淺析空分裝置工藝流程的選擇

鄭紅飛 梅小闖

摘要：本文在介紹空分裝置以及空分裝置原理的基礎上，從流程投資效能、安全性、資源能耗以及經濟效益等方面，對空分設備采用的外壓縮流程和內壓縮流程進行比較。

關鍵詞：空分裝置；外壓縮流程；內壓縮流程；選擇分析

引言

就目前技術而言，在流程選擇上，空分設備有外壓縮流程和內壓縮流程兩種形式?？辗衷O備涉及到的技術有低壓分子篩凈化、規(guī)整填料上塔、增壓透平膨脹機制冷，以及全精餾無氫制氬等新技術，其中，在氧氣的壓縮方式上有所區(qū)分，一個是經過氧壓機壓縮后，空分設備的低壓氧氣送往用戶；另一個是由液氧泵壓縮、經換熱器復熱汽化后，抽取主冷液氧送往用戶，因此，在實際工藝選擇中，要對外壓縮流程和內壓縮流程進行選擇。

1空分裝置

空分裝置一般由分子篩吸附器、換熱器、精餾塔、空氣冷卻塔等組成。通過采用深冷技術，空分裝置在相同壓力下，利用氧、氮氣體不同的沸點進行氣體的分離，然后提取空氣中氧、氮及其它氣體組分。目前在氧氣的壓縮方式的它不同，空分裝置工藝流程分為內壓縮流程和外壓縮流程?？辗盅b置工藝原理較為復雜，一般包含空氣及其組分在低溫下的傳熱和傳質過程、低溫時的熱力性質、空氣凈化和低溫精餾原理。

凈化后的空氣進入分餾塔，經主換熱器與返流的污氮和產品氧氣、氮氣進行熱交換，冷卻后一小部分液化，汽液混合的空氣經節(jié)流至0.55MPa的壓力進入下塔進行精餾，在下塔頂部得到99.999%的純氮氣再進入主冷被上塔的液氧蒸發(fā)所冷凝為液氮，部分液氮回下塔做為回流液，其余液氮經過冷后節(jié)流進入在上塔頂部噴淋。下塔釜液是含氧38%的液空，經液空過冷器后進入上塔中部參加精餾，同時在下塔中部抽取一股污液氮節(jié)流后也進入上塔做為回流液。

從主換熱器中部抽取部分空氣進入透平膨脹機進行絕熱膨脹，產生設備運轉時所需大部分冷量，膨脹后的空氣經熱虹吸換熱器消除部分過熱度后進入上塔中部參加精餾。

以不同狀態(tài)的四種流體進入上塔經再分離后，在上塔頂部得到1400Nm3/h含O2≤5PPm的高純氮氣，經液氮過冷器，主換熱器復熱至約9℃后出分餾塔，上塔底部液氧在主冷中吸收下塔氣氮冷凝時放出的熱量而蒸發(fā)，其中800Nm3/h純度為含氧99.6%的氧氣經主換熱器復熱至約9℃后出分餾塔，其余部分做為上升蒸汽參加精餾，上塔上部尚有2800Nm3/h含氧7.55%的污氮氣抽出，經液空過冷器，經主換熱器復熱后出分餾塔去純化系統(tǒng)再生分子篩吸附器后放空。

從主冷底部抽取50L/h液氧進入氧液體量筒，汽液分離，積滿量筒后迅速充入氧低溫液體儲槽。制取液氮工況時，從液氮過冷器后抽取50L/h液氮進入氮液體量筒，積滿量筒后迅速充入氮低溫液體儲槽，以備當空分裝置故障停車時，增加壓力汽化后向用戶提供氣氮產品。

2空分裝置原理

空氣主要是由78.03%的氮氣和20.93%的氧氣及其它氣體混合而成?？諝夥蛛x就是先使空氣冷卻到一定的低溫，而使其液化成為液態(tài)空氣。再利用氧和氮兩種液體的沸點不同（在大氣壓力下，氧的沸點為﹣183.98℃，而氮的沸點為﹣195.8℃），在裝有篩板的空分塔內進行分離?？辗炙址Q之為精餾塔?？諝饩s塔一般可分為單級精餾塔和雙級精餾塔，單級精餾塔只能制取一種純產品。洗滌劑化工廠空分裝置采用雙級精餾塔制取高純度的氮氣和氧氣。氮氣供全廠各用戶，氧氣供脂肪醇。

所謂精餾，就是同時并多次地運用部分蒸發(fā)與部分冷凝的過程。壓縮并經冷卻到冷凝溫度的液態(tài)空氣進入精餾塔后，在塔內氣化空氣自下而上地穿過每塊塔板與塔板上的液體接觸，這樣氣體中的氧逐步冷凝到液體中去，而液體中的氮便蒸發(fā)到氣體中去，每經過一塊塔板，氣體中的氮濃度便提高一次，這樣經過多層塔板（只要塔板數足夠多），在塔的上部便得到純度為99.99%以上的高純度氮氣，在塔底便可得到氧純度（30～38%）較高的液體，稱之為富氧空氣。富氧空氣再經過精餾塔，在上塔的底部可得到純度為99.2～99.8%的氧氣。

