大型低温空分装置

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1、大型低温空分装置：技术现状及前景趋势中国空分设备公司摘 要：本文结合大型低温空分装置流程的发展， 简要介绍了几种常用空分流 程的特点、空分流程的发展趋势和低温空分装置的一些技术现状及其发展的前景 趋势。关键词： 低温空分流程；能耗；容量；技术；发展；趋势1引言空气分离的方法可分为低温和非低温两种， 其中非低温空气分离方法包括 吸附、膜分离、化学分离法。由于目前在大规模制取氧、氮气液产品，尤其是在 制取高纯度产品方面， 低温分离法具有无法取代的竞争优势， 而且只有低温分离 法才具有可同时生产氩或 （和）其它稀有气体产品能力， 故低温法在空气分离的 工业应用中占据非常重要的地位。 1998 年杭州

2、第二届国际低温与制冷会议上， BOC专家特约作了报告，指出“ 30004000t/d氧这样的大型空分装置，毫无疑 问只能使用低温装置” 。世界科技与经济飞速发展，各行业对氧氮氩的需求急增，用量越来越大， 促使空分装置越造越大。现国外低温空分装置的特点是：巨型化填料塔无氢制氩内压缩气液并产高自动化高可靠性低能耗长周期低温空气分离装置近十年内在技术上取得了长足进步和发展， 氧、氩提取 率进一步提高， 产品单位能耗进一步降低， 系统可靠性也更有保证。 在流程组织、 机器、单元设备结构改进优化后， 空分装置的技术经济指标也随之得到明显提高。 空分设备的发展历程， 是工艺流程和主要部机结构不断革新优化的

3、过程， 是单位 能耗不断降低的过程。 随着市场竞争的日益激烈， 业主对空分设备的要求也越来 越高，越来越严格， 这就要求我们使空分流程和空分设备达到最佳化。 本文将结 合大型低温空分装置流程的发展， 简要介绍了几种常用空分流程的特点、 空分流 程的发展趋势和低温空分装置的一些技术现状及其发展的前景趋势。2大型低温空分流程的近况不同的空分流程有不同的特点、 不同的适用场合和性能价格比。 产品规格 书是选择工艺流程的基础，产品种类（02­、N2、Ar、Ke、Xe）、产品状态 （气体、液体）产量、压力、纯度、变工况要求等是选择工艺流程所需要考虑的 基本因素。我们知道，一个工艺流程能否实现，主

4、要取决于三个方面： 冷量的数量和质量（即冷量的温度等级）能够满足要求； 精馏能够实现；热交换系统的合理组织， 能够将产品的低温冷量尽可能转换成同质量的加工空气的低温冷量，并尽可能减少其不可逆损失。 只要解决了上述三个方面的问题， 就可以实现满足不同产品规格书要求的 各种工艺流程。 当然，对于一套空分装置来说， 其技术经济指标是否先进和合理， 还应对阻力、温差、膨胀机进出口状态等参数进行多方案计算、比较和分析，确 定正确合理的参数匹配，求得最佳的性能价格比；还应解决预冷、净化、压缩、 储存、控制等各方面的问题；还取决于机器、单元设备结构、阀门等配套设备的 可靠性和先进性。空分流程一般的定性概念是

5、： 膨胀空气进下塔的常规外压缩流程要高于膨 胀空气进上塔的常规外压缩流程； 膨胀空气进下塔的内压缩流程要高于膨胀空气 进上塔的内压缩流程； 膨胀空气进下塔的外压缩流程要高于膨胀空气进下塔的内 压缩流程；膨胀空气进上塔的外压缩流程要高于膨胀空气进上塔的内压缩流程；液氧单泵内压缩流程要高于液氧液氮双泵内压缩流程（均指空气循环）21 工艺流程的分类欧美空分装置的流程分类（表1）表 1：欧美空分流程的分类流程类型具体流程膨胀空气进上塔的空分流程 1、常规流程（国内说的第六代空分流 程）2、带氧气增压器的空分流程3、部分内压缩和氧气压缩机的空分流程4、内压缩流程膨胀空气进下塔的空分流程 5、氩提取率高、

