空分装置工艺特点及设计原则

孙小娟陈晓明

（1.东华工程科技股份有限公司， 安徽 合肥 230024；2.肥水泥研究设计院， 安徽 合肥 230051）

空分装置工艺特点及设计原则

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（1.东华工程科技股份有限公司， 安徽 合肥 230024；2.肥水泥研究设计院， 安徽 合肥 230051）

本文详细介绍了空气过滤和压缩、空气的冷却和纯化、空气的精馏的工艺流程。总结了空分装置的特点及设计原则。

空分装置；工艺流程；特点；原则

空分装置是采用深度冷冻的方法，将空气中的氧气、氮气及其他稀有气体根据其沸点不同而进行分离的装置［1］。空分装置制氧设备是一套采用填料塔、液体泵内压缩和前段预净化流程的制氧装置，即采用常温分子筛预净化，空气增压透平膨胀机提供装置所需冷量，空气增压膨胀，双塔精馏，内压缩流程。空分装置采用DCS系统控制，包括空气压缩系统的控制。流程和工艺遵循最先进和最通用的国际惯例，并贯彻以稳定运行为前提的设计模式。

1 工艺流程

空分设备采用分子筛吸附预净化、增压透平膨胀机及液体泵内压缩工艺。整套设备包括：空气过滤压缩系统、空气预冷系统、分子筛纯化系统、分馏塔系统、液体贮存及汽化系统、仪控系统、电控系统等。

1.1 空气过滤和压缩

空气首先进入自洁式空气吸入过滤器，在空气吸入过滤器中除去灰尘和其它颗粒杂质，然后进入主空压机，经过多级压缩后进入空冷塔，压缩机级间的热量被中间冷却器中的冷却水带走。

1.2 空气的冷却和纯化

空气在进入分子筛吸附器前在空冷塔中冷却，以尽可能降低空气温度减少空气中水含量从而降低分子筛吸附器的工作负荷，并对空气进行洗涤。进入空冷塔上部的冷冻水，首先在水冷塔中利用干燥的出分馏塔污氮气进行冷却，经过冷水机冷却后，然后再进入空冷塔上部。出空气预冷系统的工艺空气进入用来吸附除去水分、二氧化碳、碳氢化合物的空气纯化系统［2］。

1.3 空气的精馏

出吸附器的空气分为两部分：一部分直接进入低压主换热器冷却后进入下塔；另一部分通过空气增压机进一步压缩，然后抽出一股经过膨胀机增压端的压缩及后冷却器的冷却，再进入主换热器被冷却，经膨胀机膨胀后进入下塔，增压机末级空气送入冷箱经主换热器冷却后节流进入下塔。

下塔中的上升气体通过与回流液体接触含氮量增加。所需的回流液氮来自下塔顶部的冷凝蒸发器，在这里氧得到蒸发，而氮得到冷凝。

下塔从上到下产生纯液氮、纯氮气、污液氮、贫液空和富氧液空。下塔各产品去向如下：纯液氮一部分在过冷器中过冷后送入上塔顶部作回流液，一部分作为产品送出；纯氮气一部分去主冷，一部分抽出去主换热器复热后作产品气；污液氮在过冷器中过冷后送入上塔作回流液；贫液空经过冷器过冷节流后进入上塔，作为其回流液；富氧液空经过冷器过冷后节流进入上塔，作为其回流液。

在上塔顶部产生污氮气，底部产生液氧。上塔各产品去向如下：污氮气从上塔顶部抽出后经过冷器和主换热器复热出冷箱，一部分做纯化系统再生气，其余去水冷塔；液氧从上塔底部抽出，在液氧泵中被压缩至所需压力，然后送到高压换热器中通过与高压空气进行热交换而得到高压氧气。部分液氧作为产品送出冷箱。

2 空分装置特点

空分装置可分为空气过滤系统、空气压缩系统、空气预冷系统、空气纯化系统、分馏塔系统和液体贮存及汽化系统六个主要系统，还包括过程控制的操作仪表和分析仪器及电器设备。

2.1 流程特点

空分装置采用液氧内压缩、空气膨胀流程，具有安全性好、可靠性高、操作维护方便、投资成本低、配置更合理的特点。

2.2 成套设备机组特点

①空气过滤器系统。自洁式空气过滤器设有自动控制系统，可以自动定时反吹，并可以根据过滤器阻力大小调整程序。

②预冷系统。采用高效低阻散堆填料塔，既保证了塔的换热性能，又减少了阻力，降低了空压机出口压力，从而降低了能耗。液体分布装置采用新型、高效、先进的分布器，使水与空气充分的接触，保证塔的换热性能，减少冷冻水量，从而降低了能耗。水冷塔采用高效散堆填料塔，充分回收污氮的冷量，采用三位一体防带水结构。冷冻水泵、冷却水泵采用可靠产品，且均为一用一备，保证装置的可靠性。

