空分裝置和系統(tǒng)大揭秘!

大家對各類壓縮機(jī)、汽輪機(jī)并不陌生，但是他們在空分環(huán)節(jié)的作用，你是否真正了解？工廠里的空分車間，你知道是什么樣的嗎？空分，簡單地說，就是用來把空氣中的各組份氣體分離，生產(chǎn)氧氣、氮?dú)夂蜌鍤獾囊惶?a href="http://www.ttokpm.com/v/" target="_blank">工業(yè)設(shè)備。還有稀有氣體氦、氖、氬、氪、氙、氡等。

空分設(shè)備

空分設(shè)備是以空氣為原料，通過壓縮循環(huán)深度冷凍的方法把空氣變成液態(tài)，再經(jīng)過精餾而從液態(tài)空氣中逐步分離生產(chǎn)出氧氣、氮?dú)饧皻鍤獾榷栊詺怏w的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)的冶金、新型煤化工、大型氮肥、專業(yè)氣體供應(yīng)等領(lǐng)域。

簡單來說就是空分的系統(tǒng)流程包括：

壓縮系統(tǒng)

預(yù)冷系統(tǒng)

純化系統(tǒng)

換熱系統(tǒng)

產(chǎn)品送出系統(tǒng)

膨脹制冷系統(tǒng)

精餾塔系統(tǒng)

液體泵系統(tǒng)

產(chǎn)品壓縮系統(tǒng)

我們按照空分系統(tǒng)流程對設(shè)備進(jìn)行一一介紹：

壓縮系統(tǒng)

有自潔式空氣過濾器、汽輪機(jī)、空壓機(jī)、增壓機(jī)，儀表壓縮機(jī)等。

（1）自潔式過濾器一般隨著氣量的增大，濾筒數(shù)增多，層數(shù)也越高，一般2.5萬等級以上雙層，6萬等級以上三層布置；一般單臺壓縮機(jī)需要單獨(dú)布置過濾器，同時布置在上風(fēng)口。

（2）汽輪機(jī)是高壓蒸汽進(jìn)行膨脹做功，帶動同軸葉輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)進(jìn)行對工質(zhì)做功的型式。汽輪機(jī)一般常用的有三種形式：全凝、全背壓和抽凝，較為常用的是抽凝。

（4）空壓機(jī)一般大型空分裝置投資均為單軸等溫型離心壓縮機(jī)，進(jìn)口較國產(chǎn)能耗低2%左右，投資高80%；空壓機(jī)采用出口放空，不設(shè)置回流管路，一般有最小吸入流量防喘振要求，采用入口導(dǎo)葉進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，進(jìn)口國產(chǎn)機(jī)組均是四級壓縮三級冷卻（末級不冷卻）。主空壓機(jī)配備一套水洗系統(tǒng)，用以沖洗各級葉輪和蝸殼表面沉積物。該系統(tǒng)隨主機(jī)成套。

（5）增壓機(jī)一般大型空分裝置投資采用單軸等溫型離心壓縮機(jī)和齒輪式離心壓縮機(jī)兩種，其中齒輪式在能耗上占較大優(yōu)勢，尤其壓比較大的工況。

（6）儀表氣壓縮機(jī)一般有三種形式：無油螺桿機(jī)，活塞式和離心式。由于活塞式和離心式天然無油，所以不需要除油裝置，只需要配套干燥裝置（除水）和精密過濾器（除固體顆粒）即可；而螺桿機(jī)一般有有油和無油然后除油兩種，噴油螺桿機(jī)需要設(shè)置除油裝置，同時需要設(shè)置精度非常高的除油過濾器，以滿足工藝要求，這種機(jī)型的優(yōu)勢是價格較便宜；無油螺桿采用干轉(zhuǎn)子或者水潤滑，這種機(jī)型優(yōu)點(diǎn)是絕對不含油，缺點(diǎn)是價格較貴。氣量500Nm3/h以下適合選活塞式；氣量在2000Nm3/h以下適合選螺桿機(jī)或活塞機(jī)；氣量在2000Nm3/h以上即三種機(jī)型都可以選，氣量大時離心式壓縮機(jī)較有優(yōu)勢，其易損件較少，同時好維護(hù)，性價比較高。

儀表壓縮機(jī)在開車時使用，正常運(yùn)行后由分子篩純化器后抽取。

預(yù)冷系統(tǒng)

預(yù)冷系統(tǒng)空冷塔有兩種形式：閉式循環(huán)（空冷塔分為上下兩段，冷凍水在空冷塔上段和水冷塔之間循環(huán)）和開式循環(huán)（進(jìn)循環(huán)水系統(tǒng)），閉式循環(huán)主要應(yīng)用于水質(zhì)不好的化工廠，需要補(bǔ)充新鮮水及藥劑；開式循環(huán)應(yīng)用較廣，但是循環(huán)水系統(tǒng)同樣也需要定期補(bǔ)充新鮮水，預(yù)冷系統(tǒng)還需要考慮夏天工況。

