大型低温空分装置

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年杭州第二届国际低温与制冷会议上，BOC专家特约作了报告，指出“3000～4000t/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（O2­、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：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）。

2．1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）①

2、带氧气增压器的空分流程②

3、部分内压缩和氧气压缩机的空分流程③

4、内压缩流程④

膨胀空气进下塔的空分流程5、氩提取率高、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⑤

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⑥附注：

①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；

②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。

③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；

④产品氧气以3.0Mpa以上压力出冷箱；

⑤有空气单压、空气双压、空气叁压、氮压缩多种流程；

⑥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10.０Mpa，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。

2．2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

?，所示其工艺流程特点：

●装置输出的氧气为常压（P=15～20Kpa），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