煤化工企业空分技术选择与工程设计

氮肥技术2009年第30卷第3期煤化工企业空分技术选择与工程设计任树强曲顺利(山东省化工规划设计院250013)摘要简要介绍了主要的空气分离工艺技术(空气低温分离工艺,变压吸附空气分离膜分离技术)的流程与原理,最新发展及其主要特点。介绍了煤化工企业空分技术的选择及现代空分技术与工程设计的关系。关键词煤化工空气分离原理工程设计目前新兴的煤化工企业的煤气化装置均采通过压缩机将其压缩至用户所需压力。在内压缩用纯氧或富氧气化工艺,如何获得稳定、可靠、廉流程中,用液体泵将来自精馏塔的液体产品提价的氧气或富氧空气就变得极为重要。压,再送入换热器汽化、复热后出空分装置。其中空气分离的方法可分为低温和非低温两种,用液体泵将产品提升至用户所需压力的流程为其中非低温空气分离方法包括吸附、膜分离、化全内压缩流程;在装置内将产品液体压力提升至学分离法。中间压力的流程为部分内压缩流程,此种流程可由于目前在大规模制取氧、氮液化产品,尤减少离心压缩机的压缩级数其是高纯度产品方面低温分离法具有无法取代深度冷冻法分为两步,先行制冷,再加精馏的竞争优势,而且只有低温分离法才具有可同时即可得到不同的气体产品。生产氩等稀有气体产品的能力,故低温法在空气1.1制冷分离的工业应用中占据非常重要的地位。为了使空气液化,可采用不同的深度冷冻循变压吸附法是20世纪50年代末才开发成环装置,主要以林德循环和克劳德循环为基础。功的由于其独有的灵活方便投资少、能耗低的前者是通过节流膨胀制冷;后者除仍有节流膨胀优点,近年来变压吸附空分富氧技术在中小规模外,还有一部分气体在膨胀机中作等熵膨胀。气富氧应用领域得到越来越多地应用。体进行等熵膨胀时,温度的降低要比节流膨胀膜分离空分是20纪世80年代国外兴起的大,而且能回收一部分压缩功所以比节流膨胀高新技术,属高分子材料科学,它是21世纪十大经济。其他各种改进的深度冷冻循环,有双压节新科技产业之一。该技术虽起步晩,但发展较快。流循环、带氨预冷节流循环、逐级重叠循环等。先进的空分设备技术必须与优秀的工程设在深度冷冻法的各种循环中,典型的流程是计相结合,才能使空气分离技术的应用更好地为先使空气在过滤器中滤去尘埃等杂质后进入压工业服务。缩机,再经分子筛净化器除去空气中在低温下易1空气低温分离工艺凝固气体,如水蒸汽和二氧化碳等,已净化的空空气低温分离工艺是利用多塔低温精馏的气在第一换热器中由产品氮气和氧气降温。出第方法从压缩空气中制取高纯度的氧、氮、氩产品。一换热器后,空气分成两路:一路经第二换热器压缩空气经过分子筛吸附器,除去所含的杂质,继续冷却后,再经节流阀降压;另一路经膨胀机包括水、CO2碳氢化合物等。再经换热器被冷却降压。两路膨胀后的空气温度均降至103K左右至低温,在精馏塔中可分离为氧、氮、氫等产品。进入双级精馏塔的下塔底部。装置所需冷量由压缩空气或压缩氮气膨胀做功12精馏获取。根据气态产品的加压方式可将空气低温分在深度冷冻法中,主要的分离过程是在双级离流程分为外压编和内压缩两种类型。在外压缩精馏塔中进行的。该塔由上、下两塔和塔间的冷流程中,空分装置生产的气态产品的温度接近于凝蒸发器组成。进入下塔底部的空气在该处的温环境温度,因其压力仅比大气压力稍高,故需要度和压力条件下,已部分液化。由于液氮沸点比第3期任树强等:煤化工企业空分技术选择与工程设计液氧沸点低,因而下塔底部的液化气体是富氧液氧出气。态空气,含氧的质量分数一般为30%~40%。下变压吸附制氮原理:利用氧和氮在碳分子筛塔操作压力应高于上塔,才能使下塔顶部氮的冷上吸附容量、吸附速率、吸附力等方面的差异及凝温度高于上塔底部液态氧的沸騰温度。从而使分子筛对氧氮随压力不同具有不同的吸附容量冷凝蒸发器内热量由管内传向管间,并具有一定的特性,来实现氧氮分离。