3空分裝置工藝流程的選擇

現(xiàn)階段在氧氣的壓縮方式與其它不同，空分裝置工藝流程分為內壓縮流程和外壓縮流程。下面針對這兩種工藝分別進行介紹。

3.1外壓縮流程工藝

下圖為外壓縮流程的空分裝置流程示意圖：

空氣吸入塔負責將空氣吸入，然后經過一系列的過濾和壓縮過程進入空氣預冷塔進行預冷處理（一般采用冷卻水進行），空氣在經過冷卻后被送入MS系統(tǒng)（分子篩純化系統(tǒng)）。經過分子篩吸附器凈化后，空氣中的水分、CO2和碳氫化合物被去除，然后這部分空氣又被分為兩份，一部分在與產品氧、氮換熱后，進入分餾塔下塔；一部分經主換熱器、膨脹機系統(tǒng)后進入空分塔。經前面工段加壓、凈化、預冷，在分餾塔系統(tǒng)中，將進一步分離空氣離，最終得到氧氣和氮氣。壓縮機系統(tǒng)壓縮后，這部分的氧氣和氮氣將會提供給其它工段使用。

3.2內壓縮流程工藝

下圖為內壓縮流程的空分裝置流程示意圖：

空氣在進入空氣吸入塔，經過過濾、壓縮機、進入空氣預冷塔，然后再用冷卻水預冷處理送入MS系統(tǒng)，這部分空氣經凈化后，水分、CO2和碳氫化合物被去除，然后處理得到的空氣被分為兩部分，這些工作流程與外壓縮流程工藝基本相同。但是不同的是經前面工段加壓、凈化、預冷得到氧氣和氮氣，其中液氧經液氧泵后進主換熱器換熱后可直接送氧用戶。氮氣通過進一步壓縮處理后，一般可以再次提供給空分裝置的其它工段使用。

3.3流程比較

就兩者工藝流程使用的裝置而言，氧內壓縮流程增加了2臺液氧泵、1臺增壓機；外壓縮流程增加了1臺氧氣透平壓縮機。氧內壓縮流程與氧外壓縮流程相比，前者維修工作量極少，高壓液氧泵操作方便，無高溫氣氧，取消了氧壓機，安全性好，火險隱患小。但是，內壓縮流程冷箱設備提出了更高的要求，它使得冷箱壓力升高；與常規(guī)外壓縮流程相比，按相同產品工況比較，內壓縮流程的單位產品能耗要約高3%～7%。

4需求分析

空分裝置各工段的生產裝置控制點較多，工藝流程比較復雜，如空壓機、膨脹機、精餾塔等相互制約、多彼此關聯(lián)，給過程控制提出了較高的要求。

由于空分裝置存在各單元部機間聯(lián)系密切，流程復雜，整個過程的精餾系統(tǒng)的冷凝器連接上下塔，使上下塔之間物料流和能量流相互影響，不僅在物料上相互聯(lián)接，在能量平衡上相互制約，又聯(lián)成一體。同時，簡單的單回路控制不能使裝置運行在最佳狀態(tài)，因對各組分的純度要求，空分裝置有一定的限制，故整個系統(tǒng)的控制較為復雜。各空分設備制造廠家及使用廠家在應對目前激烈的市場競爭中，應進一步發(fā)掘設備潛力，積極尋求更先進的控制系統(tǒng)，達到節(jié)能降耗、各種自動化裝置更具智能化、最佳操作化的目的，提高產量的目的。

在空分裝置生產過程中，當空分裝置負荷需求出現(xiàn)大幅度變動時，生產能力不可能在短時間內快速提高或降低，容易造成大量的能耗與經濟損失；實際生產中經常出現(xiàn)氧氣放散或供不應求的現(xiàn)象，又會進一步影響了后續(xù)工業(yè)過程的生產。另外，由于空分裝置主要為其它工業(yè)過程提供氧氣、氮氣等產品，因此其生產負荷受到后續(xù)工業(yè)過程對氧氣、氮氣需求量變化的影響。因此迫切需要根據用戶用氧量的變化自動調節(jié)生產運行工況，也就失其實際生產特點，開發(fā)一套自動變負荷生產控制技術，以降低氧氣放散量和減少電耗（汽耗），實現(xiàn)各項參數在自動控制過程中向最佳點逼近，保證產品質量，降低勞動強度。

5結束語

在空分裝置上對常規(guī)控制進行優(yōu)化，實施多變量預測控制以及自動變負荷控制，能夠減少干擾，優(yōu)化裝置的運行，降低能耗，進一步提高生產操作控制和管理水平。

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