罗江全 许德焕
广西柳钢中金不锈钢有限公司 广西玉林 537600
摘要：在工业生产中，钢铁冶炼的生产制造对气体的要求非常严格，如果直接将空气填充到生产流程中不仅会产生其他的物质同时也会降低产品的质量，因此在钢铁冶炼生产中需要将空气中的各个成分进行分离，而空气分离过程中最重要的分离装置就是深冷空气分离装置。深冷空气分离装置在氧气制备中主要是通过对填料塔、液体泵内压缩以及预净化等环节，是空气中的常温分子预净化完全，而空气分离增压过程中给空气分离装置提供所需的冷量，保障深冷空气分离的有效进行，为了确保深冷空气分离装置有效的运行和促进空气分离的效率，加强深冷空气分离装置工艺特点以及设计原则的分析非常有必要。
关键词：深冷空气分离装置；工艺特点；设计原则
1空分装置的组成
1.1脉冲反吹自洁式空气过滤器
脉冲反吹自洁式空气过滤器的主要部件包括：空气滤筒、脉冲反吹系统、净气室、框架、控制系统。反吹系统由气动隔膜阀、电磁阀、专用喷嘴及压缩空气管路组成。控制系统主要由脉冲控制仪、差压变送器、控制电路等组成。
自洁式空气过滤器的净气室出口与空压机入口连接，在负压的作用下，从大气中吸入加工空气。空气经过过滤筒，灰尘被滤料阻挡。无数小颗粒粉尘在滤料的迎风表面形成一层尘膜。尘膜可使过滤效果有所提高，同时也使气流阻力增大。
1.2预冷系统
采用水和空气直接接触式的空冷塔，既降低空气温度，改善分子筛的工作环境，同时又洗涤空气中的机械杂质和酸性气体。利用效率高，阻力小的散装填料塔，不但能够有效确保塔的换热性能，还能够有效降低阻力，使得空压机出口的压力极大的降低，最终起到降低能耗的作用。液体的分布装置使用的分布器较为新型、高效，能够将水充分的与空气接触，确保塔的热换性能，使得冷冻水量有所降低，最终实现降低能耗的目的。氮水冷却塔使用的散装填料塔较为高效，且能够将污氮的冷量进行充分的回收。使用的冷冻水泵以及冷却水泵均采用一用一备的方式，从而有效确保装置的可靠性。
1.3纯化系统
分子筛吸附器使用了活性氧化铝和分子筛构成的双层床结构，底层的活性氧化铝床层能够对分子筛进行有效的保护，使得分子筛的使用寿命有所延长，利用双层床能够有效降低吸附器的再生阻力，降低其再生温度，大大的节省了再生能耗。
纯化系统阀门主要由三杆阀控制，每个阀门都有开关两个信号，而且均有开关状态回馈，如果阀门卡死在中间状态或在切换过程中，操作员可以根据生产需要选择暂停自动控制程序，使所有阀门保持在该操作状态不变化，也可以恢复运行自动控制程序，让纯化系统继续投入正常工作时序。
分子筛纯化系统使用的是长周期设计的方式，单个吸附器吸附的时间为4h，能够有效延长分子筛以及阀门的使用寿命，切换所造成的损失也会减小，同时将切换而引起的压力波动次数有所降低，确保主塔工况足够的稳定。
1.4精馏塔系统
精馏塔系统主要分为上塔、下塔和冷凝蒸发器。上塔采用规整填料，可以提高效率，降低空压机排压，提高装置提取率，降低能耗。下塔采用高效筛板塔，可以节省投资。冷凝蒸发器常见的型式有板翅式和管式两种，因板翅式冷凝蒸发器采用的是全铝结构，主要优点是结构紧凑、重量轻、体积小，而且制造容易，因此，在大中型空分设备中得到了广泛应用。
待分离的原料进入上塔，进料板以上为精馏段，以下为提馏段。其中精馏段所起的作用是将上升汽相中的重组份不断冷凝分离，汽相中轻组份不断提纯。提馏段的作用是将下流液相中轻组份不断汽化分离，液相中重组份不断提纯。冷凝蒸发器则是联系上塔和下塔的纽带，它用于上塔底部的液氧和下塔顶部的气氮之间的热交换。
液氧在冷凝蒸发器中吸收热量而蒸发为气氧，作为上塔的上升蒸气；气氮在冷凝蒸发器中放出热量而冷凝成液氮，作为下塔的下流液体。通过精馏，实现了空气的分离。
1.5控制系统
