空分裝置的工藝路線及設(shè)備選型分析

陸君君，王永健

（杭州辰?？辗衷O(shè)備制造有限公司，杭州 富陽(yáng) 311400）

引言

化工行業(yè)安全發(fā)展規(guī)劃的確定為化工園區(qū)產(chǎn)業(yè)定位提供了明確方向，化工集中區(qū)域發(fā)展也是發(fā)展趨勢(shì)。某化工企業(yè)積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，將新項(xiàng)目建設(shè)在新石化產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，并最大限度地與原廠區(qū)資源互相進(jìn)行補(bǔ)充，以便提升產(chǎn)值以及綜合競(jìng)爭(zhēng)力[1]。新項(xiàng)目建設(shè)中空分裝置是不可或缺的重要生產(chǎn)設(shè)備，其工藝及選型的工作要慎重對(duì)待。

1 空分裝置工藝分析

1.1 膜分離工藝

膜分離技術(shù)所利用的原理是氣體在膜中溶解及系數(shù)存在差異，滲透的速度不同，通過膜時(shí)，有快有慢，最后氣體出現(xiàn)分離現(xiàn)象。在這種工藝中，影響空氣分離效果的是分離膜本身，其質(zhì)量的好壞決定著最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

當(dāng)有氣體通過分離膜時(shí)，受到膜的作用，氣體會(huì)被分離。在膜兩側(cè)，分離快的氣體與分離慢的氣體可自然分離。自然分離的效率較低，在實(shí)際應(yīng)用中，多會(huì)增加催化劑工序，提高分離速度，并且凈化預(yù)處理系統(tǒng)也要經(jīng)過才可。

與氣體空分工藝相比，膜分離工藝的優(yōu)勢(shì)在于靈活性強(qiáng)。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，會(huì)使用不同的纖維材質(zhì)膜，獲得不同純度、不同類的氣體產(chǎn)品。實(shí)踐證明，在膜分離工藝使用過程中，壓力與產(chǎn)出率成正比。

1.2 變壓吸附工藝

變壓吸附工藝難度較低。在變壓吸附工藝中，使用分子篩作為吸附劑?？諝庵兴牡肿印⒀醴肿釉诜肿雍Y中的吸附能力不同。利用這種不同，在空氣經(jīng)過分子篩的過程中實(shí)現(xiàn)分離。分離之后，對(duì)氧分子、氮分子進(jìn)行卸壓程序。卸壓程序之后，分子篩可被重新使用。變壓吸附制氮工藝流程如圖1所示。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，因?yàn)榉肿雍Y可被重復(fù)使用，所以該種工藝降低了生產(chǎn)成本。

圖1 變壓吸附制氮工藝流程圖

1.3 低溫精餾工藝

低溫精餾工藝是在低溫深冷空氣分離工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是對(duì)其的進(jìn)一步改進(jìn)與完善。低溫精餾工藝?yán)玫氖强諝庵械醴肿幼陨砦锢硖匦圆煌鴮?shí)現(xiàn)分離。氮分子、氧分子沸點(diǎn)不同，在高壓低溫的條件下，首先將空氣進(jìn)行液化處理，之后進(jìn)行精餾工序，傳熱對(duì)液體空氣進(jìn)行分離，使得氧分子、氮分子最終實(shí)現(xiàn)分離。與膜分離工藝相比，低溫精餾工藝的優(yōu)勢(shì)更為明顯，其最終產(chǎn)成品的純度也更高，但是工藝流程相對(duì)較為復(fù)雜，而且該工藝所使用的裝置啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，使用并不便捷，成本較高，這些都制約了低溫精餾工藝進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用[2]。

