空分裝置工藝路線選擇及設(shè)備選型

張小雙，姚雅諾(青海鹽湖元品化工有限責(zé)任公司，青海 格爾木 816099)

0 引言

空分裝置的工藝路線和設(shè)備選型受到經(jīng)濟(jì)因素、配套項(xiàng)目、安全因素等影響，在選擇工藝路線時(shí)應(yīng)該綜合考慮設(shè)備的選型需求。為了保證生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率，生產(chǎn)過程中必須做好設(shè)備的選型和工藝路線選擇工作，為高質(zhì)量、高效率的空氣分離工作創(chuàng)造條件。

1 空氣分離裝置常用工藝特點(diǎn)概述

1.1 低溫精餾

低溫精餾利用了氧氣和氮?dú)夥悬c(diǎn)不同的特點(diǎn)，由于氧氣的沸點(diǎn)高于氮?dú)?2 K，因此氧氣是更容易被氣化的，所以低溫精餾過程中通過控制溫度，就能滿足精餾工作的需要。使用低溫精餾工藝時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氣液混合液體冷凝的情況，將會(huì)導(dǎo)致氮的含量大幅度提升，還會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)和發(fā)散的問題[1]。為了避免相關(guān)情況的出現(xiàn)，應(yīng)該防止出現(xiàn)空氣分離隔斷情況。目前一般采用深度冷凍的方法，對(duì)空氣進(jìn)行沸點(diǎn)隔離，雖然會(huì)消耗較長的生產(chǎn)時(shí)間，但是可以滿足安全和純度的要求。

1.2 吸附變壓

吸附變壓主要利用分子篩對(duì)氣體進(jìn)行篩選，達(dá)到分離氣體的目的，由于分子篩的特點(diǎn)，所以對(duì)氧氣和氮?dú)饩哂胁煌奈侥芰Γ軡M足操作指向性的要求。使用該技術(shù)的過程中需要確保分子篩的兼容度和吸附因子的儲(chǔ)備容量，如果出現(xiàn)吸附因子過多、過重的情況，就會(huì)導(dǎo)致吸附空間持續(xù)飽和，會(huì)影響原有的吸附效果[2]。比如目前的工藝改良中，為了能夠獲得更高的氮分子吸附效率，就需要在分子篩中加入一定的碳元素。使用吸附變壓技術(shù)的特點(diǎn)在于初始成本比較低，運(yùn)行也比較方便，但是在提煉氧氣時(shí)，純度相對(duì)較低，而且容量比較小，也很難進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用，生產(chǎn)過程中也會(huì)因?yàn)椴僮鞑缓侠韺?dǎo)致誤差出現(xiàn)。所以該技術(shù)一般都被作為備選方案。

1.3 薄膜分離

薄膜分離技術(shù)在使用時(shí)會(huì)利用具有滲透性的薄膜，可以根據(jù)滲透物質(zhì)的特征選擇合適的薄膜，滿足生產(chǎn)工作的需要。實(shí)際生產(chǎn)過程中，使用該方法速度比較快，而且對(duì)很多裝置的兼容性都很強(qiáng)；但是由于生產(chǎn)過程中氧氣的純度相對(duì)較低，因此很難應(yīng)用到高純度的生產(chǎn)中，一般應(yīng)用在醫(yī)療保健產(chǎn)品中。

2 空分裝置設(shè)備選型思路

不同類型的設(shè)備對(duì)空分工藝效果影響不同，所以在設(shè)備選型時(shí)應(yīng)該對(duì)設(shè)備的特點(diǎn)進(jìn)行逐一分析，保證裝置能滿足生產(chǎn)工作的需求，以及符合安全、經(jīng)濟(jì)、效率等綜合需要。

2.1 液態(tài)產(chǎn)品設(shè)備選型思路

液態(tài)產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)會(huì)將空氣從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，通過蒸餾等方式提升空氣的提煉純度，所獲得的液氧、液氮能夠應(yīng)用在很多不同的領(lǐng)域當(dāng)中。但是無論使用那種生產(chǎn)方式，都應(yīng)該了解客戶對(duì)于液氧、液氮產(chǎn)品的需求，而且要保證生產(chǎn)流程能符合操作準(zhǔn)則，滿足氣體沸點(diǎn)的控制需要[3]。如果使用分子篩進(jìn)行分離，在前期并不能確定分子篩的滲透量，所以在空分裝置設(shè)備選型工作中應(yīng)該側(cè)重于低溫精餾工藝的兼容使用；在內(nèi)外壓縮工藝的選擇中，應(yīng)該對(duì)設(shè)備的能耗情況、提取量的比值區(qū)進(jìn)行一定的劃分，結(jié)合過去的長期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定提煉方式，并且在生產(chǎn)過程中分析提煉工作的規(guī)律和實(shí)施準(zhǔn)則，不斷優(yōu)化生產(chǎn)流程，獲得最合理的生產(chǎn)途徑。

