浅谈空气分离技术的发展和改进

陈锦伟（林德工程（杭州）有限公司，浙江 杭州 310012）

空气分离技术目前发展以比较成熟，随着我国经济的高速发展，特别是近几年冶金、石化、石油、化肥等行业的持续稳定发展，国内对空分设备的需求不断加大，大型空分设备产业带来难得的发展机遇。庞大的市场需求，使国内对大型空分设备的需求将迎来新一轮高峰。经过近几年的发展，空分装置在大型化的发展道路上解决了许多关键技术问题。本文针对空气分离技术的发展和气体分离装置的发展进行了介绍。

1 低温法空气分离工艺流程简述

低温法分离空气设备均由以下四大部分组成：空气压缩、膨胀制冷；空气中水分、杂质等净除、空气通过换热冷却、液化；空气精馏、分离；低温产品的冷量回收及压缩。各部分实现的方式和采用的设备不同，组成不同的流程。

按工作压力分为高压流程、中压流程、低压流程。高压流程的工作压力高达10.0-20.0MPa，制冷量来自于节流效应，不需要膨胀机，操作简单，只适用于小型制氧机或液氮机。中压流程的工作压力在1.0-5.0 MPa，对于小型空分装置由于单位冷损大，需要有较大的单位制冷量来平衡，所以要求工作压力较高。此时，制冷量主要靠膨胀机，但节流效应制冷量也占较大的比例。低压流程的工作压力接近下塔压力，它是目前应用最广的流程，该装置具有低的单位能耗，因此这种空气分离流程的应用范围越来越广。

按产品的压缩方式分为分离装置外压缩和装置内压缩两类。装置外压缩是单独设置产品气体压缩机，对装置的工作没直接影响。装置内压缩是用泵压缩液态产品，再经复热、气化后送至装置外。相对来说内压缩较为安全，但是，液体泵是否正常将直接影响到装置的运转。

2 空气分离装置低温管道设计要点

2.1 低温管道材料

－196℃的超低温条件需求用于空气分离装置管道的材料具有杰出的低温韧性、抗腐蚀功能、焊接功能，管道在常温下安装，在低温下运行时，材料的线膨胀系数应尽量小。目前国内低温管道多选用奥氏体不锈钢材料。同时，9%镍钢以其优良的综合性能和超低温功能在国外空气分离项目中使用越来越广泛，并且其线膨胀系数明显低于不锈钢，也有望变成空气分离管道的主流材料。另外特别要注意的是，通常情况奥氏体不锈钢管道壁厚较薄，故强度、刚度较差。需要综合考虑管道壁厚的计算和管道支架的设置，避免震动引起的严重后果。

2.2 阀门的结构及安装

低温阀门与普通常温阀门相比，结构和功能上有很多不同。低温球阀、截止阀宜采用加长阀盖结构，可防止填料被冻住，损坏填料。低温阀门通常阀杆垂直向上安装或中心垂直线30度向上安装，避免低温介质与填料盖长时间接触。阀门闭合时，为防止内部液体受热蒸发产生的压力破坏阀门，需要在阀门的高压侧设置一泄压阀，或安全阀。另外，阀门安装时要注意流向的正确。

2.3 低温柔性

冷箱内的温度变化很大，从常温降至-196℃。温度的变化会引起管道的冷缩，所以管道的设计中要考虑冷热的补偿问题。低温管道上所有必需的柔性都通过改变管道走向自然补偿或增加π型补偿弯来完成。因此，应对低温管道进行应力分析，采用合理的管道走向来补偿由于温度变化带来的收缩量。另外，大管径低温管道还应考虑低温弯曲变形情况。

2.4 保冷结构及材料选用

为避免空气分离装置管道外表凝露、减少吸热以及达到低温工作时的防冻需求，需要对管道进行隔热规划整体的保冷设计。导热系数是衡量保冷性能的重要标志，保冷结构应具有良好的绝热性。当前冷箱内的保冷材料有以下几种:碳酸镁、玻璃棉、珠光砂及矿渣棉。由于珠光砂重量轻，保冷性能好，价格较便宜，流动性好，易于装填，目前主要用它作为保冷材料。对于经常需要检修的局部隔箱中宜装矿渣棉或玻璃棉。冷箱外当前国内外公司认可的保冷材料有以下几种:聚氨酯泡沫(PIR/PUR)、泡沫玻璃(FG)以及丁腈橡胶和二烯烃泡沫(LT+LTD)。其间，前两种材料的组合用于硬质保冷体系，后两种材料的组合用于柔性保冷体系。针对低温管道支架保冷结构，除了满足保冷性外还应考虑机械强度和保护性的要求，通常保冷结构包括保冷层、防潮层和保护层。当保冷层厚度≥80mm时应分层敷设。空气分离低温管道支架多采用卡箍式结构，这样不仅降低施工难度，也便于日后维护。

3 空气分离技术的实际运用

3.1 空气分离制氮。在空气分离制氮过程中，这项技术的应用具有重要意义，上海化工研究所曾研究出新型的PSA制氮装置，这种装置的原料空气压力是在0.8MPa，相对湿度是在80%，氮气的纯度则能够保持在95%到99%之间。制氮过程中空气首先是需要进行压缩，压缩到0.6MPa的时候，再对其冷却，之后进入吸附塔来吸附分离。

3.2 压缩空气脱湿处理。在这方面的应用，工程人员首先是需要根据变压吸附原理来对压缩空气进行干燥。干燥之后就是要进入到WZG微热再生装置中来加热。WZG微热再生装置本身既有热再生空气干燥器的优点，同时还有无热再生的优点。这种装置是先加热而后再进行吹扫。通过这样一种方式能够有效减少再生耗气量，这样一种方式能够使得干燥之后的空气露点能够降到零下40度。在采用了分子筛作为吸附剂之后，空气露点就能够达到零下52度以下。从中我们可以看出分子筛的优点。在今后工作过程中对于这项内容应该保持高度重视。

4 空气分离技术的改进措施

4.1 系统优化

提高产品产量，提高设备效率，降低设备所耗蒸汽、电能和循环水，进一步降低氧气生产单位能耗，是每个空分厂家都在努力追求的目标。今后空分技术的发展将体现在压缩机效率的提高、冷箱内物流循环的改进、新型换热设备的采用、新型分子筛的采用等方面。

4.2 节能优化

4.2.1 主换热器。空分装置冷量损失主要由主换热器的热交换不完全造成，主换热端温差一般要求控制在3℃以内，由于调节不当以及设备原因，造成换热器偏流，主换热器温差过大，导致主冷液位及液氧采出量明显下降。冷量不足还会导致上塔不能正常运行，氧气提取率降低，导致能耗增加。

4.2.2 调节换热器温差。热交换不完全冷损与热端温差的大小成正比，在操作时应尽量把热端温差控制在3℃以内；合理分配高低压换热器的气体流量，减少主换热系统热端温差，以减少热交换不完全带来的冷损。定期拆检冷箱顶部装砂口，检查珠光砂沉降程度，避免因其造成的冷量损失，可补砂解决。

5 结语

综上所述，本文对空气分离技术的概况以及国内外的发展进行了详细的分析，并对目前实际的运用进行了介绍，随着空气分离技术的优化措施的提出，从而保证了空气分离设备在良好的参数下运行。

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