6、液体产品率高的空分 流程6、氩提取率高、液体产品率高带氧气增压器的空分流程7、内压缩流程氮循环制冷的内压缩空分流程 8氮循环制冷的内压缩空分流程 附注： 国内目前常用流程。欧美已经很少在 15000NM3O2/h 容量以上的 空分装置上使用常规流程； 利用冷凝蒸发器的位能，使出冷箱氧压达 0.1- 0.2Mpa，降低系统 能耗；武钢 30000空分、马钢 35000空分、宝钢 72000空分装置即是此流程。 此流程是法液空专利，液氧被液氧泵压缩到 0.7- 1.3Mpa出冷箱， 再进入氧气透平压缩机，适宜于要求高压产品的用户； 产品氧气以3.0Mpa以上压力出冷箱； 有空气单压、空气双压、空气

7、叁压、氮压缩多种流程； 生产大量高压氮的空分流程；渭化 40000空分即是此流程。国内空分装置的流程分类行业分法：偏重使用的参数冶金型：气氧以0.03Mpa压力出冷箱，经氧压机压缩至 3.0Mpa送出；化工型：液泵将液氧压至10.0 Mpa，复热后送出代代分法：偏重流程中某个局部的改进，忽视流程整体的改进。第一代：铝带盘蓄冷器的高低压流程；第二代：铝带盘蓄冷器或石头蓄冷器的全低压流程；第三代：带产品气盘管的石头蓄冷器的全低压流程；第四代：切换板式主换热器的全低压流程；第五代：分子筛吸附、增压透平膨胀机、DCS控制的全低压流程；第六代：规整填料上塔、全精馏制氩的全低压流程；第七代：内压缩流程。2

8、. 2膨胀空气进上塔的常规空分流程此空分流程是采用分子筛净化、增雇钙脚蛘突评汨峥涂了 纤只 0婵辗肿爸茫 湫偷呐庐涂举 纤 辗肿爸霉樺桥掏氐缤？，所示其工艺流 程特点：装置输出的氧气为常压（P=1520Kpa），需采用氧气透平压缩机将出 冷箱的常压氧气压缩到所需要的压力。氩的提取率取决于进上塔的膨胀空气量。 进上塔的膨胀空气量少，氩的 提取率高；进上塔的膨胀空气量增大，氩的提取率随之下降；进上塔的膨胀空气 量达到某一限制时，氩的提取率将大幅度降低。液体产量受到限制。为了多生产液体，膨胀空气量势必增大，氩的提取 率就会降低，这是一对矛盾。当液体产量超过某一界限时会影响氩的提取率， 更 会使氩的提

9、取率大幅度降低。另外由于上塔对膨胀空气量的限制， 膨胀空气要采 取旁通，液体产量依靠低压空气膨胀制冷循环获得，能耗很高。氧气提取率可达99%以上，在控制液体产量使进上塔的膨胀空气量小于加工空气量的 10%以内时，氩的提取率可大于80%，单位制氧 + 压氧（P=3.0MPa）能耗w 0.568kwh/m3。图1 膨胀空气进上塔的常规空分流程 23膨胀空气进下塔的空分流程 原料空气经预冷后进入纯化器组， 在其中除去水分、 二氧化碳、 乙炔和某 些有害组分， 然后到膨胀机增压机进行全量增压。 增压气经水冷却后进入冷箱内 主换热器， 被返流气体冷却到一定温度后， 大部分正流空气进入膨胀机膨胀， 提 供

10、装置所需要的冷量， 少部分在主换热器下部继续冷却， 出主换热器后与膨胀后 空气汇合，进入下塔参与精馏过程。膨胀空气进下塔的空分流程如图2，其所示其工艺流程特点： 原料空气的压力要比常规流程高。根据需生产液体量的多少及膨胀机的效率和增压机的增压比，空气出空透的压力约在8.510bar之间变化。 原料空气中的氩基本上都进入液空， 然后被送入上塔， 因此可以得到 很高的氩提取率。根据氧纯度和氧提取率的不同（现代空分装置，氧纯度均在 99.6%及以上，氧提取率均在 99%左右，因此变化不大） ，这种流程氩的提取率 可以达到 9092%，这是膨胀空气进上塔的流程不可能达到的。 以 30000Nm3/h

11、空分装置为例， 对膨胀空气进上塔和膨胀空气进下塔两种不同流程进行 了 详细的 流 程计算 、精馏计算 及技术 经济比较。 对于 30000Nm3/h 空分装置：膨胀空气进上塔流程，氩提取率按72%计算，氩产量为1100m3/h;膨胀空气进下塔流程，氩提取率按 90%计算，氩产量为1290m3/h, 后者比前者氩产量增多190 Nm3/h。然而，膨胀空气进上塔流程与膨胀空气进下 塔流程相比， 由于后者空压机排压比前者高， 后者每小时要多消耗 2100KW 的 电能（0.9Mpa排压比0.64Mpa排压，空压机轴功率高2100KW） 膨胀空气进下塔的流程比膨胀空气进上塔的流程更容易取消冷冻机。 这

