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空分装置技术改造探讨

黄晓江

（中国石化工程建设公司,100101）

　　摘　要　针对旧空分装置的技术改造,对新旧空分设备工艺流程进行了对比,提出了几种投资少、效益高的改

造方案。

同时分析了国内外空分装置的发展趋势,建议对新建空分装置应采用新型工艺流程和技术,可增产节能,

创造效益。

关键词　空分装置　改造　氧气　氮气

文章编号:

100529598（2003）0220020204　中图分类号:

TQ02　　文献标识码:

引　　言

在钢铁、化工、冶金以及化肥等需要大量氧气和

氮气的企业中,空分装置都是一个关键的公用工程

设施。

这些使用氧气和氮气的工艺过程大多要求空

分装置能长期、连续、稳定、安全地运行,一旦空分装

置发生事故,将直接影响到整个装置的安全运行,严

重时还会导致装置全线停车,造成严重的经济损失。

而我国现役的空分装置大多是20世纪70～80年代

投入运行的,它们工艺流程落后,配套机组复杂,性

能指标较差。

为了适应市场经济的发展,降低产品

成本,当前很多企业都在进行装置改扩建,扩大装置

规模,提高产品产量。

而为主生产装置服务的公用

工程设施的生产能力也需相应地提高,落后的空分

装置的弊端显得更为突出,因此用新技术对现有的

空分装置进行挖潜改造,以达到投资少、见效快、收

益高的改造目的十分必要。

1　旧空分装置存在的主要问题

1.1　生产流程落后,产品的制取率低

传统的空分装置由于其自身结构的特点,其氧提

取率一般只有70%～80%左右,有些只有62%,甚

至更低,而氩的提取率一般停留在35%～45%左右,

收稿日期:

2002212204

作者简介:

黄晓江,女,生于1975年12月,1998年毕业于北

京化工大学化学工程专业,现从事石油化工项目的工程设计

工作。

氧氮的产品产量比一般在1∶11,这使用氮量较大的

化工行业用户受到严重的制约。

而先进的分子筛吸

附流程的空分装置其氧的提取率可达到99%,氩的

提取率可达到70%～80%,氧氮产品产量比可达1

∶2～1∶2.5。

1.2　能耗指标高

旧空分设备的单位氧耗一般为0.7kW·h/m3～

0.8kW·h/m3,而新设备的单位氧耗可达0.42kW·

h/m3,相差近一半。

1.3　压缩机排气量不足

设备陈旧,空气透平压缩机排气量严重不足,氧

产量、氮纯度下降。

1.4　缺少氮水预冷塔

空分设备能力没有得到充分的利用,大量氮气

放散,没有设置氮水预冷塔,使水温进一步下降。

1.5　低温液体贮存汽化系统能力不足

缺少低温液体贮存汽化系统或现有低温液体贮

存汽化系统能力不足,不能适应全厂用户用量波动

及空分装置停车检修的需要。

1.6　运行周期短,操作复杂,可靠性和稳定性差

旧空分设备因其自身工艺流程落后,各单机设

备的操作性能差,故障多,经常造成停车检修,运行

周期短,一般只有0.4～0.6年,而新空分设备的运

行周期为2年。

2　旧空分装置的改造方案及优化措施

目前很多企业在进行主生产装置改造的同时,

也对辅助生产设施进行了相应的改造,空分装置就

是其中一项很重要的内容。

由于空分设备的生产厂

第2期（总第105期）　煤　化　工　No.2（Total　No.105）　

　2003年4月　　CoalChemicalIndustryApr.　2003　　

家不同,设备的出厂年代不同,每套设备的情况也不

尽相同。

因此首先必须充分了解现有设备的运行状

态和性能指标,并根据用户的具体要求,结合设备的

实际情况,提出有针对性的改造方案,以做到节省改

造投资,技术指标先进可靠,操作维修方便。

2.1　建立低温液体贮存汽化系统

2.1.1　建立贮存系统的必要性

大部分氮气和氧气的用户对用量的需求都不是

一个定值,而是根据工况不同而波动的。

空分设备

在设计条件下运行效果最高,而调节范围有限,不具

备对偏离设计工况的快速、大幅度变负荷能力。

因

此需要由贮罐来调节、吸收这种波动。

2.1.2　气体贮存和液体贮存的对比

目前贮存的方法有两种:

