化工企業(yè)空氣分離裝置工藝流程選擇探究

楊保宏

摘 要：空氣分離裝置是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的重要配套裝置，以空氣為主要生產(chǎn)原料，因?yàn)榭諝庵懈缓踉睾偷?，化工企業(yè)可以運(yùn)用不同的生產(chǎn)工藝流程來(lái)分離空氣中的氧氣、氮?dú)獾?，并將其轉(zhuǎn)化成高純度的氣態(tài)以及液態(tài)形式，分別供應(yīng)給石油、冶金、生物制藥等多種工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)使用。隨著我國(guó)現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展越來(lái)越快，空氣分離裝置的使用面也越來(lái)越廣泛。就化工企業(yè)空氣分離裝置工藝流程的選擇進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞：化工企業(yè);空氣分離裝置;工藝流程選擇

1?選擇空氣分離裝置工藝流程對(duì)化工企業(yè)的重要性

我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的迅猛發(fā)展，無(wú)形中帶動(dòng)了多個(gè)經(jīng)濟(jì)支撐產(chǎn)業(yè)的繁榮。在化工產(chǎn)業(yè)中，一些先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)顯著提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，同時(shí)節(jié)省了很多人力、物力、財(cái)力。其中，空氣分離裝置為化工產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)提供了一定的動(dòng)力。在化工企業(yè)中，高純度的氧氣和氮?dú)馐欠浅Ｖ匾墓に囋蠚怏w，比如氮?dú)庵饕米鞅Ｗo(hù)氣體、置換氣體、洗滌氣體、安全保障氣體，是化工企業(yè)進(jìn)行正常生產(chǎn)運(yùn)作的重要前提，但是其工藝流程的選擇是多種多樣的，如何選擇正確的空氣分離裝置工藝流程一直是化工企業(yè)的一道難題[1-2]?；て髽I(yè)一方面要根據(jù)客戶所需要的氣體比較工藝流程，另一方面要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行選擇，才能最大限度地發(fā)揮應(yīng)用價(jià)值?？諝夥蛛x裝置的工作原理是利用氨和空氣的不同物理性質(zhì)，根據(jù)它們冷凝所需的不同溫度，利用空氣分離裝置中的制冷系統(tǒng)把不能被液化的空氣分離出來(lái)。在空氣分離裝置工作時(shí)，所使用的冷源利用從貯液器來(lái)的氨液進(jìn)入空氣分離器內(nèi)部的盤管里，在盤管內(nèi)吸收分離器中混合氣體的熱量再蒸發(fā)，而混合氣體中的氨氣冷卻后被液化，空氣因不能冷凝而被分離出來(lái)。目前常用的空氣分離方法有低溫空氣分離法、膜分離法以及變壓吸附法3種方式，均有利有弊。所以，化工企業(yè)的工作人員在選擇工藝流程時(shí)，既要堅(jiān)持安全性能好、技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)效益高且節(jié)省能源的原則，也要滿足客戶對(duì)貨品質(zhì)量的要求。

2?空氣分離方法分類

2.1? 低溫空氣分離方法

低溫空氣分離方法即低溫精餾法，先將收集到的空氣冷凝成液體，再根據(jù)以液體形式存在的氣體分子的不同沸點(diǎn)，通過(guò)蒸餾提取出純度較高的各種氣體。利用這種方法可實(shí)現(xiàn)空氣成分的完全分離，具有產(chǎn)品純度和精度較高、工藝可靠等優(yōu)點(diǎn)，但是工藝流程復(fù)雜，投資成本較高。隨著空氣分離工藝的不斷改良，該方法目前在化工企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作方面占主導(dǎo)地位，同時(shí)低溫空氣分離方法也是目前化工企業(yè)廣泛應(yīng)用的空氣分離法[3-4]。低溫空氣分離方法的空氣分離設(shè)備具有空氣壓縮、膨脹制冷，水分干燥、去除雜質(zhì)，換熱冷卻、液化，空氣精餾、分離，低溫產(chǎn)品的冷量回收及壓縮等功能。以上每一個(gè)步驟的實(shí)現(xiàn)方法以及所用的設(shè)備都是不一樣的，所以可以組合為作用不同的工藝流程。低溫蒸餾對(duì)于將空氣分離成高純度和高壓的組成部分是特別有利的，但是目前低溫蒸餾制得的分離產(chǎn)品純度不高。

