深冷空气分离装置设计原则探讨

　　[摘 要]随着国民经济的迅速发展及科学技术水准的不断提高，各种新型空气分离设备不断出现，作为空气分离技术中最早出现的技术，深冷技术在其发展中得到了广泛的应用。本文主要对深冷空气分离装置设计深冷空气分离装置设计原则进行了简要的分析。
　　[关键词]深冷空气分离；装置；设计原则
　　中图分类号：S535 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）24-0347-01
　　1 深冷空气分离法概述
　　空气是多种气体的混合物，主要由氧、氮和氩、氖、氦、氪、氙等稀有气体组成，还包括二氧化碳和水蒸气等可变组成部分。对空气进行分离的目的是从空气中分离出氧气、氮气或提取氦气、氩气等稀有气体，这些气体用途很广，所以空气分离装置在冶金、化工、石油、机械、采矿、食品、医药、军事等工业部门有着广泛的应用。空气分离法一般有深度冷冻、吸附、膜分离等方法，其中深度冷冻法简称深冷法。深冷分离法又称低温精馏法，是以空气为原料，经过压缩、净化、用热交换使空气液化成液氧、液氮和液态稀有气体的混合物，并利用液态气体沸点不同的特性，通过精馏，使各种气体分离来获得氮气、氧气和稀有气体。深冷法一般分为两步：先制冷，再精馏。①制冷。制冷的目的是通过不同的深度冷冻循环装置使空气液化，一般是利用膨胀机进行制冷，为系统提供所需冷量。②精馏。精馏是一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，空分的精馏塔一般采用双级精馏塔，它是由上塔、下塔和塔间的冷凝蒸发器组成，采用双级精馏塔的优点是使产品有较高的提取率，并能同时取得高纯氧和高纯氮。
　　2 空分装置工艺的基本流程
　　2.1 空气的过滤和压缩
　　空气首先会进入到自洁式空气吸入过滤器，而空气过滤器会将吸入到的灰尘以及其它颗粒杂质过滤掉，而后进入到空压机，在多级压缩后会进入到空冷塔中，冷却器中的冷却水会带走压缩机级间产生的热量。
　　2.2 空气的预冷和纯化
　　空气在进入到分子筛吸附器前会事先在空冷塔中进行冷却，进入空冷塔的水有两部分，中部是循环水，顶部是经过氮水冷却塔冷却后的冷凍水，从而能够有效降低空气的温度，以及减少空气中水分的含量，最终能够减轻分子筛吸附器的工作负荷，并对空气起到一定的洗涤作用。而从空气预冷系统冷却后的空气会进入到分子筛吸附器中，它能够将空气中的水分、二氧化碳、碳氢化合物等去除，得到纯化后的空气，此系统就是所谓的空气纯化系统。
　　2.3 空气的精馏
　　一般将出吸附器的空气分成两个部分，即：①直接进入到污氮换热器，经冷却后进入下塔；②通过空气增压机进一步进行压缩，而后将膨胀机增压端进行增压压缩后的一股气流，经由后冷却器进行冷却，而后进入到主换热器进行冷却，再经由气体膨胀机进行膨胀，最终进入下塔；增压机的末级空气送入冷箱，再经主换热器进行冷却后，经由液体膨胀机进入下塔。下塔中的上升气体在与回流的液体发生接触后，其含氮量会有所增加，下塔顶部的冷凝蒸发器会将纯氮气冷凝，液氧会在此环节中有所蒸发。
　　纯液氮、纯氮气、污液氮、贫液空以及富氧液空会从下塔从上到下产生，其中纯液氮主要为下塔提供回流液，另外一部分经过过冷器则作为产品送出；而纯氮气则经主换热器重新复热后作为产品氮气；污液氮经由过冷器冷却后流向上塔顶部，并作为上塔回流液；富氧液空经由冷却器冷却后去往上塔上部，并作为上塔的回流液。当上塔顶部有污氮气产生后，底部会有液氧产生，此时上塔中不同产品的去向也发生了变化，具体如下所述：从上塔顶部抽出污氮气后，经由冷却器以及主换热器污氮换热器复热出冷箱，一部分被当做纯化系统的再生气体，另外一部分则去氮水冷却塔；从上塔底部将液氧抽出，经由液氧泵进行压缩，直至压力与所要求的压力相同，而后被送到主换热器中通过与正流空气中进行热交换，从而得到压力较高的氧气，另有部分液氧会被作为产品送出冷箱外。
