浅析空分装置工艺流程的选择

郑红飞 梅小闯

摘要：本文在介绍空分装置以及空分装置原理的基础上，从流程投资效能、安全性、资源能耗以及经济效益等方面，对空分设备采用的外压缩流程和内压缩流程进行比较。

关键词：空分装置；外压缩流程；内压缩流程；选择分析

引言

就目前技术而言，在流程选择上，空分设备有外压缩流程和内压缩流程两种形式。空分设备涉及到的技术有低压分子筛净化、规整填料上塔、增压透平膨胀机制冷，以及全精馏无氢制氩等新技术，其中，在氧气的压缩方式上有所区分，一个是经过氧压机压缩后，空分设备的低压氧气送往用户；另一个是由液氧泵压缩、经换热器复热汽化后，抽取主冷液氧送往用户，因此，在实际工艺选择中，要对外压缩流程和内压缩流程进行选择。

1空分装置

空分装置一般由分子筛吸附器、换热器、精馏塔、空气冷却塔等组成。通过采用深冷技术，空分装置在相同压力下，利用氧、氮气体不同的沸点进行气体的分离，然后提取空气中氧、氮及其它气体组分。目前在氧气的压缩方式的它不同，空分装置工艺流程分为内压缩流程和外压缩流程。空分装置工艺原理较为复杂，一般包含空气及其组分在低温下的传热和传质过程、低温时的热力性质、空气净化和低温精馏原理。

净化后的空气进入分馏塔，经主换热器与返流的污氮和产品氧气、氮气进行热交换，冷却后一小部分液化，汽液混合的空气经节流至0.55MPa的压力进入下塔进行精馏，在下塔顶部得到99.999%的纯氮气再进入主冷被上塔的液氧蒸发所冷凝为液氮，部分液氮回下塔做为回流液，其余液氮经过冷后节流进入在上塔顶部喷淋。下塔釜液是含氧38%的液空，经液空过冷器后进入上塔中部参加精馏，同时在下塔中部抽取一股污液氮节流后也进入上塔做为回流液。

从主换热器中部抽取部分空气进入透平膨胀机进行绝热膨胀，产生设备运转时所需大部分冷量，膨胀后的空气经热虹吸换热器消除部分过热度后进入上塔中部参加精馏。

以不同状态的四种流体进入上塔经再分离后，在上塔顶部得到1400Nm3/h含O2≤5PPm的高纯氮气，经液氮过冷器，主换热器复热至约9℃后出分馏塔，上塔底部液氧在主冷中吸收下塔气氮冷凝时放出的热量而蒸发，其中800Nm3/h纯度为含氧99.6%的氧气经主换热器复热至约9℃后出分馏塔，其余部分做为上升蒸汽参加精馏，上塔上部尚有2800Nm3/h含氧7.55%的污氮气抽出，经液空过冷器，经主换热器复热后出分馏塔去纯化系统再生分子筛吸附器后放空。

从主冷底部抽取50L/h液氧进入氧液体量筒，汽液分离，积满量筒后迅速充入氧低温液体储槽。制取液氮工况时，从液氮过冷器后抽取50L/h液氮进入氮液体量筒，积满量筒后迅速充入氮低温液体储槽，以备当空分装置故障停车时，增加压力汽化后向用户提供气氮产品。

2空分装置原理

空气主要是由78.03%的氮气和20.93%的氧气及其它气体混合而成。空气分离就是先使空气冷却到一定的低温，而使其液化成为液态空气。再利用氧和氮两种液体的沸点不同（在大气压力下，氧的沸点为﹣183.98℃，而氮的沸点为﹣195.8℃），在装有筛板的空分塔内进行分离。空分塔又称之为精馏塔。空气精馏塔一般可分为单级精馏塔和双级精馏塔，单级精馏塔只能制取一种纯产品。洗涤剂化工厂空分装置采用双级精馏塔制取高纯度的氮气和氧气。氮气供全厂各用户，氧气供脂肪醇。

