空分工艺流程优化研究

空分工艺流程优化研究

洪梦丽

杭氧集团股份有限公司 浙江省杭州市 310000

摘要：空分装置就是将空气中的氧气、氮气等分离出来采用的一种装置，常用在冶金、石油、医药等领域中，在现代工业生产中占有极高地位。现阶段，该装置在我国工业生产中的应用比重逐渐增大，拥有极为广阔的应用前景。因此，对该工艺流程实施进一步分析，探究具体的应用要点，能够有效提升空分装置的应用效果。

关键词：空分装置；工艺流程；应用

引言：

在现代工业中，空分装置是一种非常关键的分离性设备，可以直接把空气中的氮气、氩气和氧气等相关成分分离出来，给相关工艺的展开提供条件。在科学技术的迅速发展下，这类装置工艺流程也日新月异，展现出高效化、节能性和环保性等各类特点，再加上实现了对空气的充分利用，有效减少了能源开发给环境带来的巨大压力，提升了国内基础能源产量。基于此，就应当对具体的工艺流程做出充分了解，明确实际应用和发展趋向。

1空分装置工艺流程和系统组成

1.1空分原理

深度冷冻低温分离法是利用空气中各组分的沸点差异，在精馏塔内分离出氧、氮、氩等产品的方法。首先将空气压缩，而后冷却使空气液化，再利用空气中氧组分与氮组分沸点不同（在标准大气压下氧的沸点为90.17K，氮气的沸点为77.35K）实现分离。在精馏塔内，蒸汽与液体接触过程中，高沸点的氧组分不断地从蒸汽中冷凝进入液相，低沸点的氮组分不断地从液相蒸发而变成蒸汽，从而使下流液体中含氧量越来越高，最终变成纯氧；上升蒸汽中的含氮量越来越高，最终成为纯氮。

1.2工艺流程

空分工艺流程，自空压机来的压缩空气，净化后，送入透平膨胀机增压后送入冷箱经主冷降温，低温精馏分馏出各成品，从精馏塔抽出液氧，送到液氧储槽中，一部分做为液氧产品；剩余的液氧经高压液氧泵增压送到主冷，在其中被气化并复热作为高压氧气产品输出，氮气成品亦以内压缩工艺由液体泵压送经主冷回收冷能后，液体成品则送入储槽供出货。从精馏塔抽出的含氩馏份被送入粗氩塔去除氧，然后经精氩塔纯化后，产品液氩送至储槽。

1.3系统组成

空分设备是一个大型的复杂系统，主要由六大系统组成：动力系统、净化系统、热交换系统、精馏系统、液体储存系统和控制系统等。动力系统：主要指原料空气压缩机。空分设备将空气经低温分离得到氧、氮等产品，从本质上说是通过能量转换来完成的。而装置的能量主要是由原料空气压缩机输入的。相应地，空气分离所需要的总能耗中绝大部分是原料空气压缩机的能耗。净化系统：由空气预冷系统（空冷系统）和分子筛纯化系统组成。经压缩后的原料空气温度较高，同时可以洗涤其中的酸性物质等有害杂质。分子筛纯化系统则进一步除去空气中的水分、二氧化碳、乙炔、丙烯、丙烷和氧化亚氮等对空分设备有害的物质。制冷系统：空分设备是通过膨胀制冷的，整个空分设备的制冷严格遵循经典的制冷循环。不过通常提到的空分制冷设备，主要是指膨胀机。热交换系统：空分设备的热平衡是通过制冷系统和热交换系统来完成的。随着技术的发展，现在的换热器主要使用铝制板翘式换热器。精馏系统：空分设备的核心，实现低温分离的重要设备。通常采取高低压两级精馏方式。主要由低压塔、中压塔和冷凝蒸发器组成。液体储存系统：空分设备能生产一定的液氧和液氮等产品，进入液体储存系统，以备需要时使用。主要是由各种不同规格的贮槽、低温液体泵和汽化器组成。

2空分装置工艺介绍

空分装置是石油、化工行业的重要装备，主要是通过深度的冷冻将空气由气态转化为液态，然后经过精确的蒸馏将液态的空气分流出氧、氮、氩等气体，用于工业生产中。空气中的氧、氮、氩等气体是以分子的形态存在，分子颗粒较小、数量多、实时运动并且毫无规则这些特点使得要将他们分离出来较为困难。下面就对现在比较常见的空气分离技术进行具体的分析。

2.1变压吸附工艺

变压吸附工艺主要以分子筛作为吸附剂，通过对压力进行改变，空气中的氮氧分子在分子筛的工作作用下，它们之间的吸附力就会具有差异性。一段时间之后氮氧分子就能成功分离，然后进入变压过程，即对氮氧分子进行卸压，分子筛是可以循环使用的。这种使用分子筛进行氮氧分离的方法被称为变压吸附工艺。在实际过程中使用这种工艺手法时，需要对空气进行净化，除去空气中的一些杂质，同时送入缓冲罐中进行操作。这种工艺手法的工艺流程繁多但是不复杂，它存在的弊端就是提取出的氮氧产品的纯度较低。