　　3 设计原则
　　3.1 装置布置的原则
　　为了有效满足装置的总体规划要求，确保装置以及布置能够协调统一，对装置未来的生产以及技术改造的相关要求进行考虑，确定设备、设施以及建筑物的相对位置时，要按照风向等条件进行确定，决定零点标高和绝对标高之间的关系。而在确定是否需要进行室内布置时，则需要按照气温、降水量、风沙等气候条件以及生产过程或某些设备的特殊需求进行确定。按照地质条件，对重荷载和有振动的设备进行合理布置，要确保安装的管道足够的合理经济，较好的节省用地，降低能耗，便于施工、操作以及维修，对环境形成保护。
　　3.2 冷箱内配管的原则
　　（1）配管前，应加工焊缝坡口，管件应清洗洁净，并应严格脱脂。
　　（2）配管的顺序应为先大管、后小管，先主管、后辅管，先下部管，后上部管。为了防止产生外加应力，不得强行配管；直径大于45mm的管道进行配接或预装时，应留一段作为最终接管，待其他管道连接焊好后方可单独接管。
　　（3）管路上的温度计、压力表和分析管等接头应先开口，不得在配管后再开口；施工中，各容器和管道的开口应封闭，防止杂物掉进设备和管道内。
　　（4）各管路不应相碰，其管间的最小距离应符合下列要求：①冷热管道的外壁间距不应小于200mm；②热管道外壁距液体容器表面的间距不应小于300mm；③冷管道外壁距保冷箱面板的间距不应小于400mm；④冷管道外壁距分馏塔基础表面的间距不应小于300mm。
　　（5）气体吹除管的坡度应符合设备技术档的规定；当无规定时，应设1/10的坡度向吹除阀方向下降倾斜，并应无下凹死区，防止水分在管内冻结。
　　3.3 阀门配置的原则
　　阀门安装前需进行脱脂清洗，务必按介质流向安装阀门，冷箱内的阀门安装位置能使阀门手轮中心与地面或平台面的距离为1200mm左右，必要时阀门应装有伸长杆，阀门填料压盖和紧固件应采用不锈钢材质。
　　4 深冷分离技术的安全稳定运行
　　（1）加强对深冷分离装置设备的管理，对于生产的设备，必不可少的日常巡检，及时发现危害安全以及稳定运行的因素，在事故发生之前有效的消灭危险源，或是采取有效措施避免，针对不同的危险因素，采取相应的应对措施。建立健全相关的规章制度，对于分离设备一定要定期清理定期维护，保证设备及相关管道等健康运行。长期带病运行是导致事故发生的直接原因，应当早发现早治疗，将危险扼杀在摇篮里。
　　（2）利用先进的安全保障设备及技术，防止危险事故发生。近些年来，空冷相关的保障技术也在不断的更新升级。新工艺和新装置的运用，大大提升了空冷分离制氧技术的安全性。例如：用分子筛吸附器来取代切换板式或储冷器，有利于清理空气组分中含有的二氧化碳，水分，以及其他碳氧化合物。
　　5 结语
　　随着科学技术水准的不断提升，我国空气分离设备及技术越来越向大型化、专业化、规模化的发展趋势迈进。在确保企业利益最大化的基础上，合理的对深冷空气装置进行设计，将深冷技术的能耗量进行有效降低，是空气分离工作的主要任务。
　　参考文献
　　[1] 沈跃.深冷空气分离法加膜分离法的制氧系统[J].低温与特气，1997（02）：30-31.
　　[2] 任慧来，于庆波，彭家燕，吴天威，姚鑫，王坤.三种空气分离制氧工艺应用进展[A].中国金属学会能源与热工分会.第八届全国能源与热工学术年会论文集[C].中国金属学会能源与热工分会：，2015：5.
　　[3] 陈宗蓬，王晨，谢东红，王斌.空气分离技术回顾与展望[J].医用气体工程，2016，1（01）：14-18.

相关热词搜索：冷空气 装置 分离 探讨 原则