首先,空气中的氧被碳的传热温差。冷凝蒸发器同时起到了下塔塔顶冷分子筛优先吸附,从而在气相中富积氮气凝和上塔塔底加热的作用。空气在下塔由下而上一套变压吸附制氧(制氮)系统主要包括三经过多层塔板精馏,使易挥发组分氮的浓度逐渐部分:空气压缩系统、压缩空气预处理系统、吸附提高,并在冷凝蒸发器管内冷凝成液氮。一部分分离系统。变压吸附空气分离的技术进步主要集液氮在下塔作回流液;一部分收集于液氮槽,经中在两个方面:变压吸附空分工艺过程的改进,减压后作为上塔塔顶回流液。下塔底部的富氧液使过程更加节能高效;变压吸附空分吸附剂性能态空气,经节流阀进入上塔中部,与冷凝蒸发器的改进。吸附剂是变压吸附技术的基础,吸附剂蒸发出来的气体逆流接触。由此使下流液体中的的性能决定着吸附分离效果,从而决定着吸附设含氧量由上至下不断增加,最后积聚在冷凝蒸发备投资和分离的经济性器管间,含氧的质量分数可达99%以上,并不断变压吸附空气分离法具有显著的特点。在此蒸发出产品氧而引出塔外。上塔塔顶引出的①开停车方便:原始开车几十分钟左右可按则是产品氮,氮的质量分数亦可达98%以上。出要求获得合格产品。临时停车后重新启动即可迅精馏塔的产品氧和产品氮的温度都很低,可通过速恢复供给合格产品;换热器使输入空气降温②操作弹性大;由于氩的沸点介于氮、氧沸点之间,利用双③自动化程度高。整个吸附分离过程由PLC级精馏塔还不能同时得到纯氮和纯氧。若在上塔或DCS控制,可以实现无人操作中部适当部位抽出富氩气体作为提氫原料,则产④操作成本较低。主要操作成本为电耗,先品氮、氧的浓度可提高。沸点较低的氖和氦气积进的装置电耗≤04kWhm(O2);聚在液氮上面,可抽出作为提氖、氦的原料。沸点⑤分子筛寿命长。在正常操作情况下一般可比较高的氪氙则积累在上塔底部液态氧和气体使用8~10年,无环境污染;氧中,可抽出作为提氪氙的原料⑥投资省,一次性投资低。低温法实现空气分离是深冷与精馏的组合,采用富氧气化的煤气化装置,可以选择变压是目前应用最为广泛的空气分离方法。吸附法获取富氧空气或氧气。采用纯氧气化的煤气化装置均选择低温法3膜分离空分实现空气分离。膜法气体分离技术是当今世界竟相发展的2变压吸附空气分离高新技术,属高分子材料科学,它是21世纪十大变压吸附(PSA法是一门新的气体分离与纯新科技产业之一。由于膜分离没有相变、不需要化技术,是非低温空气分离中的“明星”。变压吸再生,所以膜分离技术具有技术先进、投资少、操附制氧(制氮)广泛用于冶金、化工、化纤、化肥、作费用低、寿命长、操作简单、开停机方便、占地造纸、采油、污水处理、垃圾焚烧、煤矿防灭火、保面积小操作弹性大、维护费用低等优点。膜法气鲜贮藏、金属热处理等。与深冷法空分相比,一般体分离技术现已广泛应用于从合成氨放空气中认为,在8000m}h规模等级以下,变压吸附制氧回收氢气、从天然气中提浓氦气、二氧化碳的回更具经济性。因此,在中小规模的空分领域变压收、甲醇等用的合成气的调比等。此外,气体膜分吸附制氧(制氮)将占主导地位。离技术还可用于空气分离,膜法空气分离可以直变压吸附制氧原理氮分子含有孤对电子而接生产氮气,其氮的体积分数可以达到99%;极性大于氧并且有较大的四极矩,因而N2与沸石膜法空分还可以直接生产富氧空气,富氧空气中骨架中阳离子的作用力强。空气逐层通过沸石柱氧的体积分数可以达到50%。后,气相中的含氧量逐渐提高,这样便可得到富膜法气体分离的基本原理,是根据混合气体氮肥技术2009年第30卷中各组分在压力的推动下透过膜的传递速率的用。空分设备新技术的采用有可能使工厂设计中不同,从而达到分离目的。