另一方面，由于客戶對(duì)產(chǎn)品的需求具有一定的波動(dòng)性，所以需要保證產(chǎn)品選擇的靈活，所以需要在選擇空分裝置時(shí)，充分研究設(shè)備產(chǎn)值帶來的經(jīng)濟(jì)效益影響，以及分析設(shè)備能否滿足產(chǎn)率調(diào)整的要求，滿足生產(chǎn)負(fù)荷的開拓和發(fā)散需要。比如產(chǎn)品的分批次和同批次生產(chǎn)對(duì)負(fù)荷和生產(chǎn)工藝要求就有明顯不同，而且在短時(shí)間內(nèi)獲得大量空氣分離產(chǎn)品也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的純度下降，需要合理選擇設(shè)備解決效率和產(chǎn)品質(zhì)量之間的矛盾，以及在提煉純度要求較高產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)該延長生產(chǎn)時(shí)長和周期。

選擇產(chǎn)品時(shí)也要考慮產(chǎn)值、產(chǎn)能能夠帶來的市場回饋，例如使用低溫蒸餾工藝的直接投資比較高，生產(chǎn)過程中的工藝比較繁瑣，但是由于其生產(chǎn)的氧氣、氮?dú)饧兌榷急葮O高，純凈度超過了95%，所以市場收益比較高，因此在滿足要求的情況下可以使用這類工藝開展生產(chǎn)工作。也要選擇更多自動(dòng)化水平較高的裝置，降低對(duì)人工成本要求，提升總體經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 氣態(tài)產(chǎn)品設(shè)備的選型

氣態(tài)產(chǎn)品對(duì)氣體的純度有著極高的標(biāo)準(zhǔn)，所以無論是操作、工藝選擇、設(shè)備選擇都需要結(jié)合低溫蒸餾技術(shù)保證設(shè)備的使用效果。選擇設(shè)備時(shí)，應(yīng)該考慮生產(chǎn)工藝的雙技術(shù)兼容，以確保生產(chǎn)出更高質(zhì)量的氣體產(chǎn)品，以及滿足生產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的需求。對(duì)于特定的分離產(chǎn)品，也要合理使用吸附劑來獲取，而且要控制好吸附劑的比例，防止對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量造成影響。

生產(chǎn)氣態(tài)產(chǎn)品時(shí)同樣需要結(jié)合生產(chǎn)產(chǎn)品和生產(chǎn)的主體進(jìn)行劃分和界定，例如需要正確區(qū)分空分裝置的生產(chǎn)產(chǎn)品性能，在進(jìn)行分次和多次生產(chǎn)時(shí)，防止產(chǎn)品類別過于分散導(dǎo)致不能大規(guī)模制取氣態(tài)產(chǎn)品。也可以改變生產(chǎn)工業(yè)流程，一次性生產(chǎn)大量的同類產(chǎn)品，解決過往存在的產(chǎn)品生產(chǎn)矛盾。設(shè)備選型的過程中，也要考慮變壓吸附之后的效果和產(chǎn)品的分利率問題，所以選擇設(shè)備時(shí)應(yīng)該考慮生產(chǎn)數(shù)量和批次，選擇最合適的生產(chǎn)設(shè)備。

目前需要大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)都比較高，并且在傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝逐漸被淘汰之后，各種新型的、具有更高生產(chǎn)效率和質(zhì)量的生產(chǎn)方式正逐漸占據(jù)市場。在實(shí)際生產(chǎn)中，無論選擇工藝路線還是選擇設(shè)備，都應(yīng)該結(jié)合實(shí)際需要，尤其是很多空分生產(chǎn)都和相關(guān)項(xiàng)目配套，所以需要考慮產(chǎn)品對(duì)象的要求來選擇最合適的工藝路線。目前使用深冷分離工藝能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣體最大規(guī)模萃取，滿足產(chǎn)品的輸出要求，而且經(jīng)過長期使用該技術(shù)也得到了完善。在選擇相關(guān)設(shè)備時(shí)，也要分析生產(chǎn)過程中存在的管理盲點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)備配置，保證生產(chǎn)效率和安全方面的需求。

3 某項(xiàng)目空分裝置的工藝路線和設(shè)備選擇

某項(xiàng)目規(guī)劃建設(shè)空分裝置一套，以空氣為原料生產(chǎn)氧氣和氮?dú)猓瑢?duì)氧氣的需求量為每小時(shí)10 000 m3，對(duì)氮?dú)獾男枨罅繛槊啃r(shí)40 000 m3。該項(xiàng)目為某甲醇烯烴裝置的配套項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)資源互補(bǔ)，提升生產(chǎn)工作效率。

3.1 空分裝置工藝路線選擇

3.1.1 深冷工藝的不同路線

目前的空分工藝對(duì)氣體的純度和用量要求非常高，所以普遍選擇具有更高分離純度的深冷工藝路線，其分離工作原理為，對(duì)空氣進(jìn)行壓縮、冷卻和凈化，然后利用熱交換繼續(xù)降低空氣的溫度，使空氣液化。由于液氧和液氮的沸點(diǎn)不同，因此可以進(jìn)行空氣的精餾工作，讓氧氣在精餾塔的底部富集，而氮?dú)庾鳛檩p組分會(huì)在精餾塔的頂部富集，之后就能分別在精餾塔的頂部和底部獲得具有較高純度的氧氣和氮?dú)狻?/p>