2 空分裝置工藝流程的選擇分析

2.1 氣態(tài)產(chǎn)品

如果所需要的最終產(chǎn)品是氣態(tài)的，那么在選擇空分裝置的工藝流程時(shí)相對(duì)困難。在實(shí)際的使用情況中，使用分子篩以及分離膜的情況較多。這兩種工藝可降低生產(chǎn)成本，也能實(shí)現(xiàn)循環(huán)生產(chǎn)，但是這些工藝所獲得的產(chǎn)品純度不如低溫精餾工藝。如果想獲得氣態(tài)產(chǎn)品，那么其純度要求較高，選擇低壓空分低溫雙塔精餾工藝是最優(yōu)的。因?yàn)椴捎眠@種工藝可獲得99.99%純度的成品氣體，膜分離工藝、吸附工藝都無(wú)法與其相比。

2.2 液態(tài)產(chǎn)品

如果所需要的最終產(chǎn)品是液態(tài)的，那么選擇低溫精餾工藝也可獲得較高純度的產(chǎn)品。對(duì)于要求不太高的，可選擇其他方式?？辗盅b置的主要原料是氣態(tài)的，要實(shí)現(xiàn)向液態(tài)的轉(zhuǎn)換需要借助低溫、高壓等外界條件。在非低溫狀態(tài)下，即使能利用分離膜、分子篩進(jìn)行氣體的分離，但是氧氣、氮?dú)庥捎诜悬c(diǎn)分別為90.17 K、77.35 K，因此在大氣壓力下，無(wú)法完成向液態(tài)的轉(zhuǎn)換。為了最終獲得液態(tài)產(chǎn)品，一定要做好溫度把控、壓力把控，綜合運(yùn)用好，另外還要把存儲(chǔ)環(huán)節(jié)做好。

2.3 操作方式的工藝要求

小型的空分裝置對(duì)于吸附法、膜分離法、低溫法的工藝都能滿足。對(duì)于非低溫精餾工藝的設(shè)備來講，其啟動(dòng)所需時(shí)間不長(zhǎng)，負(fù)荷調(diào)整范圍寬，操作起來更為簡(jiǎn)單、靈活，如果想快速產(chǎn)出產(chǎn)品，那么這種設(shè)備非常適合?？墒撬痪邆溥B續(xù)生產(chǎn)的條件。如果使用小型的空分裝置，無(wú)論是使用哪種工藝，都無(wú)法達(dá)到連續(xù)性較高的產(chǎn)出條件。所以，遇到連續(xù)性強(qiáng)的工作要求時(shí)，設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、操作難度較大的低溫精餾工藝更加合適[3]。對(duì)于大型的空分裝置產(chǎn)品的工藝要求來說，選擇全低壓空分工藝更適宜，因?yàn)樗夹g(shù)成熟，運(yùn)行起來更為穩(wěn)定，可靠性更高。產(chǎn)品質(zhì)量也優(yōu)于其他工藝，其產(chǎn)品為雙高產(chǎn)品，即高質(zhì)量、高產(chǎn)出。其在質(zhì)量、數(shù)量上都遠(yuǎn)超小型的空分裝置。在化工行業(yè)、石油行業(yè)中，全低壓空分工藝技術(shù)應(yīng)用得尤其廣泛。

3 某大型化工集團(tuán)空分裝置設(shè)備選型案例

為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，某大型化工集團(tuán)建立年產(chǎn)600 kt醇氨聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目。項(xiàng)目中低溫甲醇洗所需的低壓汽提氮?dú)狻⑷珡S所需公用氮?dú)?、水煤漿氣化用氣、低溫液氮洗需要5.9 MPa高壓配氮?dú)庠?，這就要求配置80 000 m3/h空分裝置。本文對(duì)當(dāng)前空分項(xiàng)目的規(guī)模、品類、生產(chǎn)技術(shù)等進(jìn)行對(duì)比，選擇出最適宜的裝備。

3.1 可選工藝方案

項(xiàng)目需要80 000 m3/h的氧氣，為滿足該需求，對(duì)各種空分工程技術(shù)進(jìn)行考察分析后，選擇出兩種空分裝置的建設(shè)方案：方案1為使用80 000 m3/h的空分裝置1套；方案2為使用40 000 m3/h的空分裝置2套。

從產(chǎn)量、氮產(chǎn)品、氧產(chǎn)品的純度角度看，無(wú)論是方案1，還是方案2，項(xiàng)目的日常生產(chǎn)需求都能被滿足，而且從制造技術(shù)、設(shè)備運(yùn)輸方面看，也都沒有困難存在。

