深冷空氣分離裝置工藝的特點(diǎn)分析

王敏娜

[摘 要]深冷法空分裝置制氧設(shè)備中使用的是一套的填料塔、液體泵內(nèi)壓縮以及前段預(yù)凈化流程，使用常溫分子篩預(yù)凈化，空氣增壓透平膨脹機(jī)提供裝置所需的冷量，從而形成空氣增壓膨脹、雙塔精餾、內(nèi)壓縮的一種流程?；诖?，本文對(duì)深冷空氣分離裝置工藝進(jìn)行分析。

[關(guān)鍵詞]空分裝置；工藝特點(diǎn)

中圖分類號(hào)：G181 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2018）30-0398-01

采用深冷技術(shù)開發(fā)的空氣分離裝置，是以空氣為原料，通過壓縮循環(huán)和深度冷凍的方法將空氣液化，通過精餾操作從液態(tài)空氣中分離出氧氣、氮?dú)?、氬氣等氣體，是煤制甲醇化工生產(chǎn)裝置中的重要組成部分?？辗盅b置主要包括空氣壓縮、空氣凈化、空氣的冷卻及液化、精餾等單元。

1 深冷分離法

深冷分離法，簡(jiǎn)單的講即為通過不同的溫度來最大程度的對(duì)氣體進(jìn)行分離。主要是采取一種機(jī)械性的方式，例如通過不同手段讓氣體實(shí)現(xiàn)膨脹，再根據(jù)各種不同氣體各自的沸點(diǎn)不同，對(duì)它們?cè)龠M(jìn)行降溫冷卻。不同的氣體通過這種方式實(shí)現(xiàn)了較為精準(zhǔn)的分離。在我國(guó)，制取氧氣的80%都是來源于這種方法。這種方法分離出的氣體精度相對(duì)較高，但是在分離過程當(dāng)中的成本也較大。這種方法比較適合空氣中比重較大氣體含量的分離，比如氮?dú)夂脱鯕獾闹迫【头浅＿m合，而在分離在空氣中所占比重較小的氣體時(shí)則顯示出他的不足與局限性。盡管我們當(dāng)前在改進(jìn)技術(shù)管理等方面一直在努力，也取得了不小的成就，但是水平仍有待于進(jìn)一步的提高。

2 深冷分離法基本原理及其對(duì)應(yīng)的空氣分離裝置

深冷分離法在空氣分離上，工作原理較為簡(jiǎn)單。它把空氣作為原料，經(jīng)過一系列的程序，包括大幅度的濃縮、有步驟的凈化，以及還要使用熱交換的方法使空氣液化成液態(tài)的空氣。大致如下：空氣在進(jìn)入壓縮機(jī)之前要先通過空氣的過濾裝置進(jìn)行過濾，使其更加純凈后再進(jìn)入空氣壓縮裝置中，壓縮到了具有合適壓力后再進(jìn)入空氣的冷卻裝置中，使空氣的溫度迅速地降低。在此基礎(chǔ)之上，再對(duì)空氣進(jìn)行干燥處理，可以通過空氣干燥凈化器來進(jìn)行，使空氣中一些不被需要的物質(zhì)被清除，比如所含的水分、二氧化碳等物質(zhì)。在空氣分離的裝置的設(shè)置中，也必須要保障兩種流液被很好的處理和收集。一方面，空氣被凈化后要保證其進(jìn)入空氣分離裝置中的主換熱增熱容器中，未獲得通過的，即返回來的液態(tài)氣體通過冷卻裝置達(dá)到最佳溫度時(shí)，再送入凈化蒸餾容器的底部，在容器上部能夠充分搜集氮?dú)猓诘撞康囊簯B(tài)空氣再進(jìn)行冷凝，通過一系列的冷凝裝置進(jìn)行冷凝蒸發(fā)，氮?dú)庾罱K被冷凝，部分最后對(duì)滯留的液體進(jìn)行分節(jié)設(shè)置。當(dāng)然，也可以把它再次流入主要的換熱增熱容器中，之后到達(dá)一定程度進(jìn)入膨脹的容器中進(jìn)行膨脹，降溫，一部分的氣體可以被再分離和再次的利用，其他的部分也會(huì)被排入大氣。由此可以看出，要建立空氣分離裝置，一方面做到空氣的深度壓制縮小并對(duì)空氣進(jìn)行徹底的凈化；另一方面即是空氣的最終分離。當(dāng)然，從空氣分離出來的液態(tài)氮?dú)庖矐?yīng)有專門的容器進(jìn)行液態(tài)的貯藏和運(yùn)輸。在對(duì)其設(shè)備進(jìn)行檢查時(shí)，必須要確保液態(tài)氮?dú)獾拿芊庑院?，安全的進(jìn)入對(duì)應(yīng)的容器里。