根據(jù)工作壓力可分成低壓、中壓、高壓3個(gè)壓度。每種壓力程度適用于不同的機(jī)械設(shè)備。比如高壓工作設(shè)備可以同時(shí)制得純氧和純氮，還可以提取少量的液氧。所需的低溫條件來(lái)源于節(jié)流效應(yīng)，空氣被冷卻后，再經(jīng)過(guò)接觸傳熱，使空氣中的氧冷凝成液體，達(dá)到氧和氮分離的目的，操作過(guò)程方便簡(jiǎn)單。然而，對(duì)于比較小型的空氣分離裝置而言，因?yàn)樵谶\(yùn)行過(guò)程中冷量損失較大，為了滿足低溫精餾的條件，需要借助膨脹機(jī)。低壓的工作壓力和裝置下塔的壓力相差不大，對(duì)裝置的整體運(yùn)行影響不大，且能耗低，是現(xiàn)代化工企業(yè)使用頻率最高的一種空分工藝流程。

產(chǎn)品的壓縮方法有兩種—內(nèi)壓縮和外壓縮。外壓縮即產(chǎn)品單一、特意設(shè)置的氣體壓縮機(jī)，好處就是單獨(dú)運(yùn)行。內(nèi)壓縮即利用泵壓縮液態(tài)產(chǎn)品，通過(guò)復(fù)熱與氣化傳輸?shù)窖b置外。兩者各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，相比之下，內(nèi)壓縮的安全性能更高，但是其中的低溫液體泵能否正常運(yùn)作對(duì)裝置整體運(yùn)行起關(guān)鍵性作用。針對(duì)全低壓低溫精餾技術(shù)來(lái)說(shuō)，不管是挑選外壓縮還是內(nèi)壓縮工藝流程，均可以制出液態(tài)氧產(chǎn)品和氮產(chǎn)品。最后的選擇需要比較液態(tài)產(chǎn)品中氧的占比，比重大則對(duì)裝置能源的消耗大。綜合來(lái)說(shuō)，選擇全低壓內(nèi)壓縮工藝流程更為合理。

2.2? 膜分離方法

膜是一種具有選擇性分類功能的材料。膜分離技術(shù)以分離膜兩側(cè)的物質(zhì)為核心，達(dá)到組分分離的目的，再根據(jù)需要判別是否繼續(xù)濃縮和提純物質(zhì)。該技術(shù)是一種使用半透膜進(jìn)行組分分離的方法，選擇不同的膜材料最終得到的物質(zhì)的量也不同。由于膜分離技術(shù)的操作一般在常溫條件下進(jìn)行，被分離的物質(zhì)可以保持原來(lái)的性質(zhì)。膜分離技術(shù)兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，高效、節(jié)能、環(huán)保，采用分子級(jí)過(guò)濾，過(guò)濾過(guò)程簡(jiǎn)單、易于控制，因此，已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生物、化工、冶金、能源、石油、仿生等促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要領(lǐng)域，為社會(huì)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，已成為當(dāng)今分離技術(shù)中的重要手段。膜分離法實(shí)際上是根據(jù)氣體擴(kuò)散的原理，主要利用膜滲透技術(shù)，首先利用空壓機(jī)壓縮，除油干燥，再經(jīng)過(guò)加熱進(jìn)入膜分離器，壓縮空氣在膜的兩邊有壓力差，可根據(jù)氧、氮通過(guò)膜的不同速率，分別在膜的兩邊收集氧氣和氮?dú)?。而且，在?shí)際的化工操作過(guò)程中，一般會(huì)使用催化劑來(lái)提高產(chǎn)品的產(chǎn)量。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是用到的裝置更簡(jiǎn)單、操作方便、能耗低，而且投資小。所謂“種瓜得瓜，種豆得豆”，膜分離方法的產(chǎn)品得率在28%～35%，比較適用于中小型規(guī)模企業(yè)。

2.3? 變壓吸附的分離方法

變壓吸附法即PSA法，是在較高的壓力下吸附，實(shí)現(xiàn)氣體分離，在較低壓力下實(shí)現(xiàn)吸附劑再生。將分子篩作為吸附劑，基于分子篩對(duì)不同分子的選擇吸附性能，達(dá)到各組分分離的效果。空氣經(jīng)過(guò)壓縮、凈化和去除有害物質(zhì)后，吸附塔里的分子篩將氮?dú)夥肿觾?yōu)先吸附，把氧分子變?yōu)檠鯕?。?dāng)吸附達(dá)到一定的比例時(shí)，可以利用減壓方式去除分子篩表面吸附的氮分子，使分子篩恢復(fù)吸附能力。一般化工企業(yè)為了持續(xù)不斷地作業(yè)，需要一直提供氧氣補(bǔ)給，所以選擇的裝置通常都設(shè)有兩個(gè)或以上的吸附塔，以達(dá)到連續(xù)產(chǎn)氧、供氧效果。也可以通過(guò)吸附劑及其壓力的轉(zhuǎn)變，獲取不同質(zhì)量等級(jí)的氮產(chǎn)品與氧產(chǎn)品。另外，在真空解吸的操作流程中所需壓力低，容器可以不受壓力容器的規(guī)范控制。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為工藝流程較簡(jiǎn)單、操作方便、自動(dòng)化水平高、運(yùn)行成本低，但是想要獲得高純度產(chǎn)品比較困難，同時(shí)由于該裝置的容量非常有限，該技術(shù)的應(yīng)用范圍不太廣泛。變壓吸附工藝也可按吸附器的數(shù)量，分為單塔流程、兩塔流程、三塔流程以及五塔流程等。其中，五塔流程的變壓吸附法比較常用，解決了大規(guī)模產(chǎn)氧的技術(shù)問(wèn)題。所以，如果客戶所需的產(chǎn)品為大量氧氣，化工企業(yè)可以優(yōu)先考慮變壓吸附的分離方法。

