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啥叫空分？空分裝置和系統流程大揭秘
2019-09-29
大家對各類壓縮機、汽輪機并不陌生，但是他們在空分環節的作用，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，生產氧氣、氮氣和氬氣的一套工業設備。還有稀有氣體氦、氖、氬、氪、氙、氡等。
空分設備是以空氣為原料，通過壓縮循環深度冷凍的方法把空氣變成液態，再經過精餾而從液態空氣中逐步分離生產出氧氣、氮氣及氬氣等惰性氣體的設備，普遍應用于傳統的冶金、新型煤化工、大型氮肥、專業氣體供應等領域。
簡單來說就是空分的系統流程包括：
■ 壓縮系統
■ 預冷系統
■ 純化系統
■ 換熱系統
■ 產品送出系統
■ 膨脹制冷系統
■ 精餾塔系統
■ 液體泵系統
■ 產品壓縮系統
我們按照空分系統流程對設備進行一一介紹：
壓縮系統
有自潔式空氣過濾器、汽輪機、空壓機、增壓機，儀表壓縮機等。
（1）自潔式過濾器一般隨著氣量的增大，濾筒數增多，層數也越高，一般2.5萬等級以上雙層，6萬等級以上三層布置；一般單臺壓縮機需要單獨布置過濾器，同時布置在上風口。
（2）汽輪機是高壓蒸汽進行膨脹做功，帶動同軸葉輪轉動，從而實現進行對工質做功的型式。汽輪機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）空壓機一般大型空分裝置投資均為單軸等溫型離心壓縮機，進口較國產能耗低2%左右，投資高80%；空壓機采用出口放空，不設置回流管路，一般有最 小吸入流量防喘振要求，采用入口導葉進行流量調節，進口國產機組均是四級壓縮三級冷卻（末級不冷卻）。主空壓機配備一套水洗系統，用以沖洗各級葉輪和蝸殼表面沉積物。該系統隨主機成套。
（5）增壓機一般大型空分裝置投資采用單軸等溫型離心壓縮機和齒輪式離心壓縮機兩種，其中齒輪式在能耗上占較大優勢，尤其壓比較大的工況。
（6）儀表氣壓縮機一般有三種形式：無油螺桿機，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；而螺桿機一般有有油和無油然后除油兩種，噴油螺桿機需要設置除油裝置，同時需要設置精度非常高的除油過濾器，以滿足工藝要求，這種機型的優勢是價格較便宜；無油螺桿采用干轉子或者水潤滑，這種機型優點是不含油，缺點是價格較貴。氣量500Nm³/h以下適合選活塞式；氣量在2000Nm³/h以下適合選螺桿機或活塞機；氣量在2000Nm³/h以上即三種機型都可以選，氣量大時離心式壓縮機較有優勢，其易損件較少，同時好維護，性價比較高。
儀表壓縮機在開車時使用，正常運行后由分子篩純化器后抽取。
預冷系統
預冷系統空冷塔有兩種形式：閉式循環（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）和開式循環（進循環水系統），閉式循環主要應用于水質不好的化工廠，需要補充新鮮水及藥劑；開式循環應用較廣，但是循環水系統同樣也需要定期補充新鮮水，預冷系統還需要考慮夏天工況。
空冷塔一般設計為底部為1米φ76不銹鋼鮑爾環（耐高溫），3米φ76增強型聚丙烯鮑爾環（大通量），4米φ50增強型聚丙烯鮑爾環。
水冷塔也有兩種：兩段式（無外加冷源時，干燥污氮氣的冷量回收充分，使之預冷系統有保障，但是阻力大一倍，（7米+7米φ50聚丙烯鮑爾環）和一段式（有外加冷源時，8米φ50聚丙烯鮑爾環）。
此外，預冷系統一般所有進水均要設置過濾器（一般6臺：4臺水泵，水冷塔進水，冷水機組蒸發側進水），防止雜質帶入系統。預冷系統的效果檢測為：下段4米填料段出口氣比進水低1℃；上段8米填料段出口氣比水高1℃，一般在空冷塔中部設置測溫計（伸入內部）。
純化系統
純化系統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（直徑已經到4.6m）以下空分設備的配套，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部空間，使得同直徑吸附層面積擴大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%，再生能耗也節省20%。
但是立式徑向流缺點是氣流中心集中（扇形區），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，節能20%）布置方式有：一臺蒸汽加熱器（有H2O泄漏測點）；電加熱器（兩用一備或者一用一備）并聯（高溫低流量聯鎖停設置，防止燒壞，加熱管材質為1Cr18Ni9Ti）；電加熱器（滿足活化再生，250∽300℃）與蒸汽加熱器并聯；電加熱器與蒸汽加熱器串聯（蒸汽溫度低時，不過造成再生阻力較大）。
對純化系統還需要設置節流再生管路以滿足開車需要。另外再生氣側設置安全閥，蒸汽加熱器側設置安全閥，防止設備或者閥門壓力高側泄漏或者超壓，以及節流超壓。
再生流路配置手動蝶閥來調配阻力，以使得主塔運行穩定（或者不設置，采用總管設置調節閥時序調節）。
換熱系統
換熱系統嚴格來說多股流混合介質設計在同一換熱器里，讓各介質傳熱自動平衡，能耗最 低，但是這樣對于內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2萬等級以上內壓縮換熱器組織還是采用高低壓分開的辦法，更為經濟些，2萬等級以下采用全部高壓換熱器配置。
產品送出
低壓氧氮產品，設置產品調節閥與放空流路，放空進消音器（氮氣內件為碳鋼，氧氣內件為不銹鋼）。污氮氣設置去水冷塔放空（起污氮氣放空作用、調配再生氣以及調整上塔壓力的作用，要求水冷塔塔徑能夠滿足泄放要求，尤其有氮氣也通入的場合，不能使上塔壓力憋高，水冷塔阻力6kPa(8米高填料)，管路及閥門4kPa，對大氣放空壓差2kPa，總共12kPa）。
