煤化工51000m3/h内压缩空分设备配置及工艺流程特点

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摘要：简介了煤化工有限公司三套51000nm3/h内压缩流程空分设备的技术参数和流程。详细介绍了主要设备的配置，分析了三套空分设备具有能耗低、运行安全及可靠性等工艺特点。 

关键词：大型空分设备；内压缩流程；技术参数；配置；工艺特点；  abstract: the coal chemical industry limited company three 51000nm / h asu using internal compression process technical parameters and process. details of the major equipment configuration, analysis of three sets of air separation equipment with low energy consumption, safe operation and reliability of process characteristics.  key words: large scale air separation unit; internal compression process; technical parameters; configuration; process characteristics;  前 言  当今由于化工方面需要大量氧气和市场对液态产品需求的增加，世界上制氧机的流程已实现了多样化，设计的模块化。除常规的外压缩流程外，内压缩流程也呈现多样化，如膨胀空气进上塔内压缩流程、膨胀空气进下塔内压缩流程等型式。  外压缩流程与内压缩流程的制氧原理基本是一致的，其区别在于两种流程的工艺设备不同以及氧气出冷箱的状态不同。外压缩流程，出冷箱的氧气为低压状态，通过氧压机将氧气加压至3.0mpa左右，然后送至用户；而内压缩流程是通过液氧泵将液氧加压至所需压力后，在冷箱内的主换热器中与经过空气增压机增压后的高压空气换热至常温后，出冷箱直接供用户。  近年来，在国内大型空分成套设备中，较多的选用了内压缩流程。内压缩流程空分设备取消了氧气压缩机，增设了空气压缩机、液氧泵及高压主换热器等，从安全性和可靠性方面来看，内压缩流程有它的优势，而且从一定程度上减少了投资费用和运行费用。  1 主要设备配置  1.1 空气过滤器  本装置采用脉冲反吹自洁式空气过滤器，过滤气量10000nm3/min，设计温度为39℃，设计压力为 94.71kpa，正常压降为300～650pa，其效率为≥99.99％，尘埃直径＞2μm。反吹压缩空气压力为600～800pa，流量小于0.15m3/min。每个滤筒的有效过滤面积为21.4㎡。脉冲式反吹自洁式空气过滤器的优点：滤筒的过滤效率高，阻力低，使用寿命长，且能抗水雾；自动反吹清扫灰尘，达到自洁。可保证空压机连续两年以上不间断运行。实验证明，连续运行5～10年的离心式压缩机内部无明显结垢，叶片毫无粉尘磨损的痕迹；设备检修维护方便，费用低。滤筒寿命长，更换方便，且可以不停机更换。  1.2 空气压缩机  本装置采用西安陕鼓动力股份有限公司生产的rik-125-4型单轴透平压缩机，四级压缩，三级冷却，内置冷却器，处理气量265000nm3，进气口压力0.0875mpa（a)，出口压力为0.637mpa(a)，工作转速为4390 r/min ， 轴功率为23060kw，入口温度为23.2℃，出口温度为～100℃。气体从吸气室进入叶轮进行压缩使气体能量升高；离开叶轮的高速气流进入扩压室，动能降低，压力提高；离开扩压室的气体经弯道和回流器再引到下一级继续压缩。这样气体经分段多级压缩后，气体压力逐渐提高到实际需要值。压缩机设旁通防喘振及放空阀，放空阀满足空压机全量放空能力。控制信号转换为4～20ma电流信号输入dcs系统，由系统自动控制。  1.3 空气预冷系统  空气预冷系统采用杭州杭氧股份有限公司生产的预冷系统设备，处理空气量为～265000nm3/h，空气进出口温度为100/12℃，空气进口压力为0.625mpa(a)，冷却水进口温度为28℃，冷却水回水温度为38℃，冷却水耗量为720m3/h，冷冻水耗量为135m3/h。