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煤化工空气分离及其工艺流程分析发布时间：2023-01-04T03:02:19.886Z 来源：《新型城镇化》2022年23期作者：毕翠玉[导读] 空气分离是指利用一定的物理技术，根据气体的物理性质对不同的气体进行分离，如氧、氮等常见气体，以及氦、氩等稀有气体进行区分。
山东华鲁恒升化工股份有限公司山东省 253000摘要：近年来，煤化工行业发展迅速，呈上升趋势，煤化工生产规模也在不断扩大，对各种生产设施和设备提出了更高的要求。
特别是空分设备的选型更注重工艺流程的合理性和安全性。
确定合适的空分装置工艺流程是煤化工企业生产活动中的关键问题之一。
为了保证空分装置的安全高效运行，煤化工企业必须选择正确的工艺流程，控制好安全运行的关键点。
关键词：煤化工；空气分离；工艺流程1煤化工空气分离的概念及其运行意义空气分离是指利用一定的物理技术，根据气体的物理性质对不同的气体进行分离，如氧、氮等常见气体，以及氦、氩等稀有气体进行区分。
空分设备是煤化工行业的重要设备。
随着煤化工的发展，对空分设备的要求越来越高。
煤化工空分装置的运行可以大大提高煤的转化率，提高煤化工企业的生产效率和生产质量，保证其生产目标的实现，为煤化工企业创造更多的经济效益，促进煤化工企业的可持续发展。
空分设备的运行强调安全，只有安全运行才能保证其运行的稳定，才能保证生产目标的实现。
选择正确的工艺流程，掌握合理的工艺流程选择是空分设备安全运行的前提之一。
2 煤化工空气分离工艺概述2.1低温加工低温空气分离理论是生产气态或液态氧气、氮气和氩气最有效、最经济的专业技术。
空分装置（ASU）采用传统多塔低温精馏塔的全流程，从压缩空气中获得高效、纯度高的氧气。
低温技术还可以以较低的增量成本生产高纯度的N2，作为有益的副产品流。
此外，还可以将液氧、液氧、液氮导入产品石英砂岩中，存储产品备份数据或副产品市场销售数据，增加固定资产和能源工程成本。
为了根据规模效应降低产品成本，再次对如何提高每列设备的生产效率进行科学研究。
试论大型煤化工型空分设备及其自动控制技术摘要：自动化控制系统作为整套空分设备的重要组成部分，与空分设备流程不同，其控制特点也不同。
大型煤化工型空分设备的流程控制特点，分析空压机、增压机、汽轮机三大机组的控制技术、高压氧气阀门的应用技术、高压液氧泵和相关阀门的控制技术以及机组相互关联控制技术。
关键词：大型煤化工型空分设备；控制技术前言在煤化工生产中，空分设备是不可或缺的重要组成部分之一，它的运行稳定与否直接关系到煤化工产品的质量和生产能效。
为进一步提升空分设备的运行安全性和可靠性，可将自动化控制技术合理应用到空分设备当中。
借此，本文就大型煤化工空分设备及其自动化控制技术展开论述。
1、空分设备中的IT CC控制技术在煤化工生产过程中，蒸汽通常采用的都是自产方式，一台汽轮机可拖动空压机组、增压循环压缩机组。
ITCC又被称之为CCS压缩机组综合控制技术，具体是指采用独立于DCS系统的CCS系统对汽轮机、空压机和增压机进行自动化控制。
在这种控制方式下，控制系统中所有与自动化控制功能有关的器件全部通过TUVAK6级安全认证，主要包括内部总线、I/O接口、主处理器、容错装置、系统电源等等。
CCS将自动化控制与连锁保护进行了集成，从而使两者形成了一个有机整体，具体的控制功能有机组负荷自动调节、防喘振控制、汽轮机调速、回路控制以及程序控制等等。
借助CCS系统的操作站，可对机组中相关的单元设备进行远程启停，同时还能进行监控和报警，不仅如此，利用工业以太网，还能实现与DCS系统之间的数据通信，由此使得整个控制过程更加有效。
