空分生产安全操作规程

一、空分分离常用方法

空气中的主要成分是氧气和氮，它们分别以分子状态存在。分子是保持它原有属性的最小颗粒，直径在10^-8cm,而分子的数目非常多，并且不停地在作无规则运动，因此，空气中的氧、氮等分子是均匀地相互混合在一起的，要将它们分离开始较困难的。目前主要有三种分离方法：（1）低温法（2）吸附法（3）膜分离法

二、工艺流程

2.1 基本原理和过程

空气分离的基本原理，是利用液化空气中各组份沸点的不同而将各组份分离出来，要达到这个目的，空分装置的工作包括下列过程：

  (1) 空气的过滤和压缩

  (2) 空气中水份和二氧化碳的清除

  (3) 空气被冷却到液化温度

  (4) 冷量的制取

  (5) 液化

  (6) 精馏

  (7) 危险杂质的排除

2.1.1空气的过滤和压缩:

大气中的空气先经过空气自洁式过滤器过滤其灰尘等机械杂质，然后在空气透平压缩机中被压缩到所需的压力。压缩产生的热量被冷却水带走。

2.1.2空气中水份和二氧化碳碳氢化合物的清除:

加工空气中的水份和二氧化碳若进入空分设备的低温区后，会形成冰和干冰，就会阻塞换热器的通道和塔板上的小孔。因而配用分子筛吸附器来预先清除空气中的水份和二氧化碳，进入分子筛吸附器的空气温度约为～21℃。分子筛吸附器成对切换使用，一只工作时另一只在再生。

2.1.3空气被冷却到液化温度:

空气的冷却是在中压换热器I、中压换热器II中进行的，在其中循环空气被来自膨胀后的返流空气和返流气体冷却、增压空气被来自膨胀后的返流空气和返流气体冷却到超临界状态。与此同时，冷的返流气体被复热。

2.1.4冷量的制取:

由于绝热损失、换热器的复热不足损失和冷箱中向外直接排放低温流体，分馏塔所需的冷量是由空气在高、低温膨胀机中等熵膨胀和等温节流效应而获得的。

2.1.5液化

在起动阶段，加工空气在中压换热器I、中压换热器II和过冷器中与返流冷气流换热而被部分液化。在正常运行中，氮气和液氧的热交换是在冷凝蒸发器中进行的，由于两种流体压力的不同，氮气被液化而液氧被蒸发，氮气和液氧分别由下塔和上塔供给，这是保证上、下塔精馏过程的进行所必需具备的条件。(注:起动时，大部分气体也是在主冷中被冷却至液化温度而被液化的)。

2.1.6精馏

空气中主要组份的物理特性如下表1.1和表1.2

 表 1.1

表1.2

空气中99.04%是氧气和氮气，0.932%是氩气,它们基本不变。氢、二氧化碳和碳氢化合物视地区和环境在一定范围内变化。空气中的水蒸汽含量随着饱和温度和地理环境条件影响而变化较大。水蒸汽和二氧化碳具有和空气大不相同的性质，在大气压力下,水蒸汽达到0℃和二氧化碳达到-79℃时,就分别变成冰和干冰,就会阻塞板式换热器的通道和筛板上的小孔。因此这些组份必须在空气进冷箱前除去。空气中的危险杂质是碳氢化合物，特别是乙炔。在精馏过程中如乙炔在液空和液氧中浓缩到一定程度就有发生爆炸的可能，因此乙炔在液氧中含量规定不得超过0.1PPm，这必须予以充分的注意。稀有气体中的不凝性气体如氖氦气，由于其冷凝温度很低，总以气态集聚在冷凝蒸发器中，侵占了换热面积，而影响换热效果，因此也要经常排放。

分离过程可获得相当产量的高纯度产品。空气的精馏是在氧—氮混合物的气相与液相接触之间的热质交换过程中进行的，气体自下而上流动，而液体自上而下流动, 该过程由筛板(填料)来完成。由于氧、氮组份沸点的不同，氮比氧易蒸发，氧比氮易冷凝，气体逐(段)板通过时，氮浓度不断增加，只要有足够多的塔板(填料)，在下塔顶部可获得高纯的液氮，反之液体逐板(段)通过时,氧浓度不断增加，在下塔底部可获得富氧液空，在上塔底部可获得高纯度液氧。

