压缩空分装置的探究与使用

　　马钢30000m 3 / h空分设备是杭氧股份有限公司设计制造的、目前国内*大的内压缩流程、5种稀有气体全提取空分设备。该空分设备于2003年8月18日签定合同，在中国空分设备公司及马钢气体销售分公司、设计院和修建工程公司的密切配合下，经过精心设计、安装施工和设备调试，于2005年12月25日一次开车成功。经过1个多月的试运行，设备运行稳定可靠、操作方便， 2006年2月9日至11日三方对该空分设备进行了性能考核，各项指标均达到或优于设计值。下面较为全面地介绍该空分设备的开发、研制情况。

　　1主要性能指标及流程马钢30000m 3 / h空分设备主要性能指标见。

　　在制定技术方案时，杭氧根据马钢30000m 3 / h空分设备的氧气压力高和产品液体量大的特点，经过多个技术方案的比较和流程的优化计算后，选择了空气循环、两段增压、膨胀空气进下塔的液氧泵内压缩流程。工艺流程如所示。

　　原料空气经过滤、被压缩至0 62MPa （A），再经过空气预冷系统预冷和分子筛纯化系统净化后分三路：一路在主换热器E1中与返流气体换热，达到接近空气液化温度进入下塔。另一路进入增压空气压缩机进行增压。这部分空气又分为两部分：相当于膨胀空气的这部分空气从增压空气压缩机段抽出，经膨胀机的增压端增压后进入主换热器，增压空气在主换热器内被返流气体冷却至一定温度时抽出，进入膨胀机膨胀制冷后进入下塔；另一部分继续进增压空气压缩机段增压，从增压空气压缩机段抽出后进入主换热器，与返流的液氧和其他气体换热，被冷却后经高压节流阀节流，然后进入下塔中部。第三路少量空气进入粗氖氦换热器，用来复热来自粗氖氦冷凝器的低温氮气和粗氖氦气，冷却后的空气进下塔。

　　在下塔，空气被初步分离成氮和富氧液空，在上塔*终分离出氧、氮产品。液氧从上塔底部引出，经低温液氧泵加压，经主换热器复热后以2 5MPa （ G，下同）的压力作为气体产品出冷箱。污气氮从上塔上部引出，经过冷器和主换热器复热后，部分作为分子筛的再生气体，其余进入水冷塔。氮气从上塔顶部引出，经过冷器和主换热器复热后作为产品送往氮压机，多余部分送水冷塔。

　　精液氩采用低温全精馏法制取。在上塔的中下部氩馏分聚集口抽取一定量的氩馏分，经过粗氩塔除氧和精氩塔除氮后，在精氩塔底部得到精液氩。精液氩经中压液氩泵AP加压，经主换热器复热后以3 0MPa的压力作为气体产品出冷箱。

　　贫氪氙从下塔液空中提取。下塔抽取的液空进入液空液氮过冷器，过冷后分成两部分：大部分液空进入粗氩冷凝器，作为冷源，蒸发后的液空蒸汽及粗氩冷凝器底部回流液空分别进入贫氪氙塔的中部和下部；另一部分液空直接进入贫氪氙塔顶部进行精馏。贫氪氙蒸发器采用下塔顶部压力氮气作为热源，使贫氪氙塔底部的液体蒸发成上升蒸汽，氮气冷凝成液氮后回流至下塔。在贫氪氙塔底部得到贫氪氙液，送入贮槽。

　　粗氖氦从下塔和主冷压力氮中提取。从主冷和下塔顶部氖氦气易富集处提取氖氦含量较高的压力氮气，同时也从贫氪氙蒸发器、精氩蒸发器中提取氖氦含量较高的压力氮气，送入粗氖氦塔，用过冷后的液氮作为冷源冷却氮气。由于氖氦气是低沸点组分，难以液化，一般都富集在粗氖氦冷凝器的顶部。从粗氖氦冷凝器的顶部得到粗氖氦产品，经复热后出冷箱。正常工作时，粗氖氦冷凝器冷源采用粗氖氦塔底部的液氮，下塔来的液氮作为补充。