2、空分设备中的自动变负荷技术2.1、自动变负荷技术该技术根据后续用氧的负荷变化对氧气量进行设定，自动调整空压机入口导叶，进而达到调节空分设备回路、流量、液位的目的，并在规定时间内使氧气产量达到要求。
自动变工况需要在预测阶段人为设定空分设备需要的液氧量，并对设备回路进行调节，如调整膨胀机的膨胀量，以保证液氧量达到设定量要求。
煤化工空分设备流程特点及选择发表时间：2018-09-18T15:26:10.877Z 来源：《基层建设》2018年第25期作者：武洪智[导读] 摘要：空分设备就是以空气为原料，通过压缩循环深度冷冻的方法把空气变成液态，再经过精馏而从液态空气中逐步分离生产出氧气、氮气及氩气等惰性气体的设备。
大唐呼伦贝尔化肥有限公司内蒙古呼伦贝尔市 021000摘要：空分设备就是以空气为原料，通过压缩循环深度冷冻的方法把空气变成液态，再经过精馏而从液态空气中逐步分离生产出氧气、氮气及氩气等惰性气体的设备。
本文从煤气化技术对氧气、氮气产品规格的要求，氧气、氮气的实现形式等方面，介绍煤气化工空分设备的流程特点及选择。
关键词：空分设备；煤化工；流程特点；流程选择一‘煤化工行业发展意义及煤气化技术1.1有序发展煤炭产业是国家能源发展战略的一个重要方面中国是煤炭主导型化石能源资源相对丰富的国家，按照《BP世界能源统计2009》的数据，我国煤炭储量占世界总储量的13.9%，居世界第二，石油和天然气储量分别占世界总储量的1.2%和1.3%，我国的能源资源呈现“多煤、少油、少气”的局面。
在这种形势下，发挥中国煤炭资源优势，采用先进可靠技术，有序发展煤炭和煤炭相关的洁净煤、燃煤发电、煤化工等煤基能源产业，适当缓解中国石油短缺的矛盾，就成为“节约优先、立足国内、多元发展、依靠科技、保护环境、互利合作，构筑稳定、经济、清洁、安全能源供应体系，以能源的可持续发展支持经济社会的可持续发展”国家能源发展战略的一个重要方面。
1.2煤化工产业发展现状传统煤化工产业以生产基础原料为基本特征。
主要有“煤—焦炭、煤—电石—PVC、煤—煤气化—合成氨—尿素”三条产业路线，主要生产焦炭、电石、PVC和合成氨等产品，为钢铁、农业等行业提供原材料。
现代煤化工以洁净、高效煤气化替代石油生产附加值较高的石化产品和燃料为基本特征。
现代煤化工基本上以低端的烟煤、褐煤为原材料，主要包括煤制气、煤制烯烃、煤制油、煤制醇醚和煤制乙二醇，大幅提升煤炭经济价值，是技术、资金、人才密集型产业。
对煤化工配套空分的特点及要求探讨导读我国是一个多煤、少油、缺气的国家。
我国化石类能源已探明可开采储量中煤占92.7%，石油占5.9%，天然气占1.4%。
煤是一次能源，在一次能源消费结构中煤炭占73.4%，水电占22.2%，石油和天然气占4.4%。
近二十年，随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，使石油的需求量大增，石油主要依靠进口，据资料预测到2015年我国石油的需求量将达到每年1.8~2.0亿吨。
中东地区及其他一些产油地区的动乱不断，造成油价飙升，而且居高不下，在100美元左右徘徊。
据专家估算，油价每上升10美元，相当于我国GDP下降0.8%，而且能源受制于人，所以发展煤制油等煤化工具有战略意义。
1、引言众所周知，地球环境问题很严峻，煤作为能源，以往以直接燃烧为主，如火力发电，不仅转化效率不高，而且会产生大量的CO2，SO2和其它废气，使污染加剧、温室效应严重，同时损失了煤中所含有的大量化工原料。
因此煤的综合利用迫在眉睫，我国发展煤化工是大势所趋。
