大中型空分设备流程的发展

大中型空分设备流程的发展(一)

从1958年我国试制成功第一套3350m3/h空分设备以来，大中型空分流程已经历了铝带蓄冷器冻结高低压空分流程、石头蓄冷器冻结全低压空分流程、切换式换热器冻结全低压空分流程、常温分子筛净化全低压空分流程、常温分子筛净化增压膨胀空分流程、常温分子筛净化填料型上塔全精馏制氩流程。各流程简介如下：

1铝带蓄冷器冻结高低压空分流程(简称第一代空分)

铝带蓄冷器冻结高低压空分流程是我国最早的大中型空分设备的主导流程，标志着我国在空气分离设备的制造已实现了从小型向大型的飞跃发展。

典型产品：3350m3/h(20℃状态)空分设备，这是我国第一代空分产品，流程组织较为复杂，主要由空气过滤压缩、高压空气压缩、CO2碱洗、氨预冷、膨胀制冷、换热、精馏等系

统组成。

【流程特点】

(1)加工空气压力分成低压(0.53～0.57MPa)和高压(16～20MPa)两个等级。空分设备的冷量来源于两个压力等级下空气的焦汤效应、氮气膨胀制冷和氨预冷系统制冷等三个方面。

(2)采用了氧、氮蓄冷器各两只(分别一只走正流、另一只走返流)，内充盘装铝带填料，供换热和清除低压空气中的水分和CO2用，蓄冷器的自清除效果采用返流气量大于正流气量

来保证，通常返流与正流气的流量之比为1.03～1.04倍。

(3)采用了一对高压换热器来冷却高压空气，高压空气中的CO2是通过碱洗塔碱液的洗涤，水分是通过氨预冷系统的冻结而清除的。

(4)将冷凝蒸发器分成主冷和辅冷两部分，辅助冷凝蒸发器放置位置低于主冷凝蒸发器，利用液氧液位落差使上塔液氧不断流入辅助冷凝蒸发器，同时被下塔顶部引入的压力氮气气

化成氧气后，导入乙炔分离器吸附掉乙炔，作为产品氧气的一部分输出，这就保证了精馏塔

的安全运行。主冷凝蒸发器为列管式(共17749根列管，温差1.8K)，辅助冷凝蒸发器为盘管式(温差3.2K)。

【流程缺点】

(1)流程组织较复杂。为了提供空分设备所需的部分冷量及由此而引起的高压空气中水分、CO2的清除问题，在冷箱外增设了高压空气压缩机、碱洗塔、氨预冷系统等多套机组；同时冷箱内设备也较多，使整套空分设备的操作、维护不便。

(2)蓄冷器的自清除问题没有得到妥善解决，氧气(或氮气)和空气的传质和传热虽按不同时间间隔错开但却在同一腔内进行，使产品的纯度受到较大污染，氧气纯度由99.5%O2下降到99%O2，氮气纯度由99.8%N2下降到98%N2，而后者由于纯度较低，只能放空；此外蓄冷器热端温差较大(5℃)，复热不足损失大。

(3)膨胀机结构为冲动式固定喷嘴的型式，效率较低，只有60%左右。若用空气作膨胀工质，对膨胀后的空气如何处理，没有得到妥善解决，影响了空分流程的组织水平。

(4)氧提取率低，一般只有83.3%。

(5)能耗高，设计值为0.66kWh/m3O2，而实际运行值高达0.7～0.9kWh/m3O2。

2 石头蓄冷器冻结全低压空分流程(简称第二代空分)

管式石头蓄冷器冻结全低压空分流程，是我国第二代空分产品，主要由空气过滤压缩、空气预冷、膨胀制冷、换热、精馏等系统组成。

典型产品:6000 m3/h空分设备，标志着我国气体分离和液化设备工业正式进入了全低压空分流程的时代。

【流程特点】

(1)采用反动式固定喷嘴透平膨胀机。空气在固定喷嘴和叶轮中进行了两次膨胀，使膨胀机效率有了很大的提高(可达80%)，空分设备的制冷手段得到了改善，因此使加工空气由第一代空分流程的两个压力等级转变到只要0.5MPa(G)的一个压力等级成为可能，实现了高低压空分流程向全低压空分流程的变革。