③纯化系统。分子筛纯化系统采用长周期设计，即单个吸附器吸附时间为4小时，从而使分子筛及阀门使用寿命延长，切换损失减小，同时减少因切换引起的压力波动次数，保持主塔工况稳定，对于空冷系统带水冷塔的流程，采用长周期设计可以减少再生污氮量，这样更有利于空冷系统的工作，使二者之间形成良好的匹配，彼此良性循环，使二个系统保持长期可靠稳定运行。

分子筛吸附器采用双层床结构（活性氧化铝+分子筛）底层活性氧化铝床层可有效地保护分子筛，延长分子筛使用寿命，同时采用双层床也使吸附器再生阻力下降，再生温度降低，节约了再生能耗。

切换系统采用无冲击切换，切换阀带调速器，保证阀门开关缓慢，速度均匀；均压阀采用分程控制，保证充气过程平稳；污氮放空阀采用预开方式，防止上塔“憋压”；切换系统采用DCS自动控制，并设有压力压差自动判断，再配合阀位返馈信号，可充分保证切换系统的可靠性；均压采用正反流流通能力相近的且具备良好调节性能的进口阀门，保证装置再生过程中工况的相对稳定。

再生用蒸汽加热器，采用先进的双管板结构蒸汽加热器，再生气走管内，蒸汽走管间，内管板胀接，外管板胀接加焊接，内外管板之间有放空阀，从结构和工艺上确保分子筛吸附器的安全工作。

④分馏塔系统。下塔采用高效筛板塔，节省投资；上塔采用规整填料，提高效率，降低空压机排压，提高装置提取率，降低能耗；采用增压透平膨胀机，降低能耗，提高可靠性。

⑤控制系统。空分装置采用DCS集散型控制系统。结合选用国际先进的DCS系统、调节阀、在线分析仪等测控组件，除了确保空分装置的正常运行外，还可以在装置出现事故停车时提供以下保护措施：所有控制阀门的故障位置处于一个安全的位置，保证设备安全。

3 设计原则

3.1 装置布置原则

满足全厂总体规划的要求，注意装置布置的协调性和统一性，适当考虑装置将来的生产和技术改造的要求；根据风向条件确定设备、设施与建筑物的相对位置；根据气温、降水量、风沙等气候条件和生产过程或某些设备的特殊要求，决定是否采用室内布置；根据装置竖向布置，确定装置地面零点标高与绝对标高的关系；根据地质条件，合理布置重荷载和有振动的设备；满足工艺流程要求，按物流顺序布置设备；做到管道安装经济合理、整齐美观，节省用地和减少能耗，便于施工、操作和维修；在满足生产要求和安全防火、防爆的条件下，应做到节省用地、降低能耗、节约投资、有利于环境保护。

3.2 冷箱内配管要求

①转动机械的配管。转动机械的配管应具有足够的柔性和适当的支承。转动机械的配管应使机械的内件和外壳的各部分方便拆卸进行维修，而不影响与其连接的接管。

②分馏塔冷箱内配管。冷箱内法兰连接的使用应减少到最低限度，冷阀与管道连接尽量采用焊接方式；冷箱内使用的过滤器或滤芯的设置便于解冻和维修清理；低温液体泵及附件、管道要与主空分冷箱分开布置以便于维护；冷箱内重要冷阀应设置必要的隔仓，该隔仓大小以能方便检修为宜，并设置相应人孔和珠光砂或矿渣棉充填口和排放口；冷箱内所有管道的设计必须进行应力计算。

③阀门的配置。所有阀门、阀门连通管、调节阀、仪表等均应安装在便于操作和维修处，必须有可靠的加固和防振措施。阀门安装前需进行脱脂清洗，务必按介质流向安装阀门［3］。阀箱内的阀门安装位置能使阀门手轮中心与地面或平台面的距离为1200mm左右，必要时阀门应装有伸长杆；阀门填料压盖和紧固件应采用不锈钢。

［1］王安利，王丽丽，曲永贵.空分装置技术分析及发展趋势［J］.化工科技，2007，（15）.

［2］舒水明，陈彩霞，杨斌，钟刚.大型低压空分流程精馏提氩过程［J］.华中科技大学学报，2009，（4）.

［3］王金亮.浅谈空分冷箱内配管安装控制要点［J］.机械与电子，2013，（9）.

孙小娟（1982- ），安徽安庆人，2007年于合肥工业大学硕士研究生毕业，毕业至今在东华工程科技股份有限公司从事工程设计工作。