高壓氧氣產品，放空采用兩級節流，先是高壓產品氣節流至10barG，經過偏心異徑管，中間設置蒙乃爾降噪板，再通過偏心異徑管擴大管路直徑，氧氣介質流速控制在10m/s以下，再通入消聲塔節流放空，消聲元件不銹鋼；高壓氮產品，氮氣產品先節流至10bar，通過不銹鋼降噪板，再通入消聲塔節流放空，消聲元件碳鋼；氧氣閥門要求不得人去操作（調節閥禁帶手輪，手動閥放置防爆墻內）。
消聲塔還可以與壓縮機系統放空合二為一，空壓機增壓機降噪（按照空壓機量計算），通入消聲塔，以及純化系統泄壓空氣，增壓機打回流，泄放部分。
膨脹制冷系統
膨脹機一般有三種，即低壓膨脹機，中壓膨脹機和液體膨脹機。
對于一定類型的氣體膨脹機來說，工質體積流量越大，效率越高。一般流量8000Nm³以上的低壓膨脹機效率為85∽88%，流量小于3000∽8000Nm³效率會低至70∽80%。
中壓膨脹機一般采用一臺進口一臺國產（備用）。氣量8000Nm³/h以上進口膨脹機效率82∽91%（增壓端少4個點）；國產膨脹機效率78∽87%（增壓端少5個點）。
膨脹機啟動前需要先吹掃（除去管系雜質，膨脹機蝸殼內雜質），再通密封氣（正常時由增壓端提供），然后進行油系統外循環，內循環，做完聯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，正常運行后不需要，此時軸承的冷熱已經平衡。
液體膨脹機本質是利用高壓液體的壓力頭來進行水力做功（同時液體焓值降低，但是與氣體相比，相差甚遠），一般4萬等級以上內壓縮空分設備均可用液體膨脹機代替高壓液空節流閥。它的優勢為利用液體膨脹機制冷和膨脹功發電達到節能目的，一般可實現節能2%左右，但是其投資達千萬元。
精餾塔系統
下塔1.5∽5萬等級采用篩板塔較多，環流塔板在1.5萬等級以下直徑塔較有優勢（液體流程較對流長，但是制造復雜），對流3萬等級以下應用較多，1.5萬等級以上較占優勢，四溢流在3萬等級以上大塔較占優勢，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氣管路，氬系統停運時能耗低；精氬塔熱源為富氧液空，或下塔氮氣，冷源可以是貧液空或者液氮，進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，否則會導致氬產品不合格。
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，與氮氣同流向）。
精餾塔系統的布置有6種方式：
（1）上下塔垂直布置，為常規布置方式，高度較低，無下塔液體難以進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，此時管徑不能小）；
（2）上下塔垂直布置，為常規布置方式，高度適中，下塔液體難以進入上塔或者粗氬塔冷凝器采用設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，進氣位置在管路汽化率為1%高度處，此時需要適當縮小管徑，同時液體過冷度不能大）；
（3）上塔自氬餾分段落地布置，采用兩臺循環氧泵連接，降低上塔高度可以解決下塔液體無法進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小；
（5）上塔自主冷落地布置，采用循環泵連接，主冷在下塔頂部，優點是主冷可以做的很大；
（6）上塔自主冷落地布置，采用循環泵連接，粗氬塔最 上段座在上塔上部，優點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
臥式泵水平布置（進液管低于排液管），需要設置加溫氣（設置在泵后，或者泵前過濾器前，防止雜質進入），密封氣，排液排氣閥（低處排液，高處排氣）和回流管路（回液進氣相），臥式泵轉速不能太高，一般排壓30barG以下，臥式泵由于水平布置，冷態收縮軸承受力較好，但是轉速高轉子動平衡不好滿足。
立式泵采用軸承懸掛式布置（進液管高于排液管），承受向下拉力較大，轉子重心與軸重合，轉速可以很高；一般30bar以上，需要設置：泵前回氣（注意臥式泵無），加溫氣（設置在泵過濾器前，高處進氣）， 密封氣，排液排氣閥（低處排液，高處排氣，預冷時看是否冷透）和回流管路（回液進氣相）。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，易導致泵汽蝕。另外低溫泵電機需要設置吹風管路，防止夏天過熱，冬天結霜。
液氧泵液氮泵在線冷態備用，其中液氮泵密封氣密封氣壓力7barG以上；氧泵密封氣壓力4barG(下塔壓力氮氣即可滿足)；循環液氬泵，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。
產品壓縮系統
氮透一般壓縮空氣的均可滿足，氮氣透平壓縮機壓力較高采用齒輪式較為節能。
氧透根據排壓有單缸（壓力低）和雙缸（高壓缸和低壓缸）（8級壓縮至30bar），一般30barG以下，需要設置5barG的密封氣（壓力氮氣可滿足），同時由于氧氣介質有高壓高溫火患原因，所有過流部分均采用銅合金，需要設置保安氮氣，一般由工程設計院考慮；進口氧透價格較高，為國產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%）。
氧透一般應用于外壓縮流程，從3∽30barG均有,不過一般要和帶增壓機的內壓縮流程（效率一般70%以上，也有流量限制，效率要較氧透高10個點以上，這樣甚至可以抵消外壓縮較內壓縮少復熱附加能耗損失的優勢，但是內壓縮用于鋼廠排壓需要提高，以免換熱系統波動）進行能耗比較，最 后確定方案。
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