摘要：近几年，随着国家对资源再生利用方面关注度的提高，学界以及社会方面对能源再生问题展开了更为广泛且深入的研究探索，再加上政策层面再资源再生利用方面的技术支撑和政策引导，促使空分市场表现出了较好的发展态势，空分设备种类不断更新，研发技术持续提高，工业气体的发展空间相比较之前有了广泛的扩大。借助空分设备能够实现对原料空气的高效利用，有助于工业气体的大规模生产和制造。按照分布在大气环境中气体物理特性的差异，能够结合深度、冷冻、吸附等系列方法完成空气内氧气、氮气等诸多成分的分离，进而确保相关气体以及氦气、氩气等稀有气体能够从空气中脱离出来。
本文主要阐述了在项目中，本人负责的空气分离项目（深度冷冻法）的设备选型、工艺装置布置及管道设计。
关键词：空分装置；冷冻低温法；设备选型；工艺装置布置；管道平面布置；管道设计
1.引言
管道设计涵盖了多个学科方面的专业知识。在展开管道设计工作时，首先需要结合工艺环节完成设备的选型和参数的确定之后，基于结构方面完成线路的连接，并合理进行仪表电气等系列层面的专业设计。结合装置特点、地理位置、气候条件、设备和管道特性及维护设施，并用管道及组成件将装置中各设备安全、经济、合理、美观地连接成为一个系统的整体。作为设计人员，在起手设计的前提下，应当对自己所设计的装置有相对应的工艺理解，了解其特性，这样才能在工艺装置布置的时候，能够考虑到每个设备装置的安放位置及其注意点，装置布置设计，不是说把所有设备放进在一块用地上就算完成了，还需要严格遵守相关的设计规范。
对于一个空分化工装置而言，不仅仅要有生产区域，还需要配置对应的机房办公区域等等。在这期间涉及到诸多建筑空间的合理配置，而结合设计需要完成厂房平面的科学布置，保证管道路径的合理规划，对于后续工作的稳定高效展开具有重要意义。所以在设计期间首先需要从整体层面出发对功能分区进行合理划分，之后根据相关的规范要求，从安全，经济高效等方面完成系列工艺流程的合理展开，以实现在生产稳定操作的同时，保证厂房之中诸多建筑能够合理的布局。并需要考虑到周围其他区域的协调性，考虑到未来增产的可能性等等。
管道设计本质上体现为设计主导专业，能够为前期设计规划以及后续实践落实提供连接作用。在展开管道设计期间，需要结合实际情况进行灵活的调整和科学的规划。
充分利用目前能够再生的空气资源，展开深冷液化处理，进而形成能够用于电子制造，化工领域等相关行业的纯净液态及气态产物。从这一方面来看，目前项目已经具有较为完备的生产工艺体系，且运用到较先进的设备，在未来发展中具有较好的发展态势。本论文主要通过900Nm3/h空分项目从项目初期开始到项目详细设计为止，管道设计专业所要涉及到的设计相关内容。
2.确认适合客户的供给形式
为了帮助客户实现使用长期、经济、安定的氧气、氢气的目的，在客户二期新建项目时，根据客户的需求提出适合客户的方案。空气分离有三种技术方式：吸附法、膜分离法、深度冷冻法。三个方法表现出的优劣是各有差异，为了确保产品纯度的较高获取，最终采用深度冷冻法的空分装置Air Separation Unit（以为简称为ASU）。该设备对目前普遍应用的空气分离技术进行了应用，实际应用期间，对于方案的制定需要从下列几个层面予以考量。
2.1成本：
-原料购入“0”成本（直接使用空气作为原材料），
-虽然前期投入较大，但是可以在几年内对于投入资金进行回收，后期满足自身生产的需求量的同时，还可以通过二次贩卖附属产品，而造成盈利。
2.2稳定供给
-高纯度氧气和氢气产生（氧气99.5%以上，氢气99.99%以上）
-连续运转时间为8400h/年以上（此数值是参考在保证定期检查及维护的设备连续工作时间）
-因为各种状况的发生，需要停止ASU时，可以使用液态储罐（以下略称CE）通过汽化器将液体气化后，与管道实现客户生产线相关气体和能源资源的供应。
采用这两种方式将所生产的气体送入客户的工艺管线中，直接投入生产。低温液体进入储罐中进行保存，当客户生产产量提高时或ASU停止时，可以通过CE汽化后，成为补充气体提供给客户用于生产。
制订的方案的供给形式示意图如下为:
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（图2-1）适合客户的供给方案