　　2流程特点马钢30000m 3 / h空分设备是典型的大型冶金型内压缩流程空分设备，产品氧气出冷箱压力2 5MPa，产品氮气出冷箱压力为常压，因此选择了空气循环，即增压空气压缩机+液氧泵+中压换热器取代较为复杂的氧气透平压缩机。而原料空气压缩机、空气预冷系统、分子筛纯化系统和全精馏制氩系统与常规的外压缩流程空分设备基本相同。

　　同时由于用户对液体产品的需求量较大，该设备液体产品的总和为氧气产量的15 3%，所以膨胀机系统采用中压透平膨胀机，膨胀后的空气全部进入下塔参加精馏，氧和氩的提取率较高。

　　（1）内压缩流程产品氧气的生产，从主冷中抽取大量的液氧经液氧泵加压至2 5MPa后，再经主换热器汽化复热至常温后出冷箱，所以主冷中碳氢化合物积聚的可能性很小。同时产品液氧在主换热器中的压力为2 5MPa，对应的沸点温度为- 135 03 % ，在此温度下，碳氢化合物不可能以固态析出，它们随着液氧的蒸发而蒸发，主换热器处于安全状态。

　　（2）液氧泵采用一用一备（冷备用）、变频调节形式，可按液氧量的变化调节液氧泵的流量，保证了中压氧的连续供应。

　　（3）精氩塔底部的中压液氩经中压液氩泵加压至3 0MPa后，再经过换热器汽化为中压氩气后出冷箱供用户，既回收了冷量又方便了用户。

　　（4）在常规外压缩流程空分设备中，贫氪氙从主冷的液氧中提取，因为氪的沸点为- 153 2 % ，氙的沸点为- 108 % ，比氧的沸点高得多，氪氙随下塔的液体打到上塔作回流液和制氩系统的液体回流上塔，*终富集在主冷的液氧中；而内压缩流程由于要从主冷中抽取大量的液氧，再从主冷液氧中提取不合理，改由下塔的液空中提取。

　　3设备配置3 1压缩机组本套空分设备由杭氧进行总体流程设计计算，并提出压缩机组的技术参数，由用户自行采购。原料空气透平压缩机（简称：空压机）采用了西门子VK125 3型离心式压缩机，电机拖动。增压空气压缩机采用了COPPER公司6R3MSGE 9ARCD/ 15型离心式压缩机，与原料空压机一样，采用电机拖动，压缩机分两段，实行膨胀空气中抽。

　　3 2空气预冷系统空气预冷系统采用带水冷塔的新型高效预冷系统，空冷塔和水冷塔均采用特殊设计的散堆填料，具有传热效率高、阻力小、操作弹性大的特点。由于产品氧氮比例为11 17，有足够的污氮气进入水冷塔来降低冷却水温，因此取消了冷水机组。

　　3 3分子筛纯化系统分子筛纯化系统采用长周期设计，吸附器为卧式双层床结构，再生采用新型蒸汽加热器串接电加热器的形式。由于用户蒸汽压力波动较大，使再生污氮加热温度不够高，所以在蒸汽加热器后增加电加热器。在分子筛纯化系统设计时，还考虑切换无冲击、均压分层控制等控制要求。