所谓精馏，就是同时并多次地运用部分蒸发与部分冷凝的过程。压缩并经冷却到冷凝温度的液态空气进入精馏塔后，在塔内气化空气自下而上地穿过每块塔板与塔板上的液体接触，这样气体中的氧逐步冷凝到液体中去，而液体中的氮便蒸发到气体中去，每经过一块塔板，气体中的氮浓度便提高一次，这样经过多层塔板（只要塔板数足够多），在塔的上部便得到纯度为99.99%以上的高纯度氮气，在塔底便可得到氧纯度（30～38%）较高的液体，称之为富氧空气。富氧空气再经过精馏塔，在上塔的底部可得到纯度为99.2～99.8%的氧气。

3空分装置工艺流程的选择

现阶段在氧气的压缩方式与其它不同，空分装置工艺流程分为内压缩流程和外压缩流程。下面针对这两种工艺分别进行介绍。

3.1外压缩流程工艺

下图为外压缩流程的空分装置流程示意图：

空气吸入塔负责将空气吸入，然后经过一系列的过滤和压缩过程进入空气预冷塔进行预冷处理（一般采用冷却水进行），空气在经过冷却后被送入MS系统（分子筛纯化系统）。经过分子筛吸附器净化后，空气中的水分、CO2和碳氢化合物被去除，然后这部分空气又被分为两份，一部分在与产品氧、氮换热后，进入分馏塔下塔；一部分经主换热器、膨胀机系统后进入空分塔。经前面工段加压、净化、预冷，在分馏塔系统中，将进一步分离空气离，最终得到氧气和氮气。压缩机系统压缩后，这部分的氧气和氮气将会提供给其它工段使用。

3.2内压缩流程工艺

下图为内压缩流程的空分装置流程示意图：

空气在进入空气吸入塔，经过过滤、压缩机、进入空气预冷塔，然后再用冷却水预冷处理送入MS系统，这部分空气经净化后，水分、CO2和碳氢化合物被去除，然后处理得到的空气被分为两部分，这些工作流程与外压缩流程工艺基本相同。但是不同的是经前面工段加压、净化、预冷得到氧气和氮气，其中液氧经液氧泵后进主换热器换热后可直接送氧用户。氮气通过进一步压缩处理后，一般可以再次提供给空分装置的其它工段使用。

3.3流程比较

就两者工艺流程使用的装置而言，氧内压缩流程增加了2台液氧泵、1台增压机；外压缩流程增加了1台氧气透平压缩机。氧内压缩流程与氧外压缩流程相比，前者维修工作量极少，高压液氧泵操作方便，无高温气氧，取消了氧压机，安全性好，火险隐患小。但是，内压缩流程冷箱设备提出了更高的要求，它使得冷箱压力升高；与常规外压缩流程相比，按相同产品工况比较，内压缩流程的单位产品能耗要约高3%～7%。

4需求分析

空分装置各工段的生产装置控制点较多，工艺流程比较复杂，如空压机、膨胀机、精馏塔等相互制约、多彼此关联，给过程控制提出了较高的要求。

由于空分装置存在各单元部机间联系密切，流程复杂，整个过程的精馏系统的冷凝器连接上下塔，使上下塔之间物料流和能量流相互影响，不仅在物料上相互联接，在能量平衡上相互制约，又联成一体。同时，简单的单回路控制不能使装置运行在最佳状态，因对各组分的纯度要求，空分装置有一定的限制，故整个系统的控制较为复杂。各空分设备制造厂家及使用厂家在应对目前激烈的市场竞争中，应进一步发掘设备潜力，积极寻求更先进的控制系统，达到节能降耗、各种自动化装置更具智能化、最佳操作化的目的，提高產量的目的。

在空分装置生产过程中，当空分装置负荷需求出现大幅度变动时，生产能力不可能在短时间内快速提高或降低，容易造成大量的能耗与经济损失；实际生产中经常出现氧气放散或供不应求的现象，又会进一步影响了后续工业过程的生产。另外，由于空分装置主要为其它工业过程提供氧气、氮气等产品，因此其生产负荷受到后续工业过程对氧气、氮气需求量变化的影响。因此迫切需要根据用户用氧量的变化自动调节生产运行工况，也就失其实际生产特点，开发一套自动变负荷生产控制技术，以降低氧气放散量和减少电耗（汽耗），实现各项参数在自动控制过程中向最佳点逼近，保证产品质量，降低劳动强度。

5结束语

在空分装置上对常规控制进行优化，实施多变量预测控制以及自动变负荷控制，能够减少干扰，优化装置的运行，降低能耗，进一步提高生产操作控制和管理水平。

参考文献：

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