煤化工企业空分技术选择与工程设计

氮肥技术摘要简要介绍了主要的空气分离工艺技术（空气低温分离工艺，变压吸附空气分离、膜分离技术）的流程与原理，最新发展及其主要特点。

介绍了煤化工企业空分技术的选择及现代空分技术与工程设计的关系。

关键词煤化工空气分离原理工程设计煤化工企业空分技术选择与工程设计任树强曲顺利（山东省化工规划设计院250013）!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!"目前新兴的煤化工企业的煤气化装置均采用纯氧或富氧气化工艺，如何获得稳定、可靠、廉价的氧气或富氧空气就变得极为重要。

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、氮液化产品，尤其是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等稀有气体产品的能力，故低温法在空气分离的工业应用中占据非常重要的地位。

变压吸附法是20世纪50年代末才开发成功的，由于其独有的灵活方便、投资少、能耗低的优点，近年来变压吸附空分富氧技术在中小规模富氧应用领域得到越来越多地应用。

膜分离空分是20纪世80年代国外兴起的高新技术，属高分子材料科学，它是21世纪十大新科技产业之一。

该技术虽起步晚，但发展较快。

先进的空分设备技术必须与优秀的工程设计相结合，才能使空气分离技术的应用更好地为工业服务。

1空气低温分离工艺空气低温分离工艺是利用多塔低温精馏的方法从压缩空气中制取高纯度的氧、氮、氩产品。

压缩空气经过分子筛吸附器，除去所含的杂质，包括水、CO 2、碳氢化合物等。

再经换热器被冷却至低温，在精馏塔中可分离为氧、氮、氩等产品。

装置所需冷量由压缩空气或压缩氮气膨胀做功获取。

根据气态产品的加压方式可将空气低温分离流程分为外压缩和内压缩两种类型。

在外压缩流程中，空分装置生产的气态产品的温度接近于环境温度，因其压力仅比大气压力稍高，故需要通过压缩机将其压缩至用户所需压力。

在内压缩流程中，用液体泵将来自精馏塔的液体产品提压，再送入换热器汽化、复热后出空分装置。

其中用液体泵将产品提升至用户所需压力的流程为全内压缩流程；在装置内将产品液体压力提升至中间压力的流程为部分内压缩流程，此种流程可减少离心压缩机的压缩级数。

深度冷冻法分为两步，先行制冷，再加精馏即可得到不同的气体产品。

1.1制冷为了使空气液化，可采用不同的深度冷冻循环装置，主要以林德循环和克劳德循环为基础。

前者是通过节流膨胀制冷；后者除仍有节流膨胀外，还有一部分气体在膨胀机中作等熵膨胀。

气体进行等熵膨胀时，温度的降低要比节流膨胀大，而且能回收一部分压缩功，所以比节流膨胀经济。

其他各种改进的深度冷冻循环，有双压节流循环、带氨预冷节流循环、逐级重叠循环等。

在深度冷冻法的各种循环中，典型的流程是先使空气在过滤器中滤去尘埃等杂质后进入压缩机，再经分子筛净化器除去空气中在低温下易凝固气体，如水蒸汽和二氧化碳等，已净化的空气在第一换热器中由产品氮气和氧气降温。

