制氧裝置生產(chǎn)工藝研究

(營(yíng)口鋼鐵有限公司，遼寧營(yíng)口，115000)

制氧裝置是化工生產(chǎn)中石油煉制、鋼鐵加工生產(chǎn)等行業(yè)的配套項(xiàng)目，其主要作用是為生產(chǎn)提供所需的氧氣、氮?dú)?、氬氣。本文以我公?0000Nm3/h(氧)制氧裝置為例，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)例做工藝簡(jiǎn)析。

1 裝置主要技術(shù)性能

1.1 產(chǎn)量及純度

表1 制氧裝置產(chǎn)品明細(xì)表

注：1)Nm3/h系指0℃,101.3kP。(下同)；2)壓力以冷箱出口0米標(biāo)高計(jì)算；3)空分裝置調(diào)節(jié)范圍75%～105%。

1.2 運(yùn)轉(zhuǎn)周期

兩次大加溫間隔期要大于2年。

1.3 裝置加溫解凍時(shí)間

裝置加溫解凍時(shí)間約36小時(shí)。

1.4 裝置啟動(dòng)時(shí)間

從膨脹機(jī)啟動(dòng)到氧產(chǎn)品達(dá)到純度指標(biāo)約36小時(shí)。

2 生產(chǎn)原理簡(jiǎn)介

制氧裝置的主要原料是空氣，因?yàn)榭諝庵写蠹s包含有21%的氧氣。空氣是一種均勻的多組分混合氣體，它的主要成分是氧、氮和氬，此外還有微量的氫及氖、氦、氪、氙等稀有性氣體?？諝庵械牡?dú)馀c氧氣均勻地混在一起，在常溫下要使它們分離是很困難的。首要條件是要將空氣液化，空氣一般均以氣體狀態(tài)存在，要使空氣液化必須將空氣冷到-141℃ 以下才有可能。

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氧、氮、氬的沸點(diǎn)分別是-183℃、-196℃和-186℃，氧和氮的沸點(diǎn)相差約13℃，氬和氮的沸點(diǎn)相差約10℃，它們之間的沸點(diǎn)差使通過(guò)低溫液化，然后精餾把它們分離成為可能。所以制氧的基本原理就是利用低溫精餾法，將空氣冷凝成液體，按各組分蒸發(fā)溫度的不同將空氣分離。同時(shí)氧、氮、氬無(wú)論是在氣態(tài)還是液態(tài)都能以任何比例均勻地混合在一起，因此，采用在一定的壓力下多次的部分蒸發(fā)和多次的部分冷凝的方法實(shí)現(xiàn)氧氣、氮?dú)?、氬氣的分離。

3 流程組成及主要設(shè)備詳解

本套制氧裝置采用了當(dāng)前先進(jìn)的全低壓、常溫分子篩凈化空氣、增壓透平膨脹機(jī)制冷、上塔采用規(guī)整填料技術(shù)及全精餾(無(wú)氫)制氬的外壓縮流程。

3.1 原料空氣壓縮

利用壓縮機(jī)將空氣壓縮到工藝要求的壓力送至下一工序，壓縮機(jī)前設(shè)置自潔式空氣過(guò)濾器，清除掉空氣中的雜質(zhì)，且該過(guò)濾器能夠?qū)崿F(xiàn)濾筒的自清潔。MCO1004型空壓機(jī)主要部件包括空壓機(jī)、電機(jī)、變速器、氣體冷卻器和潤(rùn)滑油系統(tǒng)?？諌簷C(jī)由單缸3段4級(jí)組成，設(shè)置2臺(tái)中間冷卻器，輸送能力為108000Nm3/h，出口壓力為0.615MPa，電機(jī)功率為10000kW。

3.2 空氣預(yù)冷和純化系統(tǒng)

空氣自原料空壓機(jī)出來(lái)后送入空氣冷卻塔進(jìn)行冷卻?？諝饫鋮s塔的給水分為兩段,冷卻塔的下段使用的是循環(huán)水,而冷卻塔的上段則使用經(jīng)氮水塔冷卻后的低溫水?？諝饫鋮s系統(tǒng)采用噴淋式空冷塔，可有效地清除原料空氣中對(duì)分子篩有害的酸性物質(zhì)，保證分子篩的有效使用壽命。空氣在清洗的同時(shí)，又得到冷卻。

空氣經(jīng)過(guò)空氣冷卻塔冷卻后，溫度降至17℃以下，進(jìn)入切換使用的分子篩吸附器MS1201(或MS1202)，空氣中的二氧化碳、部分碳?xì)浠衔锛皻埩舻乃魵獗晃絒1]。分子篩吸附器為兩只切換使用，其中一只工作時(shí)，另一只再生。吸附器的工作時(shí)間為4小時(shí)，切換周期為8個(gè)小時(shí)，定時(shí)自動(dòng)切換。