12、是因为膨胀空气进下塔的流程加工空气压力高， 进纯化器空气压力也高， 所以 空气中含水少， 分子筛对二氧化碳的动吸附值也会提高， 可减少分子筛量及再生 气量，这为取消冷冻机无疑提供了更好的条件。图 2 膨胀空气进下塔流程示意图2 4氧气自增压的空分流程在常规的增压膨胀机制冷、 分子筛吸附净化的空分流程的基础上， 加上一 台利用主冷液氧液面高度的氧气增压器（即辅助冷凝器） ，使出冷箱的氧气压力 达到1.72.0bar的空分流程称为氧气自增压流程。由图3可见，它是一个分子筛常温吸附净化空气、 膨胀空气进下塔、 带氧 气增压器的空分流程， 并采用了填料上塔、 全精馏提氩技术。 设置氧气增压器的 目的，

13、是为用氧压力不高的用户能直接使用出空分设备的氧气， 或者是降低氧气 再加压时的投资和压缩功耗。 这两种流程的组合。 它保留了带氧气增压器流程和膨胀空气进下塔流 程两种流程各自的优点，从而使该流程组合的技术经济指标得到了提升。 利用主冷液氧柱的高度H ,使氧气增压器中的液氧静压提高， 从而使 出氧气增压器的氧气压力相应提高。 液氧柱高度 H 由主冷的液面高度 H1 及主冷 液氧抽口到氧气增压器液氧增压器液氧进口之间的垂直液柱高度 H2 两部分组 成。 大型空分设备主冷与氧气增压器安装位置的高度差， 可使出冷箱的氧 气压力提高到 2bar 以上。然而，利用氧气增压器所能达到的氧气压力，不仅与 这个

14、高度差有关， 还必须保证氧气增压器中液氧沸腾与空气冷凝之间有必要的温 差。一般来说，这个温差制约了氧气压力的提高。 带氧气增压器的空分流程的核心问题是： 精馏组织。 因为入塔的饱和 蒸汽和过热空气的比例大大减少，增加了一股氧气量 1.30 倍的液体空气，使得 精馏组织更为复杂化。图 3 带氧气增压器的空分流程示意图25 液氧内压缩空气膨胀空分流程 来自主冷凝蒸发器的液氧被液氧泵压缩到所需要的压力， 然后在换热器中 被汽化和复热。 为了使加压后液氧的低温冷量能够转换成为同一质量等级 （或同 一低温级）的冷量，使装置实现能量（冷量）的平衡，必须要有一股逆向流动的压缩空气在换热器中与加压后的液氧进行

15、换热。 在使液氧汽化和复热的同时， 这 股压缩空气则被冷却和液化， 然后送入塔内参与精馏， 使加压后液氧的低温冷量 被吸收和保存下来，如此循环不断，达到最经济的目的。由于热动力学的原因， 这股压缩空气必须在增压机中被压缩到高于液氧的压力 （在有些装置中， 这股压 缩空气的压力也可以低于液氧的压力， 这取决于各公司的习惯和他们各自的技术 经济分析）。见图 4。液氧泵内压缩空气膨胀流程有以下几个主要优点： 由于用液氧泵和一台高压空气压缩机取代了价格昂贵的氧气透平压 缩机，可使投资降低。这个优点在电费较低的地区尤其有吸引力； 由于液氧泵和空气增压机的备品配件比氧压机的备品配件价格低， 因 而可使维护保养成本降低； 使用液氧泵内压缩后， 无高温气氧压缩， 因此安全性更好， 装置也更 可靠； 用干燥空气增压机取代氧气透平压缩机后， 由于增压机在某些情况下 可以和原料空压机拼成一个机组，因而占地减少、安装费用省、操作方便、控制 简化等等。 液氧泵的氧气压力比氧透压缩机组更容易调节；图 4 液氧内压缩空气膨胀空分流程示意图26 液氧内压缩氮气膨胀空分流程对高压氮气有大量需求的化工过程， 常用这种以氮气作为再循