如果使用方案1，配置一套80 000 m3/h的空分裝置，那么需要從國(guó)外訂購(gòu)。因?yàn)楫?dāng)前國(guó)內(nèi)的空分廠家的80000等級(jí)的空分裝置產(chǎn)品起步晚，質(zhì)量稍遜于國(guó)外產(chǎn)品。該方案的優(yōu)勢(shì)在于進(jìn)口設(shè)備的質(zhì)量更為可靠，其一次開車的成功率、達(dá)產(chǎn)率較高于國(guó)內(nèi)裝置。其故障率較低，能耗較低，運(yùn)行周期也較長(zhǎng)。即使在初始投資時(shí)成本較高，但是產(chǎn)品投入運(yùn)行后，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)更好，所以從長(zhǎng)期的方向看，其經(jīng)濟(jì)效益較高。1套裝置的維護(hù)比2套裝置簡(jiǎn)單。但是選擇1整套設(shè)備也有缺點(diǎn)。其負(fù)荷調(diào)節(jié)的范圍在70%～105%，如果尿素系統(tǒng)、甲醇系統(tǒng)中某一套停車，那么部分氣體產(chǎn)品會(huì)被放空。一旦出現(xiàn)了空分事故，那么全廠都必須停車，影響巨大。需要另外配置可靠的后備系統(tǒng)，防止出現(xiàn)全廠停車的機(jī)率。

如果使用方案2，配置兩套40 000 m3/h的空分裝置，那么需從國(guó)內(nèi)購(gòu)置空氣過濾器、三大機(jī)組、水冷塔、空冷塔、冷水機(jī)組（或氨冷）、蒸汽加熱器、分子篩吸附器、氬塔、上塔、下塔、國(guó)產(chǎn)膨脹機(jī)、低壓換熱器、儲(chǔ)存汽化系統(tǒng)等。另外需要進(jìn)口部分設(shè)備有高壓換熱器、切換閥、液氮泵、液氧泵、高壓手動(dòng)閥、液氬泵、低溫調(diào)節(jié)閥、高壓氧氣放空和調(diào)節(jié)閥等。

在該購(gòu)置方案的基礎(chǔ)上，可選方案又分為三種：選擇國(guó)內(nèi)空分廠家，增壓機(jī)、空壓機(jī)選擇進(jìn)口方式；選擇國(guó)內(nèi)空分廠家，增壓機(jī)、空壓機(jī)選擇合作生產(chǎn)方式；選擇國(guó)外空分廠家。

方案2與方案1相比，其優(yōu)勢(shì)在于兩套裝置的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍更廣，假如有一套裝置因故停車，甲醇、氣化爐、尿素系統(tǒng)還可以保另一套滿負(fù)荷生產(chǎn)，或者兩套的半負(fù)荷生產(chǎn)。

選擇國(guó)內(nèi)空分廠家的方案，其裝置初始投資較低。第一套設(shè)備的交貨時(shí)間短，兩套設(shè)備的總體交貨時(shí)間與進(jìn)口一套設(shè)備相差無(wú)比。但是也有缺點(diǎn)，那就是國(guó)內(nèi)廠家的裝置產(chǎn)品普遍自動(dòng)化程度不如進(jìn)口產(chǎn)品，對(duì)于生產(chǎn)調(diào)節(jié)操作不太方便，而且能耗較高。但是采購(gòu)國(guó)外的空壓機(jī)組，初始投資數(shù)額會(huì)大大增加。

