化工空气分离装置的工艺优化和技术改进

化工空气分离装置的工艺优化和技术改进

何涛

沁阳京宇气体有限公司  河南省沁阳市 454550

摘要：近些年，低温空气分离技术长期被应用于合成气生成领域，能够为碳氢化合物原料提供气化能量，也能够用于燃料领域、化学品领域等，是一种价值极高的技术。随着近些年各个领域现代化改革不断深入，成本规划和生产效率的重要性被提高，社会各界都开始将目光聚焦于氧气生产融合烃类处理的技术领域。基于此，本文首先介绍了非低温工业气体加工技术概述，随后介绍了低温工业气体处理技术的优势，最后分析了过程替代品的比较及技术改进，希望能为相关企业与在岗员工提供参考。

关键词：化工空气分离装置；工艺优化；技术改进

1 非低温工业气体加工技术概述

1.1 吸附

部分天然材料与合成材料具备氮优先的吸附属性，这就是非低温工业气体气体加工中吸附环节的主要原理。在受到沸石影响后，材料因密度而形成的缝隙会产生电场，且不均匀，这会产生吸附分子存在优先级，且容易极化。也就是说，氮、氧、氩三种分子在空气分离过程中存在优先级差距，氮分子最强。沸石物质层能够剥离空气中的氮气，而氧分子会受到碳分子筛数量级的影响，快速进入吸附剂空腔[1]。简单来说，碳分子对能够选择氧，这一环节的常用材料就是沸石。在吸附剂容器中放入压缩空气，能够产生只保留氧气的废水流，这一生产过程会在氮气充满后暂停，并在更换新容器后重新开始。加装热床层能够让再生成为可能，这一目标也可以通过降低床层压力来达成，最终表现为吸附剂平衡含氮量降低。其中，前者多是变温吸附；后者多是变压吸附，也存在真空变温吸附的可能，其特点为更短的循环周期和更加简便的操作，这对于空分设备来说是最优选择。若要通过改变工艺来提高操作效率，可以预先处理空气，将二氧化碳取出，这样就能够在单位能量中回收更多氮气，有效降低真空操作的复杂程度[2]。

1.2 聚合物膜系统

聚合物材料膜过程被使用的主要原理是，氧与氮在分离高压、低压过程流中，会表现出不同的膜扩散速度。膜系统性质的变化会收到通量与选择性的影响，二者都与膜材料功能存在联系、其中，膜的表面积受通量影响最大。在膜类型发生改变时，会存在一种比例常数也发生改变，被称作渗透率，而未被分离气体渗透率的比就被称为选择性。实践过程中，氧分子直径更短，因此更容易渗透膜材料，表现为渗透性大于氮。当选择活性传递膜时，氧络合剂也会被投入使用，这会直接让氧有更高的选择性，能够有效提高氧纯度。这一目标也可以通过易化传递膜来实现。需要注意的是，也存在膜材料能够与氧相容[3]。

相较于其他分离方法，膜分离拥有更加简单且连续的分离过程，还能够模拟出更加合适的环境条件。其中，风机能够在调整后输出合适的压头压力，从而调整因过滤器引起的降压。除过滤器外，薄膜管、管道降压也可以被风机中和。膜材料模块一般表现为圆柱形，彼此相连，从而提供能量。真空泵的主要工作内容为监管膜压力差，并对其进行调整，根据压力变化调整氧气输送量。阜阳空气产品一般会存在大量的水或二氧化碳，这主要是受二者渗透性影响而发生的。但是，膜系统适应性极强，即便应用达到20t/日，也能够适应被污染物富集的空气。相较于低温技术和吸附技术，聚合物膜系统的更新换代更能满足对氧的需求。

2 低温工业气体处理技术

2.1 低温加工概述

在气态或液态氧、氮、氩的生产领域中，低温空气分离技术以其较高的生产效率和较高的成品质量脱颖而出[4]。而空气分离装置大多沿用多柱低温精蒸馏技术，表现为回收率远超其他技术，氧气在从压缩空气中分离出来后也有着更高的纯度。此外，低温技术能够用较低成本有效生产高纯度氮气。作为最有效控制气体生产升本的技术，其后续研究直接关系到整条生产链的效率。