空分装置采用DCS集散型控制系统。结合选用国际先进的DCS系统、调节阀、在线分析仪等测控组件，除了确保空分装置的正常运行外，还可以在装置出现事故停车时保证设备安全。
2深冷空气分离装置工艺
2.1空分装置工艺流程
目前，空气分离所使用的空气分离设备主要是由分子筛吸附预净化、增压透平膨胀机以及液体泵内压缩工艺等组成的，在空气分离的整个流程中首先是将需要分离的空气在空气过滤压缩系统中进行过滤和压缩，其次是将过滤和压缩的空气在空气预冷系统中进行预冷和纯化，再次将预冷和纯化的空气在精馏塔系统中进行精馏处理，经过一系列的分离净化处理最终得到纯净的氧气、氮气以及其他气体。
2.2空气过滤和压缩工艺
需要分离的空气注入到分离装置中的自洁式空气吸收过滤器中，过滤器会将空气中所携带的粉尘颗粒以及其他杂质过滤掉，初步对分离的空气进行净化，然后将初步净化的空气进行压缩。
2.3空气的预冷和纯化工艺
已经经过初步过滤和压缩的空气进入到分子吸附器前会在空冷塔中进行冷却处理。首先在空冷塔中的分子筛吸附器上对空气进行冷却，降低空气的温度，减少空气中的水、二氧化碳、碳氢化合物等的含量，然后对空气在进行一系列的洗涤处理，得到纯化后的空气。
2.4空气分离的精馏处理工艺
空气分离过程中经过预冷和纯化工艺处理后将进入到空气分离精馏系统中进行精馏处理，在进入精馏系统前一般将预冷和纯化的空气分成两部分。一部分空气从分子吸附器出来后直接进入到污氮换热器中，经过冷却后在进入到精馏系统中的下塔；而另一部分空气则通过增压机进行进一步的压缩处理，利用增压机的增压作用将空气压缩成一股气流，然后在经由冷却器进行冷却，再然后进入到主换热器进行进一步的冷却处理，通过液体膨胀进入下塔。增压机中末级的空气会被送入到冷箱中然后经过主换热器进行冷却，经过高压节流阀最终进入下塔，最终得到分离的氧气、氮气以及其他气体。
3深冷空气分离装置设计原则
3.1空分装置布置的设计原则
在空分装置布置的设计过程中要对该装置应用的环境以及生产技术进行了解，根据设备的安装位置、实施条件以及风向等条件综合考虑空分装置布置的设计方案，空分装置安装时也要对重荷载和有振动的设备进行合理布置，要确保安装的管道足够的合理经济，较好的节省用地，降低管理成本。
3.2冷箱内配管的设计原则
冷箱内配管的设计应该在配管前对配管进行坡口缝隙的焊接处理，焊接工作结束注意对管件的内部外部清理，为了防止发生其他的变化要对配管进行脱脂处理，带配管安装前的前期工作处理好了之后将配管放到冷箱内时要注意配管放置的先后顺序，根据冷箱内的空间大小合理选择配管的直径，防止冷箱内空间小，配管直径大产生额外的应力，是配管发生形变，一般要求冷热管道的外壁间距不应小于0.2m，而配管上的温度计、压力表和分析管等的接头应该先开口，至少要早于配管开口，防止施工时杂物调到配管中；气体吹除管的坡度应符合设备技术文件的规定，防止水分在管内冻结。
3.3阀门配置的设计原则
空分装置中的阀门配置的设计是非常重要的，并且在阀门安装前应该对阀门进行脱脂清洗，避免阀门在某些条件下与空分系统中分离的一些气体或其他化学物质发生反应，降低阀门的紧固性和气体的纯净性。除此之外，冷箱内的阀门安装位置的确定也非常重要，根据空分装置的空气分离要求，冷箱内的阀门应该安装在阀门手轮中心与地面或者平台面距离1.2m处左右，为了使阀门能够适应需求的需要应该在阀门上设计安装伸长杆，而阀门的紧固元件以及阀门盖应该采用不锈钢材质的，避免阀门生锈、腐蚀，不易操作。
结语
总而言之，市场的主要选择依旧是低能耗、高效能以及安全生产的空分装置，利用对现阶段空分技术的现状进行分析，对国内外广泛应用的空分技术进行比较，空分技术在工艺流程方面和设备选择方面都有较好的发展。
参考文献
[1]郭震.深冷空气分离装置工艺特点及设计原则探究[J].低碳世界,2016(17):245-246.