空冷塔一般設(shè)計為底部為1米φ76不銹鋼鮑爾環(huán)（耐高溫），3米φ76增強(qiáng)型聚丙烯鮑爾環(huán)（大通量），4米φ50增強(qiáng)型聚丙烯鮑爾環(huán)。

水冷塔也有兩種：兩段式（無外加冷源時，干燥污氮?dú)獾睦淞炕厥粘浞郑怪A(yù)冷系統(tǒng)有保障，但是阻力大一倍，（7米+7米φ50聚丙烯鮑爾環(huán)）和一段式（有外加冷源時，8米φ50聚丙烯鮑爾環(huán)）。

此外，預(yù)冷系統(tǒng)一般所有進(jìn)水均要設(shè)置過濾器（一般6臺：4臺水泵，水冷塔進(jìn)水，冷水機(jī)組蒸發(fā)側(cè)進(jìn)水），防止雜質(zhì)帶入系統(tǒng)。預(yù)冷系統(tǒng)的效果檢測為：下段4米填料段出口氣比進(jìn)水低1℃；上段8米填料段出口氣比水高1℃，一般在空冷塔中部設(shè)置測溫計（伸入內(nèi)部）。

純化系統(tǒng)

純化系統(tǒng)采用的的吸附器有立式軸向流，臥式雙層床和立式徑向流三種。

立式軸向流主要用于1萬等級（直徑已經(jīng)到4.6m）以下空分設(shè)備的配套，床層厚度1550∽2300mm，雙層單層均可布置，立式軸向流吸附器的氣流分布最好。

臥式雙層床主要用于大中型空分設(shè)備的配套，床層厚度1150mm（分子篩）+350mm（鋁膠）。

立式徑向流吸附器可以有效利用容器內(nèi)部空間，使得同直徑吸附層面積擴(kuò)大1.5倍左右，這樣可以有效降低塔器高度，同時立置方式占地面積較小。由于氣流分布均勻，不像臥式吸附器氣流不均，使得分子篩用量減少20%，再生能耗也節(jié)省20%。

但是立式徑向流缺點(diǎn)是氣流中心集中（扇形區(qū)），使得其比臥式穿透時間要快（要求CO2＜0.5ppm）。床層厚度1000mm+200mm，立式徑向流可以滿足2萬等級以上的空分設(shè)備的配置。

再生加熱有電加熱器和蒸汽加熱器兩種方式。

蒸汽加熱器有臥式（4萬等級以下），立式（4萬等級以上），立式高效蒸汽加熱器（蒸汽利用率高，節(jié)能20%）布置方式有：一臺蒸汽加熱器（有H2O泄漏測點(diǎn)）；電加熱器（兩用一備或者一用一備）并聯(lián)（高溫低流量聯(lián)鎖停設(shè)置，防止燒壞，加熱管材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti）；電加熱器（滿足活化再生，250∽300℃）與蒸汽加熱器并聯(lián)；電加熱器與蒸汽加熱器串聯(lián)（蒸汽溫度低時，不過造成再生阻力較大）。

對純化系統(tǒng)還需要設(shè)置節(jié)流再生管路以滿足開車需要。另外再生氣側(cè)設(shè)置安全閥，蒸汽加熱器側(cè)設(shè)置安全閥，防止設(shè)備或者閥門壓力高側(cè)泄漏或者超壓，以及節(jié)流超壓。

再生流路配置手動蝶閥來調(diào)配阻力，以使得主塔運(yùn)行穩(wěn)定（或者不設(shè)置，采用總管設(shè)置調(diào)節(jié)閥時序調(diào)節(jié)）。

換熱系統(tǒng)

換熱系統(tǒng)嚴(yán)格來說多股流混合介質(zhì)設(shè)計在同一換熱器里，讓各介質(zhì)傳熱自動平衡，能耗最低，但是這樣對于內(nèi)壓縮流程會造成全部換熱器均為高壓換熱器，會造成投資的積聚增加，所以2萬等級以上內(nèi)壓縮換熱器組織還是采用高低壓分開的辦法，更為經(jīng)濟(jì)些，2萬等級以下采用全部高壓換熱器配置。

