空分流程布置及配管研究

王 洁

（上海电气集团国控环球工程有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

空分装置在工作过程中，可以实现对空气中氮气、氧气、氦气、氩气等气体的分离，满足石化、餐饮、电子等行业的资源需要，达到推动社会各行业稳定发展的目的。现阶段，为保证空分装置在应用过程中能够取得预期效果，需要对空分流程加以布置，并保证配管工作合理性，以便提升设备工作质量与效率。

1 空分装置的工作原理

当前空分装置的主要工作方法是，先将空气进行压缩处理，再通过降低空气温度至很低的温度或者利用膨胀法，使空气的状态从气态转化为液态，然后将液态空气转入精馏塔当中，完成空气中各类成分的分离工作。在当前的空气成分分离工作中，较为常用的分离技术包括低温法、吸附法、膜分离等。

1.1 低温法

低温法是一种以空气中不同成分沸点存在差别为基础，完成成分分离工作的技术方法，相较于传统分离方法，由于低温法在分离前需要将空气放置在100 K 以下的环境下，因此，这一方法被称作低温法。在实际应用过程中，可以先利用低温对空气进行液化处理，然后通过对液化空气进行精馏处理，实现不同沸点气体成分的分离工作。举例来说，在精馏过程中，由于氮气的沸点为-196 ℃会最先气化，完成分离工作。相较于吸附法与膜分离技术，低温法在实际应用过程中可以实现不同空气成分的完全分离，并且分离得到的气体纯度较高，因此，在当前的空气分离工作中，低温法的应用范围较为广泛[1]。

1.2 吸附法

吸附法是一种以分子筛为介质，在外压作用下，分子筛对不同分子吸附力的不同，空气原料中的氧分子与氮分子在差异化分子筛外层吸附量存在一定的差异，在放压后，吸附在分子筛上的分子会被释放，实现空气成分分离目的。在当前的空分工作中，吸附法的优点在于技术流程简单、操作难度和运行成本偏低。但是相较于低温法，吸附法得到的气体纯度相对较低，并且装置容量较小，因此，这一技术的应用范围较小。

1.3 膜分离

膜分离技术是一种以氧气、氮气膜渗透速率不同为基础，完成这两种组分粗分离的膜渗透技术，在实际分离工作中，膜分离装置较为简单，操作也比较方便，投资较小。但是分离成品最多只能得到纯度在28%～35%的富氧空气，并且空分装置的规模也不大，因此，这一技术主要被应用于富氧燃烧与医疗保健工作中，并未得到大范围的推广。

2 装置总平面布置要求

在空分工作开展过程中，若工作区域附近的空气存在区域性污染源，受装置稳定性不足的影响，那么主体生产装置出现问题的情况时有发生。举例来说，在空分装置运行过程中，若工作区域空气中含有大量的二氧化碳、灰尘等物质，那么在应用分子筛分离空气成分的过程中，原料空气压缩器吸入的空气质量较差，不仅会降低分子筛的吸附能力，还可能会因大量二氧化碳穿透分子筛，导致板式换热器通道被堵塞，在降低空气分离装置运行稳定性的基础上，使得装置运行无法满足最大经济负荷的需要。

现阶段，为了切实降低上述问题出现的可能性，在当前的空气分离装置布置时，第一，应保证装置在总图中的位置符合相应标准与规范的要求。第二，应保证空分装置能够处于厂区常年主导风向的上风口，并且在布置过程中，应尽量避开其他装置排放的二氧化碳对气体原料质量的影响。第三，在布置空分装置时，需要明确厂区附近的厂房情况，尽可能使装置避开存在烃类物质泄漏风险的厂房。第四，在控制空分装置纯化系统分子筛吸附剂填装量时，需要保证谭庄的吸附剂存在一定的余量，提高吸附工作的质量。第五，为了尽可能提高原料空气的质量，需要实时掌握厂区附近的风向，并通过建立厂区各外设备紧急排放联系机制的方式，减少空气中有害物质的含量。同时，在实际工作过程中，可以通过加强空气原料中二氧化碳的含量监控、提高空分装置中液氧浓度分析检测频次的方式，确保得到的产品质量能够达到预期的需要[2]。