3. 工艺原理
在本文所论述的空气分离项目中，其对于项目目标的实现主要是基于低温精馏法。通过该方法的处理能够实现对空气的冷凝处理，之后是将冷凝之后的液态空气结合内部包含的组份蒸发特性的不同，进行温度的灵活设置，从而完成空气的有效分离。双级精馏塔在上塔顶部和底部分别进行纯净氮气和氧气的生成；另外也能够在蒸发以及冷凝侧进行液态氧气氮气的获取。精馏塔内部对于空气分离过程的展开主要按照两个步骤进行：首先在下层完成空气的首次分离，进而实现液态氮气、富氧液空的有效获取；之后通过上塔完成富氧液空的精馏处理，以此来分理出纯净氧气、氮气。上塔又分为两段:液空进料口上方主要负责气体的金流处理，保证氧组份的高效回收，强化氮气纯度水平，下方则负责氮组分分离，液体氧纯度水平的提高。
3.1气体直接供给：深度冷冻法（如图3-1所示）
（图3-1）深度冷冻法工艺流图
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3.2低温液体汽化供给
（图3-2）CE供给系统简图
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使用这种方式的可以应对3种状态
（1）客户氢气使用量：510Nm3/Hr，氧气：900Nm3/Hr，前期对于用量的满足基本上是借助ASU，产出的多余液体进入低温液体储罐中进行保存，或多余气体处理后直接排放进大气中。
（2）若实际所需量超过ASU的产量时，可以采用ASU+CE的供给方式，CE液体通过汽化器进行汽化后调整至与ASU相同的压力，共同输送到客户用气端。
（3）当ASU因为维修保养，紧急停止的状况发生的时候，可以用CE单独直接供气。当CE储罐内气体用完之后，也可以通过罐车对CE进行充填，保证生产的稳定性。
4．装置布置设计
4.1 安全距离
在设备选型完成之后，需要确认所预留的区域是否能够满足现有设计的要求。2018年项目所在园区划分为石化园区，新建扩建项目需按照石化规的安全要求，储罐与道路与临近工厂的安全距离无法达到保证（详见ASU设备与关联设施的安全距离一览表）。设计主要基于石油化工企业相关的建设规范合理展开。结合建筑防火设计规范（GB50016-2014）可知，ASU配电室为丙类，压缩机厂房为乙类建筑，耐火2级。建筑物间的最小距离10M，又根据注释条文3，低建筑的外墙是防火墙的话，可以是6M。设计变动时，考虑到二期的可能性，预留管口，预留控制信号仪表等。
为了尽可能的为二期多预留一部分空地，在对设备进行型号规格选择时，需要尽可能保证效能的相对一致性，在确保工作效率水平较高的前提下，完成尺寸更小的仪器的选择，并基于所展开设备的合理布局。
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（表4-1）ASU设备与相关设备的安全距离一览表
4.2空分装置布置基本要求
4.2.1空分设备通常选择在大气环境相对而言较为清洁的区域，因此需要避免设置在有害气体以及尘埃散发源最大频率风向的下风侧区域。除此之外，还要从未来角度出发，考量企业扩建期间周边空间以及环境给自身造成的安全影响。
4.2.2空分设备距离要考虑噪声影响，应符合GB12348、GB3096的规定。噪声若高于相关方面的规范水平，则需要进行隔音以及消声处理。
4.2.3在进行工程设计时，中央控制室的噪声应符合GB/T50087的规定。
4.2.4原料空气过滤器需要高于加工空气量的两倍；过滤器体现出的效率以及诸多性能都需要同国家发布的GB/T14295的规定相符合。
4.2.5空压机内部需要配置振动、轴位移、油压、油温测量等一系列控制装置；带有完善的防喘振系统；全景放空系统；入口导叶调节系统。
4.2.6空冷塔空气出口应设压力低值报警、联锁、以防止空气出空冷塔带水；对冬季气温较低的地区，空冷塔上段、水冷塔整体等部分位置的管道都要按照工程设计规范完成对应的保冷控制。空气进空冷塔管道需要进行高温防范，所以要加以防烫措施的采取。
4.2.7活性氧化铝应符合JB/T 8058的规定；分子筛应符合HG/T2690的规定；蒸汽加热器污氮出口要结合微量水分析仪进行内部污染成分浓度密度的探测，且露点需要维持在-65℃以内；对分子筛吸附器进出管道等进行绝热层的添加布置。
