淺談空氣分離技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)

陳錦偉（林德工程（杭州）有限公司，浙江 杭州 310012）

空氣分離技術(shù)目前發(fā)展以比較成熟，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，特別是近幾年冶金、石化、石油、化肥等行業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)空分設(shè)備的需求不斷加大，大型空分設(shè)備產(chǎn)業(yè)帶來(lái)難得的發(fā)展機(jī)遇。龐大的市場(chǎng)需求，使國(guó)內(nèi)對(duì)大型空分設(shè)備的需求將迎來(lái)新一輪高峰。經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，空分裝置在大型化的發(fā)展道路上解決了許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。本文針對(duì)空氣分離技術(shù)的發(fā)展和氣體分離裝置的發(fā)展進(jìn)行了介紹。

1 低溫法空氣分離工藝流程簡(jiǎn)述

低溫法分離空氣設(shè)備均由以下四大部分組成：空氣壓縮、膨脹制冷；空氣中水分、雜質(zhì)等凈除、空氣通過(guò)換熱冷卻、液化；空氣精餾、分離；低溫產(chǎn)品的冷量回收及壓縮。各部分實(shí)現(xiàn)的方式和采用的設(shè)備不同，組成不同的流程。

按工作壓力分為高壓流程、中壓流程、低壓流程。高壓流程的工作壓力高達(dá)10.0-20.0MPa，制冷量來(lái)自于節(jié)流效應(yīng)，不需要膨脹機(jī)，操作簡(jiǎn)單，只適用于小型制氧機(jī)或液氮機(jī)。中壓流程的工作壓力在1.0-5.0 MPa，對(duì)于小型空分裝置由于單位冷損大，需要有較大的單位制冷量來(lái)平衡，所以要求工作壓力較高。此時(shí)，制冷量主要靠膨脹機(jī)，但節(jié)流效應(yīng)制冷量也占較大的比例。低壓流程的工作壓力接近下塔壓力，它是目前應(yīng)用最廣的流程，該裝置具有低的單位能耗，因此這種空氣分離流程的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。

按產(chǎn)品的壓縮方式分為分離裝置外壓縮和裝置內(nèi)壓縮兩類。裝置外壓縮是單獨(dú)設(shè)置產(chǎn)品氣體壓縮機(jī)，對(duì)裝置的工作沒(méi)直接影響。裝置內(nèi)壓縮是用泵壓縮液態(tài)產(chǎn)品，再經(jīng)復(fù)熱、氣化后送至裝置外。相對(duì)來(lái)說(shuō)內(nèi)壓縮較為安全，但是，液體泵是否正常將直接影響到裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 空氣分離裝置低溫管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 低溫管道材料

－196℃的超低溫條件需求用于空氣分離裝置管道的材料具有杰出的低溫韌性、抗腐蝕功能、焊接功能，管道在常溫下安裝，在低溫下運(yùn)行時(shí)，材料的線膨脹系數(shù)應(yīng)盡量小。目前國(guó)內(nèi)低溫管道多選用奧氏體不銹鋼材料。同時(shí)，9%鎳鋼以其優(yōu)良的綜合性能和超低溫功能在國(guó)外空氣分離項(xiàng)目中使用越來(lái)越廣泛，并且其線膨脹系數(shù)明顯低于不銹鋼，也有望變成空氣分離管道的主流材料。另外特別要注意的是，通常情況奧氏體不銹鋼管道壁厚較薄，故強(qiáng)度、剛度較差。需要綜合考慮管道壁厚的計(jì)算和管道支架的設(shè)置，避免震動(dòng)引起的嚴(yán)重后果。

2.2 閥門的結(jié)構(gòu)及安裝

低溫閥門與普通常溫閥門相比，結(jié)構(gòu)和功能上有很多不同。低溫球閥、截止閥宜采用加長(zhǎng)閥蓋結(jié)構(gòu)，可防止填料被凍住，損壞填料。低溫閥門通常閥桿垂直向上安裝或中心垂直線30度向上安裝，避免低溫介質(zhì)與填料蓋長(zhǎng)時(shí)間接觸。閥門閉合時(shí)，為防止內(nèi)部液體受熱蒸發(fā)產(chǎn)生的壓力破壞閥門，需要在閥門的高壓側(cè)設(shè)置一泄壓閥，或安全閥。另外，閥門安裝時(shí)要注意流向的正確。

2.3 低溫柔性

冷箱內(nèi)的溫度變化很大，從常溫降至-196℃。溫度的變化會(huì)引起管道的冷縮，所以管道的設(shè)計(jì)中要考慮冷熱的補(bǔ)償問(wèn)題。低溫管道上所有必需的柔性都通過(guò)改變管道走向自然補(bǔ)償或增加π型補(bǔ)償彎來(lái)完成。因此，應(yīng)對(duì)低溫管道進(jìn)行應(yīng)力分析，采用合理的管道走向來(lái)補(bǔ)償由于溫度變化帶來(lái)的收縮量。另外，大管徑低溫管道還應(yīng)考慮低溫彎曲變形情況。