產(chǎn)品送出

低壓氧氮產(chǎn)品，設(shè)置產(chǎn)品調(diào)節(jié)閥與放空流路，放空進(jìn)消音器（氮?dú)鈨?nèi)件為碳鋼，氧氣內(nèi)件為不銹鋼）。污氮?dú)庠O(shè)置去水冷塔放空（起污氮?dú)夥趴兆饔?、調(diào)配再生氣以及調(diào)整上塔壓力的作用，要求水冷塔塔徑能夠滿足泄放要求，尤其有氮?dú)庖餐ㄈ氲膱龊希荒苁股纤毫Ρ锔?，水冷塔阻?kPa(8米高填料)，管路及閥門4kPa，對大氣放空壓差2kPa，總共12kPa）。

高壓氧氣產(chǎn)品，放空采用兩級節(jié)流，先是高壓產(chǎn)品氣節(jié)流至10barG，經(jīng)過偏心異徑管，中間設(shè)置蒙乃爾降噪板，再通過偏心異徑管擴(kuò)大管路直徑，氧氣介質(zhì)流速控制在10m/s以下，再通入消聲塔節(jié)流放空，消聲元件不銹鋼；高壓氮產(chǎn)品，氮?dú)猱a(chǎn)品先節(jié)流至10bar，通過不銹鋼降噪板，再通入消聲塔節(jié)流放空，消聲元件碳鋼；氧氣閥門要求不得人去操作（調(diào)節(jié)閥禁帶手輪，手動閥放置防爆墻內(nèi)）。

消聲塔還可以與壓縮機(jī)系統(tǒng)放空合二為一，空壓機(jī)增壓機(jī)降噪（按照空壓機(jī)量計算），通入消聲塔，以及純化系統(tǒng)泄壓空氣，增壓機(jī)打回流，泄放部分。

膨脹制冷系統(tǒng)

膨脹機(jī)一般有三種，即低壓膨脹機(jī)，中壓膨脹機(jī)和液體膨脹機(jī)。

對于一定類型的氣體膨脹機(jī)來說，工質(zhì)體積流量越大，效率越高。一般流量8000Nm3以上的低壓膨脹機(jī)效率為85∽88%，流量小于3000∽8000Nm3效率會低至70∽80%。

中壓膨脹機(jī)一般采用一臺進(jìn)口一臺國產(chǎn)（備用）。氣量8000Nm3/h以上進(jìn)口膨脹機(jī)效率82∽91%（增壓端少4個點(diǎn)）；國產(chǎn)膨脹機(jī)效率78∽87%（增壓端少5個點(diǎn)）。

膨脹機(jī)啟動前需要先吹掃（除去管系雜質(zhì)，膨脹機(jī)蝸殼內(nèi)雜質(zhì)），再通密封氣（正常時由增壓端提供），然后進(jìn)行油系統(tǒng)外循環(huán)，內(nèi)循環(huán)，做完聯(lián)鎖測試然后方能啟動，冷試合格后冷緊；冷啟動需要啟動油箱加熱器，正常運(yùn)行后不需要，此時軸承的冷熱已經(jīng)平衡。

液體膨脹機(jī)本質(zhì)是利用高壓液體的壓力頭來進(jìn)行水力做功（同時液體焓值降低，但是與氣體相比，相差甚遠(yuǎn)），一般4萬等級以上內(nèi)壓縮空分設(shè)備均可用液體膨脹機(jī)代替高壓液空節(jié)流閥。它的優(yōu)勢為利用液體膨脹機(jī)制冷和膨脹功發(fā)電達(dá)到節(jié)能目的，一般可實現(xiàn)節(jié)能2%左右，但是其投資達(dá)千萬元。

精餾塔系統(tǒng)

下塔1.5∽5萬等級采用篩板塔較多，環(huán)流塔板在1.5萬等級以下直徑塔較有優(yōu)勢（液體流程較對流長，但是制造復(fù)雜），對流3萬等級以下應(yīng)用較多，1.5萬等級以上較占優(yōu)勢，四溢流在3萬等級以上大塔較占優(yōu)勢，填料塔能耗較低，不過下塔高度要增加5米左右。5萬等級以上空分較占優(yōu)勢，尤其上下塔平行布置的情況。

上塔、粗氬塔及精氬塔采用填料塔，廠家一般為蘇爾壽或天大北洋，對粗氬塔冷源配置一般是富氧液空，同時可將廢氣放散入污氮?dú)夤苈?，氬系統(tǒng)停運(yùn)時能耗低；精氬塔熱源為富氧液空，或下塔氮?dú)猓湓纯梢允秦氁嚎栈蛘咭旱?，進(jìn)料有液相和氣相兩種。需要注意的是粗氬塔冷凝器板式的密封性要求較高，否則會導(dǎo)致氬產(chǎn)品不合格。