在2000年以后，由于油价一直处于高位，煤化工企业的利润突显，我国各地的煤化工企业蜂拥而上，尤其2006~2009年成为高潮期。
但由于有些煤化工项目，工艺技术不成熟，高投入，环保措施不配套等原因，至今尚未投产，有的即便投产了，也处于不稳定生产和亏损状态。
加之传统煤化工项目污染大，物耗，水耗较高，由于前期盲目上马，造成煤资源浪费，设备闲置，产能过剩，因此国家于2011年开始，煤化工项目准入从严。
目前发展的煤化工是以煤制油，煤制天然气，煤制烯烃，煤制二甲醚，煤制乙二烯为代表的新型煤化工。
为了规范煤化工行业的发展，去年国家发改委下发了《关于规范煤化工产业有序发展的通知》，禁止建设，年产100万吨以下的煤制甲醇项目，年产100万吨以下煤制油项目，年产20万亿m3以下煤制天然气，年产50万吨以下煤制甲醇制烯烃项目，年产100万吨煤制二甲醚项目以及年产20万吨以下煤制乙二醇项目。
氮肥技术摘要简要介绍了主要的空气分离工艺技术（空气低温分离工艺，变压吸附空气分离、膜分离技术）的流程与原理，最新发展及其主要特点。
介绍了煤化工企业空分技术的选择及现代空分技术与工程设计的关系。
关键词煤化工空气分离原理工程设计煤化工企业空分技术选择与工程设计任树强曲顺利（山东省化工规划设计院250013）!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!"目前新兴的煤化工企业的煤气化装置均采用纯氧或富氧气化工艺，如何获得稳定、可靠、廉价的氧气或富氧空气就变得极为重要。
空气分离的方法可分为低温和非低温两种，其中非低温空气分离方法包括吸附、膜分离、化学分离法。
由于目前在大规模制取氧、氮液化产品，尤其是高纯度产品方面低温分离法具有无法取代的竞争优势，而且只有低温分离法才具有可同时生产氩等稀有气体产品的能力，故低温法在空气分离的工业应用中占据非常重要的地位。
变压吸附法是20世纪50年代末才开发成功的，由于其独有的灵活方便、投资少、能耗低的优点，近年来变压吸附空分富氧技术在中小规模富氧应用领域得到越来越多地应用。
膜分离空分是20纪世80年代国外兴起的高新技术，属高分子材料科学，它是21世纪十大新科技产业之一。
该技术虽起步晚，但发展较快。
先进的空分设备技术必须与优秀的工程设计相结合，才能使空气分离技术的应用更好地为工业服务。
1空气低温分离工艺空气低温分离工艺是利用多塔低温精馏的方法从压缩空气中制取高纯度的氧、氮、氩产品。
压缩空气经过分子筛吸附器，除去所含的杂质，包括水、CO 2、碳氢化合物等。
再经换热器被冷却至低温，在精馏塔中可分离为氧、氮、氩等产品。
装置所需冷量由压缩空气或压缩氮气膨胀做功获取。
根据气态产品的加压方式可将空气低温分离流程分为外压缩和内压缩两种类型。
在外压缩流程中，空分装置生产的气态产品的温度接近于环境温度，因其压力仅比大气压力稍高，故需要通过压缩机将其压缩至用户所需压力。
在内压缩流程中，用液体泵将来自精馏塔的液体产品提压，再送入换热器汽化、复热后出空分装置。
其中用液体泵将产品提升至用户所需压力的流程为全内压缩流程；在装置内将产品液体压力提升至中间压力的流程为部分内压缩流程，此种流程可减少离心压缩机的压缩级数。
深度冷冻法分为两步，先行制冷，再加精馏即可得到不同的气体产品。
1.1制冷为了使空气液化，可采用不同的深度冷冻循环装置，主要以林德循环和克劳德循环为基础。
前者是通过节流膨胀制冷；后者除仍有节流膨胀外，还有一部分气体在膨胀机中作等熵膨胀。
气体进行等熵膨胀时，温度的降低要比节流膨胀大，而且能回收一部分压缩功，所以比节流膨胀经济。
其他各种改进的深度冷冻循环，有双压节流循环、带氨预冷节流循环、逐级重叠循环等。
