空分流程及设备结构原理（空分知识浅析空分装置工艺流程的选择）

空分流程及设备结构原理（空分知识浅析空分装置工艺流程的选择）空气经空压机压缩 通过净化系统清除有害杂质后 进入双系列吸附塔;在吸附塔内 填装的不同种类的吸附剂有针对性地吸附氧(氮）分子 从而使未被吸附的氨(氧)气富集 分离出的氨(氧)产品经过滤器除去固体杂质颗粒 进入产品气体缓冲罐外供。双系列吸附塔 当一组进行吸附工作时 另一组进行降压解吸 释放出吸附剂中吸附的气体以备用。双系列吸附塔交替工作 可实现连续供气。通过改变吸附剂和吸附压力 可获得不同质量等级的氧氨产品。目前变压吸附制气工艺采用双吸附塔 通过顺序控制系统 两塔交替循环吸附、解吸，从而得到连续的氧、氮产品。空气分离的方法主要有:传统的低温深冷技术分离工艺 和新兴的非低温空分工艺一变压吸附法和膜分离技术。根据不同的工艺要求 低温深冷工艺可分为全低压内压缩工艺和全低压外压缩工艺。2.1变压吸附工艺原理和流程变压吸附法( PSA、VPSA)工艺是以空气为原料、以分子筛为吸附剂 在一定的压力下 利

一、概述

空气分离装置主要是分离空气中的氧气、氮气和氩气。由于空分产品在石油、化工、冶金、医药等各行各业被广泛的应用 因此是具有广阔发展前景的行业。

作为设计人员 能够了解空分装置的工艺流程和不同工艺流程的特点，了解该行业的发展现状和发展方向;在没计时 可以充分考虑用户提出的要求 根据所需产品的产量和质量 为用户选择合理的工艺流程 防止盲目追求新的工艺技术 有利于提高设计质量 节省投资 创造效益。

二、空分工艺流程简介

空气分离的方法主要有:传统的低温深冷技术分离工艺 和新兴的非低温空分工艺一变压吸附法和膜分离技术。根据不同的工艺要求 低温深冷工艺可分为全低压内压缩工艺和全低压外压缩工艺。

2.1变压吸附工艺原理和流程

变压吸附法( PSA、VPSA)工艺是以空气为原料、以分子筛为吸附剂 在一定的压力下 利用空气中氧、贫分子在不同分子筛表面的吸附量的差异 在-一定时间内愿(氧)在吸附相富集，氧(多)在气体相富集 实现氧、氮分离;而卸压后分子筛吸附剂解析再生 循环使用。

目前变压吸附制气工艺采用双吸附塔 通过顺序控制系统 两塔交替循环吸附、解吸，从而得到连续的氧、氮产品。

空气经空压机压缩 通过净化系统清除有害杂质后 进入双系列吸附塔;在吸附塔内 填装的不同种类的吸附剂有针对性地吸附氧(氮）分子 从而使未被吸附的氨(氧)气富集 分离出的氨(氧)产品经过滤器除去固体杂质颗粒 进入产品气体缓冲罐外供。双系列吸附塔 当一组进行吸附工作时 另一组进行降压解吸 释放出吸附剂中吸附的气体以备用。双系列吸附塔交替工作 可实现连续供气。通过改变吸附剂和吸附压力 可获得不同质量等级的氧氨产品。

2.2膜分离工艺原理和流程

膜分离技术是应用扩散原理。依靠不同气体在膜中溶解和扩散系数的差异而具有不同的渗透速度来实现气体的分离。膜分离技术当空气在驱动力膜两侧压力差作用下 渗透速率相对快的气体透过膜后 在膜的渗透被富集 而渗透速率相对慢的气体被滞留在膜的滞被富集 从而达到空气分离的目的。

空气经空压机压缩 通过净化系统清除有害杂质后 进入膜分离器 在膜分离器中 压缩空气在膜两侧压力差作用下 渗透速率相对快的氧气透过膜后 在膜的渗透被富集 引出后入氧气产品罐;而渗透速率相对慢的氨气被滞留在膜的滞留 被富集进入氮气产品罐。而达到空气分离的目的。通过选择不同的透析膜 可获得不同质量的氧、氮产品。

2.3 低温精馏工艺原理和流程:

低温深冷空气分离工艺的原理是在高压低温下将空气液化 根据空气中氧、氮成分的沸点不同 在精馏塔中 经过精馏传质传热 分离液态空气中的氧、氮成分 从而分离出氧氮产品。