4.2.8增压机入口位置要进行临时过滤器的配置，避免相关杂质进入大设备内部。另外设备的系列段区入口都需要有流量调节装置。
4.2.9膨胀机、增压端入口要加以过滤器配置，同时定期展开设备过滤设备的清扫处理。
4.2.10分馏塔系统应满足：主冷凝蒸发器、液氧蒸发器结构均体现出浴式特性，液氧蒸发器液氧中乙炔及其他碳氢化合物符合JB/T8693-2015表9的规定；分馏塔系统需要配置对应的防水、防冻装置；针对风载荷、雪载荷等系列应力予以考量，并符合GB50017相关要求；分馏塔系统冷箱内支架材料为不锈钢，运用的平台梯子建议选择斜梯结构；
4.2.11液化存储汽化系统用以对液氧、液氮、液氩等形系列产品的存储。另外还可以在低温液体泵、自增压器等器件支撑下完成产品向生产线的输送。系统需要就下列要求加以体现：设计同GB/T18442（所有部分）、GB50016系列要求相符合；低温液体要统一处理后放置于合理安全的位置；
4.2.12氧气压缩机一般不允许采用同步电动机驱动，应满足以下要求：要基于GB16912规定，对氧气压缩和流动期间环境表现出的温度特性，以及气体自身流速进行严格的控制；转子零件需要保证不会在纯氧中轻易点燃，通常采用不锈钢材料，氧气管道及管件材料都要同GB16912提出的系列标准相符合；对可能会同氧气进行直接接触的表面加以清理和脱脂控制，确保无焊渣、翻边等问题，尤其禁止有固体颗粒存在。
4.2.13配套的压力容器应符合TSGR0004、GB150（所有部分）、GB/T151和JB/T4734等有关法规、标准的规定；
4.2.14氧气管道应符合GB16912、JB/T5902的规定，高压氧气阀门设计应符合GB16912的规定。
4.2.15氧气调节阀需要进行对应的阀门室的设置，且防火间距同工艺条件相符合，同氧气储罐的距离需要超过3.5m。
4.2.16接触于氧气的零件材料需要体现出抗氧化性，表面清洁度同JB/T6896系列要求相互满足。
4.2.17设备的工程设计和安装应符合产品设计要求和GB50016、GB50274、GB50725等标准及有关法规的规定。
4.3空分设备的设备布置图
空分装置内部包含有一系列系统，总共涉及到的系统数量为八个，分别负责对气体的净化、冷却处理以及热交换、精馏处理，除此之外还包括对形成产品的稳定输送和合理存储。最后还有负责整个装置稳定运行的控制和动力系统。所借助的外部硬件设备包括空压机、空冷塔、水冷塔等等，各组成区间由管廊连接。空分装置生产类别为乙类，危险物质有氧气、氮气、液氧、液等。这些物质都表现出较强的助燃特性，在处理操作期间需要予以较大关注。
4.3.1设备布置设计时注意点：
（1）缓冲罐根据现场实际情况，就近设置在管廊桥架下方。
（2）压缩机房具有的空压机等系列设备均需要进行净空合理控制，结合本文选取的设备型号，设置检修行车起重5T，净空高度为9米。
（3）从而防止结构设计期间出现膨胀等系列问题。
（4）空气过滤器同空压机两者在进口位置体现中心对齐分布特征。
（5）氧压机及压缩机，要预留设备检修时的轴芯抽出距离。
（6）针对会给作业现场形成强应力影响的消音器设备，需要分布在空间位置较为空旷的区域。
（7）氧气储罐要设置在同明火操作区域35米净空距离的位置。
（8）控制室和分析室通常都需要体现出就近布置原则，要避免在危险区域的布置，并远离会形成震动影响的相关组件。
（9）为了确保后续操作的简便高效进行，保证维修以及安装工作的合理展开，促使布置体现出经济和整体美观，需要结合设备大小和整个空间完成设备进去的科学控制，合理设置净空高度，同时对操作通道及平台加以预留空间的考量。
在满足不同生产工艺要求及4.2及4.3.1要求的同时，将主要ASU项目区域分为两个部分，室外部分和室内部分。并根据设备的承重，安装尺寸等提供设备基础图给土建部门，进行土建复核和施工。
室外部分主要由冷箱、膨胀机、残液风机、冷却器、消音器、缓冲罐、管廊、配电室、仪控室、分析室组成。
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（图4-3-1）室外平面基础布置图
室内相关组件涉及到空压机、预冷机、氧压机等等。
