空分裝置技術(shù)改造探討.doc

1、空分裝置技術(shù)改造探討黃曉江（中國石化工程建設(shè)公司,100101)摘要針對舊空分裝置的技術(shù)改造,對新舊空分設(shè)備工藝流程進(jìn)行了對比,提出了幾種投資少、效益高的改造方案。同時分析了國內(nèi)外空分裝置的發(fā)展趨勢,建議對新建空分裝置應(yīng)采用新型工藝流程和技術(shù),可增產(chǎn)節(jié)能，創(chuàng)造效益。關(guān)鍵詞空分裝置改造氧氣氮氣文章編號:100529598（2003） 0220020204 中圖分類號:TQ02 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A引言在鋼鐵、化工、冶金以及化肥等需要大量氧氣和氮氣的企業(yè)中,空分裝置都是一個關(guān)鍵的公用工程設(shè)施。這些使用氧氣和氮氣的工藝過程大多要求空分裝置能長期、連續(xù)、穩(wěn)定、安全地運行,一旦空分裝置發(fā)生事故，將直接影響到整

2、個裝置的安全運行，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致裝置全線停車，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。而我國現(xiàn)役的空分裝置大多是20 世紀(jì)7080 年代投入運行的,它們工藝流程落后,配套機組復(fù)雜,性能指標(biāo)較差。為了適應(yīng)市場經(jīng)濟的發(fā)展，降低產(chǎn)品成本，當(dāng)前很多企業(yè)都在進(jìn)行裝置改擴建,擴大裝置規(guī)模,提高產(chǎn)品產(chǎn)量。而為主生產(chǎn)裝置服務(wù)的公用工程設(shè)施的生產(chǎn)能力也需相應(yīng)地提高,落后的空分裝置的弊端顯得更為突出,因此用新技術(shù)對現(xiàn)有的空分裝置進(jìn)行挖潛改造,以達(dá)到投資少、見效快、收益高的改造目的十分必要.1 舊空分裝置存在的主要問題1。 1 生產(chǎn)流程落后,產(chǎn)品的制取率低傳統(tǒng)的空分裝置由于其自身結(jié)構(gòu)的特點，其氧提取率一般只有70 80 左右，有些只有

3、62 ,甚至更低，而氬的提取率一般停留在35 %45 左右,收稿日期：2002212204作者簡介：黃曉江,女,生于1975 年12 月，1998 年畢業(yè)于北京化工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，現(xiàn)從事石油化工項目的工程設(shè)計工作。氧氮的產(chǎn)品產(chǎn)量比一般在111 ，這使用氮量較大的化工行業(yè)用戶受到嚴(yán)重的制約。而先進(jìn)的分子篩吸附流程的空分裝置其氧的提取率可達(dá)到99 % ,氬的提取率可達(dá)到70 %80 ,氧氮產(chǎn)品產(chǎn)量比可達(dá)1212. 5。1。 2 能耗指標(biāo)高舊空分設(shè)備的單位氧耗一般為0. 7 kW·h/ m30. 8 kW·h/ m3 ，而新設(shè)備的單位氧耗可達(dá)0。 42 kW·h/ m

4、3 ，相差近一半。1. 3 壓縮機排氣量不足設(shè)備陳舊，空氣透平壓縮機排氣量嚴(yán)重不足,氧產(chǎn)量、氮純度下降。1。 4 缺少氮水預(yù)冷塔空分設(shè)備能力沒有得到充分的利用，大量氮氣放散,沒有設(shè)置氮水預(yù)冷塔,使水溫進(jìn)一步下降。1。 5 低溫液體貯存汽化系統(tǒng)能力不足缺少低溫液體貯存汽化系統(tǒng)或現(xiàn)有低溫液體貯存汽化系統(tǒng)能力不足,不能適應(yīng)全廠用戶用量波動及空分裝置停車檢修的需要。1。 6 運行周期短,操作復(fù)雜，可靠性和穩(wěn)定性差舊空分設(shè)備因其自身工藝流程落后,各單機設(shè)備的操作性能差，故障多,經(jīng)常造成停車檢修，運行周期短，一般只有0. 40. 6 年，而新空分設(shè)備的運行周期為2 年。2 舊空分裝置的改造方案及優(yōu)化措施目