每套装置配备两台常温水泵、两台低温水泵及空冷塔和水冷塔。水冷塔利用来自冷箱内污氮、氮气含水的不饱和性，吸收蒸发潜热，使循环水降温，再通过低温水泵加压送入空冷塔上部对空气进行冷却，空冷塔和水冷塔为堆散填料塔，水泵为多级卧式离心泵。  1.4 分子筛纯化系统  分子筛纯化系统是由杭氧生产制造，处理空气量为～265000nm3/h，空气出  口co2含量为＜1ppm，再生温度为175℃，再生气量为50000nm3/h。分子筛吸附器  采用双层床结构，底层活性氧化铝床层，上层分子筛。卧式圆筒体，内设支承栅  架，上层一次性填充分子筛66t，下层一次性填充15t铝胶。吸附空气中水分、乙  炔、co等碳氢化合物。由于一般分子筛再生温度为 200～320℃，脱除 h2o 需 300  ℃，脱除co2 需150℃，再生温度愈高再生越完善，吸附器工作性能愈好，但分  子筛寿命会缩短，而活性氧化铝在大于100℃时对水分吸附容量就近似为零。所  以就采用了这种底层活性氧化铝层，上层分子筛的双层床结构，从而延长分子筛  纯化系统的使用寿命。  1.5 增压机空气压缩机  本装置采用西安陕鼓动力股份有限公司生产的rbz45-2+2+3型单轴透平压缩机，空气透平增压机水平剖分式，七级压缩三段冷却，外设三级冷却器。进气量为135000nm3，进气压力为0.585mpa（a），进气温度为24℃,所需驱动功率为12240kw（国产）/11300kw（进口），工作转速为11450r/min，中抽一：仪表空气流量为3000nm3，压力1.4mpa（a）中抽二：去膨胀机空气流量为43500nm3，压力2.8mpa（a），三段排气量为78500mpa（a），压力（止回阀后）为6.84mpa（a），并且在每段设置了防喘振回流阀，回流阀满足各自的100%回流能力。  1.6 增压透平膨胀机  本装置膨胀机组采用一开一备，三台采用杭氧生产，三台采用国外进口设备。增压透平膨胀机为反动式喷嘴调节增压风机制动，增压量为43500±20%nm3/h，进/出口压力为2.78/4.04mpa(a)，进口温度为40℃，膨胀量为43500±20%nm3/h，进/出口压力为4.0/0.59mpa(a)，进口温度为-114℃。透平膨胀机的调节通过增压端的旁通回流阀来控制，膨胀后的气体直接进入下塔。  1.7 精馏塔系统  精馏塔下塔为筛板塔，上塔为规整填料塔。分子筛纯化后一股低压空气经过低压主换热器换热后的空气、膨胀机膨胀后的空气、增压机末端气体经过高压主换热器换热之后再经过节流阀节流后都进入下塔参与精馏。  1.8 高压液氧泵  高压液氧泵采用进口立式离心式液体泵，安装于保冷箱内，每套设备配备两台，一用一备；驱动电机带变频装置，可调节液体泵的工作装况。设计温度为-196 ℃，进口压力为0.15mpa(g)，出口压力为5.3mpa(g)，流量为51000nm3/h，液氧泵电机额定功率为250kw。    1.9 液氮压缩机  液氮泵采用进口立式离心泵，自带保冷箱，设计温度为-196℃，进口压力为0.02～0.8mpa(g)，出口压力为2.5mpa(g)，氮气流量为12000nm3/h，液氮泵电机额定功率为5.5kw，电机转速为5550rpm/min，电机额定电压为380v。液氮贮罐里液氮通过液氮泵加压到压力为2.5mpa(g)后，通过水浴式气化器气化后进入氮气贮罐，为后线用户供给氮气。  1.10 贮运系统  本装置设置贮运系统主要是为后线供给产品气体及在设备发生故障时能在较短时间里维持系统正常运行。三套空分设备设置一套贮运系统，系统设置641m3的氮气贮罐，结构为球罐，操作压力为2.5mpa(g)，球壳δ=50，球罐设外保温。设置了200m3德尔液氮贮罐，结构为球罐，内容器介质为液氮，设计温度为-196℃，最高工作压力为0.2mpa(g)，外容器介质为珠光砂，设计温度为20℃，设计压力为-0.1mpa（g)。装置空气贮罐容积为408m3，结构为球罐，操作压力为0.45mpa,操作温度为40℃.仪表空气贮罐容积为408m3，结构为球罐，操作压力为1.23mpa（g）,操作温度为40℃.  