空分工艺流程的优化探究

空分工艺流程的优化探究

陈敢,邹晨吉,王秋斌,周樟炳,黄珩

杭氧集团股份有限公司 浙江省 杭州市 310000

摘要：空分是一种非常重要的工业生产工艺，用于制备高纯度的氧、氮、氩等工业气体。空分装置是钢铁、化工等行业的核心装备，其规模不断扩大，如何降低无功功率，降低氧气放散率，维持供给与需求之间的平衡，以及如何在较低的负载下有效地降低系统的能耗，已成为空分行业所关心的问题。文章就空气技术中的工艺优化问题进行了探讨和分析，为今后空分工艺的发展提供了借鉴。

关键词：空分工艺；流程；优化探究

空分的主要产物是氧、氮、氩，这些产物可以采用各种空分工艺生产。采用空分工艺制备的空分制品在钢铁、石化、煤化工、航空航天、冶金等多个工业领域具有重要的意义。目前，我国的空分工业已深入到国民经济的每一个领域，并成为国民经济中的支柱产业。因此，下文主要对空分工艺流程实施进一步分析，探究具体的优化要点，能够有效提升空分装置的应用效果。

一、空分设备工艺流程简介

（一）外压缩空分装置工艺流程简介

从吸入塔中吸入的原料气经过过滤，再由空压机增压后，再由冷凝水预冷却。在此过程中，经过降温处理的空气会被过滤掉其中的水份，二氧化碳和烃类。纯化后的气体分为两段，一段通过膨胀系统，一段通过主换热装置、蒸馏塔上塔，另一段通过与产品的氧气和氮气进行热交换，通过下塔。通过前一阶段的加压、提纯和预冷，使气体在蒸馏系统中进行分离，最后获得氧和氮。氧、氮经过压缩机系统的压缩后，送往其他部分。

（二）内压缩空分装置工艺流程简介

从吸入塔吸入原料气后，通过空气滤清器将其中的机械杂质和灰尘清除，然后送入风轮机压气机系统；在此过程中，经过压缩的工艺空气与水冷塔中的冷水和循环水进行换热，冷却后再送入分子筛净化系统；利用沸石净化装置，从空气中去除有毒的杂质，如水、二氧化碳、乙炔和其他烃类。经过净化处理的气体分为三股，一股为厂用气和仪表用气，两个部分供用户使用；一股工艺空气由一次换热器流入，再经回流的氮气及不洁净的氮气降温到某一温度后，再往下走一段，把另外一种处理过的气体导入到增压装置中进行加压；另一股在增压机的尾端、中段冷却器出口，对空气进行抽吸，并对其进行增压。在经过水冷却器的冷却后，再送入主换热器。当回流煤气达到一定的温度时，将其从换热器的中部抽出，经涡轮增压机进行膨胀，最终流入下层。剩余的气体经过加压装置持续加压到某一压力，再通过水冷装置冷却，然后再通过一次换热器-液化气进入下层塔中。在下塔中，气体经过一次分选为富氧的液态空气和氮气，液态空气从下塔底抽取并通过节流输送到与液态空气成分相似的上部，而液态氮则从下塔顶抽取并输送到上部。最后，在上塔中可获得液态氧和液态氮。

