特大型空分装置国产情况

　 1 前言

　 随着气体工业的迅速发展，各行各业对氧、氮、氩产品的需求量急增，纯度要求越来越高。逐步形成了现代空分设备制造技术的特点：巨型化、规整填料塔、全精馏无氢制氩、氧氩产品高提取率、高纯度、气液并产、高自动化、多种工况、可靠性高、低能耗、运行周期长等；对氧氮产品压力要求特别高的石化行业和液体产品量要求特别多的用户，还有选择内压缩流程空分设备的要求。

　?为了尽快提高我国特大型空分设备的设计制造技术水平，提高市场竞争力， 自20世纪90年代初，杭州制氧机集团有限公司进行了“30000m3／h等级空分装置设备研制”攻关。主攻的技术问题有两方面：一是设计技术，二是制造技术。通过对设计和制造关键技术的课题攻关和大量的试验研究，解决了一个又一个技术难题，使杭氧较快地掌握了特大型空分设备的核心技术，并逐步推向市场。宝钢30000m3／h(氧)空分设备的顺利投产，标志着我国空分设备的设计制造技术上了一个新的台阶!

　2 特大型空分设备新技术、新产品研制

　2．1 特大型空分设备的成套设计与计算技术

　 杭氧在“八五”与“九五”期间，一直承担着国家重大技术装备国产化攻关项目“三万空分国产化流程设计与计算”子课题的研究与开发工作。主要工作项目有：

　 (1)应用美国Aspen热力计算软件，对空分流程进行集成计算，同时自行开发内压缩流程热力计算软件。

　 (2)采用林德精馏计算软件，同时针对目前采用规整填料塔及全精馏制氩流程的特点，自行开发适用于该流程的精馏计算模块，它可以实现主塔与氩塔的集成计算。同时自行开发精馏塔水力学计算程序。

　 (3)用美国S—W公司板翅式换热器性能及结构计算程序，对换热器进行热力计算，同时自行开发了多个专用程序。

　 (4)采用美国NREC软件，对离心压缩机、透平膨胀机的叶轮进行设计。该软件可自动生成加工指令。

　 (5)采用PDMS三维管道设计软件对冷箱内低温管道进行设计。

　 (6)在强度计算方面，杭氧采用MSC／NASTRAN应力分析、计算软件进行空分设备强度计算。

　2．2 新型空气预冷系统的开发

　 通过技术合作的形式引进了国外公司专门用于空冷系统性能计算及散堆填料型空冷塔和水冷塔结构计算的软件，使新型空冷系统的开发有了先进可靠的设计软件。同时在空冷塔及水冷塔的结构形式上，杭氧开发了散堆填料塔和大孔径降液管式筛板塔。采用的散堆填料，具有传热效率高、阻力小、操作弹性范围大等优点。在散堆填料的选择上，考虑到不同塔段工作状态的不同，而采用不同结构形式和不同材质的填料，并且对填料表面进行特殊处理，使其表面的湿润性更好，以增强传热效果。

　 在流程组织上，对氮气产量要求较少的空分设备，其空冷系统的外界循环水先经水冷塔冷却再经冷冻机冷却后进人空冷塔上段，充分利用了污氮气的吸湿性，使冷冻机制冷量大大下降。当氮气产量小于、等于氧气产量时，可以取消冷水机组，使整个系统运行更可靠、能耗更低。我们为济钢20000m3／h、宝钢30000m3／h、乌石化28000m3／h等空分项目设计了十几套大型空冷系统，都采用了大型散堆填料塔，取消了冷水机组。经实际运行测试，完全达到了设计指标。杭氧与林德公司合作生产的为宝钢60000m3／h空分配套的空冷塔和水冷塔塔径达到φ4500mm和φ4200mm，是目前国产最大的空冷塔，运行情况良好。