　　3 4膨胀机组透平膨胀机主机进口，采用ALTLAS产品，同时离线备用机芯总成；辅机如冷却器、过滤器等由杭氧配套。

　　3 5换热器主换热器共4台，采用CHART产品。在总体布置时，合理布置管道，使每一组阻力搭配尽可能均匀。此外，为了防止偏流，在每一组高压空气进口设置调节阀。

　　3 6液体泵冷箱内的循环液氧泵、循环液氩泵及中压液氩泵采用CRYOSTAR产品，在线冷备用。

　　3 7精馏系统马钢30000m 3 / h空分设备的精馏塔主冷箱与板翅式换热器冷箱中间用隔板隔开，液体泵与主冷箱及互备的液体泵都各自独立布置，以方便检修和维护。

　　下塔采用四溢流筛板塔。四溢流塔板可有效地缩短液体流程、减少液面落差、降低液流强度，从而有效改善气液接触，提高塔板效率和液体的处理能力。上塔、粗氩塔和精氩塔均采用规整填料塔。为降低冷箱高度，粗氩塔在结构上分为两段，用液氩泵为粗氩塔提供回流液，粗氩塔与粗氩冷凝器复合出厂。主冷采用单层主冷。为了尽可能多地提取氖氦气，在主冷设计时，在其顶部设计了有足够气液分离空间的液氮槽。

　　3 8阀门、管道随着空分设备等级的增大，冷箱内管架的设计显得更加重要。在这套空分设备中根据冷箱内管道应力计算和分析，采用塔器上贴板固定设置管架，使得管架的设置更加合理。

　　严格控制高压液氧、高压气氧的流速及管道和阀门的材料选用。在设计中采用了符合ANSI标准的高压不锈钢管，氧介质阀门全部采用进口，且阀芯要求铜基合金制造。

　　高压空气节流阀采用不锈钢阀门，布置在独立的隔箱内。由于该阀将空气压力从5 7MPa （A）节流到下塔压力0 59MPa （A），压差大，在节流过程中由于闪蒸会产生振动，所以对该阀设置了特殊的固定，并设置了单独的隔箱。

　　4运行效果实际运行表明，空分设备工艺流程的参数与理论设计值相一致，主要表现在：（1）循环增压机一段和二段的出口压力分别为2 07MPa和5 7MPa，氧气出口压力一般为2 4 2 5MPa，这几个压力值是内压缩流程设计的关键，同时主换热器的热端温差控制在3 %以下，说明主换热器的换热情况良好。

　　（2）精馏塔精馏效果好、效率高。加工空气量为164000m 3 / h时，氧气产量实际达到31350m 3 / h，液氧产量2500m 3 / h，纯度为99 88% ；上塔氮平均纯度为氧含量在0 1%左右，氧的提取率达到98%以上。全精馏制氩系统工况稳定，氩产量为1300m 3 / h，氩提取率达到85%以上。

　　（3）该套空分设备的液体产量特别多，从实际考核情况看都能满足要求。

　　5结束语马钢30000m 3 / h空分设备是目前国内运行的*大等级的内压缩全提取空分设备。通过该项目的实施，使杭氧对大型空分设备的设计开发，特别是冶金型内压缩流程空分设备的流程选择、配套机组的选型、设备的运行等积累了大量的实践经验。

　　（1）冶金企业一般对氧氮产品的压力要求在3 0MPa左右，液体产量如果需求不大，仅占氧气产量的3% 5% ，可选择空气循环、增压压缩机和膨胀空气进上塔流程。如果液体产量在10%以上，可选择空气循环、两段增压和膨胀空气进下塔流程。

　　（2）冶金企业不同于化工企业，没有大量的蒸汽，所以对于原料空压机和循环增压机分别采用独立的电机拖动比较合适。

　　（3）透平膨胀机的配置方式即1台膨胀机在线运行、独立备用1个机芯总成是比较可行的方案，但相对来说透平膨胀机的可靠性要求比较高。

　　（4）冷箱内的阀门尤其是高压空气节流阀、液氧管路上的阀门及重要的液体阀采用进口阀门，保证了整个设备的稳定运行。

　　（5）冷箱内的循环液氧泵和循环液氩泵采用进口离心泵，在线冷备用，提高了设备的可靠性。

　　（6）内压缩流程的控制相对外压缩流程较复杂，所以一个完善的控制系统是设备安全、可靠运行的保证。

　　马钢30000m 3 / h空分设备的研制成功，标志着杭氧在大型空分设备开发上又迈出了坚实的一步，为大型空分设备的国产化做出了贡献。