传统的低温深冷工艺 有多种不同的工艺流程;随着空分工艺的开发和机械制造的发展 现代的大型空分装置已形成了由压缩空气经分子筛吸附空气中的碳氢化合物 经板翅式换热器换热 通过膨胀机制冷 液化空气在精馏塔中精馏 分离氧、氮、氩产品的典型的全低压空分工艺流程。现代全低压空分工艺根据对氧产品压力的不同需求 可分为全低压空分的内压缩流程和外压缩流程。

2.3.1全低压外压缩流程

全低压外压缩流程就是空分设备生产低压氧气 然后经氧压机加压至所需压力供给用户 也称为常规空分(见图3)。

1)空气流程:空气经空压机压缩 压缩空气通过分子筛吸附器 脱除空气中有害的碳氢化合物和高凝固点的水和二氧化碳 净化空气经板翅式换热器降温至接近液化温度 进入压力塔进行精馏。

分子筛吸附器后的净化空气 一部分经空气增压机加压 再经板翅式换热器降温后 进入膨胀机，通过对外做功获得冷量 降压降温后的空气进入低压塔参与低压塔的精馏。

2)富氧液空流程:低温空气在压力塔中精馏 在压力塔底部得到富氧液空 富含氧的液态空气经过过冷器进一步降温后 节流进入低压塔 参与低压塔的精馏。

3)纯氮流程:低温空气在压力塔中精馏 在压力塔顶部得到纯氮产品 一部分纯氮通过板翅式换热器复热后 得到气氮产品;另一部分纯氮气通过主冷却器与低压塔的液氧换热 氮气被液化 同时 低压塔侧的液氧被蒸发。液氨部分回流参与压力塔的精馏 部分可做液态产品取出。

4)纯氧流程:富氧液空、膨胀空气在低压塔中精馏 在低压塔底部得到纯氧 液氧与浸入其中的主冷却器中的气态纯氨换热 获得热量汽化参与低压塔的精馏;纯气氧从低压塔液氧液面上部空间取出 通过板翅式换热器复热后 做为产品输出。

5)污德流程:富氧液空﹑膨胀空气在低压塔中精馏 在低压塔顶部只能得到污氮气 污氮气经过过冷器和板翅式换热器复热后 再加热可作为分子筛吸附器的再生气源 对吸附器进行再生 再生后的污氮气放空。

2.3.2全低压内压缩流程

全低压内压缩流程(见图4)就是取消氧压机，直接从空分装置冷箱内生产出中高压氧气供给用户。该流程与常规外压缩流程的主要区别在于 产品氧的供氧压力是由液氧在冷箱内经液氧泵加压达到 液氧在高压板翅式换热器与高压空气进行热交换从而汽化复热。

全低压内压缩流程中 富氧液空流程、纯氮流程、污氮气流程同全低压外压缩工艺流程。只是空气流程和纯氧流程有所不同。

1)空气流程:分子筛吸附器后的部分净化空气，经过高压空气压缩机提压后 一部分高压空气通过增压机加压 加压后的高压空气在板翅式换热器中换热降温后 进入膨胀机 通过对外做功获得冷量，降压降温后的空气进入低压塔参与低压塔的精馏;出高压空气压缩机的另一部分高压空气通过高压空气氧气板翅式换热器与返流的高压氧进行换热降温后 高压空气节流制冷进入压力塔 参与压力塔的精馏。

2)纯氧流程:全低压内压缩工艺从低压塔主冷底部取出液氧 经液氧泵加压至用户所需压力 然后进入高压空气氧气板翅式换热器内与高压空气换热 复热后的氧气产品直接输送到用户。