5、前很多企業(yè)在進(jìn)行主生產(chǎn)裝置改造的同時，也對輔助生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行了相應(yīng)的改造,空分裝置就是其中一項很重要的內(nèi)容.由于空分設(shè)備的生產(chǎn)廠第2 期（總第105 期） 煤化工No。 2 (Total No. 105） 2003 年4 月Coal Chemical Industry Apr. 2003 © 19952006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.， Ltd。 All rights reserved。家不同,設(shè)備的出廠年代不同,每套設(shè)備的情況也不盡相同。因此首先必須充分了解現(xiàn)有設(shè)備的運行狀態(tài)和性能指標(biāo)，并根據(jù)用戶的具體要求,結(jié)合設(shè)備的實際情況，提出有針對性

6、的改造方案，以做到節(jié)省改造投資，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)可靠,操作維修方便.2。 1 建立低溫液體貯存汽化系統(tǒng)2。 1。 1 建立貯存系統(tǒng)的必要性大部分氮氣和氧氣的用戶對用量的需求都不是一個定值,而是根據(jù)工況不同而波動的。空分設(shè)備在設(shè)計條件下運行效果最高，而調(diào)節(jié)范圍有限，不具備對偏離設(shè)計工況的快速、大幅度變負(fù)荷能力。因此需要由貯罐來調(diào)節(jié)、吸收這種波動。2. 1。 2 氣體貯存和液體貯存的對比目前貯存的方法有兩種：氣體貯存和液體貯存。它們的性能對比見表1。表1 氣體貯存和液體貯存性能比較氣體貯存液體貯存占地面積大小設(shè)備投資大小啟動速度快慢能耗小大由于1 m3 液氮汽化后可得氮氣643 m3 ,1 m3 液氧

7、汽化后可得氧氣800 m3 ,因此在提供相同體積的氣態(tài)氮氣和氧氣時，液體貯罐體積要小得多。這點對可利用土地少的改造項目十分有效，而且氣體貯存雖然節(jié)能,但受投資、占地、貯存壓力的限制,當(dāng)貯量超過10 萬m3 時，氣體貯罐的投資過大。因此綜合比較以上因素,建立低溫液體貯存汽化系統(tǒng)更為經(jīng)濟合理?？辗盅b置液體貯存汽化系統(tǒng)常用流程示于圖1.1 低溫液化汽化器2 -低溫液體貯槽3 低溫液體注入泵圖1 空分裝置液體貯存汽化系統(tǒng)常用流程示意圖2。 1。 3 低溫液體貯存汽化系統(tǒng)可滿足全廠間斷性最大氮氣、氧氣用量的需要有些企業(yè)在主裝置改造完成后、正常生產(chǎn)時,舊的空分裝置的氮氣和氧氣的產(chǎn)量仍能滿足各裝置用戶的需要

8、,僅在各裝置間斷性最大氮氣、氧氣用量時不能滿足需要。在這種情況下，考慮到舊空分設(shè)備改造難度大,改造周期長,因此保持原有設(shè)備不動,靠增加液體貯存汽化系統(tǒng)來滿足各生產(chǎn)裝置間斷性最大用氣量的需要成為一個切實可行的有效措施.例如我公司已完成的儀征45 萬t/ aPTA 改造工程的空分裝置改造就屬于這種情況。另外低溫液體貯存汽化系統(tǒng)還可用于空分裝置停車檢修?？辗盅b置是一個配套復(fù)雜、技術(shù)要求高的設(shè)備,各種運動機械、閥門、儀表不可能長期不出故障，我國至今為止都習(xí)慣使用備用空分機組來解決這個問題，但這樣一來裝置總投資就會大大增加。國外發(fā)達(dá)國家都普遍用液體備用的方法,當(dāng)空分裝置短期停車維修時，將貯罐中的液體產(chǎn)品

