大家對各類(lèi)壓縮機、汽輪機并不陌生，但是他們在空分環(huán)節的作用，你是否真正了解？工廠(chǎng)里的空分車(chē)間，你知道是什么樣的嗎？空分，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是用來(lái)把空氣中的各組份氣體分離，生產(chǎn)氧氣、氮氣和氬氣的一套工業(yè)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(guò)壓縮循環(huán)深度冷凍的方法把空氣變成液態(tài)，再經(jīng)過(guò)精餾而從液態(tài)空氣中逐步分離生產(chǎn)出氧氣、氮氣及氬氣等惰性氣體的設備，廣泛應用于傳統的冶金、新型煤化工、大型氮肥、專(zhuān)業(yè)氣體供應等領(lǐng)域。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是空分的系統流程包括：
我們按照空分系統流程對設備進(jìn)行一一介紹：有自潔式空氣過(guò)濾器、汽輪機、空壓機、增壓機，儀表壓縮機等。（1）自潔式過(guò)濾器一般隨著(zhù)氣量的增大，濾筒數增多，層數也越高，一般2.5萬(wàn)等級以上雙層，6萬(wàn)等級以上三層布置；一般單臺壓縮機需要單獨布置過(guò)濾器，同時(shí)布置在上風(fēng)口。（2）汽輪機是高壓蒸汽進(jìn)行膨脹做功，帶動(dòng)同軸葉輪轉動(dòng)，從而實(shí)現進(jìn)行對工質(zhì)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(jìn)口較國產(chǎn)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(jìn)行流量調節，進(jìn)口國產(chǎn)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(yōu)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(wú)油螺桿機，活塞式和離心式。由于活塞式和離心式天然無(wú)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(guò)濾器（除固體顆粒）即可；而螺桿機一般有有油和無(wú)油然后除油兩種，噴油螺桿機需要設置除油裝置，同時(shí)需要設置精度非常高的除油過(guò)濾器，以滿(mǎn)足工藝要求，這種機型的優(yōu)勢是價(jià)格較便宜；無(wú)油螺桿采用干轉子或者水潤滑，這種機型優(yōu)點(diǎn)是絕對不含油，缺點(diǎn)是價(jià)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(shí)離心式壓縮機較有優(yōu)勢，其易損件較少，同時(shí)好維護，性?xún)r(jià)比較高。儀表壓縮機在開(kāi)車(chē)時(shí)使用，正常運行后由分子篩純化器后抽取。預冷系統空冷塔有兩種形式：閉式循環(huán)（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(huán)）和開(kāi)式循環(huán)（進(jìn)循環(huán)水系統），閉式循環(huán)主要應用于水質(zhì)不好的化工廠(chǎng)，需要補充新鮮水及藥劑；開(kāi)式循環(huán)應用較廣，但是循環(huán)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(huán)（耐高溫），3米φ76增強型聚丙烯鮑爾環(huán)（大通量），4米φ50增強型聚丙烯鮑爾環(huán)。水冷塔也有兩種：兩段式（無(wú)外加冷源時(shí)，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(huán)）和一段式（有外加冷源時(shí)，8米φ50聚丙烯鮑爾環(huán)）。此外，預冷系統一般所有進(jìn)水均要設置過(guò)濾器（一般6臺：4臺水泵，水冷塔進(jìn)水，冷水機組蒸發(fā)側進(jìn)水），防止雜質(zhì)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(jìn)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(wàn)等級（直徑已經(jīng)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(shí)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(diǎn)是氣流中心集中（扇形區），使得其比臥式穿透時(shí)間要快（要求CO2＜0.5ppm）。床層厚度1000mm+200mm，立式徑向流可以滿(mǎn)足2萬(wàn)等級以上的空分設備的配置。蒸汽加熱器有臥式（4萬(wàn)等級以下），立式（4萬(wàn)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(diǎn)）；電加熱器（兩用一備或者一用一備）并聯(lián)（高溫低流量聯(lián)鎖停設置，防止燒壞，加熱管材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti）；電加熱器（滿(mǎn)足活化再生，250∽300℃）與蒸汽加熱器并聯(lián)；電加熱器與蒸汽加熱器串聯(lián)（蒸汽溫度低時(shí)，不過(guò)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(mǎn)足開(kāi)車(chē)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(mén)壓力高側泄漏或者超壓，以及節流超壓。再生流路配置手動(dòng)蝶閥來(lái)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(shí)序調節）。換熱系統嚴格來(lái)說(shuō)多股流混合介質(zhì)設計在同一換熱器里，讓各介質(zhì)傳熱自動(dòng)平衡，能耗最低，但是這樣對于內壓縮流程會(huì )造成全部換熱器均為高壓換熱器，會(huì )造成投資的積聚增加，所以2萬(wàn)等級以上內壓縮換熱器組織還是采用高低壓分開(kāi)的辦法，更為經(jīng)濟些，2萬(wàn)等級以下采用全部高壓換熱器配置。低壓氧氮產(chǎn)品，設置產(chǎn)品調節閥與放空流路，放空進(jìn)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(mǎn)足泄放要求，尤其有氮氣也通入的場(chǎng)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(mén)4kPa，對大氣放空壓差2kPa，總共12kPa）。