云南瑞气25000空分流程设计

云南瑞气25000空分流程设计

赵伟达

赵伟达

（四川空分设备（集团）有限责任公司四川简阳市641400）

摘要：云南瑞气25000空分流程采用自增压流程设计，提高氧气出冷箱压力，减小氧压机压缩比，降低空分装置整体能耗。同时采取其他优化措施，在降低空分能耗的同时保证了空分装置的安全运行。

关键词：空分装置；氧压机；氧气压力；自增压器；

云南瑞气25000空分装置，由四川空分设备（集团）有限责任公司负责设计、制造、安装，该套空分为瑞气公司后续的二甲醚生产提供连续稳定的合格氧气产品，氧气纯度为99.6%，氧气压力为3.6MPa，氧气流量为25000Nm3/h，空分工艺采用外压缩流程，氧气以低压产品出冷箱，经氧气压缩机压缩送至下游工艺。

我们首先按常规空分外压缩流程（常规外压缩流程指氧气出冷箱压力～20KPa）为该套空分做初步设计方案，发现氧压机功率高于以往配套氧压机（详见表一），这主要是由于本套空分配套氧压机出口压力高造成，以往氧压机一般配套钢厂空分装置，出口压力在3.0MPa以下；同时我们也意识到随着压缩比的增大将使得氧压机的设计、制造存在一些困难和风险。

我们知道，压缩机的能耗主要受压缩气体介质特性、压缩气体量、压缩前后压力（压缩比）因素影响。对于本套空分装置，氧压机的流量及压缩后氧气压力为满足后续工艺使用，参数必须得到保证，不能调整。要降低氧压机能耗，唯一能调整的只有氧压机吸入口的氧气压力。

为此，我们对该空分流程采用自增压流程设计，在不提高原料空气压力的前提下尽量提高氧气出冷箱（进氧压机）压力，通过降低氧压机的压缩比降低氧压机和空分装置能耗，同时也降低了氧压机设计、制造困难。

在冷箱布置中，精馏塔由三部分组成，上段是上塔，下段是下塔，中间是主冷凝蒸发器，通过主冷凝蒸发器连接上塔和下塔，将三部分连为一个整体。下塔精馏产生的压力氮气被主冷凝蒸发器中的液氧冷却成液氮作为上塔的回流液，主冷凝蒸发器中的液氧作为冷源冷凝氮气的同时，本身蒸发成氧气复热出冷箱，蒸发后的氧气具有与液氧相同的压力。我们只要提高蒸发时液氧的压力，那么就可以相应提高气氧的压力。提高液氧压力有两种方案：

一种方案是直接提高主冷凝蒸发器的操作压力。如果采用这种方案的话，为了在主冷凝蒸发器液氧蒸发的同时将下塔氮气冷凝成液氮，下塔氮气的压力也要相应提高，否则由于其该压力露点太低而不能够被冷凝。这样在提高主冷凝蒸发器操作压力的同时提高了下塔操作压力，间接提高了原料空气的压力，使得原料空压机能耗相应上升。虽然能通过这种方法能提高氧气出冷箱压力，降低氧压机功率，但空压机功率会被动提高更多，显然得不偿失，这种方案虽然操作简单，但本套空分不适于采用。

另一种方案是将液氧从主冷凝蒸发器中引出，采用液体泵或其他方式对液氧加压，再另外设置一个液氧换热器让加压后的液氧蒸发成氧气。液氧蒸发的热源可以不采用下塔氮气，而是采用原料空气。由于相同压力下原料空气的露点比氮气高2℃左右，并且液氧换热器与空气的换热温差可以设计得比主冷凝蒸发器更小，这样在采用原料空气作为热源时不一定需要提高其压力。通过流程模拟计算得出：采用原料空气作为热源蒸发液氧时，相应换热器内液氧液面压力可以比主冷凝蒸发器内液氧液面压力高50KPa左右而不需要提高空气压力。主冷凝蒸发器底部距离地面约14米，有一定的高度差可以利用，我们将主冷中液氧引入到一个比主冷位置更低的设备（液氧自增压器）中，由于液氧静液柱高差的存在，位于液氧静液柱底部的自增压器内液氧液面压力自然比液氧静液柱顶部的主冷凝蒸发器内液氧液面压力高。