2.2膜分离工艺

从原理上来说，膜分离技术应用的扩散原理，即根据气体在膜中溶解和扩散的系数差异，实现不同的渗透速度来实现空气成分的分离。不难看出，分离膜的性能好坏，决定了空气分离工艺的水平。空气原料在膜的两侧作用，渗透率快的部分与渗透率慢的部分实行自然分离，但为了保障产率，一般会使用催化剂；实际生产过程中依然要先通过净化预处理系统。膜分离工艺是所有工艺类型中最灵活的，通过更换不同的纤维材质膜，就可以得到不同种类和纯度的气体产品。实践研究证明，膜分离工艺所面临的压力越大，产量就越大，因此发展纤维膜技术是这一工艺的核心问题。

2.3低温精馏工艺

低温精馏工艺是低温深冷空气分离工艺的升级版，其原理是利用空气中氮氧分子的物理特性不同来实现的。氧分子和氮分子的沸点不同，在高压低温的情况下首先对空气进行液化，随后经过精馏，传热分离已经转化为液态的空气，从而分离氧分子和氮分子。这一工艺在实际的应用中保留了大量的传统手段，如空气压缩机、净化装置、热交换系统以及精馏系统等等。相比较前两种工艺而言，低温精馏工艺具有很明显的特点，即可以实现产品的高纯度性。低温精馏工艺受到新工艺的冲击，主要是由于其自身的流程较为复杂，装置启动时间过长等缺陷。尤其是装置本身造成的不便性，包括空气压缩机、净化器、热交换系统等等，初始化投资成本要远远高于分子筛和膜分离工艺。

3空分装置工艺流程优化措施

3.1加强安全控制

一般在工业生产过程中为满足基本的生产需求，往往需要使用多套空分装置，通过并联方式达到供气需求。现阶段空分装置工艺发展整体处在新旧混合的状态当中，各种新工艺的应用有效提升了工艺产量，减少了成本投入，但是并没有完全代替传统工艺，因此还需要进一步提升相应的工艺水平。实际运行中，如果某一装置产生故障，则可能会导致整个机组停摆，因此应当对工作安全性给予高度重视。除了装置的安全性，还需要加强人员安全保障。这是由于空分属于深冷，在实际工作过程中产生的液体温度一般都在零下一百六十三摄氏度至零下一百九十三摄氏度之内，会产生引起冻伤危害，因此应当定期进行设备检修，提前预热，并在实际操作过程中严格依照具体规程开展，以减少该设备带来的损害。

3.2优化空分系统运行模式节能性

对于空分系统运行模式的节能性，往往需要以企业整体现状为基础，依照生产实际从系统的某一点着手，比如可以从可行性入手分析，充分考虑将运行模式改变后会产生的各种不良因素，以采取相应的解决措施，最终达到节能目标。具体进行节能控制时可以从这两点着手：

一是定时排放不凝气体和液氧。在该装置节能运行过程中，应当对不凝气体实施效率性排放，这样一来可以有效累积相应的液体，提升换热面积，还能在一定程度上改善液体的产出速度[4]。通过排放液氧，碳氢化合物的浓度则可以达到有效控制的目的，由此降低安全隐患，提升设备运行安全性，减少故障，发生率和系统运行维护成本。

二是开展定期清洗和化学清洗。空冷装置在运行相应的时间之后，可能会出现堵塞，一旦没有得到及时处理，则可能会给后续的换热效率带来一定影响。因此在应用空分装置时，则应对循环水利用的设备加强清洗，并在允许范围之内适当使用化学清洗法，以保证运行效率。

三是在工况稳定的前提下减少进气量。在工况稳定的时候可以适当减少进气量。这是由于空压机在运行当中压力会在空气流量的不断增大之下渐渐降低，一旦这时空气流量增加速度提升，则可能会使空压机达到相应的科学运行状态。倘若这时刚好工况满足既定要求，就能直接将空气流量控制在合理范围之中，如此一来，产气量就能保证基本的充足性。因此这样看来，在此时尽量减少进气量，则能有效实现节能目标。

4结束语

空分装置在当下的化工领域中依然发挥着重要作用，通过对其工艺的详细了解能更好地利用这项技术进行氮氧分子分离。无论哪种工艺都有着不同的优缺点，实际选择时应依照自身状况进行。当下空分装置市场还处在新旧混杂的状态下，新工艺虽然效率高，但早期成本高，传统工艺虽然分离质量较弱，但投入少，工艺成熟，因此两者都无法取代对方的地位。因此，未来还拥有极大发展空间，需依照自身实际实施改革创新。

参考文献：

[1]王志武，张兆钰，胡超.大型空分装置的工艺选择和运行分析[J].氮肥与合成气，2020（1）：30-32.

[2]李耀.空分装置工艺路线选择及设备选型[J].中国氯碱，2019，000（007）：27-29.

[3]赵乾浩.浅析空气分离方法和工艺流程的选择[J].工程建设，2020，003（001）：P.33-35.