高壓氧氣產(chǎn)品，放空采用兩級節流，先是高壓產(chǎn)品氣節流至10barG，經(jīng)過(guò)偏心異徑管，中間設置蒙乃爾降噪板，再通過(guò)偏心異徑管擴大管路直徑，氧氣介質(zhì)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(chǎn)品，氮氣產(chǎn)品先節流至10bar，通過(guò)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(mén)要求不得人去操作（調節閥禁帶手輪，手動(dòng)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(lèi)型的氣體膨脹機來(lái)說(shuō)，工質(zhì)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(huì )低至70∽80%。中壓膨脹機一般采用一臺進(jìn)口一臺國產(chǎn)（備用）。氣量8000Nm3/h以上進(jìn)口膨脹機效率82∽91%（增壓端少4個(gè)點(diǎn)）；國產(chǎn)膨脹機效率78∽87%（增壓端少5個(gè)點(diǎn)）。膨脹機啟動(dòng)前需要先吹掃（除去管系雜質(zhì)，膨脹機蝸殼內雜質(zhì)），再通密封氣（正常時(shí)由增壓端提供），然后進(jìn)行油系統外循環(huán)，內循環(huán)，做完聯(lián)鎖測試然后方能啟動(dòng)，冷試合格后冷緊；冷啟動(dòng)需要啟動(dòng)油箱加熱器，正常運行后不需要，此時(shí)軸承的冷熱已經(jīng)平衡。液體膨脹機本質(zhì)是利用高壓液體的壓力頭來(lái)進(jìn)行水力做功（同時(shí)液體焓值降低，但是與氣體相比，相差甚遠），一般4萬(wàn)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(yōu)勢為利用液體膨脹機制冷和膨脹功發(fā)電達到節能目的，一般可實(shí)現節能2%左右，但是其投資達千萬(wàn)元。下塔1.5∽5萬(wàn)等級采用篩板塔較多，環(huán)流塔板在1.5萬(wàn)等級以下直徑塔較有優(yōu)勢（液體流程較對流長(cháng)，但是制造復雜），對流3萬(wàn)等級以下應用較多，1.5萬(wàn)等級以上較占優(yōu)勢，四溢流在3萬(wàn)等級以上大塔較占優(yōu)勢，填料塔能耗較低，不過(guò)下塔高度要增加5米左右。5萬(wàn)等級以上空分較占優(yōu)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(chǎng)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(shí)可將廢氣放散入污氮氣管路，氬系統停運時(shí)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(jìn)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(huì )導致氬產(chǎn)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）。（1）上下塔垂直布置，為常規布置方式，高度較低，無(wú)下塔液體難以進(jìn)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(mǎn)足，此時(shí)管徑不能?。?；（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(jìn)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(mǎn)足ρυ2＞3000，ρ為密度，υ為流速，進(jìn)氣位置在管路汽化率為1%高度處，此時(shí)需要適當縮小管徑，同時(shí)液體過(guò)冷度不能大）；（3）上塔自氬餾分段落地布置，采用兩臺循環(huán)氧泵連接，降低上塔高度可以解決下塔液體無(wú)法進(jìn)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(huán)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??；（5）上塔自主冷落地布置，采用循環(huán)泵連接，主冷在下塔頂部，優(yōu)點(diǎn)是主冷可以做的很大；（6）上塔自主冷落地布置，采用循環(huán)泵連接，粗氬塔最上段座在上塔上部，優(yōu)點(diǎn)是主冷可以做的很大，同樣可以使冷箱空間縮小。臥式泵水平布置（進(jìn)液管低于排液管），需要設置加溫氣（設置在泵后，或者泵前過(guò)濾器前，防止雜質(zhì)進(jìn)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(jìn)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(tài)收縮軸承受力較好，但是轉速高轉子動(dòng)平衡不好滿(mǎn)足。立式泵采用軸承懸掛式布置（進(jìn)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(wú)），加溫氣（設置在泵過(guò)濾器前，高處進(jìn)氣）， 密封氣，排液排氣閥（低處排液，高處排氣，預冷時(shí)看是否冷透）和回流管路（回液進(jìn)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(huì )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(fēng)管路，防止夏天過(guò)熱，冬天結霜。液氧泵液氮泵在線(xiàn)冷態(tài)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(mǎn)足)；循環(huán)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。氮透一般壓縮空氣的均可滿(mǎn)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(mǎn)足），同時(shí)由于氧氣介質(zhì)有高壓高溫火患原因，所有過(guò)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(jìn)口氧透價(jià)格較高，為國產(chǎn)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(mǎn)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(guò)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(gè)點(diǎn)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(yōu)勢，但是內壓縮用于鋼廠(chǎng)排壓需要提高，以免換熱系統波動(dòng)）進(jìn)行能耗比較，最后確定方案。
