空分装置工艺流程的选择

空分装置工艺流程的选择

姜明

江苏中能硅业科技发展有限公司江苏徐州221000

摘要：现如今，国家经济发展越来越好，科学技术水平不断地创新和实践，现在空气分流技术也开始有了很大的变化。我国很多大型的煤化工行业对空分装置的需求都非常的巨大，如何确定正确的工艺流程也是各个大型的煤化工企业亟待解决的问题。

关键词：空分装置；工艺流程；选择

引言

空气分离装置是现代工业生产中的重要组成部分，以空气为生产原料，以多种生产工艺流程来分离空气中的氧气、氮气等成分，转化成液态形式，供应给石油、冶金、生物制药等多种工业生产使用。随着我国现代化工业发展越来越快，空气分离装置的应用前景也越来越广泛。本文在分析空分装置工艺流程特点的基础上，从变压吸附、膜分离、低温深冷等工艺方面入手，提出工艺流程的合理改造。

1空分装置工艺介绍

空分装置是石油、化工行业的重要装备，主要是通过深度的冷冻将空气由气态转化为液态，然后经过精确的蒸馏将液态的空气分流出氧、氮、氩等气体，用于工业生产中。空气中的氧、氮、氩等气体是以分子的形态存在，分子颗粒较小、数量多、实时运动并且毫无规则这些特点使得要将他们分离出来较为困难。下面就对现在比较常见的空气分离技术进行具体的分析。

1.1变压吸附工艺

变压吸附工艺主要以分子筛作为吸附剂，通过对压力进行改变，空气中的氮氧分子在分子筛的工作作用下，它们之间的吸附力就会具有差异性。一段时间之后氮氧分子就能成功分离，然后进入变压过程，即对氮氧分子进行卸压，分子筛是可以循环使用的。这种使用分子筛进行氮氧分离的方法被称为变压吸附工艺。在实际过程中使用这种工艺手法时，需要对空气进行净化，除去空气中的一些杂质，同时送入缓冲罐中进行操作。这种工艺手法的工艺流程繁多但是不复杂，它存在的弊端就是提取出的氮氧产品的纯度较低。

1.2膜分离工艺

从原理上来说，膜分离技术应用的扩散原理，即根据气体在膜中溶解和扩散的系数差异，实现不同的渗透速度来实现空气成分的分离。不难看出，分离膜的性能好坏，决定了空气分离工艺的水平。空气原料在膜的两侧作用，渗透率快的部分与渗透率慢的部分实行自然分离，但为了保障产率，一般会使用催化剂；实际生产过程中依然要先通过净化预处理系统。膜分离工艺是所有工艺类型中最灵活的，通过更换不同的纤维材质膜，就可以得到不同种类和纯度的气体产品。实践研究证明，膜分离工艺所面临的压力越大，产量就越大，因此发展纤维膜技术是这一工艺的核心问题。

1.3低温精馏工艺

低温精馏工艺是低温深冷空气分离工艺的升级版，其原理是利用空气中氮氧分子的物理特性不同来实现的。氧分子和氮分子的沸点不同，在高压低温的情况下首先对空气进行液化，随后经过精馏，传热分离已经转化为液态的空气，从而分离氧分子和氮分子。这一工艺在实际的应用中保留了大量的传统手段，如空气压缩机、净化装置、热交换系统以及精馏系统等等。相比较前两种工艺而言，低温精馏工艺具有很明显的特点，即可以实现产品的高纯度性。低温精馏工艺受到新工艺的冲击，主要是由于其自身的流程较为复杂，装置启动时间过长等缺陷。尤其是装置本身造成的不便性，包括空气压缩机、净化器、热交换系统等等，初始化投资成本要远远高于分子筛和膜分离工艺。

2空分装置工艺流程的选择

空气分离装置的应用范围广泛，品种多样，不同的行业在选择的过程中，要根据自身的需求确定。在了解了主要的空气分离装置工艺原理之后，还要确定用户究竟要生产怎样形态的产品（液态或气体），作者做出了如下的选择建议。