3 空分装置的布置方法

现阶段，大部分空分装置主要由空气压缩机系统、膨胀机、空冷塔、冷箱、分子筛、冰箱、液体存储槽、公用工程房等部分组成，并且各部分之间主要应用管廊相连接，完成空气成分的分离工作。一般情况下，膨胀机与冷箱的布置设计方式主要由供货方给出，由于膨胀机的膨胀段位于冷箱之中，受压缩端连接管道较短的影响，应保证增压膨胀设备的膨胀端与冷箱尽可能贴近，若在设备布置过程中，膨胀设备位于室外，那么需要预先为其搭设防御设施，抵御外界环境对设备的破坏。冷箱是当前空分系统中体积最大的装置，个别项目可能会存在双冷箱的情况，在这种情况下，主冷箱为精馏塔和与之串联的管道。分子筛作为空分系统的重要组成部分，在选择过程中，主要以空分系统的产能为基础，选择卧式或立式的分子筛。

考虑到在实际生产过程中，空分装置生产的产品为乙类产品，其中包含氧气、氮气、液氧、液氮等危险介质，为了避免在产品生产过程中，工作人员出现窒息、冻伤等问题，在空分工作开展前，需要严格按照设计规范完成空分装置布置图的设计工作。在布置图设计过程中，为了降低工作人员被冻伤，可以在布置装置的过程中，将液氧、液氮等成分的储槽放置在同一区域，并用防护栏将这一区域与周边区域分隔开。第二，为了降低设备的维护管理难度，在装置布置过程中，应控制各压缩机之间的距离在2 m 以上，在避免装置结构设计时出现基础膨胀问题的同时，为维护管理人员预留足够的操作空间。第三，在布置空气过滤器时，需要保证其出口与空气压缩机的进口能够呈现出中心对称的状态。第四，在装置布置过程中，考虑到消声器在工作过程中会产生较大的应力，若将其支架挂在墙上或者抗力较小的框架上，那么消声器掉落的可能性将会有所提高，对此，将其布置在就近管廊框架处，不仅可以提升消音的效果，还能保证消声器以及工作人员的安全。第五，为了避免燃烧、爆炸问题的出现，在氧气管布置过程中，需要保证装置与存在明火的区域之间至少间隔35 m，保证空分厂区的安全性。第六，为了保证工作人员的人身安全，在布置控制室与分析室时，需要尽量使其远离危险区域以及振动的设备、管道。第七，在开展泵的布置设计工作时，设计人员不仅需要保证布置工作能满足操作及检修间距的要求，还需要尽可能提升泵布置位置的紧凑性与美观性。第八，为了降低运维管理工作的难度，在保证设备布置工作满足设备间距、净空高度布置要求的基础上，需要在相关区域设置操作通道与梯子平台[3]。

4 空分装置的管道布置

在空分系统配管布置工作中，不仅需要保证布置工作符合管道及仪表控制流程设计规范的要求，还需要在布置过程中对空分装置布置现场的实际情况为基础，开展管道设计的统筹规划工作，提升设计工作的安全性、可靠性、美观性，尽可能降低管道布置工作的成本，降低工程施工以及后续维修管理工作的难度。为了实现上述目标，在实际设计工作中，应落实以下内容：

1）空分装置厂区设计过程中，除了污水、雨水、消防水等管道的敷设方法为地敷外，其余工艺、工程管线都应采用架空敷设的敷设方法，并且在实际施工过程中，为了降低架空管线的支撑难度，需要尽可能将架空线路布置在同一区域。

