空分装置的操作优化浅析

空分装置的操作优化浅析
空气分离是根据空气中各组分物理性质的不同，采用变压吸附、膜分离或低温分离等方法，从空气中分离出氧气、氮气，或同时提取氩气、氦气等稀有气体的过程。

近年来，随着我国国民经济的高速发展，不同规模的空分设备广泛运用于钢铁冶金、电子、化工、煤化工、航空航天和油气开采等行业，空分设备也具有较为广阔的发展前景。

本文主要对空分装置的操作优化进行分析探讨。

标签：空分装置；操作优化；浅析
1 前言
河南省中原大化集团有限责任公司空分装置采用杭州制氧股份有限公司设计制造的KDON-52000/61100型空分装置。

设计氧气产量52000Nm3/h，氮气产量61100 Nm3/h，氩气产量1600 Nm3/h。

该空分装置采用常温分子筛净化、增压透平膨胀机、填料型上塔、全精馏无氢制氩、液氧（氮）泵增压的内压缩工艺技术。

系统控制采用先进的DCS微机控制技术。

随着空气分离技术的不断发展，空分设备生产工艺的不断进步，人类对生产过程中的能耗也提出了更高的要求。

空分装置氧提取率的高低不但影响装置的生产负荷和能耗，而且对公司总体的生产成本产生直接影响。

目前，我单位空分装置的平均氧提取率只有85%左右，所以通过装置操作优化从而提高空分装置氧提取率，最终达到降低整体能耗目的。

2 空分工艺流程的选择
通过对空气分离装置的工作原理和不同工艺流程特点的分析，在工程设计中可依据用户需求，本着技术先进可靠、经济和节能原则，按照以下方法对空分装置的工艺流程进行选择。

2.1 全气态产品的工艺选择
2.1.1 氧气产品的工艺选择
对于用户需求的产品为气态氧气、纯度不大于95%，且规模较小的空分装置，可选用变压吸附或低温精馏空分工艺。

氧气纯度大于95%、且使用连续的则只能选用低温精馏空分工艺。

膜分离工艺装置不能制取高纯度的氧气，因此，该工艺只适用于锅炉富氧燃烧、污水处理和医疗保健等对氧气纯度要求不高的行业。

2.1.2 氮气产品的工艺选择
若所需产品为单一氮气，三种分离工艺都能满足要求。

但受工艺的限制，变压吸附和膜分离工艺产品纯度和气体提取率（耗气量）互相制约，因而无法制取
大量的纯氮气产品。

目前，常见的变压吸附和膜分离工艺制取氮气的产量大都在5000Nm3/h以下，产品纯度可达95%～99.99%。

2.1.3 双高产品的工艺选择
非低温精馏工艺受本身工艺特性的限制，无法同时制取两种以上的产品，更无法制取双高产品（氧气纯度高于95%、氮气纯度高于99.99%）。

因此，当有双高产品需求时，只有选择低温双塔精馏工艺。

2.2 液态产品的工艺流程选择
非低温工艺无法获得液态产品，因此，当有液态产品需求时，低温分离工艺是唯一的选择。

2.3 全低压低温精馏内压缩和外压缩工艺流程选择
2.3.1 以产品氧气压力作为选择依据
如果产品氧气的压力<3.0MPa，则选择内、外压缩流程皆可。

外压缩流程更为节能，且节省投资，但从安全角度考虑，内压缩流程更为可靠。

如果氧气的压力≥3.0MPa，宜选择内压缩流程更为安全可靠。

2.3.2 以产品中气、液比例作为选择依据
对于全低压低温精馏工艺，无论是选择内压缩还是外压缩工艺流程，都可制取液态氮、氧产品。

但是液态产品占气氧产品的比例，对装置能耗的影响比较大。

因此，应根据液态产品的产量来选择空分装置。

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。

有两个指标对氧提取率高低影响较为明显。

一个就是氧气纯度，在氧气纯度较高的情况下，相对应的氧提取率较高；再就是污氮气中的氧含量，氧提取率和污氮气中的氧含量成反比关系。

根据装置目前存在的问题，得出以下可能制约氧提取率较低的原因：因该装置长期运行，可能造成板式换热器通道堵塞，换热效果差；精馏塔塔板堵塞，精馏工况下降；设备内部存在跑冒滴漏的运行缺陷；换热器运行效果差的隐患；氧气纯度总体较低，有一定的提升空间；污氮气中的含氧量较高，经污氮气中氧含量测算基本高于4%，有较大提升空间。

3 空分装置氧提取率的操作优化
3.1 优化目标
经过查阅资料及和业内人士的沟通，目前国内空分氧提取率设计最高可达99%；本單位空分装置的氧提取率（85%）还有一定差距。