　2．3 特大型分子筛吸附器的研制

　 分子筛吸附器是空分设备的重要配套设备之一，普遍采用的有卧式和立式径向流两种结构形式。

　大型卧式吸附器由于受运输的限制，一般外径φ4200mm，主要需解决吸附层截面的气流分布均匀度。通过现场测试和调整吸附层截面的气流分布均匀度情况,使设计制造的吸附器在现场不再测试，安装完毕就可直接投入使用。杭氧与林德公司合作生产的宝钢60000m3／h空分设备配套的分子筛吸附器，外形尺寸：直径似200mm，长25000mm，已稳定运行五年以上。

　2．4 高效精馏塔的研制

　在宝钢“三万”空分设备的下塔，成功地采用了四溢流筛板。常规使用的单溢流和双溢流筛板塔板由于弓形区是液体的滞流区，存在液体返混现象；塔板上存在液面落差。这些问题随着精馏塔直径的加大而变得更加严重。而四溢流塔板可有效地减少液体流程、液面落差和溢流强度，因此改善了气液接触，提高了塔板效率和液体处理能力，减小了压力降。这种结构形式完全可以用于“五万”和“六万”等级的空分设备中。这种形式的塔板具有投资成本较低的优点。目前，正在设计采用规整填料的下塔，以进一步减小塔径和下塔阻力，使空分设备操作负荷在50％~105％可变，同时也可使空压机背压进一步降低10～15kPa。

　2．5 新型主冷凝蒸发器的研制

　 主冷凝蒸发器是空分设备分馏塔中的关键部机，它的传热性能好坏将直接影响到空分设备的总体性能与能耗,从1986年开始即与西安交通大学合作开发新型主冷，其中“大型制氧装置冷凝蒸发器”课题中包含的两项新技术申请了两项专利，名称分别为“类环状流双相变换热器”及“双沸腾型冷凝蒸发器”,一致认为该项目首创特殊通道比例作为基本换热单元，首创冷凝通道的结构方案，使传热温差显著减小，产品与技术处于当前国际领先水平。

　 宝钢“三万”空分设备配套的主冷凝蒸发器就应用了此项“双沸腾”新技术。该技术的应用，使得特大型空分主冷安装在上下塔之间成为现实，大大简化了管路系统，节省了冷箱占地面积，也降低了运输成本。按常规， “三万”以上的特大型空分主冷因考虑运输问题，直径不能太大而往往需单独布置，上下塔之间用管路连接。不仅管路配置复杂，且冷箱占地面积较大。

　2．6 冷箱总体的设计研究

　 空分设备采用规整填料上塔及无氢制氩工艺后，塔的高度显著增加，尤其是粗氩塔，其总高度达到55~65m。为保证氩馏分能顺利回流到上塔，通常将粗氩塔分成两段，即使这样整个冷箱的高度根据提取率的不同一般也在55~65m之间，比原来采用筛板塔的冷箱足足要高15~20m，这对冷箱总体设计提出了更高的要求。

　 冷箱作为壳体，要承受风载、内压、珠光砂等载荷，同时作为工业建筑，也需要考虑地震载荷。随着全精馏制氩流程的采用，冷箱的高度已达60m以上，因此非常有必要对冷箱进行应力分析，选择合理的型钢规格，为冷箱设计及改进提供可靠的依据。采用钢结构分析软件STAAD／PRO做应力分析。

　 冷箱内配管设计应用PDMS软件。该软件是一个三维实体模型工厂设计系统，具有交互式、全彩色实体设计环境，具有碰撞干扰检查、自动统计材料及报告生成功能，还可以全自动出管线图，为用户现场安装提供了很大的方便。应用CAESAR软件，可以对冷箱内管道作静态、动态应力分析。

　2．7 大型低温设备加工工艺的技术攻关

　 要实现特大型空分设备的国产化，仅掌握先进的流程和结构设计是不够的，加工工艺能否满足先进的设计是至关重要的。杭氧主要进行了以下几方面的技术攻关：

　 (1)对大型、厚壁、扳边锥体的下料、卷制及扳边，进行了工艺研究，设计制造了相应的扳边装置，解决了主冷所用的Φ内4250Φ内3980×hll8×δ18、Φ内4250／Φ内3703×hll70×δ18(mm)等扳边锥体的成形难题。