在工藝上深冷工藝可以分為內(nèi)壓縮工藝和外壓縮工藝兩種路線，外壓縮工藝路線使用了空分設(shè)備生產(chǎn)低壓氧氣，然后會(huì)使用氧氣壓縮機(jī)加壓將氧氣提供給所需要的用戶，內(nèi)壓縮流程則不會(huì)使用氧氣壓縮機(jī)，液氧會(huì)直接在冷箱內(nèi)經(jīng)過液氧泵加壓達(dá)到所需的壓力，將其供給用戶。

3.1.2 空分工藝運(yùn)行方式比較

(1)主冷凝蒸發(fā)器中的碳?xì)浠衔?。在空氣分離設(shè)備經(jīng)過長時(shí)間的運(yùn)行之后，設(shè)備的主冷凝發(fā)生器液氧中的由于含有碳?xì)浠衔?，?huì)在主冷凝發(fā)生器中逐漸積累，如果碳?xì)浠衔锓e累過多，會(huì)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行安全造成極大的威脅，所以為了避免碳?xì)浠衔锓e累過多，在采用外壓縮路線時(shí)會(huì)連續(xù)排放1%的液氧控制主冷凝發(fā)生其中的碳?xì)浠衔锖?；?duì)于使用內(nèi)壓縮工藝路線的設(shè)備，由于氧氣產(chǎn)品為冷凝蒸發(fā)器中液氧經(jīng)過液氧加壓泵復(fù)壓獲得，所以碳?xì)浠衔锵鄬?duì)較少。因此采用內(nèi)壓縮的工藝流程能夠減少VOC的排放，并且能提升空分設(shè)備的安全性。(2)氧氣壓縮機(jī)的安全性。由于氧氣是一種助燃物，所以氧氣的壓力越高、溫度越高，越容易出現(xiàn)爆炸問題，所以在高溫高壓下的氧氣具有極高的危險(xiǎn)性。在使用內(nèi)壓縮流程時(shí)，都是由液氧泵來提供整個(gè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的壓力，而且氣體長期保持低溫運(yùn)轉(zhuǎn)，因此安全系數(shù)相對(duì)于外壓縮流程相對(duì)更高。(3)液體產(chǎn)品率。目前空分生產(chǎn)都是以液體產(chǎn)品為主，而且液體產(chǎn)品的耗能也比較高，業(yè)內(nèi)一般都以8%作為分界點(diǎn)，對(duì)于低于8%的情況采用外壓縮流程，如果高于8%則必須使用內(nèi)壓縮的方式。

3.1.3 結(jié)論

經(jīng)過分析，該項(xiàng)目使用內(nèi)壓縮工藝路線具有明顯的優(yōu)勢，能更好地與烯烴生產(chǎn)協(xié)調(diào)，保證現(xiàn)場安全和確保生產(chǎn)效率，并降低VOC的排放，滿足環(huán)保工作要求。

3.2 空分設(shè)備選型

使用內(nèi)壓縮設(shè)備的氮氧產(chǎn)品比例一般在1：1-1：3之間，很多項(xiàng)目的氮氧產(chǎn)品還會(huì)按照1：2采出，但是結(jié)合本項(xiàng)目的要求，氮氧產(chǎn)品的比例需要達(dá)到1：4，所以使用內(nèi)壓縮路線難以滿足要求。為了滿足要求，制定了如下幾類技術(shù)方案：10 000 m3/h內(nèi)壓縮空分裝置；配合15 000 m3/h的制氮設(shè)備；20 000 m3/h內(nèi)壓縮空分裝置；配合29 000 m3/h的制氮設(shè)備；20 000 m3/h內(nèi)壓縮空分裝置；配合40 000 m3/h制氮設(shè)備，外掛10 000 m3/h的制氧塔。

結(jié)合不同制氮制氧的方式，對(duì)設(shè)備的參數(shù)要求和投資進(jìn)行了分析，三種方案都能滿足運(yùn)行要求，但是方案二的壓縮機(jī)總軸效率相對(duì)于其他方案更優(yōu)越，而且設(shè)備投資也比較合理。結(jié)合對(duì)設(shè)備操作性的比較，方案二相對(duì)于另外兩種方案無論在操作性、產(chǎn)品調(diào)整靈活性和安全性上都更高，生產(chǎn)過程中不會(huì)出現(xiàn)緊急停車的情況，所以對(duì)管網(wǎng)的沖擊力非常小，能滿足負(fù)荷的要求，因此選擇第二種方案。

4 結(jié)語

在選擇空分裝置的工藝路線和設(shè)備時(shí)，應(yīng)該綜合考慮空分裝置在效率、純度、安全性等不同方面的需求，以及滿足經(jīng)濟(jì)性的需要，確定最為合理的工藝流程。技術(shù)人員應(yīng)深入對(duì)比不同工藝下的運(yùn)行方式，保證空分生產(chǎn)能配合其他項(xiàng)目的運(yùn)轉(zhuǎn)需求和調(diào)整負(fù)荷的要求，達(dá)到最好的生產(chǎn)效果。