考虑到空分装置冷箱内设备高差布置、换热器换热温度及各种因素，我们最终将本套空分装置主冷凝蒸发器与液氧自增压器之间的操作静液注高度确定为7米，液氧自增压器基础标高为7.25米，主冷底部标高为14.6米，主冷凝蒸发器和液氧自增压器采用全浸式操作，操作液面高度均约3米左右。在上塔正常操作压力为40KPa时，自增压器液氧液面压力理论上最高为110KPa。综合考虑各种阻力因素和保证裕量，氧气出冷箱压力保证值为60KPa，氧压机入口氧气压力保证值为50KPa。氧压机按入口压力50KPa配置。

当氧压机入口压力为50KPa，出口压力为3.6MPa时，其轴功率为4723KW，比入口压力为15KPa，出口压力3.6MPa的氧压机节约能耗约577KW。当采用自增压流程时，有部分湿空气进入下塔，氧和氩的提取率略有降低。但本套空分是为煤化工配套，不需要生产氩产品，所以对氩的影响可以忽略不计。对氧提取率的影响体现在原料加工空气量，当采用自增压流程后所需原料空压机排量约为125000Nm3/h，轴功率为10900KW，不采用自增压流程原料空压机排量约为123000Nm3/h，轴功率为10730KW，自增压流程原料空压机能耗增加170KW，但由于采用氧气自增压流程，使得氧压机的能耗减少577KW，整套空分装置能耗实际降低了407KW。自增压流程空气量增加2000Nm3/h，占整个加工空气量的1.6%，比例很小，相应其他空分设备（水泵、油泵）能耗基本没有增加。

采用自增压流程后，主冷中的碳氢化合物随液氧聚集到液氧自增压器中。为了保证自液氧增压器及整套空分装置运行安全，我们对本套空分装置重要设备单元采取了一系列优化措施：

1.本套空分是为煤化工配套，现场CO2和各种烃类介质含量会比常规钢厂配套空分偏高，出于对装置安全性考虑，本套空分大气中CO2含量按800ppm设计（大气中CO2含量一般为400ppm）；纯化系统吸附器加大分子筛装填量，使得各种烃类气体在进入冷箱前被吸附剂有效吸附。

2.主冷凝蒸发器板式单元和液氧自增压器板式单元采用防爆优化设计，四川空分在主冷板束方面成功开发出独特的防爆结构，可以有效防止CnHm等杂质在翅片中的积聚，同时设计时加大液氧循环倍率，保证主冷凝蒸发器和液氧自增压器安全。

3.设置主冷凝蒸发器和液氧自增压器安全接地，防止静电，运行中采用全浸操作、保证碳氢化合物不在板式表面积聚。

4.选用川空高效率膨胀机，流量调节范围大，制冷效率高，本套空分液氧正常安全排放量可以达到氧气产量的2.5%，而不影响整个装置的冷量平衡，满足空分装置的正常运行。（液氧常规安全排放量为氧气产量1%）

当对整套空分采用了一系列流程优化组织后，不仅有效降低了空分装置单位能耗，而且更加有效地保证了空分装置的安全性。

整套空分装置历经一年多的设计、制造、安装，现已在云南瑞气化工公司开车成功，产出合格的产品，各项工艺指标达到设计要求。

作者简介：赵伟达（1979-），男，工程师，2003年毕业于西安交通大学化学工程与工艺专业，在四川空分设备（集团）有限责任公司从事空分装置工艺流程设计，任空分事业部流程室副主任。