2.2 泵送液体循环

该技术蒸发、加热液体产品的主要位置为蒸馏部分上游，通过低温热交换器来实现。加上泵系统，能够为加工环节输送压力。但实际上，受限于蒸馏系统功率限制，整套设备必须具备高效回收制冷剂的功能。此后，空气、氮气会回到蒸馏位置，经冷藏后进入液体循环，此时需要另外加工为其输送压力。在产品流中安装全泵能够赋予低温循环更高的自由度，降低氧气压缩机的占地面积，达到节省空间的目的。部分泵也能够实现这一目的。

2.3 低压和高压循环

实际上，进料空间压力存在变化阈值，大多数情况下不会低于360MPa，也不会高于6000MPa，这主要是因为低压空分单元循环在压缩过程中对压力存在需求，决定压力的因素为氧气纯度和能源供应率。同时，为了实现全过程单元整合的目的，大多数生产方式会引入EP循环[5]。

3 过程替代品的比较及技术改进

通过持续改进吸附剂，并继续开发膜材料，这两种技术的对应工艺会表现出更高的生产效率和耕地的成本。但不论其发展到什么程度，在产氧率这方面都很难超过低温技术，更无法超过低温技术产出氧的纯度。如果想获得高纯度氧，就需要提高氮质量，而前面两种方式都无法直接产出氩气与稀有气体。简单来说，相较于低温技术，两项传统技术在生产质效方面过于被动。

空分设备对进料存在一定程度的需求，这可以通过燃气轮机压缩机进行空气抽出工作来满足。若抽出空气总量无法满足设备需求，就需要安装辅助压缩机，调整排气压力，使其与供气压力相符。若供应甚至达不到需求的四分之一，就需要安装蒸馏设备，通过泵送液体工艺实现压力平衡。

在燃气轮机设施中，空气被抽出的原因是多种多样的。作为空分装置进料来源，其抽出的空气拥有热量，产生的热能能够被回收，用于溶剂再生，将热能传导至液体，最终用于处理气体产物或污染物。这一回收环节在实际工艺执行过程中非常常见，多见于碳氢化合物气化处理设施中，也能够在碳氢化合物处理设施中得见。

作为低温空气分离装置中再生系统的一部分，液基吸收能够通过回收空气热能来处理进料流中的污染物，帮助生产线获益。通过翻阅以往的生产方案可以看到，有一个方案会先将空气与底部液体冷却，再让冷气接触液体吸收剂，这样就能通过液体吸收空气流杂质。在加热环节，空气会吸解液体污染物，在将其送往吸收系统。该系统能够同时处理多条生产线的流体，去除污染物的效率非常高，还能针对性吸附杂质[6]。

抽出的空气中的热量可以通过热空气与工艺流体间接接触，或者通过空气向工作流体 ( 如：蒸汽或惰性气体 ) 传热来回收。

4 结语

在针对大型设备的工业气体提供领域中，低温技术依旧是最常见也是最好用的技术。这种建立在制热、制冷和非物流基础上的工业气体工艺，能够有效降低生产成本，提高生产质量与效率。高现代化水平的热集成概念，对于未来化学发展有着非常重大的意义，对于ITM过程而言也是百利无一害。

参考文献

[1]杨保宏.化工企业空气分离装置工艺流程选择探究[J].现代盐化工,2021,48(03):41-42.

[2]及辉.化工空气分离装置的工艺优化和技术改进[J].化工管理,2021(11):159-160.

[3]徐金永.浅析空气分离装置在化工企业中流程选择[J].化工设计通讯,2018,44(02):125.

[4]王欣荣.整体煤气化联合循环系统中采用独立或整体化空气分离装置的探讨[J].化工管理,2015(17):161.

[5]杨耀东.大型化工装置项目引进合同的执行流程与实践——以中天合创煤化工空气分离装置引进项目为例[J].对外经贸实务,2015(02):57-58.

[6].空气产品公司为国丰钢铁公司在唐山建设的第三套空气分离装置正式投产并开始供货[J].化学工业,2009,27(04):41.