何永 席俊峰(陜西煤化能源有限公司,陜西 咸陽 713600)
化工企業(yè)空氣分離裝置工藝流程選擇
何永席俊峰(陜西煤化能源有限公司,陜西咸陽713600)
在化工企業(yè)中空氣分離裝置發(fā)揮著重要的作用,其也是化工企業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的一種配套裝置。本文簡要介紹了化工企業(yè)中常見的3種空氣分離裝置工藝流程,各化工廠應(yīng)該根據(jù)自身的實際情況我遠擇合適的空氣分離裝置工藝流程,達到降低能耗、提高經(jīng)濟效益的目的。
化工企業(yè);空氣分離裝置;工藝流程
裝有分子篩的吸附塔是變壓吸附分離工藝的核心部機,在分子篩微孔中,不同組分具有不同的擴散吸附速率,從而實現(xiàn)對氮氣和氧氣的分離。如果吸附?jīng)]有達到平衡,那么在氣相中氮氣或者氧氣就會被富集,并形成相應(yīng)的產(chǎn)品氣體。然后再將壓力減小,將吸附到的雜質(zhì)和廢氣排除掉,就能實現(xiàn)再生[1]。
在變壓吸附分離裝置中具有兩個吸附塔,第一個吸附塔的作用是吸附氮氣或氧氣,另一個吸附塔的作用是脫附再生。兩個吸附塔在氣動閥門的作用下能夠交替工作,從而連續(xù)產(chǎn)生氮氣或者氧氣。氣動閥門的啟閉主要是由PLC程序控制器進行自動控制。
變壓吸附分離工藝的優(yōu)點在于運行參數(shù)穩(wěn)定、能耗低、維修便利,其大多為撬裝式組合結(jié)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)無人操作。但其缺點也非常明顯,生產(chǎn)出的氮氣或者氧氣具有較差的純度,氣體壓力較低。產(chǎn)品純度會對設(shè)備尺寸、設(shè)備能力產(chǎn)生較大的影響,這是由于變壓吸附分離工藝的規(guī)模本身較小。一般情況下變壓吸附產(chǎn)品的最小氣體壓力約為0.4MPa,最大氣體壓力約為0.8MPa,制氮純度能夠達到95%~99.9%,制氧純度能夠達到93%±2%。根據(jù)當前的國內(nèi)技術(shù)水平,單套產(chǎn)品的最大變壓吸附制氮處理量能夠達到1000Nm3/h,最大變壓吸附制氧往往難以達到500Nm3/h。當前成熟產(chǎn)品在氮純度達到或超過99.99%的情況下,制氮能力僅為600Nm3/h,在氧純度為95%~99%的情況下,制氧能力能夠達到6000Nm3/h[2]。
不同氣體在膜中有不同的擴散和溶解系數(shù),以此為依據(jù)可以進行氣體分離,這也是膜分離技術(shù)的技術(shù)原理?;旌蠚怏w在膜兩側(cè)壓力和驅(qū)動力的壓力差的作用下,產(chǎn)生不同的滲透速率。二氧化碳、氫氣、水汽、氧氣具有較快的滲透速率,其會在膜的滲透側(cè)富集起來。氬氣、氮氣具有較慢的滲透速率,其會在滯留側(cè)被滯留而富集,從而實現(xiàn)混合氣體的分離。
膜分離工藝的優(yōu)點在于啟動速度快、占地面積小、能耗低、噪音小、設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊,并且能夠?qū)崿F(xiàn)無人操作。膜分離設(shè)備結(jié)構(gòu)比較簡單,可以做成集裝箱式、撬裝式或者箱式,安裝起來比較便利,5~15分鐘之內(nèi)就可以將合格的產(chǎn)品氣體提供出來,具有較快的運行速率。但是由于設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,膜的質(zhì)量會直接影響膜分離設(shè)備的使用壽命。而且一旦膜發(fā)生老化,要對其進行更換或者維修比較不便。膜分離工藝的另一個缺點在于具有有限的分離能力,產(chǎn)品氣體的純度較低,氮氣產(chǎn)品的純度約為95%~99%,氧氣產(chǎn)品的純度約為45%,往往用于對產(chǎn)品氣體純度要求不高的行業(yè),例如醫(yī)用行業(yè)、污水處理行業(yè)和富氧燃燒等等。
氮氣和氧氣具有不同的沸點,利用這一特性,通過低溫精餾工藝能夠?qū)崿F(xiàn)氮氣和氧氣的分離。氣體的沸點會受到溫度和壓力的影響,跟精餾工藝中使用低溫、高壓的環(huán)境,先對空氣進行液化,然后由精餾塔進行傳質(zhì)傳熱,將空氣中的氮氣和氧氣分離開來[3]。
低溫精餾工藝的優(yōu)點在于氣體壓力足、氣體純度高、產(chǎn)氣量大,能夠滿足化工企業(yè)的生產(chǎn)需求。然而企業(yè)具有負荷調(diào)節(jié)范圍小、啟動時間長、操作復雜的缺點,在需要穩(wěn)定量和大劑量的連續(xù)供氣情況下比較適用。隨著工業(yè)的發(fā)展,低溫精餾工藝中引進了DCS控制系統(tǒng),對其缺點有了一定的改善。以用戶需求為根據(jù),低溫精餾工藝又具有以下幾種工藝流程。
(1)全精餾無氫制氬。全精餾無氫制氬技術(shù)是以規(guī)整填料技術(shù)為基礎(chǔ)的,主要應(yīng)用于大中型設(shè)備。其目的是獲得產(chǎn)品氬。工藝流程是先通過傳統(tǒng)工藝來獲得工藝氬,進而對工藝氬進行低溫蒸餾,將其中的氮氣去除掉,得到所需的產(chǎn)品氬。其優(yōu)點在于操作便利、流程簡單、穩(wěn)定安全、氣體純度高。但是卻具有較低的可靠性,在制備過程中會消耗氫氣,產(chǎn)生較高的費用,而且具有較高的危險性。
(2)規(guī)整填料。規(guī)整填料具有3個方面的優(yōu)勢:首先,其具有較低的能耗,可以連續(xù)進行熱交換。填料表面由于回流液而形成液膜,從而降低上塔阻力,汽、液之間具有不同的流路,極大地降低了填料上塔的阻力。其次,氬、氮、氧具有較高的分離率,上塔的操作壓力能夠降低15%~20%,并降低下塔的壓力,有利于氬、氮、氧的分離,從而提高氣體的提取率。能夠提高5%~10%的氬提取率,1%~3%的氧提取率。第三,能夠進行大范圍的操作和變動。填料塔的氣液接觸具有連續(xù)性,填料塔中具有較少的持有量,因此在一定的范圍內(nèi)能夠進行較大的變動,填料塔具備40%~120%的負荷范圍,以及較快的變工況操作。
(3)內(nèi)壓縮和外壓縮流程。
本文對當前化工企業(yè)中常用的3種空氣分離裝置工藝流程進行了簡要的介紹,這3種空氣分離裝置工藝流程都各有優(yōu)缺點,化工企業(yè)要根據(jù)自己的實際需要選擇合適的空氣分離裝置工藝流程,并不斷對空氣分離技術(shù)進行改進。
[1]陳錦偉.淺談空氣分離技術(shù)的發(fā)展和改進[J].化工管理.2015(18).
[2]石立.淺析空氣分離裝置工藝在化工企業(yè)中流程選擇[J].科技創(chuàng)業(yè)家.2012(19).