分子篩系統(tǒng)是空分裝置的關(guān)鍵單元之一，空氣是多組分的混合氣體，除氧、氮及稀有氣體外，還含有水蒸汽、二氧化碳等，隨空氣進(jìn)入空壓機(jī)，繼而進(jìn)入空分設(shè)備是非常有害的。水分和二氧化碳會(huì)隨著空氣溫度的下降，從空氣中析出，凍結(jié)和堵塞氣體通道。故必須利用分子篩純化器將水分和二氧化碳清除掉。分子篩吸附器采用雙層床結(jié)構(gòu)，底層為活性氧化鋁，上層為13X分子篩。每個(gè)分子篩吸附器內(nèi)裝有16噸的活性氧化鋁和22噸的13X分子篩。底層活性氧化鋁床層可有效地保護(hù)分子篩，延長(zhǎng)分子篩使用壽命，同時(shí)采用雙層床也使純化器再生阻力下降，再生溫度降低，節(jié)約了再生能耗。

3.3 制冷、換熱和精餾

空氣經(jīng)凈化后，由于分子篩的吸附熱，溫度升至24℃， 然后分三路：一小路空氣被抽出作為儀表空氣。一路空氣直接進(jìn)入主換熱器，在主換熱器E1中與返流氣體(純氧、純氮、污氮)換熱達(dá)到接近空氣液化溫度-173℃后出主換熱器冷端并分為兩股，一股直接進(jìn)入下塔C1，另一股去液氧蒸發(fā)器蒸發(fā)液氧，液化后的液空分兩股，一股節(jié)流進(jìn)入下塔C1，另一股通過(guò)過(guò)冷器E2進(jìn)入上塔。而另一路空氣去增壓機(jī)增壓后進(jìn)入主換熱器，在主換熱器內(nèi)被返流冷氣體冷卻至-108℃時(shí)抽出進(jìn)入膨脹機(jī)ET401A(或ET401B)膨脹冷卻，膨脹后的空氣送入上塔C2。該部分空氣在膨脹機(jī)膨脹端從壓力0.75MPa膨脹至45kPa，推動(dòng)膨脹機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)與膨脹端同軸的增壓端對(duì)外輸出機(jī)械功，此過(guò)程為一絕熱等熵過(guò)程，等熵效率可達(dá)85%，在熵值不增加的情況下，焓值大幅下降，溫度下降50℃，為空氣液化提供冷量，并彌補(bǔ)裝置的冷量損失。

主精餾塔分為兩個(gè)部分，上塔和下塔。上塔和下塔連接部位是主冷凝蒸發(fā)器，簡(jiǎn)稱主冷。主冷為一板式換熱器，既是下塔的冷凝器又是上塔的蒸發(fā)器。在下塔，部分液化的高壓空氣在塔底向上流動(dòng)，氮?dú)夂恐鸩教岣撸谥骼渲斜簧纤囊貉跻夯獨(dú)庵阅鼙灰貉跻夯怯捎谏纤毫Φ停?0kPa左右，而下塔壓力在0.5MPa，故下塔氮?dú)獾娘柡蜏囟雀哂谏纤貉醯娘柡蜏囟取Ｖ骼涞獋?cè)的液氮一部分通過(guò)V11進(jìn)入下塔，作為下塔的回流液，另一部分在過(guò)冷器中被上塔頂部來(lái)的氮?dú)?、污氮?dú)膺^(guò)冷，經(jīng)過(guò)節(jié)流閥V3送入上塔頂部，作為上塔回流液。下塔底部含氧約38%的液空通過(guò)節(jié)流閥V1進(jìn)入上塔中部，作為上塔的原料，亦給上塔提餾段提供回流液。

產(chǎn)品氧氣從上塔下部引出，經(jīng)過(guò)冷器及主換熱器，回收冷量后，出冷箱，送至氧氣氣壓縮機(jī)[2]。液氧從上塔底部引出，在液氧自增壓器中自增壓并氣化后得到低壓氧氣，經(jīng)主換熱器復(fù)熱后出冷箱進(jìn)入用戶管網(wǎng)。進(jìn)入貯槽的液氧產(chǎn)品從液氧自增壓器底部引出，部分經(jīng)過(guò)冷器過(guò)冷后送往液氧貯槽。生產(chǎn)液氧還有一個(gè)主要作用就是連續(xù)排出液氧，防止液氧中碳?xì)浠衔锖鸵胰矟饪s超標(biāo)。