3 空分裝置的特點(diǎn)

3.1 流程特點(diǎn)

空分裝置采用液氧內(nèi)壓縮、空氣膨脹流程，具有安全性好、可靠性高、操作維護(hù)方便、投資成本低、配置更合理的特點(diǎn)。

3.2 成套設(shè)備機(jī)組特點(diǎn)

3.2.1 脈沖反吹自潔式空氣過濾器

脈沖反吹自潔式空氣過濾器的主要部件包括：空氣濾筒、脈沖反吹系統(tǒng)、凈氣室、框架、控制系統(tǒng)。反吹系統(tǒng)由氣動(dòng)隔膜閥、電磁閥、專用噴嘴及壓縮空氣管路組成?？刂葡到y(tǒng)主要由脈沖控制儀、差壓變送器、控制電路等組成。

自潔式空氣過濾器的凈氣室出口與空壓機(jī)入口連接，在負(fù)壓的作用下，從大氣中吸入加工空氣?？諝饨?jīng)過過濾筒，灰塵被濾料阻擋。無數(shù)小顆粒粉塵在濾料的迎風(fēng)表面形成一層塵膜。塵膜可使過濾效果有所提高，同時(shí)也使氣流阻力增大。

3.2.2 預(yù)冷系統(tǒng)

采用水和空氣直接接觸式的空冷塔，既降低空氣溫度，改善分子篩的工作環(huán)境，同時(shí)又洗滌空氣中的機(jī)械雜質(zhì)和酸性氣體。利用效率高，阻力小的散裝填料塔，不但能夠有效確保塔的換熱性能，還能夠有效降低阻力，使得空壓機(jī)出口的壓力極大的降低，最終起到降低能耗的作用。液體的分布裝置使用的分布器較為新型、高效，能夠?qū)⑺浞值呐c空氣接觸，確保塔的熱換性能，使得冷凍水量有所降低，最終實(shí)現(xiàn)降低能耗的目的。氮水冷卻塔使用的散裝填料塔較為高效，且能夠?qū)⑽鄣睦淞窟M(jìn)行充分的回收。使用的冷凍水泵以及冷卻水泵均采用一用一備的方式，從而有效確保裝置的可靠性。

3.2.3 純化系統(tǒng)

分子篩吸附器使用了活性氧化鋁和分子篩構(gòu)成的雙層床結(jié)構(gòu)，底層的活性氧化鋁床層能夠?qū)Ψ肿雍Y進(jìn)行有效的保護(hù)，使得分子篩的使用壽命有所延長(zhǎng)，利用雙層床能夠有效降低吸附器的再生阻力，降低其再生溫度，大大的節(jié)省了再生能耗。

純化系統(tǒng)閥門主要由三桿閥控制，每個(gè)閥門都有開關(guān)兩個(gè)信號(hào)，而且均有開關(guān)狀態(tài)回饋，如果閥門卡死在中間狀態(tài)或在切換過程中，操作員可以根據(jù)生產(chǎn)需要選擇暫停自動(dòng)控制程序，使所有閥門保持在該操作狀態(tài)不變化，也可以恢復(fù)運(yùn)行自動(dòng)控制程序，讓純化系統(tǒng)繼續(xù)投入正常工作時(shí)序。