2.4 保冷結(jié)構(gòu)及材料選用

為避免空氣分離裝置管道外表凝露、減少吸熱以及達(dá)到低溫工作時(shí)的防凍需求，需要對(duì)管道進(jìn)行隔熱規(guī)劃整體的保冷設(shè)計(jì)。導(dǎo)熱系數(shù)是衡量保冷性能的重要標(biāo)志，保冷結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的絕熱性。當(dāng)前冷箱內(nèi)的保冷材料有以下幾種:碳酸鎂、玻璃棉、珠光砂及礦渣棉。由于珠光砂重量輕，保冷性能好，價(jià)格較便宜，流動(dòng)性好，易于裝填，目前主要用它作為保冷材料。對(duì)于經(jīng)常需要檢修的局部隔箱中宜裝礦渣棉或玻璃棉。冷箱外當(dāng)前國(guó)內(nèi)外公司認(rèn)可的保冷材料有以下幾種:聚氨酯泡沫(PIR/PUR)、泡沫玻璃(FG)以及丁腈橡膠和二烯烴泡沫(LT+LTD)。其間，前兩種材料的組合用于硬質(zhì)保冷體系，后兩種材料的組合用于柔性保冷體系。針對(duì)低溫管道支架保冷結(jié)構(gòu)，除了滿足保冷性外還應(yīng)考慮機(jī)械強(qiáng)度和保護(hù)性的要求，通常保冷結(jié)構(gòu)包括保冷層、防潮層和保護(hù)層。當(dāng)保冷層厚度≥80mm時(shí)應(yīng)分層敷設(shè)?？諝夥蛛x低溫管道支架多采用卡箍式結(jié)構(gòu)，這樣不僅降低施工難度，也便于日后維護(hù)。

3 空氣分離技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用

3.1 空氣分離制氮。在空氣分離制氮過(guò)程中，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義，上?；ぱ芯克芯砍鲂滦偷腜SA制氮裝置，這種裝置的原料空氣壓力是在0.8MPa，相對(duì)濕度是在80%，氮?dú)獾募兌葎t能夠保持在95%到99%之間。制氮過(guò)程中空氣首先是需要進(jìn)行壓縮，壓縮到0.6MPa的時(shí)候，再對(duì)其冷卻，之后進(jìn)入吸附塔來(lái)吸附分離。

3.2 壓縮空氣脫濕處理。在這方面的應(yīng)用，工程人員首先是需要根據(jù)變壓吸附原理來(lái)對(duì)壓縮空氣進(jìn)行干燥。干燥之后就是要進(jìn)入到WZG微熱再生裝置中來(lái)加熱。WZG微熱再生裝置本身既有熱再生空氣干燥器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還有無(wú)熱再生的優(yōu)點(diǎn)。這種裝置是先加熱而后再進(jìn)行吹掃。通過(guò)這樣一種方式能夠有效減少再生耗氣量，這樣一種方式能夠使得干燥之后的空氣露點(diǎn)能夠降到零下40度。在采用了分子篩作為吸附劑之后，空氣露點(diǎn)就能夠達(dá)到零下52度以下。從中我們可以看出分子篩的優(yōu)點(diǎn)。在今后工作過(guò)程中對(duì)于這項(xiàng)內(nèi)容應(yīng)該保持高度重視。

4 空氣分離技術(shù)的改進(jìn)措施

4.1 系統(tǒng)優(yōu)化

提高產(chǎn)品產(chǎn)量，提高設(shè)備效率，降低設(shè)備所耗蒸汽、電能和循環(huán)水，進(jìn)一步降低氧氣生產(chǎn)單位能耗，是每個(gè)空分廠家都在努力追求的目標(biāo)。今后空分技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)在壓縮機(jī)效率的提高、冷箱內(nèi)物流循環(huán)的改進(jìn)、新型換熱設(shè)備的采用、新型分子篩的采用等方面。

4.2 節(jié)能優(yōu)化

4.2.1 主換熱器。空分裝置冷量損失主要由主換熱器的熱交換不完全造成，主換熱端溫差一般要求控制在3℃以內(nèi)，由于調(diào)節(jié)不當(dāng)以及設(shè)備原因，造成換熱器偏流，主換熱器溫差過(guò)大，導(dǎo)致主冷液位及液氧采出量明顯下降。冷量不足還會(huì)導(dǎo)致上塔不能正常運(yùn)行，氧氣提取率降低，導(dǎo)致能耗增加。

4.2.2 調(diào)節(jié)換熱器溫差。熱交換不完全冷損與熱端溫差的大小成正比，在操作時(shí)應(yīng)盡量把熱端溫差控制在3℃以內(nèi)；合理分配高低壓換熱器的氣體流量，減少主換熱系統(tǒng)熱端溫差，以減少熱交換不完全帶來(lái)的冷損。定期拆檢冷箱頂部裝砂口，檢查珠光砂沉降程度，避免因其造成的冷量損失，可補(bǔ)砂解決。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)空氣分離技術(shù)的概況以及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并對(duì)目前實(shí)際的運(yùn)用進(jìn)行了介紹，隨著空氣分離技術(shù)的優(yōu)化措施的提出，從而保證了空氣分離設(shè)備在良好的參數(shù)下運(yùn)行。

[1]李永康.空氣分離設(shè)備技術(shù)進(jìn)展[J].深冷技術(shù),2013:4-12.

[2]邊守軍.用于空氣分離的吸附劑進(jìn)展[J].黎明化工,2013,(2).

[3]湯學(xué)忠，顧福民.新編制氧工問(wèn)答[M].北京：冶金工業(yè)出版社, 2001.