污氮?dú)鈴纳纤喜恳?，?jīng)過(guò)冷器及主換熱器復(fù)熱后出冷箱，部分作為分子篩吸附器的再生氣體，部分進(jìn)入水冷塔冷卻空冷塔的上部用水。

純氮?dú)鈴纳纤敳恳?，?jīng)過(guò)冷器及主換熱器，回收冷量后，出冷箱，送至氮?dú)鈮嚎s機(jī)。

在上塔中部，抽取一部分含氬約10%的餾分氣，到粗氬塔和精氬塔中。在粗氬塔中除去氧，在精氬塔中除去氮。得到含氧≤2ppm，含氮≤3ppm的高純氬產(chǎn)品。

3.4 產(chǎn)品氣壓縮外送系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括氧氣壓縮機(jī)、氮?dú)鈮嚎s機(jī)、氧氣球罐、氮?dú)馇蚬抟约爱a(chǎn)品氣調(diào)壓輸配系統(tǒng)組成。氧氣、氮?dú)庾岳湎涑鰜?lái)后分別通過(guò)氧氣壓縮機(jī)、氮?dú)鈮嚎s機(jī)升壓至3.0MPa進(jìn)入氧氣球罐、氮?dú)馇蚬轠3]。氬氣經(jīng)過(guò)液氬泵加壓并復(fù)熱后進(jìn)去氬氣緩沖罐。球罐內(nèi)氧氣、氮?dú)?、氬氣?jīng)過(guò)調(diào)壓后分別送出中壓氧氣(1.6MPa)、中壓氮?dú)?1.6MPa)、低壓氮?dú)?0.8MPa)、中壓氬氣(1.6MPa)。

氮?dú)鈮嚎s機(jī)為杭氧集團(tuán)生產(chǎn)的5TYC55型氮?dú)鈮嚎s機(jī)，該機(jī)組為整體齒輪型離心壓縮機(jī)，主要由主電機(jī)、壓縮機(jī)主機(jī)、供油裝置和氣體冷卻器組成。

氧氣壓縮采用氧氣透平壓縮機(jī)，型式為雙缸、8級(jí)壓縮、水平剖分式。和空壓機(jī)、氮壓機(jī)不同的是其壓縮介質(zhì)為氧氣，氧氣是強(qiáng)烈的助燃?xì)怏w，由于氧氣的強(qiáng)氧化作用，純氧是一種危險(xiǎn)性氣體。尤其在高純度、高壓力、高流速的壓縮機(jī)中，氧氣溫度的意外升高、外來(lái)雜質(zhì)與流道的摩擦、與氧氣接觸的壁面含有橡膠或油脂等燃點(diǎn)較低的物質(zhì)、轉(zhuǎn)子與靜止件的意外碰擦等都可能造成機(jī)毀人亡的重大事故。因此，對(duì)于透平氧壓機(jī)來(lái)說(shuō)，一切問(wèn)題的核心是安全防火問(wèn)題。

氧氣壓縮機(jī)的安全措施主要有以下幾個(gè)方面：

3.4.1 材料的選擇

凡與氧氣接觸的金屬表面，均采用化學(xué)穩(wěn)定性好，不易氧化的材料制造。體積較大的鑄鐵件表面進(jìn)行鍍銅處理。密封器采用燃點(diǎn)極高的銅鎳合金。其余與氧氣接觸的部件均采用不銹鋼制造。

3.4.2 零部件的清潔度

凡是與氧氣接觸的部件都要進(jìn)行脫脂及清洗處理。以保證所有與氧氣接觸的部分均干凈無(wú)油。

3.4.3 限制氧氣的溫升

為了有效限制氧氣在壓縮過(guò)程中的溫度升高，氧壓機(jī)每段的壓比都不是很高，且段和段之間均設(shè)置中間冷卻器。當(dāng)蝸殼溫度超過(guò)連鎖設(shè)定值(185℃)時(shí)，DCS控制系統(tǒng)會(huì)控制氧壓機(jī)自動(dòng)停機(jī)，同時(shí)向氧壓機(jī)內(nèi)噴入氮?dú)?，避免事故的擴(kuò)大。

3.4.4 防止氧氣泄漏

設(shè)置安全可靠的迷宮式油封、氣封，防止?jié)櫥瓦M(jìn)入氣側(cè)和氧氣泄露。

3.4.5 防火墻

設(shè)置防火墻，把全部氧氣設(shè)備、管道、閥門用阻燃材料構(gòu)成的墻體與外界隔離?，F(xiàn)場(chǎng)操作柜設(shè)在防火墻外。因此在氧壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，工作人員均在危險(xiǎn)區(qū)外，可以避免發(fā)生意外的人傷事故。