　 (2)宝钢“三万”空分的上塔、主冷、下塔、氩塔等低温设备的壳体，全部采用高强度铝合金5083材料，这种材料强度高，但延伸率只有普通碳钢的二分之一、奥氏体不锈钢的三分之一，这给上下塔、主冷所用的大型厚壁封头的成型带来了极大的困难。高强度铝合金(5083)厚板的焊接及冷、热加工试验，掌握了焊接、冷热成型及热处理规范，攻克了Φ3800×35、Φ3700×22(mm)等大型、厚壁封头的旋压成型难题。目前杭氧可以压制最大直径达到Φ5000mm、厚度δ40mm的铝合金封头。

　 (3)设计制造了大型型钢弯曲机，以解决主冷、上塔所用的厚壁T型铝等特殊型材的卷制难题。

　 (4)宝钢“三万”空分设备下塔内径达Φ3800mm，塔内采用四溢流形式的筛板，每块塔板由多只溢流斗、接液槽、无孔板及筛板组成。由于塔板直径大、复合的零件多，要使复合后的塔板与塔体组装的平面度公差<1000：1、与塔体轴线的垂直度公差<1000：1，全面应用引进的孔板精馏塔制造技术，设计、制造了相应的专用设备、工装模具及检测工具等，以确保零件制造和组装质量。

　 (5)宝钢“三万”空分主冷体积大(外筒内直径Φ4250mm、高7880mm)，吨位重(净重量32．4吨)，结构复杂，这给组装、焊接带来了极大困难，为此制订了详细的组装工艺，设计、制造了相应的组装、起吊工具，解决了立式组装板式、卧式滚动复合外筒及管路等制造难题。

　 大型低温设备加工技术攻关是结合我国与林德公司合作生产的“三万”等级空分设备而展开的，引进并应用了德国的双面双人同时手工钨极氩弧焊、熔化极自动半自动氩弧焊及嵌入式不锈钢环单面焊等一大批国际先进的铝合金焊接新工艺以及大型厚壁锥体扳边技术、大直径精馏塔卧装技术等，还自行开发了高强度铝合金5083整体压制成形工艺；全面掌握了填料塔的整体制造技术、安装规范和检验要求，如填料塔筒体的椭圆度控制；填料与筒体间隙的控制；填料的卧式组装、立式组装、分块组装和整盘组装技术；填料塔的运输要求等，使杭氧有能力向用户提供质量可靠、技术先进的大型填料塔。

　3 北台50000m3／h(氧)空分设备设计

　 2003年1月18日，杭州杭氧股份有限公司正式与辽宁北台钢铁(集团)有限公司签订了50000m3／h(氧)空分设备的订货合同，这是目前我国自行设计制造的最大空分设备，也是目前国内已有的第三大空分设备。表1是北台50000m3／h(氧)空分设备性能指标。

　 该成套空分设备采用常温分子筛吸附、增压透平膨胀机、规整填料上下塔和全精馏制氩等先进空分技术，具有液体产品多(占氧产量12％)、产品负荷变化范围大(可在50％~105％调节)、能耗低、产品提取率高等特点。规整填料上塔、规整填料下塔和规整填料粗氩塔直径是目前国产空分设备中最大的。由于液体产品较多，膨胀机的膨胀空气量将达到62000m3／h。

　表1 北台钢铁(集团)有限责任公司50000m3／h(氧)空分设备合同性能指标

　介质 设计值产量(m3／h) 出冷箱压力[MPa(G)] 压缩后压力[MPa(G)] 纯度 气 氧 50000 0.05 3.5 99.6%O2 液 氧 2000 0.05 / 99.6%O2 气 氮 60000 0.008 2.5(30000m3／h) ≤10×10-6O2 0.08(27500m3／h) 液 氮 2400 0.47 / ≤2×10-6O2 液 氩 1400 0.190 / ≤3×10-6N2 ≤2×10-6O2