在深度冷冻法的各种循环中，典型的流程是先使空气在过滤器中滤去尘埃等杂质后进入压缩机，再经分子筛净化器除去空气中在低温下易凝固气体，如水蒸汽和二氧化碳等，已净化的空气在第一换热器中由产品氮气和氧气降温。
出第一换热器后，空气分成两路：一路经第二换热器继续冷却后，再经节流阀降压；另一路经膨胀机降压。
两路膨胀后的空气温度均降至103K 左右，进入双级精馏塔的下塔底部。
1.2精馏在深度冷冻法中，主要的分离过程是在双级精馏塔中进行的。
该塔由上、下两塔和塔间的冷凝蒸发器组成。
进入下塔底部的空气在该处的温度和压力条件下，已部分液化。
由于液氮沸点比2009年第30卷第3期14液氧沸点低，因而下塔底部的液化气体是富氧液态空气，含氧的质量分数一般为30％～40％。
下塔操作压力应高于上塔，才能使下塔顶部氮的冷凝温度高于上塔底部液态氧的沸腾温度。
从而使冷凝蒸发器内热量由管内传向管间，并具有一定的传热温差。
冷凝蒸发器同时起到了下塔塔顶冷凝和上塔塔底加热的作用。
空气在下塔由下而上经过多层塔板精馏，使易挥发组分氮的浓度逐渐提高，并在冷凝蒸发器管内冷凝成液氮。
一部分液氮在下塔作回流液；一部分收集于液氮槽，经减压后作为上塔塔顶回流液。
下塔底部的富氧液态空气，经节流阀进入上塔中部，与冷凝蒸发器蒸发出来的气体逆流接触。
由此使下流液体中的含氧量由上至下不断增加，最后积聚在冷凝蒸发器管间，含氧的质量分数可达99％以上，并不断在此蒸发出产品氧而引出塔外。
上塔塔顶引出的则是产品氮，氮的质量分数亦可达98％以上。
出精馏塔的产品氧和产品氮的温度都很低，可通过换热器使输入空气降温。
由于氩的沸点介于氮、氧沸点之间，利用双级精馏塔还不能同时得到纯氮和纯氧。
若在上塔中部适当部位抽出富氩气体作为提氩原料，则产品氮、氧的浓度可提高。
沸点较低的氖和氦气积聚在液氮上面，可抽出作为提氖、氦的原料。
沸点比较高的氪、氙则积累在上塔底部液态氧和气体氧中，可抽出作为提氪、氙的原料。
低温法实现空气分离是深冷与精馏的组合，是目前应用最为广泛的空气分离方法。
采用纯氧气化的煤气化装置均选择低温法实现空气分离。
2变压吸附空气分离变压吸附（PSA）法是一门新的气体分离与纯化技术，是非低温空气分离中的“明星”。
变压吸附制氧（制氮）广泛用于冶金、化工、化纤、化肥、造纸、采油、污水处理、垃圾焚烧、煤矿防灭火、保鲜贮藏、金属热处理等。
与深冷法空分相比，一般认为，在8000m3/h规模等级以下，变压吸附制氧更具经济性。
因此，在中小规模的空分领域，变压吸附制氧（制氮）将占主导地位。
变压吸附制氧原理：氮分子含有孤对电子而极性大于氧并且有较大的四极矩，因而N2与沸石骨架中阳离子的作用力强。
空气逐层通过沸石柱后，气相中的含氧量逐渐提高，这样便可得到富氧出气。
变压吸附制氮原理：利用氧和氮在碳分子筛上吸附容量、吸附速率、吸附力等方面的差异及分子筛对氧氮随压力不同具有不同的吸附容量的特性，来实现氧氮分离。
首先，空气中的氧被碳分子筛优先吸附，从而在气相中富积氮气。
一套变压吸附制氧（制氮）系统主要包括三部分：空气压缩系统、压缩空气预处理系统、吸附分离系统。
变压吸附空气分离的技术进步主要集中在两个方面：变压吸附空分工艺过程的改进，使过程更加节能高效；变压吸附空分吸附剂性能的改进。
吸附剂是变压吸附技术的基础，吸附剂的性能决定着吸附分离效果，从而决定着吸附设备投资和分离的经济性。
变压吸附空气分离法具有显著的特点。
①开停车方便：原始开车几十分钟左右可按要求获得合格产品。
临时停车后重新启动即可迅速恢复供给合格产品；②操作弹性大；③自动化程度高。
整个吸附分离过程由PLC 或DCS控制，可以实现无人操作；④操作成本较低。