三、不同工艺流程的特点

3.1非低温制气工艺的特点

1)工艺流程简单 在常温和不高的压力下操作。2)装置操作简单 开停车方便 装置启动时间短 能实现连续供气和间断供气。

3)成本低 分离出气体产品成本低于低温深冷法空分制气;设备不需特殊材质 装置维护费用低。

4)操作范围广 可获得多种不同质量等级的产品。

5)由于工艺本身的特点 在气态下分离氧氮 产品产量相对低;另外产品质量和产量互相制约 不能获得大量的高纯气体产品。

3.1.1变压吸附的特点

1)变压吸附工艺选用碳分子筛吸附剂 可分离制取氨气;选用沸石吸附剂 可分离制取氧气。

2)变压吸附采用双吸附塔操作 一塔吸附 另一塔解析;两塔交替工作 可实现连续供气。

3)变压吸附操作范围广。压力越高 吸附时间越长 吸附效果越好。调节工作压力和吸附时间 可以得到不同质量的气体产品。

4)变压吸附生产率受产品纯度影响较大。以变压吸附碳分子筛制氮装置为例 通过生产率与纯度的关系图(见图5)可知 高纯产品的产量低。

3.1.2膜分离工艺的特点

1)选择不同的纤维膜 可以获得不同的气体产品。

2)膜分离装置可在较大的压力范围内进行工作(见附图6)。工作压力越高 产量越大

3)膜分离装置生产率受产品纯度影响较大。以膜分离制氮装置为例 通过生产率与纯度的关系图(见图7)可知 高纯产品的产量低。

3.2.1低温精馏工艺相对于非低温气体分离工艺有以下特点

1)工艺流程复杂 有空气压缩系统 空气净化系统 热交换系统 精馏系统和制冷系统。

2)操作复杂 装置启动时间长(需40小时)，只适用于连续生产。

3)投资成本高 低温深冷工艺需要特殊的设备材料。

4)工艺可靠 双塔精馏可连续生产双高产品(同时生产出高纯度的氧、氮产品) 氧、氮纯度可都可达到99. 99 %;并且产品产量和质量稳定。

3.2.2 全低压外压缩和内压缩工艺流程的特点

全低压空分内压缩和外压缩工艺 主流程基本相同 但各自有不同的特点 在此对他们做一比较。

1)工艺流程的差异

全低压内压缩和外压缩工艺的不同主要体现在精馏和换热(见图3、图4)。外压缩工艺是由精馏塔直接产生低压氧气 在经主换热器复热出冷箱;而内压缩工艺是从精馏塔的主冷蒸发器抽取液氧 再由液氧泵加压至所需压力 然后由一股高压空气与液氧换热 使其汽化出冷箱作为产品。

2)设备不同

根据全低压内压缩工艺用高压空气复热液氧，内压缩工艺空压系统比外压缩工艺多一高压空气压缩机;换热系统采用高压空气氧气板翅式换热器替代外压缩工艺低压板翅式换热器;制冷系统内压缩采用中压膨胀机 外压缩采用低压膨胀机;内压缩氧产品用液氧泵加压 外压缩用氧压机加压 压缩液态氧的液氧泵比压缩气态氧的氧压机体积小 要求低。

3)安全性

内压缩流程比外压缩流程安全性高。

外压缩流程用氧压机对氧气加压 内压缩采用液氧泵对液氧加压。气氧在高温下加压 不安全因素较多 相对于液氧压缩安全性低。

外压缩流程 碳氢化合物易在主冷液氧中积聚，主冷需定期排放液氧 以保证空分装置的安全;而内压缩流程 液氧泵在主冷底部取液氧 可消除碳氢化合物的积聚 因此装置的安全性提高了。

4)投资费用

全低压空分外压缩和内压缩工艺 都可以国产化。.但是外压缩工艺更加成熟 并且有多套装置的业绩;而内压缩工艺从国外引进时间短 多牧关键设备需要进口 因此内压缩空分装置的投资费用高于外压缩装置。

另外 从工艺流程看 内压缩工艺用液氧泵取代了氧压机 但是为了高压液氧的复热 增加了高压空压机 此两项的投资高于氧压机的费用。

内压缩工艺高压液氧复热的换热器 是高压板翅式换热器 投资要高于外压缩工艺复热低压氧气用的低压板翅式换热器。

内压缩流程采用中高压膨胀机 多为进口设备;外压缩流程采用的低压膨胀机 国内产品可达到进口产品的性能 可采用国产膨胀机。因此中高压膨胀机的投资高于低压膨胀机。由以上分析可知 全低压空分内压缩装置的投资高于外压缩装置。但是 随着企业对安全要求的提高 通过增加一部分投资 来提高获取高压氧产品的安全性是值得的。

四、空分装置工艺流程的确定

通过对空气分离装置的工作原理和不同工艺的特点的了解 可以指导我们在满足用户需求的前提下 选择经济、可靠、符合需求的工艺流程。下面 根据本人对空分装置的了解 浅谈一下自己对空分装置工艺流程选择的一-些看法(见图8)。

4.1 液态产品的工艺选择

选择空分装置工艺流程 首先要确定用户需求什么产品。通过上述对不同空分工艺工作原理和流程的分析可知 非低温精馏空分装置在低压常温下工作 利用分子筛或选择性膜分离氧、氨气体。而在1大气压下 纯氧的沸点为90.17K 纯氮的沸点为77.35K。因此 采用非低温精馏工艺在常温下是无法获得液态产品的。只有低温精馏空气分离工艺才能获得液态产品。