(2)将铝带蓄冷器改为石头蓄冷器，让产品氧气、氮气始终走蛇管内部换热，保证了氧、氮纯度不受污染，使氧的纯度达到99.6%O2，氮的纯度达到100×10-6O2。

(3)为了清除冻结在石头上的CO2和水分，除了采用正流空气和返流污氮气交替切换的方法外，还采用了中间抽气法，即在蓄冷器中部抽出了相当于加工空气量10%的空气，这

就保证了抽口以下正流气量小于返流气量的自清除要求，进一步缩小了蓄冷器冷端温差，使自清除更为彻底。

(4)膨胀后空气送入上塔中部参与精馏，充分利用了上塔精馏潜力，提高了氧提取率(可达84%)。

(5)用循环液氧泵和液氧吸附器组成的强制循环来清除液氧中的乙炔等碳氢化合物，确

保了空分设备的安全运行，取消了前一流程的辅助冷凝蒸发器。

(6)能耗比第一代空分有了明显的下降，可达到0.55～0.6kWh/m3O2。

【流程缺点】

(1)管式石头蓄冷器中的石头填料单位体积所具有的比表面积只有铝带的1/5，而密度却远比铝带大，因而处理同样的空气量，石头蓄冷器比铝带蓄冷器体积要大5倍以上，这就使得石头蓄冷器体积庞大、笨重，所需的安装基础必须深沉坚实，占地面积大，工程费用多。

(2)由于采用中间抽气法来保证蓄冷器的不冻结性，因而设置了相应的抽气阀箱和CO2吸附器，使冷箱内设备及配管复杂化。

(3)膨胀机采用固定喷嘴，只能依靠调节压力来调节气量，因而膨胀量调节范围较小，对空分变工况生产需要大量冷量时的适应性较差，只能用增设备用膨胀机来解决冷量的调节问题，这显得很不经济。

(4)主冷凝蒸发器仍为长列管式，管子数目仍然较多，体积大、制造难。

大中型空分设备流程的发展(二)

3 切换式换热器冻结全低压空分流程(简称第三代空分)

随着高效率板翅式换热器的研制成功和反动式透平膨胀机技术的进一步发展，空分流程

水平又大大向前推进了一步，出现了切换式换热器冻结全低压空分流程，是我国第三代空分产品。主要由空气过滤压缩、空气预冷、膨胀制冷、换热、精馏(含提氩设备)等系统组成。

典型产品:10000m3/h空分设备

【流程特点】

(1)板翅式换热器，取代了石头蓄冷器、列管式冷凝蒸发器及盘管式过冷器、液化器等，使单元设备的外形尺寸大大缩小，空分设备的冷箱也相应缩小、跑冷损失减少、膨胀量下降、启动时间缩短等一系列的良性循环，提高了空分设备的技术经济性。

(2)用切换式换热器取代石头蓄冷器后，由于用间壁式连续换热代替了蓄冷器的间歇换热，使温度场分布较为稳定，同时在气流通道中供水分和CO2冻结的空间也增大了，使切换周期可以延长，切换损失可由蓄冷器流程的4%下降到2%。

(3)采用了环流法来保证切换式换热器的不冻结性，可使空气和返流污氮气冷端温差由蓄冷器流程的3.5℃缩小到2.5℃，这是一种较为完整的不冻结性的方法，不再需要中抽气阀箱，CO2吸附器等附加设备，使流程简化。

(4)采用反动式可调喷嘴的透平膨胀机，使膨胀机效率变化平稳，对变工况生产适应性强，同时采用了电机制动来回收膨胀机的对外做功。

(5)采用了体积小、重量轻、流通能力大的切换碟阀取代笨重的强制切换阀，使布置紧凑。

(6)氧提取率提高到～87%。

(7)能耗大大下降，10000m3/h空分设备一般为0.49～0.52kWh/m3O2，6000m3/h空分设备一般为0.53～0.55kWh/m3O2。

【流程缺点】

(1)为了满足切换式换热器自清除要求，需要返流污氮气量较大，一般而言，污氮气量与总加工空气量之比不得少于55%，即纯氮产量只能达到总加工空气量的45%，这样，纯氮气和氧气产量之比最多只能达到1：1，无法满足用户对大量纯氮气需求。

(2)为满足切换式换热器的不冻结性要求，冷端要保证有一个最小温差，空分设备的启动要分成四个阶段来完成，以避免水分和CO2进入精馏塔内，因而启动操作要十分小心，比较麻烦。

这类流程由于技术落后，操作维护复杂，运转周期较短，是下一步实施技术改造的重点对象。

4常温分子筛净化全低压空分流程(简称第四代空分)