2）为了降低后续管线的维护管理难度，在管道敷设过程中，需要加强对管道间距与净空高度的管控，一般情况下，不需要进行保温处理的管线、管法兰的间距约为25 mm；需要进行保温处理的管线与相邻管线之间的距离约为50 mm；若管线存在侧向位移，那么在布置管线的过程中，可以适当增加管线的净距。

3）在布置管线时，首先，若管线跨越了铁路，那么需要保证管道在轨道以上的净空距需要在6 m 以上；其次，若管道跨越了厂区内的主干道，那么管道在路面以上的净空距需要大于5.5 m；再次，若管道跨越厂区内的一般道路，那么管道在路面上的净空距需要大于4.5 m；最后，在设计过程中，需要保证主要操作通道的净宽大于1 m。

4）在管线布置过程中，为了避免高点、低点受气液的影响，出现破裂的问题，需要在布置过程中，在高点或低点设置排气、排液口。

5）若工程中共用主管线来自厂区外，那么需要在管线布置过程中，将其集中布置在管廊上，并且在从水平气体、液体、蒸汽、冷凝液等主管上接分支管线时，需要保证支线从主线的顶部接出。

6）在管道布置时，不同功能的管道在管廊所处的位置存在一定的差别，首先，若管廊上的管道直径较大，那么在布置管线时，需要使其靠近管廊柱子；其次，若管道为需要设置“Π”型补偿器的高温管道，那么在布置管道时，需要使其与管廊柱子相靠近，并且在布置过程中需要集中设置“Π”型补偿器；再次，若管道的直径较小或者管道为气体管道、公用工程管道，那么需要将管道布置在管廊的中间部分；最后若管道为工艺管道，那么在布置过程中，需要将其布置在与管廊相连接的设备侧。

7）在布置冷却器管道时，可以通过避免管道在冷却设备区域出现交叉、绕行等问题的方式，保证管道布置位置不仅能够保证操作顺利进行，降低检修工作的难度，还能避免“气袋”“液袋”等问题的出现概率。同时，在布置过程中，设计人员还需要对其进行高点、低点放气、放液处理。

8）在布置泵管道时，需要保证管道的位置不会对起重机的运行造成阻碍，同时，在起重机吊装重物时，泵管道也不会对吊装的重物产生阻碍。为了实现上述目标，在泵管道布置工作中，设计人员需要为配管预留合适的通道宽度与阀门高度，并且为了保证泵对净吸入压头的需要，需要为泵配置合适的配管。在配管工作中，可以对入口处的实际情况进行分析，若入口处存在变径情况，则可以采用偏心异径管，并通过在低点位置设置排液口的方式，保证管道运转的安全性。此外，为了尽可能提升泵的工作质量，可以在条件允许的情况下，将入口切断阀布置在垂直管道上[4]。

9）在开展压缩机管道布置工作时，工作人员不仅需要对管道的柔性进行分析，还需要依据项目的实际需要，开展振动分析工作。在保证分析结果符合设计施工标准后，开展配管设计施工活动。在架设管线时，由于支架被设置在地面上，为了避免支架对正常生产活动产生不利影响，需要保证进出口位置布置的管道为短直管道，通过减少弯头数目的方式，提升支架布置的简便性。同时，在布置进出口管道时，还需要避免管道会对检修吊车的正常运转造成阻碍。

10）在开展管道的跨距设置时，应保证跨距不仅能够满足管道对强度的需要，还需要满足刚度条件的要求，然后选择两者中的小者作为管道的最大跨距。同时，在开展管道布置时，需要提升对支架结构设计的关注度，通过尽可能使管道与已有构筑物相接近的方式，降低支架对其他管道、设备的影响。

5 结语

空分装置及配管设置是一项较为复杂的工作，为了尽可能提升设置工作的安全性与可靠性，在设计过程中，需要遵循整体性原则，从宏观的角度入手，完成工艺流程选择、机组选型、总图布置等工作。在上述工作完成后，开展基础工作设计优化工作，以便为后续工程项目施工活动的顺利进行，空分装置的顺利投产提供有效的支持。