9、加壓并汽化后來滿足那些必須連續(xù)供氣的用戶。例如我公司正進(jìn)行的茂名80 萬t/ a 乙烯改擴建工程中空分裝置的改造就是利用增加液體貯存汽化系統(tǒng)的能力來滿足設(shè)備檢修期的供氣問題.綜合比較以上因素,新建或改造原有低溫液體貯存汽化系統(tǒng)，在空分裝置停車檢修或當(dāng)全廠用氣量達(dá)到高峰時投入運行，是一項十分經(jīng)濟合理的措施。2。 2 舊空分裝置的挖潛改造2. 2。 1 切換可逆換熱器流程的改造方案切換可逆換熱器流程是我國在20 世紀(jì)7080年代普遍使用的一種流程,在現(xiàn)代生產(chǎn)中，它的弊病越來越突出: (1) 裝置的切換周期短，切換損失大;（2） 頻繁的切換使裝置壓力交變,精餾系統(tǒng)操作不穩(wěn)定； (3) 為保證自清除的

10、要求，導(dǎo)致空分裝置的純產(chǎn)品較少。為了彌補工藝流程的缺陷，提高裝置性能指標(biāo)，將切換可逆換熱器流程改造成為分子篩吸附凈化流程才能從根本上解決問題。改造方案有以下幾種。2。 2. 1。 1 增設(shè)分子篩純化系統(tǒng)該部分是流程改變的核心。分子篩吸附器一般分為上下兩層,下層為Al2O3 ,用于吸收水分，上層為分子篩,用于吸收CO2 和碳?xì)浠衔?，可使碳?xì)浠衔锏那宄诜逐s塔外進(jìn)行，防止碳?xì)浠衔镞M(jìn)入分餾塔系統(tǒng)形成積聚，保證裝置的安全運行。2。 2. 1. 2 改造預(yù)冷系統(tǒng)由于空氣冷卻塔空氣的2003年4月黃曉江:空分裝置技術(shù)改造探討·21 ·© 1995-2006 Tsingh

11、ua Tongfang Optical Disc Co。, Ltd. All rights reserved。出口溫度約為25 ,不能滿足分子篩吸附的最佳條件,因此必須增加冷凍機組來降低空氣冷卻塔空氣的出口溫度，為滿足流程改造后的需要,可配置水冷塔、冷水機組和水泵等設(shè)備。2. 2. 1。 3 增設(shè)增壓透平膨脹機舊空分裝置膨脹機的效率多數(shù)低于80 % ，且不能回收膨脹機所做功,采用分子篩吸附流程后,膨脹機效率可提高到86 ,增壓比可達(dá)到1. 41. 6 以上，從而減少了進(jìn)上塔的空氣量,改善了精餾條件，提高了產(chǎn)品的性能指標(biāo).2. 2。 1。 4 改造主冷凝蒸發(fā)器在使用了增壓膨脹機后，膨脹量減少，導(dǎo)

12、致主冷凝蒸發(fā)器負(fù)荷增加，根據(jù)具體情況可將原有列管式主冷凝蒸發(fā)器改為板翅式主冷凝蒸發(fā)器，也可以增加輔助冷凝器.2。 2。 1. 5 改造精餾塔由于采用分子篩吸附凈化流程,吸附器再生要求上塔壓力增高，加上吸附器本身阻力,整個空氣壓力都要增高,為使塔內(nèi)阻力降低，可根據(jù)不同裝置的具體情況采用新型塔板或新型規(guī)整填料上塔,或只對所需的塔段進(jìn)行改造，在適當(dāng)?shù)牟课徊捎靡?guī)整填料，經(jīng)過改造,主要優(yōu)點如下：(1) 阻力降下降，能耗降低上塔采用規(guī)整填料后,上塔阻力一般只有相應(yīng)篩板塔的1/ 41/ 6。阻力降低約0. 02 MPa ,空壓機排壓可降低0. 05 MPa0. 06 MPa ，軸功率可降低5 7 ,能耗降低