全低压空分内压缩和外压缩工艺 都可制取液态氮、氧产品。但是液态产品的提取量占气氧产品的比例 对装置能耗的影响比较大。因此 应根据液态产品的提取量来选择空分装置。一般认为，液态产品的产量高于8%气氧的产量 选用全低压内压缩工艺较为合理;液态产品的产量小于8%气氧的产量 宜选用全低压外压缩工艺。

4.2气态产品的工艺选择

4.2.1双高产品对工艺流程的要求

非低温精馏工艺受工艺本身的限制 无法制取双高产品(同时得到纯度高于99.9%的氧、氮产品)。变压吸附和膜分离工艺 由于不同的吸附剂和分子膜只能吸附、分离出某种特定的产品 因而无法获得双高产品。只有全低压空分低温双塔精馏工艺才能满足制取双高产品的要求。

4.2.2产品产量对工艺流程的要求

空分装置连续生产单---气体产品 变压吸附、膜分离和低温精馏工艺都能满足要求。但是受本身工艺的限制 变压吸附和膜分离工艺产品纯度和生产率互相制约(参看图5、图6) 因而无法制取大量的纯产品。目前 常见的变压吸附和膜分离工艺制取氧、氮产品的产量大都在5000NM*/h以下 产品纯度可达95%~99.99 %。

全低压低温精馏空分属传统工艺 大中小型空分装置都在应用。随着变压吸附和膜分离工艺的友展 小型制氧、氮装置有的较大的选择性。不问的工艺都能满足产品产量和质量的要求 并有各自的工艺特点 对于选择哪种工艺，可根据对装置的不同斋求加以比较选择。但是氧、氨产品产重高于5000NM/h的大中型空分装置 采用全低压低温精馏工艺是变压吸附和膜分离工艺无法替代的。4.2.3 操作方式对工艺流程的要求对于小型空分 变压吸附、膜分离和低温精馏工艺都可采用。如果用户对产品需求是间歇的 或用量波动较大 采用非低温精馏工艺较为经济。非低温精馏工艺的特点就是:可根据要求生产多种不同质量产品;操作灵活 可在较大范围内调整负荷;启动时间短 开车后可以很快获得所需产品。因此 对于间歇生产的工艺 宜采用非低温精馏工艺。而低温精馏工艺由于流程复杂 操作难度的 装置启动时间长 所以只适用于连续生产的需要。4.2.4 大型空分输出产品的工况对工艺流程的要求全低压空分工艺技术成熟 装置运行稳定 可以生产双高产品 广泛应用于各行业。但大型空分装置主要应用于石油、化工、炼钢和冶金等行业。

全低压空分装置现在采用的主要是全低压内压缩和外压缩工艺。两种工艺主要是为满足对氧产品的不同压力要求 从装置的安全性、稳定性和经济性考虑而发展的结果。

对于炼钢和冶金行业 因各自行业工艺的要求，对氧产品的压力要求较低 要求氧气压力为0.3~0.5MPa和1.5~3.0 MPa两个压力等级 对这两种压力等级的氧气 宜采用全低压外压缩空分流程。

在化工行业中 对需要氧气压力低于3.0 MPa的装置 宜选用全低压外压缩工艺 而对所需氧气压力高于3.0 MPa的装置 宜选用全低压内压4缩工艺。

五、结论

通过以上分析 得出以下结论;

1)大中型空分装置，氧、氮产品产量大于5000NM3/h 选用全低压空分装置;产品产量低于5000NM3/h的小型空分装置 可根据所需产品的具体要求 选择变压吸附、膜分离或全低压低温精馏工艺。

2)大型空分装置 应用于炼钢、冶金或石油化工行业 要求氧产品压力低于3.0 MPa 可选用全低压外压缩工艺流程;要求氧产品压力高于3.0 MPa 宜采用全低压内压缩工艺流程 利于提高装置的安全性。

3)小型空分装置 如果需要连续生产双高氧、氨产品 宜采用全低压低温精馏空分;如果间断需要氧、氦产品 或需求产品纯度范围大 则宜采用变压吸附或膜分离工艺。

4)需求液态氧、氮或氩产品 采用全低压低温精馏工艺可满足要求。如果液态产品的提取量占气氧产品的比例高于8% 宜选用全低压内压缩工艺;液态产品的产量小于8%气氧的产量 选用全低压外压缩工艺较为经济。

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