(4)充分考虑大直径管道的应力，对于支架的设置，应考虑阀门拆卸时对整个管系支撑的影响。

(5)空气冷却器及蒸发冷却器入口管线可能需要在管口处设置插板插环，因这两处管口标高相对较低，可能不方便采用移动式起吊设备进行切换及吊装；这时候可在插板安装位置上方设置结构梁，采用电动葫芦进行吊装，设置电动葫芦时应预留足够的吊装空间。

(6)冷冻机棚应设置电动葫芦，以方便冷冻机组的安装与检修。

2 空气净化区的管道布置

大型空分装置中，空气净化区的工艺管线直径大都在DN1000-2000之间，在管道设计时应充分考虑管件及阀门的安装及检修，根据空气净化区的流程及特点，在管道布置时应注意以下几点：

(1)为方便安装，对于DN1000及以上的调节阀，应尽可能布置在地面上;同时大口径调节阀很重，一般安装或者检修均需要吊装，因此在调节阀上方不宜有遮挡物,以方便吊装。

(2)大口径阀门或者调节阀，因为其阀杆或者模头高度较高，所以，放置于地面的大口径阀门及调节阀前应设置踏步，以方便操作或检修。

(3)因电加热器操作温度相对较高，各台电加热器工况非同步操作，因此在管道布置时应考虑不同工况对管道柔性的影响；对于大口径管道，为节省空间，宜采用膨胀节吸收管道膨胀及其他柔性要求。

(4)因两台分子筛吸附器同时运行，为使流体分配均匀,并避免管道膨胀引起的应力问题，分子筛吸附器的进出口管线应对称布置。

(5)对于大口径管线，一般管件(包括法兰、阀门、各种仪表阀及特殊件等)重量都较大，所以,应充分注意管件附近管道支架的设置。

3 结语

随着相关技术以及设备制造能力的不断改进与提升，空分装置的大型化已经成为一种趋势，设备和管道布置的合理性对装置的占地面积及建设成本的影响也越来越大。管道设计人员应在专利商提供的设备布置图的基础上，利用自身的经验对设备布置及管道布置进行优化，在满足操作及检修的同时，节约投资，节省能耗。