13、。（2) 分離效率的提高上塔采用規(guī)整填料后，不僅上塔的操作壓力下降了15 %20 ，下塔壓力也有所下降,這樣非常有利于組分的分離。相同條件下，可使氧的提取率提高1 %3 % ，氬的提取率提高5 10 .（3) 操作彈性大篩板塔的負(fù)荷受到塔板漏液及液泛的限制，而規(guī)整填料塔只在填料表面形成一層膜,持液量少,因此操作彈性比篩板塔大,當(dāng)工況發(fā)生變化時操作迅速，反應(yīng)快。（4) 塔徑小對于新建空分設(shè)備，使用規(guī)整填料塔比篩板塔塔徑小，截面積只有篩板塔的60 左右，這樣既可以減少占地面積，又有利于運輸。（5） 使得全精餾制氬成為可能傳統(tǒng)工藝制氬是先通過低溫精餾獲取粗氬，再加氫除去粗氬中的氧,最后用低溫精餾除去

14、殘余的氫和氮，這樣才能獲得產(chǎn)品氬。這種工藝消耗了大量的氫氣,費用高、工藝復(fù)雜、不易控制、產(chǎn)品含量低、潛在的危險性大。使用了規(guī)整填料后，使得阻力下降,理論板數(shù)大大減少,因此不需要引入氫氣介質(zhì)，只需要增加粗氬塔的填料高度就可以實現(xiàn)氧氬的分離,不但工藝簡化了很多，而且提高了產(chǎn)品氬含量，節(jié)省了費用,使得操作更加簡便。這種改造投資回收期短，產(chǎn)品性能指標(biāo)、運行周期都有很大的提高,利用新的技術(shù)有針對性地對舊設(shè)備的有關(guān)部分進(jìn)行改造，是一種投入相對少、產(chǎn)出快的方案,具有很大的應(yīng)用潛力。2。 2. 2 提高空氣壓縮機吸入壓力，增加壓縮機排氣量由于舊空分裝置運行時間長,設(shè)備陳舊，常由于空氣過濾器堵塞、空分設(shè)備管路阻

15、塞、中間冷卻器阻塞、壓縮機內(nèi)漏、壓縮機級間竄氣等原因引起壓縮機排量不足。除了及時清除這些污垢、維修壓縮機內(nèi)部故障以外還可采用以下方法來提高空氣壓縮機吸入壓力,增加壓縮機排氣量。（1) 更換轉(zhuǎn)子、葉輪,把空壓機隔板作相應(yīng)修改,來提高壓縮機排氣量；(2) 更換空壓機增速機齒輪,提高轉(zhuǎn)速；(3） 空壓機入口串聯(lián)鼓風(fēng)機，提高其吸入壓力。2. 2. 3 增加氮水預(yù)冷塔,減少冷凍機的制冷量在用戶所用氧氣、氮氣的比例為11 的情況下,流程中可考慮增加氮水預(yù)冷塔。溫度較高的冷卻水從頂部自上而下與溫度較低的污氮或純氮逆流接觸，利用污氮或純氮的未飽和度和與冷卻水的溫差，既傳質(zhì)又傳熱。水蒸發(fā)吸收汽化潛熱,在短暫的流

16、通過程中，水分的蒸發(fā)難以從外界獲得熱量,只能吸收水的內(nèi)能進(jìn)行汽化，使得水溫降低，一般可降至12 13 。供空冷塔上段使用，使空冷塔出塔空氣溫度為14 ,完全可滿足空分工藝要求。在這種情況下，就使得冷水機組停運或取消成為可能.不僅節(jié)省投資、降低能耗,而且減少了一種轉(zhuǎn)動機械的日常維護(hù)和管理工作.因此這種流程有效地利用了富余氮氣和污氮,使設(shè)備能耗進(jìn)一步下降,工藝也進(jìn)一步簡化。2. 2. 4 采用液氧內(nèi)壓縮流程降低裝置成本，提高裝置安全性空分流程按照把從空分塔出來的低壓氧氮加壓到用戶所需壓力而采用的不同方式分類為外壓縮流程和內(nèi)壓縮流程.2. 2. 4. 1 內(nèi)壓縮流程與外壓縮流程相比有以下幾個優(yōu)點:&