主冷有單層，立式雙層、臥式橫列雙層，立式三層和降膜主冷（液氧與氣氧向下，與氮?dú)馔飨颍?/p>

精餾塔系統(tǒng)的布置有6種方式：

（1）上下塔垂直布置，為常規(guī)布置方式，高度較低，無下塔液體難以進(jìn)入上塔或者粗氬塔冷凝器的狀況（管路全液相上行背壓能夠滿足，此時管徑不能?。?；

（2）上下塔垂直布置，為常規(guī)布置方式，高度適中，下塔液體難以進(jìn)入上塔或者粗氬塔冷凝器采用設(shè)置汽提管路帶液體去上塔（要求管路出口滿足ρυ2＞3000，ρ為密度，υ為流速，進(jìn)氣位置在管路汽化率為1%高度處，此時需要適當(dāng)縮小管徑，同時液體過冷度不能大）；

（3）上塔自氬餾分段落地布置，采用兩臺循環(huán)氧泵連接，降低上塔高度可以解決下塔液體無法進(jìn)入上塔或者粗氬塔冷凝器的狀況；

（4）上塔自氬餾分段落地布置，采用循環(huán)泵連接，粗氬塔最上段座在上塔上部，這樣可以使冷箱空間縮??；

（5）上塔自主冷落地布置，采用循環(huán)泵連接，主冷在下塔頂部，優(yōu)點(diǎn)是主冷可以做的很大；

（6）上塔自主冷落地布置，采用循環(huán)泵連接，粗氬塔最上段座在上塔上部，優(yōu)點(diǎn)是主冷可以做的很大，同樣可以使冷箱空間縮小。

液體泵系統(tǒng)

臥式泵水平布置（進(jìn)液管低于排液管），需要設(shè)置加溫氣（設(shè)置在泵后，或者泵前過濾器前，防止雜質(zhì)進(jìn)入），密封氣，排液排氣閥（低處排液，高處排氣）和回流管路（回液進(jìn)氣相），臥式泵轉(zhuǎn)速不能太高，一般排壓30barG以下，臥式泵由于水平布置，冷態(tài)收縮軸承受力較好，但是轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)子動平衡不好滿足。

立式泵采用軸承懸掛式布置（進(jìn)液管高于排液管），承受向下拉力較大，轉(zhuǎn)子重心與軸重合，轉(zhuǎn)速可以很高；一般30bar以上，需要設(shè)置：泵前回氣（注意臥式泵無），加溫氣（設(shè)置在泵過濾器前，高處進(jìn)氣）， 密封氣，排液排氣閥（低處排液，高處排氣，預(yù)冷時看是否冷透）和回流管路（回液進(jìn)氣相）。立式泵一般均是多級，回氣管路要求不得向下（平出，或者傾斜向上），否則會造成氣體不能排出，易導(dǎo)致泵汽蝕。另外低溫泵電機(jī)需要設(shè)置吹風(fēng)管路，防止夏天過熱，冬天結(jié)霜。

液氧泵液氮泵在線冷態(tài)備用，其中液氮泵密封氣密封氣壓力7barG以上；氧泵密封氣壓力4barG(下塔壓力氮?dú)饧纯蓾M足)；循環(huán)液氬泵，一用一備，密封氣一般采用液氬汽化密封，要求流量有20%的余量。一般液氬泵自身回流閥壓力-旁通控制，出口閥流量-液位控制，采用雙回路控制。

產(chǎn)品壓縮系統(tǒng)

氮透一般壓縮空氣的均可滿足，氮?dú)馔钙綁嚎s機(jī)壓力較高采用齒輪式較為節(jié)能。

氧透根據(jù)排壓有單缸（壓力低）和雙缸（高壓缸和低壓缸）（8級壓縮至30bar），一般30barG以下，需要設(shè)置5barG的密封氣（壓力氮?dú)饪蓾M足），同時由于氧氣介質(zhì)有高壓高溫火患原因，所有過流部分均采用銅合金，需要設(shè)置保安氮?dú)猓话阌晒こ淘O(shè)計院考慮；進(jìn)口氧透價格較高，為國產(chǎn)2倍左右，一般不采用，目前一般均杭氧氧透，排壓3∽30barG，流量8000Nm3/h以上均可滿足。但是流量小，氧透效率較低，一般8000Nm3/h（55%）∽80000Nm3/h（68%）。

氧透一般應(yīng)用于外壓縮流程，從3∽30barG均有,不過一般要和帶增壓機(jī)的內(nèi)壓縮流程（效率一般70%以上，也有流量限制，效率要較氧透高10個點(diǎn)以上，這樣甚至可以抵消外壓縮較內(nèi)壓縮少復(fù)熱附加能耗損失的優(yōu)勢，但是內(nèi)壓縮用于鋼廠排壓需要提高，以免換熱系統(tǒng)波動）進(jìn)行能耗比較，最后確定方案。