并对空分装置综合进
行评估后，决定将本装置氧提取率提升的目标设定为90%以上。

3.2 装置整体消缺消漏。

根据分析出来的影响提取率的主要原因，需要对装置的运行工况做以下调整，我们主要从以下几个方面进行，具体如下：2017年9月，在全厂计划停车检修时，对空分装置进行了大加温。

消除了换热器堵塞造成的板式换热器温差较大（加温前温差最大8℃，加温后<3℃）；其次，精馏塔内塔板、填料结冰堵塞现象得到了消除，提高了精馏塔的精馏效率。

对整个装置管线、阀门、设备等进行了全面的消缺消漏，对装置内管线漏点一一排查。

在检修过程中对空分装置纯化系统分子筛进行了更换，消除了因分子筛吸附效率低而导致的换热器、精馏塔塔板堵塞等低温设备的堵塞问题。

机组在运行过程中，空压机级间冷却器效果差，空压机末级出口温度达105℃。

同时从以往经验判断，该换热器效果差的原因为循环水装置填料片堵塞和换热器本体丝网除沫器堵塞导致换热器效果大幅下降。

由于空冷塔填料老化，换热效果下降，导致空冷塔出口温度比设计值上涨3℃，更换填料后，空冷塔出口温度下降到正常值。

3.3 下塔精馏工况优化
对下塔精馏工况的优化是整个优化操作过程的第一步，下塔精馏工况的好坏决定着整个分馏装置精馏工况。

下塔污液氮中的含氧量较高，达到了6%以上；再一个重要指标是下塔富氧液空含氧量为31%，该值相对偏低，该值的高低体现了下塔的精馏工况的好坏，同时对上塔精馏工况也有较大的影响。

为提高下塔精馏效率，我们从以下几个角度进行调整。

调整冷量平衡。

将膨胀空气量通过关小膨胀机导叶开度，开大膨胀机增压端回流阀的方法，将膨胀机膨胀空气量由52000Nm3/h缓慢下调至50000Nm3/h。

降低下塔压力。

降低下塔压力不仅可以降低装置总体能耗，同时在较低压力下有利于各组分的挥发，增加了组分的相对挥发度，有利于提高下塔精馏效率。

由于下塔压力调整对主精馏系统冷量平衡破坏较大，所有调整过程较为缓慢，同时整个调整过程主要参考下塔阻力和下塔液空含氧量以及整个精馏工况主要参数的变化进行。

3.4 上塔精馏工况的优化
上塔的精馏工况较为复杂，也是整个精馏工况的核心部分，上塔精馏工况对氧气提取率的高低有着决定性的影响，所以上塔工况的调整才是本次工艺优化的重点所在，下面我们将上塔分为两段分别进行了优化操作。

上塔操作压力调整。

所以我们首先从降低上塔的操作压力对上塔的精馏工况进行调整。

对上塔工况进行以下调整：①依据板翅式换热器的工作原理我们将上塔压力调整至40kPa；在分馏塔冷量一定后，利用液氧取出量对上塔液位控制在3000～3100mm之間，随后上塔阻力下降至6.8kPa，液氧纯度上涨至99.9%；②将污液氮节流阀由70%调整至65%和液氮节流阀45%调至48%，并经过两周的观察，确认两台阀门的调整能够起到增大上塔精馏段回流比的作用；③将污氮气取出量由68000Nm3/h调至65000Nm3/h，减少污氮气取出量。

增加上塔顶部低压氮气取出量，由48000Nm3/h增加至51000Nm3/h，挖掘上塔副塔的潜力。

4 优化结果及分析
通过不断的对装置缺陷进行消漏，理论指导实际，从实际操作中总结理论知识，理论指导实际操作。

经过几个月的优化操作，空分装置整体运行的到了较大的改善，达到了预期的目标。

为了准确的验证优化结果，对空分装置进行了数据采集，装置的运行参数到了合理的调整，特别是污氮气中的氧含量和氧气纯度有了明显的改善，达到了工况运行较好的状态。

依据氧提取率计算公式推算如下：
氧提取率=（氧气产量×产品氧）/（加工空气总量×空气中所含氧的体积分数）=〔52700×99.94%〕/〔279000×20.9%〕×100%=90.32%
5结语
经过本次技术攻关活动，我们建立了标准化的操作方法，对人员进行严格培训，严格控制操作方法，提升了装置稳定生产的能力。

参考文献：
[1]曹明.气体膜分离技术及应用[J].广州化工，2011（10）：30-31.
[2]周志丹.大型煤化工空分装置工艺流程的选择[J].内蒙古石油化工，2010（6）：44.。