出第一换热器后，空气分成两路：一路经第二换热器继续冷却后，再经节流阀降压；另一路经膨胀机降压。

两路膨胀后的空气温度均降至103K 左右，进入双级精馏塔的下塔底部。

1.2精馏在深度冷冻法中，主要的分离过程是在双级精馏塔中进行的。

该塔由上、下两塔和塔间的冷凝蒸发器组成。

进入下塔底部的空气在该处的温度和压力条件下，已部分液化。

由于液氮沸点比2009年第30卷第3期14液氧沸点低，因而下塔底部的液化气体是富氧液态空气，含氧的质量分数一般为30％～40％。

下塔操作压力应高于上塔，才能使下塔顶部氮的冷凝温度高于上塔底部液态氧的沸腾温度。

从而使冷凝蒸发器内热量由管内传向管间，并具有一定的传热温差。

冷凝蒸发器同时起到了下塔塔顶冷凝和上塔塔底加热的作用。

空气在下塔由下而上经过多层塔板精馏，使易挥发组分氮的浓度逐渐提高，并在冷凝蒸发器管内冷凝成液氮。

一部分液氮在下塔作回流液；一部分收集于液氮槽，经减压后作为上塔塔顶回流液。

下塔底部的富氧液态空气，经节流阀进入上塔中部，与冷凝蒸发器蒸发出来的气体逆流接触。

由此使下流液体中的含氧量由上至下不断增加，最后积聚在冷凝蒸发器管间，含氧的质量分数可达99％以上，并不断在此蒸发出产品氧而引出塔外。

上塔塔顶引出的则是产品氮，氮的质量分数亦可达98％以上。

出精馏塔的产品氧和产品氮的温度都很低，可通过换热器使输入空气降温。

由于氩的沸点介于氮、氧沸点之间，利用双级精馏塔还不能同时得到纯氮和纯氧。

若在上塔中部适当部位抽出富氩气体作为提氩原料，则产品氮、氧的浓度可提高。

沸点较低的氖和氦气积聚在液氮上面，可抽出作为提氖、氦的原料。

沸点比较高的氪、氙则积累在上塔底部液态氧和气体氧中，可抽出作为提氪、氙的原料。

低温法实现空气分离是深冷与精馏的组合，是目前应用最为广泛的空气分离方法。

采用纯氧气化的煤气化装置均选择低温法实现空气分离。

2变压吸附空气分离变压吸附（PSA）法是一门新的气体分离与纯化技术，是非低温空气分离中的“明星”。

变压吸附制氧（制氮）广泛用于冶金、化工、化纤、化肥、造纸、采油、污水处理、垃圾焚烧、煤矿防灭火、保鲜贮藏、金属热处理等。

与深冷法空分相比，一般认为，在8000m3/h规模等级以下，变压吸附制氧更具经济性。

因此，在中小规模的空分领域，变压吸附制氧（制氮）将占主导地位。

变压吸附制氧原理：氮分子含有孤对电子而极性大于氧并且有较大的四极矩，因而N2与沸石骨架中阳离子的作用力强。

空气逐层通过沸石柱后，气相中的含氧量逐渐提高，这样便可得到富氧出气。

变压吸附制氮原理：利用氧和氮在碳分子筛上吸附容量、吸附速率、吸附力等方面的差异及分子筛对氧氮随压力不同具有不同的吸附容量的特性，来实现氧氮分离。

首先，空气中的氧被碳分子筛优先吸附，从而在气相中富积氮气。

一套变压吸附制氧（制氮）系统主要包括三部分：空气压缩系统、压缩空气预处理系统、吸附分离系统。

变压吸附空气分离的技术进步主要集中在两个方面：变压吸附空分工艺过程的改进，使过程更加节能高效；变压吸附空分吸附剂性能的改进。

吸附剂是变压吸附技术的基础，吸附剂的性能决定着吸附分离效果，从而决定着吸附设备投资和分离的经济性。

变压吸附空气分离法具有显著的特点。

①开停车方便：原始开车几十分钟左右可按要求获得合格产品。

临时停车后重新启动即可迅速恢复供给合格产品；②操作弹性大；③自动化程度高。

整个吸附分离过程由PLC 或DCS控制，可以实现无人操作；④操作成本较低。

主要操作成本为电耗，先进的装置电耗≤0.4kW·h/m3（O2）；⑤分子筛寿命长。