2.1液态产品生产的工艺选择

空分装置及流程所对应的原料是气体形态，转化液体形态需要高压、低温等条件。综合以上工艺的特点，不难判断出，要得到液态产品低温精馏工艺是最佳的选择。这是因为，非低温状态下，尽管可以利用分子筛或者分离膜得到氮氧分子的集合，但在一个大气压的状态下，氧气（纯氧）的沸点是90.17K（-182.98℃），氮气（纯氮）的沸点是77.35K（-195.80℃），根本无法形成液态形式。因此，要获得液态产品，必须对温度和压力做出考量，同时液态产品的存储工艺要求也十分严格，这与生产工艺实现对接需要严格的条件。

2.2气态产品的工艺选择

（1）双高产品对工艺流程的要求非低温精馏工艺受工艺本身的限制，无法制取双高产品（同时得到纯度高于99.9%的氧、氮产品）。变压吸附和膜分离工艺，由于不同的吸附剂和分子膜只能吸附、分离出某种特定的产品，因而无法获得双高产品。只有全低压空分低温双塔精馏工艺才能满足制取双高产品的要求。（2）产品产量对工艺流程的要求空分装置连续生产单一气体产品，变压吸附、膜分离和低温精馏工艺都能满足要求。但是受本身工艺的限制，变压吸附和膜分离工艺产品纯度和生产率互相制约（参看图5、图6），因而无法制取大量的纯产品。目前，常见的变压吸附和膜分离工艺制取氧、氮产品的产量大都在5000NM3/h以下，产品纯度可达95%～99.99%。全低压低温精馏空分属传统工艺，大中小型空分装置都在应用。随着变压吸附和膜分离工艺的发展，小型制氧、氮装置有的较大的选择性。不同的工艺都能满足产品产量和质量的要求，并有各自的工艺特点，对于选择哪种工艺，可根据对装置的不同需求加以比较选择。但是氧、氮产品产量高于5000NM3/h的大中型空分装置，采用全低压低温精馏工艺是变压吸附和膜分离工艺无法替代的。（3）操作方式对工艺流程的要求对于小型空分，变压吸附、膜分离和低温精馏工艺都可采用。如果用户对产品需求是间歇的，或用量波动较大，采用非低温精馏工艺较为经济。非低温精馏工艺的特点就是：可根据要求生产多种不同质量产品；操作灵活，可在较大范围内调整负荷；启动时间短，开车后可以很快获得所需产品。因此，对于间歇生产的工艺，宜采用非低温精馏工艺。而低温精馏工艺由于流程复杂，操作难度的，装置启动时间长，所以只适用于连续生产的需要。（4）大型空分输出产品的工况对工艺流程的要求全低压空分工艺技术成熟，装置运行稳定，可以生产双高产品，广泛应用于各行业。但大型空分装置主要应用于石油、化工、炼钢和冶金等行业。全低压空分装置现在采用的主要是全低压内压缩和外压缩工艺。两种工艺主要是为满足对氧产品的不同压力要求，从装置的安全性、稳定性和经济性考虑而发展的结果。对于炼钢和冶金行业，因各自行业工艺的要求，对氧产品的压力要求较低，要求氧气压力为0.3～0.5MPa和1.5～3.0MPa两个压力等级，对这两种压力等级的氧气，宜采用全低压外压缩空分流程。在化工行业中，对需要氧气压力低于3.0MPa的装置，宜选用全低压外压缩工艺，而对所需氧气压力高于3.0MPa的装置，宜选用全低压内压4缩工艺。

结语

总而言之，每种工艺都有其优点和不足。在具体选择工艺流程时，还是要根据自身的实际情况出发，综合考虑各种情况，找到最适合自己的工艺流程。随着科学技术的推陈出新，空分装置工艺也在不断的更新。虽然有新的技术能够不断更新，但是只是对传统技术的冲击，无法做到彻底的代替。因此，我国的空分装置还有很大的提升空间，需要更进一步的深化创新。

参考文献：

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