二、工艺技术比选

就与一些空分工艺的介绍而言，内压空分技术是国际上最先进、最成熟和最可靠的一种技术，在大中型空分系统中得到了广泛的应用。该工艺为吸收式，适用于全低压分子筛的清洁，可对未完成精制的氢气进行冷却，并可对其进行内压、外压等。该系统工作稳定、技术先进、操作简便、设备结构合理、安全、节能、环保。空气压缩机配有一套水洗系统，可将各个级别的叶轮及涡壳在正常运转过程中所积累的沉淀物清洗掉，从而提高了压气机的运转效率，缩短了停机维修的时间。空气预冷系统使用过剩的氮气和污染的氮气来对循环水进行冷却，具有良好的工作弹性，并且充分利用了干氮气的吸湿性，降低了冷却水的温度，从而减轻了制冷机的负荷。在空气冷却塔的结构中，应采取必要而可靠的防液溢措施，以避免雾化的自由水进入分子筛的吸收体系。采用水冷塔式蒸发冷却技术，可以取消制冷机，是今后的发展方向。分子筛吸附系统：采用了活性氧化铝加分子筛的双层结构，可以进行长时间的开关，这样就可以延长吸附剂和开关阀门的使用寿命，在此基础上，进一步降低系统转换损失，降低床面阻力，并通过抑制分子筛吹气和潜在吹气，开发出一种新型的无热量再生体系。将传统的填料塔用于蒸馏塔顶柱（低压柱）和氩柱，其特点有：塔中残留物较少、平衡时间较短、操作方便、容限较宽、上升蒸汽流量较大、不容易发生水漫；与理论塔盘相比，塔盘较低，具有较高的分离效率；塔内压力差小，切分容易；极大地降低了塔体的阻力，并进一步提高了氧气和氩气的萃取率。冷柜中的主要换热设备为板翅式，其使用安全、高效。

三、空分设备技术的优化探究及发展趋势

随着空分产品的市场需求，空分设备生产商为了适应不同的市场需求，不断的开发和使用新技术。新技术的引用为空分设备的长期发展提供了源源不断的能量，从而使空分设备的能耗得到了进一步的降低，并逐步向节能高效的方向发展，空分工艺流程也得到了逐步的优化，产品氧氩的提取率和纯度也在不断地提高，科技时代带来的高新技术为空分设备的自动化的控制水平、生产与操作的安全性提供了有力的保障。

（一）空分设备规模大型化

杭氧在很长一段时间里，单台空分装置的规模未能取得突破，制约了我国空分装置的发展。杭氧和济钢在2000年完成了一台20000Nm3/小时的空分设备，这使得我国空分设备的生产规模发生了很大的变化，但是，相对于其他的小设备来说，大型设备还有更多的问题需要解决，对生产工艺的要求也更高，所以，随着我国空分工业的生产规模越来越大，越来越多的技术壁垒被打破。随着空分技术的逐渐成熟，国内著名的空分企业也相继研制出了各种规模的大型空分装置。其中，杭氧企业在三万到四万立方米/小时的空气分离装置中，就有二十五台已经进入了工业化阶段；随着市场需求的增加，杭氧企业在保持现有技术的同时，不断地在空分设备的规模上取得新的突破，经过多年的实践，已经成功地研制出了13台5-6万Nm3/h级别的空分设备，并成功地实现了部分产品的产业化。

（二）空分工艺流程多样化

因为使用者对空分产品的要求不一样，所以空分过程的设计也不一样，因此可以按照不同的需要，制造出不同的液气、压强和纯度的产品。以客户的不同要求为依据，对不同阶段的产品等有关特征和投入的成本等进行全面的分析和对比，以确定出最好的工艺流程，确保空分设备在设计性能的各个方面都具有先进性，从而获得最优的方案。不同的工业对空分产品的压力级别有不同的要求，比如石油化工工业需要更高的压力级别和更大的装置尺寸，而氧气和氮气则需要更高的压力级别，通常在4.0-10.0MPa范围内。

现在，不但空分装置的尺寸越来越大，而且由于客户需求的多样化，空分装置也越来越多，这就给装置的设计和制造带来了很大的困难。内压缩空分工艺流程使用的是对液相进行加压，之后再按照用户的不同需求，提供不同压力等级的气-液空分产品。所以，在对压力等级有较多要求的石化行业中，使用内压缩的空分工艺流程，不仅可以解决对多种压力等级产品的需求，还可以确保生产的相对安全。

结语

综上所述，不管是在工艺流程上，还是在设备的选择上，空分技术都具有良好的发展前景，低能耗、高效、安全的空分装置将会在国际和国内的市场中占有越来越多的份额，所以，建议有关企业将空分装置进行整合。

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