3.2 工藝方案選擇

為將企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化，經(jīng)過對(duì)比分析，最終空分選擇進(jìn)口全低壓雙系列，分子篩進(jìn)化節(jié)能工藝，空壓機(jī)選擇全凝式蒸汽透平驅(qū)動(dòng)離心式壓縮機(jī)，公稱制氧能力為80 000 m3/h的一整套空分設(shè)備，且該設(shè)備附帶液氬、液氧系統(tǒng)。具體原因?yàn)椋哼M(jìn)口的空分設(shè)備流程組織合理，更為節(jié)能和高效，其經(jīng)濟(jì)效益高于國(guó)產(chǎn)設(shè)備，對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行的企業(yè)來講，十分適宜；結(jié)合企業(yè)所在地實(shí)際情況，需配置安全可靠、便于維護(hù)、自動(dòng)化水平高的設(shè)備；在企業(yè)所在地周邊并無(wú)其他可依托的化工項(xiàng)目，因此后備系統(tǒng)必須配置齊全，可保證萬(wàn)一發(fā)生了空分事故導(dǎo)致停車，供氣也不會(huì)被中斷。從以前的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，空分設(shè)備導(dǎo)致的停車故障有八成是在12 h內(nèi)排除的，排除后可重新啟動(dòng)，所以選擇的后備系統(tǒng)方案在12 h內(nèi)供氣可滿足條件；如果進(jìn)口兩套40 000 m3/h的空壓機(jī)組，投資成本過高，而且在使用時(shí)要對(duì)其進(jìn)行維護(hù)和管理，所需的成本、人工費(fèi)用都高于進(jìn)口一套80 000 m3/h的空分裝置。

由于公司采用的水煤漿加壓氣化裝置的最大氧氣消耗量為78 781×104m3/h，那么結(jié)合上文所述的方案，既要節(jié)約初始投資金額，也要技術(shù)靠得住，選擇靠譜的廠家最佳。經(jīng)過慎重的考慮，最終選取成套引進(jìn)德國(guó)機(jī)器，為林德公司產(chǎn)品，規(guī)格為80 000 m3/h的空分裝置，其中汽輪壓縮機(jī)組選取曼透平。

4 空分裝置工藝流程選擇要點(diǎn)

4.1 優(yōu)先選擇空氣低溫液化精餾工藝

在生產(chǎn)工藝的選擇過程中，一定要嚴(yán)格遵守高效性、穩(wěn)定性、安全性原則，切實(shí)避免空分裝置發(fā)生故障引發(fā)安全事故。當(dāng)前空分裝置的工藝發(fā)展現(xiàn)狀是低溫精餾工藝相對(duì)較成熟。雖然該種工藝操作起來難度較大，步驟繁瑣，而且成本高昂，但是它使產(chǎn)品精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他方式。

4.2 嚴(yán)格把控好安全性

在實(shí)際應(yīng)用中，為滿足生產(chǎn)需求，往往需要購(gòu)置多套空分裝置，然后通過裝置并聯(lián)的方式來進(jìn)行生產(chǎn)。如果其中某臺(tái)空分裝置發(fā)生故障，那么整個(gè)機(jī)組都會(huì)停機(jī)。所以，要保證每臺(tái)裝置的安全運(yùn)行。

空分屬于深冷的工藝，在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的液體溫度在-163～193℃之間，在這個(gè)范圍區(qū)間發(fā)生凍傷的危險(xiǎn)性極高，工作人員一定要做好防護(hù)措施。在這種環(huán)境下，如果進(jìn)行檢修則需提前做好預(yù)熱。預(yù)熱完畢進(jìn)行具體操作時(shí)，也必須嚴(yán)格遵守操作流程，將對(duì)裝置的損傷降到最低。

4.3 合理選擇熱交換方式

煤化工對(duì)于大型空分產(chǎn)氣量要求更高。大型煤化工在國(guó)家政策引導(dǎo)下，逐漸向中西部方向發(fā)展。由于該類區(qū)域水資源緊張，因此空分裝置的氣體換熱大多采用空冷的方式進(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展過程中，氮?dú)?、氧氣等產(chǎn)品都發(fā)揮了巨大的作用。高質(zhì)量、高效率地生產(chǎn)氮?dú)?、氧氣?duì)于社會(huì)的發(fā)展可起到十分重要的正向作用。對(duì)空分裝置的工藝路線、設(shè)備選型進(jìn)行深入研究，對(duì)于空分技術(shù)的水平提升有良好的督促作用，為將來提供更為優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)大踏步前進(jìn)。