气体贮存和液体贮存。

它们的性能对比见表1。

表1　气体贮存和液体贮存性能比较

气体贮存液体贮存

占地面积大小

设备投资大小

启动速度快慢

能耗小大

　　由于1m3液氮汽化后可得氮气643m3,1m3液

氧汽化后可得氧气800m3,因此在提供相同体积的

气态氮气和氧气时,液体贮罐体积要小得多。

这点

对可利用土地少的改造项目十分有效,而且气体贮

存虽然节能,但受投资、占地、贮存压力的限制,当贮

量超过10万m3时,气体贮罐的投资过大。

因此综

合比较以上因素,建立低温液体贮存汽化系统更为

经济合理。

空分装置液体贮存汽化系统常用流程示

于图1。

1—低温液化汽化器　2—低温液体贮槽

3—低温液体注入泵

图1　空分装置液体贮存汽化系统常用流程示意图

2.1.3　低温液体贮存汽化系统可满足全厂间断性

最大氮气、氧气用量的需要

有些企业在主装置改造完成后、正常生产时,旧

的空分装置的氮气和氧气的产量仍能满足各装置用

户的需要,仅在各装置间断性最大氮气、氧气用量时

不能满足需要。

在这种情况下,考虑到旧空分设备

改造难度大,改造周期长,因此保持原有设备不动,

靠增加液体贮存汽化系统来满足各生产装置间断性

最大用气量的需要成为一个切实可行的有效措施。

例如我公司已完成的仪征45万t/aPTA改造工程的

空分装置改造就属于这种情况。

另外低温液体贮存汽化系统还可用于空分装置

停车检修。

空分装置是一个配套复杂、技术要求高

的设备,各种运动机械、阀门、仪表不可能长期不出

故障,我国至今为止都习惯使用备用空分机组来解

决这个问题,但这样一来装置总投资就会大大增加。

国外发达国家都普遍用液体备用的方法,当空分装

置短期停车维修时,将贮罐中的液体产品加压并汽

化后来满足那些必须连续供气的用户。

例如我公司

正进行的茂名80万t/a乙烯改扩建工程中空分装

置的改造就是利用增加液体贮存汽化系统的能力来

满足设备检修期的供气问题。

综合比较以上因素,新建或改造原有低温液体

贮存汽化系统,在空分装置停车检修或当全厂用气

量达到高峰时投入运行,是一项十分经济合理的措

施。

2.2　旧空分装置的挖潜改造

2.2.1　切换可逆换热器流程的改造方案

切换可逆换热器流程是我国在20世纪70～80

年代普遍使用的一种流程,在现代生产中,它的弊病

越来越突出:

（1）装置的切换周期短,切换损失大;

（2）频繁的切换使装置压力交变,精馏系统操作不稳

定;（3）为保证自清除的要求,导致空分装置的纯产

品较少。

为了弥补工艺流程的缺陷,提高装置性能指标,

将切换可逆换热器流程改造成为分子筛吸附净化流

程才能从根本上解决问题。

改造方案有以下几种。

2.2.1.1　增设分子筛纯化系统　该部分是流程改

变的核心。

分子筛吸附器一般分为上下两层,下层

为Al2O3,用于吸收水分,上层为分子筛,用于吸收

CO2和碳氢化合物,可使碳氢化合物的清除在分馏

塔外进行,防止碳氢化合物进入分馏塔系统形成积

聚,保证装置的安全运行。

2.2.1.2　改造预冷系统　由于空气冷却塔空气的

　2003年4月　　　　　　　　　黄晓江:

空分装置技术改造探讨　　　　　　　　　　　　　·　2　1　·　

出口温度约为25℃,不能满足分子筛吸附的最佳条

件,因此必须增加冷冻机组来降低空气冷却塔空气

的出口温度,为满足流程改造后的需要,可配置水冷

塔、冷水机组和水泵等设备。

2.2.1.3　增设增压透平膨胀机　旧空分装置膨胀

机的效率多数低于80%,且不能回收膨胀机所做

功,采用分子筛吸附流程后,膨胀机效率可提高到

86%,增压比可达到1.4～1.6以上,从而减少了进

上塔的空气量,改善了精馏条件,提高了产品的性能

指标。

2.2.1.4　改造主冷凝蒸发器　在使用了增压膨胀

机后,膨胀量减少,导致主冷凝蒸发器负荷增加,根

据具体情况可将原有列管式主冷凝蒸发器改为板翅

式主冷凝蒸发器,也可以增加辅助冷凝器。

2.2.1.5　改造精馏塔　由于采用分子筛吸附净化

流程,吸附器再生要求上塔压力增高,加上吸附器本

身阻力,整个空气压力都要增高,为使塔内阻力降

低,可根据不同装置的具体情况采用新型塔板或新

型规整填料上塔,或只对所需的塔段进行改造,在适

当的部位采用规整填料,经过改造,主要优点如下:

（1）阻力降下降,能耗降低

上塔采用规整填料后,上塔阻力一般只有相应

筛板塔的1/4～1/6。

阻力降低约0.02MPa,空压机

排压可降低0.05MPa～0.06MPa,轴功率可降低

5%～7%,能耗降低。

（2）分离效率的提高

上塔采用规整填料后,不仅上塔的操作压力下

降了15%～20%,下塔压力也有所下降,这样非常

有利于组分的分离。

相同条件下,可使氧的提取率

提高1%～3%,氩的提取率提高5%～10%。

（3）操作弹性大

筛板塔的负荷受到塔板漏液及液泛的限制,而

规整填料塔只在填料表面形成一层膜,持液量少,因

此操作弹性比筛板塔大,当工况发生变化时操作迅

速,反应快。

（4）塔径小

对于新建空分设备,使用规整填料塔比筛板塔

塔径小,截面积只有筛板塔的60%左右,这样既可

以减少占地面积,又有利于运输。

（5）使得全精馏制氩成为可能

传统工艺制氩是先通过低温精馏获取粗氩,再

加氢除去粗氩中的氧,最后用低温精馏除去残余的

氢和氮,这样才能获得产品氩。

这种工艺消耗了大

量的氢气,费用高、工艺复杂、不易控制、产品含量

低、潜在的危险性大。

使用了规整填料后,使得阻力

下降,理论板数大大减少,因此不需要引入氢气介

质,只需要增加粗氩塔的填料高度就可以实现氧氩

的分离,不但工艺简化了很多,而且提高了产品氩含

量,节省了费用,使得操作更加简便。

这种改造投资回收期短,产品性能指标、运行周

期都有很大的提高,利用新的技术有针对性地对旧

设备的有关部分进行改造,是一种投入相对少、产出

快的方案,具有很大的应用潜力。

2.2.2　提高空气压缩机吸入压力,增加压缩机排气

量

由于旧空分装置运行时间长,设备陈旧,常由于

空气过滤器堵塞、空分设备管路阻塞、中间冷却器阻

塞、压缩机内漏、压缩机级间窜气等原因引起压缩机

排量不足。

除了及时清除这些污垢、维修压缩机内

部故障以外还可采用以下方法来提高空气压缩机吸

入压力,增加压缩机排气量。

（1）更换转子、叶轮,把空压机隔板作相应修改,

来提高压缩机排气量;

（2）更换空压机增速机齿轮,提高转速;

（3）空压机入口串联鼓风机,提高其吸入压力。

2.2.3　增加氮水预冷塔,减少冷冻机的制冷量

在用户所用氧气、氮气的比例为1∶1的情况下,

流程中可考虑增加氮水预冷塔。

温度较高的冷却水

从顶部自上而下与温度较低的污氮或纯氮逆流接

触,利用污氮或纯氮的未饱和度和与冷却水的温差,

既传质又传热。

水蒸发吸收汽化潜热,在短暂的流

通过程中,水分的蒸发难以从外界获得热量,只能吸

收

水的内能进行汽化,使得水温降低,一般可降至

12℃～13℃。

供空冷塔上段使用,使空冷塔出塔空

气温度为14℃,完全可满足空分工艺要求。

在这种

情况下,就使得冷水机组停运或取消成为可能。

不

仅节省投资、降低能耗,而且减少了一种转动机械的

日常维护和管理工作。

因此这种流程有效地利用了

富余氮气和污氮,使设备能耗进一步下降,工艺也进

一步简化。

2.2.4　采用液氧内压缩流程降低装置成本,提高装

置安全性

空分流程按照把从空分塔出来的低压氧氮加压

到用户所需压力而采用的不同方式分类为外压缩流

程和内压缩流程。

2.2.4.1　内压缩流程与外压缩流程相比有以下几

个优点:

·　2　2　·　　　　　　　　　　　　　　　　煤　化　工　　　　　　　　　　　　　2003年第2期

（1）占地面积小

内压缩流程为了使加压后的液氧冷量能够转换

为同一质量等级的冷量,使装置实现冷量平衡,通常

由一股压缩空气或压缩氮气与其换热。

在液氧汽化

的同时,这股压缩空气或压缩氮气被冷却和液化,送

入塔内参与精馏。

但不论采用压缩空气还是压缩氮

气换热,空气或氮气增压机都可以和主空压机或提

供高压氮气产品的氮气压缩机合为一体,这比使用

氧气压缩机的外压缩流程节省占地面积。

（2）压缩机效率高

内压缩流程使用的空气增压机和氮气增压机效

率比外压缩流程使用的氧气压缩机效率高。

（3）一次性投资小

（4）维修费用低

（5）由压力氧引起的危险性小

氧压机需要配备很多的安全措施。

而内压缩流

程是在极度低温下进行的,温度又是引燃氧气的一

个重要原因。

因此,内压缩流程中,由压力氧引起的

危险性比外压缩流程小得多。

（6）由烃类积聚引起的危险性小

烃的累积是许多空分装置燃烧爆炸的起因,内

压缩流程中,在较高的液氧压力下,随着液氧沸腾温

度的升高,烃的挥发度及溶解度也随之提高,因此烃

累积的可能性是降低的。

而且加热超临界氧可以避

免所有烃的浓缩,所以内压缩流程由烃类积聚引起

的危险性也比外压缩流程小得多。

（7）液体产品的产量高

内压缩流程和外压缩流程的性能比较见表2。

通过以上比较,内压缩流程的优点是显而易见

的,它的使用成为国内外低温法大型空分装置的主

要发展趋势。

2.2.4.2　内压缩流程的适用范围　内压缩流程适

用于以下情况:

（1）需要同时生产大量液体产品;

（2）产品气需有不同压力等级;（3）产品氧压力超过

氧的临界压力5.13MPa。

表2　内压缩流程和外压缩流程的性能比较

内压缩流程外压缩流程

占地面积小大

压缩机效率高低

一次性投资小大

维修费用少多

由压力氧

引起的危险性

小大

由烃类积聚

引起的危险性

小大

液体产品的产量多少

　　在氧临界压力以下的情况下,还需要考虑到经

济因素。

由于内压缩流程的能耗大于外压缩流程,

因此内压缩比较适用于电费较便宜的地区。

3　结　　论

对现有的旧装置,应有针对性地用最新技术和

工艺对空分装置的主机、单元设备甚至整套设备进

行改造,挖掘设备潜力;对新建的空分装置,应摒弃

老的生产技术和流程,采用新工艺、新流程。

这样,

可达到增产节能的目的,给企业创造更好的经济效

益。

参考文献:

[1]金丽群.气体总网第十二次全网大会技术交流会论文

集[C],2001.

[2]陈明敏.在役空分设备的挖潜改造[J].深冷技术,2000,

（4）:

28～32.

[3]严寿鹏.气体总网第十二次全网大会技术交流会论文

集[C].2001.

[4]江楚标,陈明敏.大型空分设备新技术讨论会论文集

[C].1999.

[5]毛绍融.99空分技术交流会论文集[C].1999.

TheDiscussionofAirSeparationPlantRenovation

HUANGXiao2jiang

（SinopecEngineeringIncorporation,100101）

Abstract　Thenewprocesswiththeoldoneintheareaofairseparationplantrenovationwascompared.Some

practicalandeffectivemethodsofrenovationwithlessinvestmentandmoreeconomicalbenefitwereintroduced.Thede2

velopmentofairseparationplantintheworldwasanalyzed.Itisthemaindirectiontouseadvancedprocessandtechnol2

ogyinthenewlybuiltplant.

Keywords　airseparationplant,potentialdevelopmentthroughrenovation,oxygen,nitrogen

　2003年4月　　　　　　　　　黄晓江:

空分装置技术改造探讨　　　　　　　　　　　　　·　2　3　·　

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