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（图4-3-2）室内平面布置图
5.管道布置
5.1管道
在开展管道布置工作之前，首先要结合管道整体布局和相关仪器组件的控制环节进行设计；符合现行的标准、规范和规程的规定；除此之外还要对规划进行经济、安全、美观等多个层面的客观分析；满足施工、操作和维修等方面的要求。
（1）通常情况下污水，雨水以及循环水等需要借助埋地敷设完成管道布置，其他工艺以及工程环节执行期间的管道均可以结合空间布局加以架空敷设，强调体现出布置的集中性和紧凑性。
（2）管道间距和管道净空高度
a．对于不具备保温功能的管道、法兰与响铃管线之间相对距离控制为25mm。
b．保温管同周边管线之间的相对距离需要设置在50mm。
c．可能会形成侧向位移的管道，在布置时需要对间距进行余量的设置考虑。
d．若管道需要对整个厂区范围内的主干道路进行跨越，则需要将其设置在同地面高度超过5.5m的上方；若对一般道路进行跨越，高度同样不能低于4.5m。
e．由于管道布置行程的高点或低点，应设置排气和排液口。
（3）对于整个管道布置形成的较高以及较低位置，均需要进行排气排液出口的布局。
（4）管廊区域若进行了较大管进的管道分布，则需要将管道尽可能同管廊柱子接近，从而保证整体结构的稳定性。小直径、气体管道等可以设置在管廊中间位置。工艺管道一般情况下设置在同管廊进行连接的设备区域，期间需要进行管道补偿器等相关辅助设备的添加。
（5）冷却器管道在布置期间需要围绕两个方面进行展开，一方面是能够便于人员操作和控制，另一方面不会给后续设备维护和日常检修工作造成空间阻碍。
（6）管道布置所占据的空间范围，不能对起重机以及相关设备运行进行道路的阻碍影响。在配置期间需要预留出合理且科学的通道宽度。
（7）压缩机管道布置期间一方面需要从柔性层面展开分析，另一方面还需要结合项目所需展开振动情况的探究。在确保系列要素均有效满足实现的前提下进行布置。支架通常设置在地面，进出口管道需要体现出短而直的特性，也不会给组件移动形成影响。
（8）管道跨距需要能够对管道在刚度和强度方面的系列要求予以实现。通常情况下，刚度和强度的最小参量即等同于最大管道跨距。室外管道布置期间要尽可能的对已有建筑物等进行邻近布置。管廊材质与管道不同时，注意做好支架及防腐蚀。
（9）管道若需要进行地面建筑物墙面的穿透，则要添加套管。
（10）套管直径高于管道隔热层外径时，不会给管道热位移造成影响作用。
5.2管道阀门布置
操作阀门通常需要设置在能够便于操作和后续定期维护的位置，成排换管道分布的阀门需要体现出集中性，且对设备操作空间进行预留。阀门的操作适宜位置如图所示。（图5-1）
（图5-1）阀门操作适应位置图
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还需要再空间布置上，考虑到日常从操作及维护的需求，因符合（图5-2）的空间位置。
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（图5-2）不同操作姿势所需尺寸
6.结束语
在对空分装置进行科学合理的工程设计期间，首先需要结合工艺仪表流程图展开相关组件的选取和规格型号的设置，另外还要基于实际情况完成装置内系列单元之间的高效连接，保证工艺能够相对而言较为顺畅且高效的展开，综合考虑整体设计的设计参数及载荷等要素。从宏观角度着手，包括：设备工艺流程的设计对应设备型号和工艺参数的确定，整体连接平面图布置等；一般情况下，只有确保前期总体工程设计的科学展开，实现系列基础工作的有效落实，才能保证后续工作稳定高效的进行，还能实现前期制定的计划目标，并促使项目施工期间能够进行更少资源的投入和项目，更高效率的完成。工程设计是一个持续且不断改善的过程，要在实践期间结合相关的工作经验和客观情况中反馈的问题加以改进措施的采取。同时综合业内提供的建设性建议，对项目完成客观的安全评价，从根本上避免设计和安装操作缺陷的形成，保证设备布置能够合理科学管道设计能够满足前期设计目标，且体现出整齐美观性。
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