通常一切气体均可以的主厂房为一层布置或露天布置,一改过去工程渗透通过高分子膜,其过程是气体分子首先被吸设计中习惯主厂房二层布置,水管及电缆都采用附并溶解于膜的高压侧面,然后借助于浓度梯度明沟布置的方法。当采用一层布置或露天布置在膜中扩散最后从膜的低压侧解析出来,其结时,要对地下、地上管线及电缆的敷设方式进行果是小分子和极性较强的分子的通过速度较快,统一安排。另外还要对周围配电室的布置、厂房而大分子和极性较弱的分子的通过速度较慢,膜和厂区周边噪音的防治,以及主厂房内设备的检分离就是利用各种气体在髙分子膜的渗透速率修等作通盘的考虑,才能取得较好的效果。如在不同,来进行气体分离的。由于膜分离技术是利氧气站工程中,我们对地下管道采用了分层直埋用不同气体的渗透速率的不同来进行气体分离布置及特殊的防腐处理。又如只在一层主厂房中的,其分离推动力为气体在膜两侧的分压差,所设了5t吊车,而在屋顶上设置了部分活动屋盖,以膜法气体分离没有相变、不需要再生。膜材料作检修电机之用。再者,大型压缩机、大型液体贮是膜分离制氮技术的心脏部件,是决定气体分离罐及大型空分冷箱对基础提出了更高的要求在优劣的关键因素。工程设计中一定要精心设计。首先要用先进的计目前还没有煤化工企业选择膜法气体分离算机软件进行计算,再用CAD去完成设计。用先技术制取氧气或氮气。进的PDMs三维设计软件,并进行了消化、建库和4现代空分设备技术与工程设计的关系开发,现己用它完成了60000m/h空分装置的施空分设备的设计与制造,空分设备的工程设工设计,倍受用户的好评。由于气体应用市场的计,空分设备的使用、管理及维护是空分行业系需要等原因,空分装置的液体产品逐渐增多,因统的三个组成部分。三者之间关系密切,互为依而带来了液体低温管道的大量应用,另外空分装存。先进的空分设备与优秀的工程设计相结合,置中还有一些高温管道(例如分子筛区的管道),共同为使用空分设备的业主服务。需要对管道的应力和管道的绝热进行计算,也引41空分设备的先进技术提供了改进工程设计进和开发了相关的计算机软件,在实际工程应用的机会和要求中收到较好的效果。最后,在工厂设计中,要将先最近,空分设备中采用了全精馏无氢制氩技进的空分设备和工厂现场实际情况相结合,才能术,取消了加氢脱氧工序,如果空分设备中再采做出好的工程设计,由于空分工程中所采用的都用部分液氧内压缩,经泵升压至管网压力后汽化是具有先进技术的空分设备,但工厂改扩建现场出冷箱,就可以使工厂设计中制氧主厂房中的偏场地一般都很拥挤,有时需要利用部分旧厂房进跨厂房布置大为简化,减少厂房面积。而在站区行改建。在设计中应按照实际情况进行灵活的布布置中,由于没有氢气站,可紧缩总图布置。同置和调整,即保证符合有关规程规范的要求,又样,如空分设备采用氧气内压缩流程,就可不用能满足生产操作及检查维修的需要氧压机,因而可以简化工厂设计中主厂房的布5结束语置。再者,由于空压机的结构改进,使工程设计中当今,空气分离技术越来越朝专业化、规模的厂房采用一层布置或露天布置,可以减少投化标准化的方向发展,在保证最大收益的前提资。此外,由于空分设备中采用大型压缩机、大型下,努力降低能耗是这项技术面临的主要工作。液体贮槽以及空分冷箱的增高,都对基础的设计在实际工作中善于发现系统存在的问题,改善流及整体布置提出了更高的要求。程控制方案,必将进一步提高空气分离的自动化42用优秀的工程设计支持和配合空分设备中控制技术水平。总之,我们要不断开发空分设备新技术的应用新技术,不断完善空分设备装置的工程设计,认空分设备的先进技术给空分工程设计提供真做好空分设备的使用、管理和维护工作,共同了改进工程的机会和要求,因此一定要用优秀的努力为空分行业的发展作出贡献。工程设计去支持和配合空分设备中新技术的应(收稿日期:2009-03-30)