分子篩純化系統(tǒng)使用的是長(zhǎng)周期設(shè)計(jì)的方式，單個(gè)吸附器吸附的時(shí)間為4h，能夠有效延長(zhǎng)分子篩以及閥門的使用壽命，切換所造成的損失也會(huì)減小，同時(shí)將切換而引起的壓力波動(dòng)次數(shù)有所降低，確保主塔工況足夠的穩(wěn)定。

分子篩的切換系統(tǒng)主要使用無沖擊切換方式，利用帶調(diào)速器的切換閥，確保閥門的開關(guān)較為緩慢，勻速進(jìn)行切換；均壓閥使用的是正反流通能力相近的且具備良好調(diào)節(jié)性能的進(jìn)口閥門，采用分程控制的原則，確保裝置充氣過程足夠的平穩(wěn)，工況的相對(duì)穩(wěn)定；污氮放空閥使用的預(yù)開放式，避免上塔出現(xiàn)“憋壓”的問題。切換系統(tǒng)使用DCS自動(dòng)控制方式，其中包含有壓力壓差進(jìn)行自動(dòng)判斷，與閥位反饋信號(hào)進(jìn)行有效配合，能夠使得切換系統(tǒng)的可靠性得到保障。

3.2.4 精餾塔系統(tǒng)

精餾塔系統(tǒng)主要分為上塔、下塔和冷凝蒸發(fā)器。上塔采用規(guī)整填料，可以提高效率，降低空壓機(jī)排壓，提高裝置提取率，降低能耗。下塔采用高效篩板塔，可以節(jié)省投資。冷凝蒸發(fā)器常見的型式有板翅式和管式兩種，因板翅式冷凝蒸發(fā)器采用的是全鋁結(jié)構(gòu)，主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小，而且制造容易，因此，在大中型空分設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。

待分離的原料進(jìn)入上塔，進(jìn)料板以上為精餾段，以下為提餾段。其中精餾段所起的作用是將上升汽相中的重組份不斷冷凝分離，汽相中輕組份不斷提純。提餾段的作用是將下流液相中輕組份不斷汽化分離，液相中重組份不斷提純。冷凝蒸發(fā)器則是聯(lián)系上塔和下塔的紐帶，它用于上塔底部的液氧和下塔頂部的氣氮之間的熱交換。液氧在冷凝蒸發(fā)器中吸收熱量而蒸發(fā)為氣氧，作為上塔的上升蒸氣；氣氮在冷凝蒸發(fā)器中放出熱量而冷凝成液氮，作為下塔的下流液體。通過精餾，實(shí)現(xiàn)了空氣的分離。

3.2.5 控制系統(tǒng)

空分裝置采用DCS集散型控制系統(tǒng)。結(jié)合選用國(guó)際先進(jìn)的DCS系統(tǒng)、調(diào)節(jié)閥、在線分析儀等測(cè)控組件，除了確?？辗盅b置的正常運(yùn)行外，還可以在裝置出現(xiàn)事故停車時(shí)保證設(shè)備安全。

結(jié)語

總而言之，市場(chǎng)的主要選擇依舊是低能耗、高效能以及安全生產(chǎn)的空分裝置，利用對(duì)現(xiàn)階段空分技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對(duì)國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的空分技術(shù)進(jìn)行比較，空分技術(shù)在工藝流程方面和設(shè)備選擇方面都有較好的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 張艷紅.煤化工項(xiàng)目中空分裝置設(shè)計(jì)及建設(shè)問題[A].中國(guó)化工學(xué)會(huì).2013中國(guó)化工學(xué)會(huì)年會(huì)論文集[C].中國(guó)化工學(xué)會(huì)：，2013：1.

[2] 王盛慧，金星，田巍.空壓機(jī)時(shí)變模型的建立與預(yù)測(cè)控制方法的研究[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，31（01）：10-14.