17、#183;22 ·煤化工2003年第2期© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.， Ltd. All rights reserved.（1) 占地面積小內(nèi)壓縮流程為了使加壓后的液氧冷量能夠轉(zhuǎn)換為同一質(zhì)量等級的冷量,使裝置實現(xiàn)冷量平衡，通常由一股壓縮空氣或壓縮氮氣與其換熱.在液氧汽化的同時,這股壓縮空氣或壓縮氮氣被冷卻和液化，送入塔內(nèi)參與精餾.但不論采用壓縮空氣還是壓縮氮氣換熱，空氣或氮氣增壓機都可以和主空壓機或提供高壓氮氣產(chǎn)品的氮氣壓縮機合為一體,這比使用氧氣壓縮機的外壓縮流程節(jié)省占地面積。（2) 壓縮機效率高內(nèi)壓縮流程使

18、用的空氣增壓機和氮氣增壓機效率比外壓縮流程使用的氧氣壓縮機效率高。（3) 一次性投資小(4) 維修費用低（5) 由壓力氧引起的危險性小氧壓機需要配備很多的安全措施。而內(nèi)壓縮流程是在極度低溫下進(jìn)行的,溫度又是引燃氧氣的一個重要原因。因此，內(nèi)壓縮流程中，由壓力氧引起的危險性比外壓縮流程小得多。（6) 由烴類積聚引起的危險性小烴的累積是許多空分裝置燃燒爆炸的起因，內(nèi)壓縮流程中，在較高的液氧壓力下，隨著液氧沸騰溫度的升高,烴的揮發(fā)度及溶解度也隨之提高,因此烴累積的可能性是降低的.而且加熱超臨界氧可以避免所有烴的濃縮，所以內(nèi)壓縮流程由烴類積聚引起的危險性也比外壓縮流程小得多.(7) 液體產(chǎn)品的產(chǎn)量高內(nèi)壓

19、縮流程和外壓縮流程的性能比較見表2。通過以上比較，內(nèi)壓縮流程的優(yōu)點是顯而易見的，它的使用成為國內(nèi)外低溫法大型空分裝置的主要發(fā)展趨勢。2。 2. 4. 2 內(nèi)壓縮流程的適用范圍內(nèi)壓縮流程適用于以下情況: (1) 需要同時生產(chǎn)大量液體產(chǎn)品;(2) 產(chǎn)品氣需有不同壓力等級； （3） 產(chǎn)品氧壓力超過氧的臨界壓力5。 13 MPa .表2 內(nèi)壓縮流程和外壓縮流程的性能比較內(nèi)壓縮流程外壓縮流程占地面積小大壓縮機效率高低一次性投資小大維修費用少多由壓力氧引起的危險性小大由烴類積聚引起的危險性小大液體產(chǎn)品的產(chǎn)量多少在氧臨界壓力以下的情況下,還需要考慮到經(jīng)濟因素。由于內(nèi)壓縮流程的能耗大于外壓縮流程，因此內(nèi)壓縮比

20、較適用于電費較便宜的地區(qū).3 結(jié)論對現(xiàn)有的舊裝置,應(yīng)有針對性地用最新技術(shù)和工藝對空分裝置的主機、單元設(shè)備甚至整套設(shè)備進(jìn)行改造,挖掘設(shè)備潛力;對新建的空分裝置，應(yīng)摒棄老的生產(chǎn)技術(shù)和流程,采用新工藝、新流程。這樣,可達(dá)到增產(chǎn)節(jié)能的目的，給企業(yè)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益。參考文獻(xiàn):1 金麗群。 氣體總網(wǎng)第十二次全網(wǎng)大會技術(shù)交流會論文集C ，2001。2 陳明敏。 在役空分設(shè)備的挖潛改造J . 深冷技術(shù)，2000 ，（4） ：2832。3 嚴(yán)壽鵬. 氣體總網(wǎng)第十二次全網(wǎng)大會技術(shù)交流會論文集C 。 2001.4 江楚標(biāo)，陳明敏. 大型空分設(shè)備新技術(shù)討論會論文集C 。 1999。5 毛紹融。 99 空分技術(shù)交流會論文集C . 1999。The Discussion of Air Se