在正常操作情况下一般可使用8～10年，无环境污染；⑥投资省，一次性投资低。

采用富氧气化的煤气化装置，可以选择变压吸附法获取富氧空气或氧气。

3膜分离空分膜法气体分离技术是当今世界竟相发展的高新技术，属高分子材料科学，它是21世纪十大新科技产业之一。

由于膜分离没有相变、不需要再生，所以膜分离技术具有技术先进、投资少、操作费用低、寿命长、操作简单、开停机方便、占地面积小、操作弹性大、维护费用低等优点。

膜法气体分离技术现已广泛应用于从合成氨放空气中回收氢气、从天然气中提浓氦气、二氧化碳的回收、甲醇等用的合成气的调比等。

此外，气体膜分离技术还可用于空气分离，膜法空气分离可以直接生产氮气，其氮的体积分数可以达到99.9％；膜法空分还可以直接生产富氧空气，富氧空气中氧的体积分数可以达到50%。

膜法气体分离的基本原理，是根据混合气体任树强等：煤化工企业空分技术选择与工程设计第3期15氮肥技术中各组分在压力的推动下透过膜的传递速率的不同，从而达到分离目的。

通常一切气体均可以渗透通过高分子膜，其过程是气体分子首先被吸附并溶解于膜的高压侧面，然后借助于浓度梯度在膜中扩散，最后从膜的低压侧解析出来，其结果是小分子和极性较强的分子的通过速度较快，而大分子和极性较弱的分子的通过速度较慢，膜分离就是利用各种气体在高分子膜的渗透速率不同，来进行气体分离的。

由于膜分离技术是利用不同气体的渗透速率的不同来进行气体分离的，其分离推动力为气体在膜两侧的分压差，所以膜法气体分离没有相变、不需要再生。

膜材料是膜分离制氮技术的心脏部件，是决定气体分离优劣的关键因素。

目前还没有煤化工企业选择膜法气体分离技术制取氧气或氮气。

4现代空分设备技术与工程设计的关系空分设备的设计与制造，空分设备的工程设计，空分设备的使用、管理及维护是空分行业系统的三个组成部分。

三者之间关系密切，互为依存。

先进的空分设备与优秀的工程设计相结合，共同为使用空分设备的业主服务。

4.1空分设备的先进技术提供了改进工程设计的机会和要求最近，空分设备中采用了全精馏无氢制氩技术，取消了加氢脱氧工序，如果空分设备中再采用部分液氧内压缩，经泵升压至管网压力后汽化出冷箱，就可以使工厂设计中制氧主厂房中的偏跨厂房布置大为简化，减少厂房面积。

而在站区布置中，由于没有氢气站，可紧缩总图布置。

同样，如空分设备采用氧气内压缩流程，就可不用氧压机，因而可以简化工厂设计中主厂房的布置。

再者，由于空压机的结构改进，使工程设计中的厂房采用一层布置或露天布置，可以减少投资。

此外，由于空分设备中采用大型压缩机、大型液体贮槽以及空分冷箱的增高，都对基础的设计及整体布置提出了更高的要求。

4.2用优秀的工程设计支持和配合空分设备中新技术的应用空分设备的先进技术给空分工程设计提供了改进工程的机会和要求，因此一定要用优秀的工程设计去支持和配合空分设备中新技术的应用。

空分设备新技术的采用有可能使工厂设计中的主厂房为一层布置或露天布置，一改过去工程设计中习惯主厂房二层布置，水管及电缆都采用明沟布置的方法。

当采用一层布置或露天布置时，要对地下、地上管线及电缆的敷设方式进行统一安排。

另外还要对周围配电室的布置、厂房和厂区周边噪音的防治，以及主厂房内设备的检修等作通盘的考虑，才能取得较好的效果。

如在氧气站工程中，我们对地下管道采用了分层直埋布置及特殊的防腐处理。

又如只在一层主厂房中设了5t吊车，而在屋顶上设置了部分活动屋盖，作检修电机之用。

再者，大型压缩机、大型液体贮罐及大型空分冷箱对基础提出了更高的要求，在工程设计中一定要精心设计。

首先要用先进的计算机软件进行计算，再用CAD去完成设计。