3?空氣分離裝置工藝流程的選擇

3.1? 氣態(tài)成品的工藝流程選擇

氣態(tài)成品的工藝流程選擇比液態(tài)成品更加多元化，對(duì)各方面要求嚴(yán)格。其中，產(chǎn)量高、純度高的雙高產(chǎn)品需要滿足低壓、低溫等條件，因此低溫空氣分離法是最好的工藝流程。雖然通過(guò)變壓吸附、膜分離或者其他工藝也能夠?qū)崿F(xiàn)組分分離，但是得到的產(chǎn)品在純度上無(wú)法達(dá)到理想標(biāo)準(zhǔn)。變壓吸附工藝流程和低溫精餾工藝流程均能夠重復(fù)利用，為化工企業(yè)節(jié)省了大量資金和資源，但是不足就是無(wú)法提供高純度的空氣成品。假設(shè)客戶所需要的產(chǎn)品是量大且種類單一的氣體，化工企業(yè)可以選擇膜分離技術(shù)或是變壓吸附分離法，但是它們的工藝流程有得也有失，用這兩種方法提取的產(chǎn)品純度和氣體消耗量互相“打擂臺(tái)戰(zhàn)”，最后的結(jié)果是不可以提取大量純氮?dú)狻，F(xiàn)如今，根據(jù)實(shí)踐報(bào)告可知，膜分離技術(shù)和變壓吸附分離法提取的產(chǎn)品純度無(wú)法達(dá)到99%。另外，對(duì)于小型的空氣分離裝置，需要選擇變壓吸附分離方法或者低溫空氣分離方法。當(dāng)提取的氧氣純度大于90%時(shí)，也需要選擇低溫空氣分離工藝流程。上述兩種情況選擇使用膜分離工藝裝置是無(wú)法獲取高純度氧氣的，所以，這種工藝僅適用于對(duì)氧氣純度要求較低的領(lǐng)域。

3.2? 液態(tài)成品的工藝流程選擇

空氣分離裝置及其流程所需要的原料都是氣體形態(tài)，若化工企業(yè)想將氣態(tài)成品轉(zhuǎn)化為液態(tài)，該過(guò)程需要滿足的條件為高溫、低壓。根據(jù)以上兩個(gè)條件不難看出，若想得到液態(tài)成品，最佳的選擇便是低溫精餾工藝。雖然在非低溫條件下，變壓吸附分離法和膜分離技術(shù)也能將氧氣、氮?dú)夥謩e分離出來(lái)，但根據(jù)物理知識(shí)可知，純氧、純氮?dú)怏w的沸點(diǎn)都在零下，因此根本不能將氣體轉(zhuǎn)化成液體。所以，要想得到液態(tài)的空氣成品，要對(duì)裝置的溫度控制以及壓力高低作出相應(yīng)的要求，同時(shí)對(duì)液態(tài)空氣成品的儲(chǔ)存要求也比較嚴(yán)格，這就要與生產(chǎn)空氣分離工藝流程進(jìn)行對(duì)接。綜上所述，提取液體形態(tài)比較適合選用低溫精餾裝置工藝流程。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷更新，空氣分離裝置工藝流程也在不斷完善。雖然我國(guó)的科學(xué)進(jìn)步給化工企業(yè)帶來(lái)了很多較為先進(jìn)的技術(shù)，但是從整體情況來(lái)看，我國(guó)的空氣分離裝置仍然有很大的提升空間，需要進(jìn)一步優(yōu)化配置，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)量。同時(shí)，化工企業(yè)要知道，新的空氣分離裝置工藝仍然無(wú)法完全替代傳統(tǒng)的工藝，傳統(tǒng)工藝依然擁有很大的發(fā)展?jié)摿Γて髽I(yè)要注意兩者的有機(jī)結(jié)合。無(wú)論選擇哪一種空氣分離裝置工藝流程，都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足。所以，各大化工企業(yè)在選擇空氣分離裝置工藝流程時(shí)，還是要考慮企業(yè)本身的實(shí)際情況，結(jié)合客戶的產(chǎn)品需求以及每種工藝流程的利弊，再綜合比較各種情況可能造成的后果，最終選擇最適合企業(yè)實(shí)際情況的空氣分離裝置工藝流程。

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