空分装置工艺路线选择及设备选型

张小双，姚雅诺(青海盐湖元品化工有限责任公司，青海 格尔木 816099)

0 引言

空分装置的工艺路线和设备选型受到经济因素、配套项目、安全因素等影响，在选择工艺路线时应该综合考虑设备的选型需求。为了保证生产安全和生产效率，生产过程中必须做好设备的选型和工艺路线选择工作，为高质量、高效率的空气分离工作创造条件。

1 空气分离装置常用工艺特点概述

1.1 低温精馏

低温精馏利用了氧气和氮气沸点不同的特点，由于氧气的沸点高于氮气12 K，因此氧气是更容易被气化的，所以低温精馏过程中通过控制温度，就能满足精馏工作的需要。使用低温精馏工艺时，会产生气液混合液体冷凝的情况，将会导致氮的含量大幅度提升，还会导致蒸发和发散的问题[1]。为了避免相关情况的出现，应该防止出现空气分离隔断情况。目前一般采用深度冷冻的方法，对空气进行沸点隔离，虽然会消耗较长的生产时间，但是可以满足安全和纯度的要求。

1.2 吸附变压

吸附变压主要利用分子筛对气体进行筛选，达到分离气体的目的，由于分子筛的特点，所以对氧气和氮气具有不同的吸附能力，能满足操作指向性的要求。使用该技术的过程中需要确保分子筛的兼容度和吸附因子的储备容量，如果出现吸附因子过多、过重的情况，就会导致吸附空间持续饱和，会影响原有的吸附效果[2]。比如目前的工艺改良中，为了能够获得更高的氮分子吸附效率，就需要在分子筛中加入一定的碳元素。使用吸附变压技术的特点在于初始成本比较低，运行也比较方便，但是在提炼氧气时，纯度相对较低，而且容量比较小，也很难进行大规模的应用，生产过程中也会因为操作不合理导致误差出现。所以该技术一般都被作为备选方案。

1.3 薄膜分离

薄膜分离技术在使用时会利用具有渗透性的薄膜，可以根据渗透物质的特征选择合适的薄膜，满足生产工作的需要。实际生产过程中，使用该方法速度比较快，而且对很多装置的兼容性都很强；但是由于生产过程中氧气的纯度相对较低，因此很难应用到高纯度的生产中，一般应用在医疗保健产品中。

2 空分装置设备选型思路

不同类型的设备对空分工艺效果影响不同，所以在设备选型时应该对设备的特点进行逐一分析，保证装置能满足生产工作的需求，以及符合安全、经济、效率等综合需要。

2.1 液态产品设备选型思路

液态产品生产时会将空气从气态转化为液态，通过蒸馏等方式提升空气的提炼纯度，所获得的液氧、液氮能够应用在很多不同的领域当中。但是无论使用那种生产方式，都应该了解客户对于液氧、液氮产品的需求，而且要保证生产流程能符合操作准则，满足气体沸点的控制需要[3]。如果使用分子筛进行分离，在前期并不能确定分子筛的渗透量，所以在空分装置设备选型工作中应该侧重于低温精馏工艺的兼容使用；在内外压缩工艺的选择中，应该对设备的能耗情况、提取量的比值区进行一定的划分，结合过去的长期生产经验确定提炼方式，并且在生产过程中分析提炼工作的规律和实施准则，不断优化生产流程，获得最合理的生产途径。

另一方面，由于客户对产品的需求具有一定的波动性，所以需要保证产品选择的灵活，所以需要在选择空分装置时，充分研究设备产值带来的经济效益影响，以及分析设备能否满足产率调整的要求，满足生产负荷的开拓和发散需要。比如产品的分批次和同批次生产对负荷和生产工艺要求就有明显不同，而且在短时间内获得大量空气分离产品也会导致产品的纯度下降，需要合理选择设备解决效率和产品质量之间的矛盾，以及在提炼纯度要求较高产品时，应该延长生产时长和周期。

选择产品时也要考虑产值、产能能够带来的市场回馈，例如使用低温蒸馏工艺的直接投资比较高，生产过程中的工艺比较繁琐，但是由于其生产的氧气、氮气纯度都比极高，纯净度超过了95%，所以市场收益比较高，因此在满足要求的情况下可以使用这类工艺开展生产工作。也要选择更多自动化水平较高的装置，降低对人工成本要求，提升总体经济效益。

2.2 气态产品设备的选型

气态产品对气体的纯度有着极高的标准，所以无论是操作、工艺选择、设备选择都需要结合低温蒸馏技术保证设备的使用效果。选择设备时，应该考虑生产工艺的双技术兼容，以确保生产出更高质量的气体产品，以及满足生产线稳定运转的需求。对于特定的分离产品，也要合理使用吸附剂来获取，而且要控制好吸附剂的比例，防止对生产质量造成影响。

生产气态产品时同样需要结合生产产品和生产的主体进行划分和界定，例如需要正确区分空分装置的生产产品性能，在进行分次和多次生产时，防止产品类别过于分散导致不能大规模制取气态产品。也可以改变生产工业流程，一次性生产大量的同类产品，解决过往存在的产品生产矛盾。设备选型的过程中，也要考虑变压吸附之后的效果和产品的分利率问题，所以选择设备时应该考虑生产数量和批次，选择最合适的生产设备。