2 空分设备的工艺特点  （1）空分装置  本装置以实现确保其生产过程能长期稳定可靠运行、节能、操作维修方便为设计原则，采用当今国际上先进的空分技术，低压分子筛吸附、增压透平膨胀机制冷、产品氧气和产品氮气内压缩、空气增压循环的工艺流程方案。流程工艺技术先进、技术成熟、整套装置运行安全可靠，操作方便、能耗低、控制容易、连续供气周期不少于二年。  1）采用内压缩流程  本装置采用空气循环、产品氧气和产品氮气内压缩、下塔抽取压力氮的流程，即采用增压空压机+液氧泵并通过换热器系统的合理组织来取代氧压机，增压空压机+液氮泵并通过换热器系统的合理组织来取代氮压机。针对用户用氧压力高、装置规模大的特点，选择这一流程是最安全可靠的，同时也是最经济合理的。  2）安全性好  a. 内压缩流程取消了氧压机，因而无高温气氧，火险隐患小。  b. 主冷大量抽取液氧，保证碳氢化合物的积聚可能性降到最低程度。  c. 产品液氧在高压下蒸发，使烃类物质积累的可能性大大降低。  d. 特殊设计的液氧泵自动启动与运行程序可有效地保证装置的安全运行与连续  供氧。  e. 高压氧系统的高压阀门采用进口阀门，而这些阀门的材质是特殊的。  f. 主冷凝器采用浴式结构，全浸式操作，增加主冷的循环倍率，防止碳氢化合  物、n2o在主冷的换热表面析出。  3）可靠性高  a. 低温液氧泵采用进口名牌产品，且在线冷备用，若运行泵出故障，则备用泵  在短时间内自动达到工作负荷。  b. 低温液体管路采用特殊设计。  c. 高压板式换热器采用国外著名公司制造的进口产品。  d. 增压膨胀机采用由国外著名公司制造的进口产品。  e. 操作维护方便  f. 低温液氧泵操作方便，维修工作量极少。  4）投资成本低，配置更合理  a. 主空压机与增压空压机用一台汽轮机拖动，配置合理。  b. 低压气氮（0.45mpag）从下塔抽取压力氮气，投资及运行成本低。  c. 中压氮气采用液氮泵方式获得，取消氮压机。  5）采用先进可靠的dcs控制系统  仪控系统能有效地监控成套空分设备的生产过程，确保运行可靠，操作、维护方便，采用中央集中检测控制为主，机旁盘和就地仪表检测控制相结合的原则。  本装置各机组设备流程参数的显示与主要操作调节功能均可在中控室完成。实现了中控、机旁、就地一体化的控制，可有效的监控整套空分设备的生产过程。成套控制系统具有设计先进可靠、性能价格比高等特点。  6）优化设计的流程  空分流程计算的准确及数据的可靠性。空分设备流程设计计算技术是成套空分设备成败的关键，采用国际先进的aspen和hysys软件模拟计算，及自行开发的空分流程设计计算的软件包。计算效率与精度已达到国外先进水平。现在用这些软件设计的空分设备具有100％的成功率。  流程的优化设计决定空分的先进性。针对用户所需产品用气及液体特点，单位产品能耗与投资情况进行多方案比较，确定最佳的流程型式。在流程确定后，对流程中各点参数进行优化，保证空分设备的先进性。  本装置的流程设计吸收了近 10 年来国内引进的几套大型高压内压缩流程空分设备的设计特色及实际安装运行经验，并最大限度地克服了国外同类产品的缺陷，因而在流程组织上是可行的，也是可靠的；在充分保证本装置可靠性的前提下，也兼顾到其合理性、安全性、先进性。  7）装置具有先进的技术性能指标。  衡量空分装置性能优势的最重要的指标就是制氧能耗和氧的提取率。本空分装置在下塔抽取较多压力氮气的情况下，能保证较高的精馏塔氧提取率，同时各配套机组具有优异的单机性能指标，从而保证了成套装置具有优良的综合性能指标，而这些指标已经达到了国际先进水平，具体体现在以下几个方面。  本装置高压液氧泵采用进口的产品，因而具有很高的运行效率。  静设备部分最重要的上塔采用规整填料塔，大大减少了上塔的塔板阻力，使整套空分装置能耗降低，并增加了提取率。  精馏系统采用特殊的组织方式，使系统的氧提取率更高。  采用带水冷塔的新型高效空气预冷系统，充分利用干燥污氮气的吸湿性，降低冷却水温度，从而可以取消冷水机组。  分子筛纯化器采用双层床、长周期设计，使用寿命长，再生能耗低，工况稳定。  （2）空压站  空压站选择可靠螺杆式压缩机和成套的控制系统确保整个装置能安全稳定运行，选择微热再生干燥器配套使用，在出口露点的稳定、干燥剂的寿命、整机压降及控制技术方面都比其它方法的空气干燥有较大的优势。  空气压缩、微热再生干燥有着独立的控制系统，实现整个系统的自动操作、监控和报警。