2×40000m3/h空分装置设备配置及工厂设计总结

肖斌++王伟

关键词：空分装置；工程设计；设备布置；管道设计；应力分析

1 装置的工艺流程特点及产品指标

针对用户用氧压力高，装置规模大的特点，该装置采用增压空压机+液体泵+空气增压透平膨胀机并通过换热器系统的合理组织来取代外压流程氧压机。这一流程安全可靠、经济合理。内压缩流程取消了氧压机，减少由于氧压机带来的安全隐患；从主冷大量抽取液氧，将碳氢化合物积聚的可能性降到最低程度；产品液氧在高压下蒸发，大大降低了烃类物质积累的可能性；采用进口低温液体泵，一用一备，能够保证空分的连续平稳运行。

2 空分装置的选址及布置

空分装置总体布局设计是结合厂区的自然条件和外部条件，根据工艺流程中各系统的相互联系以及操作、安全、环保、安装、检修、采光、通风、整齐美观等多方面要求，在确定的空间内对各种工艺设备以及相关专业的设施，进行综合规划和有序排列、摆放的过程。本工程设计中对空分装置选址的指导思想和实施落实如下：

①厂区远离建筑物和人口稠密区布置，位于居民稀少的化工基地区域。

②空分装置位于化工厂区的北侧，空气过滤器周围设置了防尘墙，保证了吸入空气的洁净度。

③空分装置尽可能靠近下游合成氨、尿素装置。

④厂房布置在满足设备布置要求的情况下尽可能兼顾自然通风和采光等因素。

⑤空分单元四侧均有主干道路，充分考虑了交通、电力、供汽、供水等各方面因素。

主厂房采用了双排柱钢架结构。考虑到主机组的安装和检修，厂房中部设有7.6×5米的吊装孔，主厂房二层设计为钢格栅平台保证了厂房一层采光充足，通风良好。厂房高度及行车起吊重量均参照主空压机制造商提供的机组数据确定。厂房共设计四个安全出口，设两个钢斜梯通往二层平台。两套空分的空压机东西对称布置，由汽轮机拖动，一层中部放置离心氮压机及仪表压缩机。主厂房南侧设置主管廊联结厂房送出管道及厂房外各设备。由于本装置两套空分的冷箱在南侧，空、水冷塔在中部，换热器冷箱顶部和北侧为工艺管道进出的方向，需将产品氧、氮通过管廊向东送出界区，将液体产品向东送往贮存气化系统的液氧贮槽和液氮贮槽，故将主管廊设计为H型。主管廊设计为双柱纵梁式，底层净高按一般道路和检修通道需要设计为5米，综合考虑其间的管道数量和管道大小设计管廊的层高为5米、7米、9.8米，两套空分装置公用部分管廊宽度为6.5米，能使多数管线合理布置，少绕行，减少管线长度，预冷间分两排平行布置在主管廊的南北两侧，空水冷塔穿过预冷间房顶，有利于大型塔式容器设备的管道布置和支撑，并考虑到寒冷地区的防冻问题，冷却水泵和冷冻水泵也布置在预冷间内，界区内循环水管路布置在冻土层以下，在设备前出地面与管口相连，便于界区内人员、车辆通行，并且节省了空间。

为了回收冷能，避免造成不必要的浪费，空分装置冷冻水来源于合成氨装置的氨蒸发器参与热交换后的冷水。氨是乙类可燃介质，若将氨蒸发器放置在空分装置区，各设备的电机必须采用防爆电机，而这将大大增加电机的采购成本。后经综合考虑各方面因素，将氨蒸发器移出空分装置区。

3 空分工程的管道设计及应力分析

3.1工程管道的设计

工程管道的设计要满足安全性和经济性的要求，安全性表现在两个方面，一是操作风险小安全系数大，不因管道及管道组件失效而发生重大事故；二是系统运行平稳，避免发生跑、冒、滴、漏而造成整个设备不能正常开车。经济性要求是指管道的一次性投资和操作维护费用低。

在工程管道的设计中，在满足管道设计的安全性的基础上，充分考虑管道走向和管道支架设置的合理性，不仅保证了系统运转的可靠性并且降低了管道的整体投资。 该空分装置是内压缩流程，氧气管道的压力较高。为了保证氧气管道的安全，在氧气调压阀组和放空管道阀门处设置防护墙，并将手动阀操作阀杆伸出防护墙外。调节阀组出口侧的管道不与弯头直接连接，而是留有长度大于1.5m的直管段。保证了氧气调节阀组管道的安全性。

3.2 分子筛系统管道应力分析

分子筛系统在正常工作时处于交变工况，分子筛在生气与净化空气的温差超过130℃，甚至能达到180℃，管道承受疲劳载荷，再设计分子筛系统管道时，应当考虑管道柔性，防止管道出现疲劳破坏，根据分子筛系统的工作特点，其管道应力分析应从以下几个方面入手。

分子筛纯化系统的两只吸附器在8小时内，其管道系统的载荷循环三次，一天管道载荷循环次数为9次，一年内管道系统载荷的循环次数为3285次。一般分子筛纯化系统的使用寿命为20年，则在使用年限内其管道系统载荷的循环次数为65700次，在规范中可查得其许用应力范围折减系数为0.6。

分子筛纯化系统再生时属于高温系统，免不了使用弹簧支架。但是必须注意，选用弹簧支架时，附近阀门和保温层的重量一定要计算正确，否则弹簧很可能选择错误，导致失效。空分设备分子筛纯化系统的管径一般比较大，选择弹簧支架时为保稳定性，给DN500mm以上的管道选择两个弹簧，这样比较经济合理。在选择弹簧支架时一定要注意弹簧的安装高度，如果管道与地面距离过小，一定要查阅弹簧高度，确认是否可以安装，避免给现场安装造成不必要的麻烦。

3.3 三杆阀的安装要求

三杆阀在空分装置应用广泛，三杆阀采用背压密封，可以很好的控制限制最大开启压差，有效防止分子筛冲床，所以一般在分子筛系统中。三杆阀在背压作用下具有良好的密封性能，并有可靠性较高和使用寿命较长的特点。 由于三杆阀采用背压密封，所以在安装三杆阀时不能简单的只根据流体流向安装，而是要根据阀门关闭后阀门前后压力差的方向和执行机构的安装空间需要来确定三杆阀安装。

4 结束语

随着单套空分规模的不断增长，空分设备的合理布置和管道的合理设计在保证空分正常运行和降低成本等方面都将起到越来越重要的作用。在设计中，应该运用PDMS CAESARI等软件，确保空分装置设备布置和管道设计的合理正确，保证空分装置开车后的正常运转。

参考文献：

[1]关小会.空分装置中空气压缩机的自动控制[J].河南化工，2005（08）.

[2]吴晓峰，韩梦云，张新伟，利铭，孙军.过程控制在空分装置中的应用[J].冶金自动化，1999（03）.