主要操作成本为电耗，先进的装置电耗≤0.4kW·h/m3（O2）；⑤分子筛寿命长。
在正常操作情况下一般可使用8～10年，无环境污染；⑥投资省，一次性投资低。
采用富氧气化的煤气化装置，可以选择变压吸附法获取富氧空气或氧气。
3膜分离空分膜法气体分离技术是当今世界竟相发展的高新技术，属高分子材料科学，它是21世纪十大新科技产业之一。
由于膜分离没有相变、不需要再生，所以膜分离技术具有技术先进、投资少、操作费用低、寿命长、操作简单、开停机方便、占地面积小、操作弹性大、维护费用低等优点。
膜法气体分离技术现已广泛应用于从合成氨放空气中回收氢气、从天然气中提浓氦气、二氧化碳的回收、甲醇等用的合成气的调比等。
此外，气体膜分离技术还可用于空气分离，膜法空气分离可以直接生产氮气，其氮的体积分数可以达到99.9％；膜法空分还可以直接生产富氧空气，富氧空气中氧的体积分数可以达到50%。
膜法气体分离的基本原理，是根据混合气体任树强等：煤化工企业空分技术选择与工程设计第3期15氮肥技术中各组分在压力的推动下透过膜的传递速率的不同，从而达到分离目的。
通常一切气体均可以渗透通过高分子膜，其过程是气体分子首先被吸附并溶解于膜的高压侧面，然后借助于浓度梯度在膜中扩散，最后从膜的低压侧解析出来，其结果是小分子和极性较强的分子的通过速度较快，而大分子和极性较弱的分子的通过速度较慢，膜分离就是利用各种气体在高分子膜的渗透速率不同，来进行气体分离的。
由于膜分离技术是利用不同气体的渗透速率的不同来进行气体分离的，其分离推动力为气体在膜两侧的分压差，所以膜法气体分离没有相变、不需要再生。
膜材料是膜分离制氮技术的心脏部件，是决定气体分离优劣的关键因素。
目前还没有煤化工企业选择膜法气体分离技术制取氧气或氮气。
4现代空分设备技术与工程设计的关系空分设备的设计与制造，空分设备的工程设计，空分设备的使用、管理及维护是空分行业系统的三个组成部分。
三者之间关系密切，互为依存。
先进的空分设备与优秀的工程设计相结合，共同为使用空分设备的业主服务。
4.1空分设备的先进技术提供了改进工程设计的机会和要求最近，空分设备中采用了全精馏无氢制氩技术，取消了加氢脱氧工序，如果空分设备中再采用部分液氧内压缩，经泵升压至管网压力后汽化出冷箱，就可以使工厂设计中制氧主厂房中的偏跨厂房布置大为简化，减少厂房面积。
而在站区布置中，由于没有氢气站，可紧缩总图布置。
同样，如空分设备采用氧气内压缩流程，就可不用氧压机，因而可以简化工厂设计中主厂房的布置。
再者，由于空压机的结构改进，使工程设计中的厂房采用一层布置或露天布置，可以减少投资。
此外，由于空分设备中采用大型压缩机、大型液体贮槽以及空分冷箱的增高，都对基础的设计及整体布置提出了更高的要求。
4.2用优秀的工程设计支持和配合空分设备中新技术的应用空分设备的先进技术给空分工程设计提供了改进工程的机会和要求，因此一定要用优秀的工程设计去支持和配合空分设备中新技术的应用。
空分设备新技术的采用有可能使工厂设计中的主厂房为一层布置或露天布置，一改过去工程设计中习惯主厂房二层布置，水管及电缆都采用明沟布置的方法。
当采用一层布置或露天布置时，要对地下、地上管线及电缆的敷设方式进行统一安排。
另外还要对周围配电室的布置、厂房和厂区周边噪音的防治，以及主厂房内设备的检修等作通盘的考虑，才能取得较好的效果。
如在氧气站工程中，我们对地下管道采用了分层直埋布置及特殊的防腐处理。
又如只在一层主厂房中设了5t吊车，而在屋顶上设置了部分活动屋盖，作检修电机之用。
再者，大型压缩机、大型液体贮罐及大型空分冷箱对基础提出了更高的要求，在工程设计中一定要精心设计。
首先要用先进的计算机软件进行计算，再用CAD去完成设计。