目前需要大规模生产的产品质量标准都比较高，并且在传统生产工艺逐渐被淘汰之后，各种新型的、具有更高生产效率和质量的生产方式正逐渐占据市场。在实际生产中，无论选择工艺路线还是选择设备，都应该结合实际需要，尤其是很多空分生产都和相关项目配套，所以需要考虑产品对象的要求来选择最合适的工艺路线。目前使用深冷分离工艺能够实现对气体最大规模萃取，满足产品的输出要求，而且经过长期使用该技术也得到了完善。在选择相关设备时，也要分析生产过程中存在的管理盲点，优化设备配置，保证生产效率和安全方面的需求。

3 某项目空分装置的工艺路线和设备选择

某项目规划建设空分装置一套，以空气为原料生产氧气和氮气，对氧气的需求量为每小时10 000 m3，对氮气的需求量为每小时40 000 m3。该项目为某甲醇烯烃装置的配套项目，以实现资源互补，提升生产工作效率。

3.1 空分装置工艺路线选择

3.1.1 深冷工艺的不同路线

目前的空分工艺对气体的纯度和用量要求非常高，所以普遍选择具有更高分离纯度的深冷工艺路线，其分离工作原理为，对空气进行压缩、冷却和净化，然后利用热交换继续降低空气的温度，使空气液化。由于液氧和液氮的沸点不同，因此可以进行空气的精馏工作，让氧气在精馏塔的底部富集，而氮气作为轻组分会在精馏塔的顶部富集，之后就能分别在精馏塔的顶部和底部获得具有较高纯度的氧气和氮气。

在工艺上深冷工艺可以分为内压缩工艺和外压缩工艺两种路线，外压缩工艺路线使用了空分设备生产低压氧气，然后会使用氧气压缩机加压将氧气提供给所需要的用户，内压缩流程则不会使用氧气压缩机，液氧会直接在冷箱内经过液氧泵加压达到所需的压力，将其供给用户。

3.1.2 空分工艺运行方式比较

(1)主冷凝蒸发器中的碳氢化合物。在空气分离设备经过长时间的运行之后，设备的主冷凝发生器液氧中的由于含有碳氢化合物，会在主冷凝发生器中逐渐积累，如果碳氢化合物积累过多，会对设备的运行安全造成极大的威胁，所以为了避免碳氢化合物积累过多，在采用外压缩路线时会连续排放1%的液氧控制主冷凝发生其中的碳氢化合物含量；对于使用内压缩工艺路线的设备，由于氧气产品为冷凝蒸发器中液氧经过液氧加压泵复压获得，所以碳氢化合物相对较少。因此采用内压缩的工艺流程能够减少VOC的排放，并且能提升空分设备的安全性。(2)氧气压缩机的安全性。由于氧气是一种助燃物，所以氧气的压力越高、温度越高，越容易出现爆炸问题，所以在高温高压下的氧气具有极高的危险性。在使用内压缩流程时，都是由液氧泵来提供整个设备运转的压力，而且气体长期保持低温运转，因此安全系数相对于外压缩流程相对更高。(3)液体产品率。目前空分生产都是以液体产品为主，而且液体产品的耗能也比较高，业内一般都以8%作为分界点，对于低于8%的情况采用外压缩流程，如果高于8%则必须使用内压缩的方式。

3.1.3 结论

经过分析，该项目使用内压缩工艺路线具有明显的优势，能更好地与烯烃生产协调，保证现场安全和确保生产效率，并降低VOC的排放，满足环保工作要求。

3.2 空分设备选型

使用内压缩设备的氮氧产品比例一般在1：1-1：3之间，很多项目的氮氧产品还会按照1：2采出，但是结合本项目的要求，氮氧产品的比例需要达到1：4，所以使用内压缩路线难以满足要求。为了满足要求，制定了如下几类技术方案：10 000 m3/h内压缩空分装置；配合15 000 m3/h的制氮设备；20 000 m3/h内压缩空分装置；配合29 000 m3/h的制氮设备；20 000 m3/h内压缩空分装置；配合40 000 m3/h制氮设备，外挂10 000 m3/h的制氧塔。

结合不同制氮制氧的方式，对设备的参数要求和投资进行了分析，三种方案都能满足运行要求，但是方案二的压缩机总轴效率相对于其他方案更优越，而且设备投资也比较合理。结合对设备操作性的比较，方案二相对于另外两种方案无论在操作性、产品调整灵活性和安全性上都更高，生产过程中不会出现紧急停车的情况，所以对管网的冲击力非常小，能满足负荷的要求，因此选择第二种方案。

4 结语

在选择空分装置的工艺路线和设备时，应该综合考虑空分装置在效率、纯度、安全性等不同方面的需求，以及满足经济性的需要，确定最为合理的工艺流程。技术人员应深入对比不同工艺下的运行方式，保证空分生产能配合其他项目的运转需求和调整负荷的要求，达到最好的生产效果。