上升气体和下流液体在塔板(填料)上的热质交换过程可从图1.1中理解：进入某一段塔板(填料)上的上升气体在A点的温度T2比在相同成份下的液体的B点的温度T1高，随后的平衡将发生在T1与T2间垂直线上的C点(温度T3)，但在T3温度下，只有具有比B点氧浓度更高的液体E点和比A点氧浓度更低的气体D点才能平衡，这样氧组份在下流液体中聚集，而氮组份在上升气体中富集，通过足够多塔板(填料)的分离，最后可得液体为纯氧，气体为纯氮。

在下塔中空气被初次分离成富氧液空和氮气，液空由下塔底部抽出后经节流送入和液空组份相近的上塔某段上，一部分液氮由下塔顶部抽出后经节流送入上塔顶部，液空和液氮在节流前一般先在过冷器中过冷。空气的最终分离是在上塔进行。产品液氧是由上塔底部抽出，同时，另一部分液氧经液氧泵压缩送入换热器汽化后,以产品高压氧气输出，氮气由上塔顶部抽出。而产品液氮由下塔顶部抽出，并通过过冷器过冷后送出。

低温全精馏制氩(无氢制氩)的所有设备均置于空分设备的保冷箱内，粗氩塔Ⅰ、粗氩塔Ⅱ(因粗氩塔太高故分成两段)、纯氩塔均为填料塔。在粗氩塔Ⅰ内，气态氩馏份沿填料盘上升，由于氧的沸点比氩高，故高沸点组分氧被大量地洗涤下来，形成回流液返回上塔。粗氩塔Ⅱ底部粗液氩返回粗氩塔I上部作回流液。因此上升气体中的低沸点组份(氩)含量不断提高，最后在粗氩塔Ⅱ顶部得到含氧≤2PPM,含氩98～99%的粗氩气，粗氩气在粗氩冷凝器中被液空冷凝成粗液氩。

由于氮的沸点(-195.78℃)与氩的沸点(-185.7℃)相差较大，因此含氮量约为1～1.5%的粗液氩在纯氩塔中得到进一步分离，最后在纯氩塔蒸发器底部得到99.999%Ar以上的纯氩产品。

    2.1.7 危险杂质的排放:

空气中的危险杂质是碳氢化合物，特别是乙炔。在精馏过程中如乙炔在液空和液氧中浓缩到一定程度就有发生爆炸的可能，因此乙炔在液氧中含量规定不得超过0.1PPm，这必须引起充分的注意。

在冷凝蒸发器中，由于液氧的不断蒸发，将会有使碳氢化合物浓缩的危险，但是只要从冷凝蒸发器中连续排放部分液氧就可防止浓缩。

2.2 主要指标

现场核对为准确

2.3工艺流程概述

2.3.1液氧和液氮的生产

原料空气从空气吸入塔入口吸入，经自洁式空气过滤器AF除去灰尘及其它机械杂质，空气经过滤后在离心式空压机（原料、循环一体机）TC中的原料段经压缩至0.51Mpa左右。经空气冷却塔AC预冷，冷却水分段进入冷却塔内，下段为循环冷却水，上段为经水冷塔WC冷却后的水，空气自下而上穿过空气冷却塔，在冷却的同时，又得到清洗。空气经空气冷却塔冷却后，温度降至～21℃，然后进入切换使用的分子筛纯化器MS1201（或MS1202），空气中的二氧化碳、碳水化合物及残留的水蒸气被吸附。分子筛纯化器为两只切换使用，其中一只工作时，另一只再生。纯化器的切换周期约为240分钟，定时自动切换。

空气经净化后，由于分子筛的吸附热，温度升至26℃～28℃。这股空气与膨胀后通过中压换热器Ⅰ（E1）、中压换热器Ⅱ（E2）复热的空气混合，经离心式空压机TC中的循环段压至2.75 Mpa，再分成两股。其中一股经高、低温膨胀机的增压机增至4.687 Mpa进入冷箱，经中压换热器Ⅰ冷却至-173℃后，再次分成两股。一股进入低温膨胀机膨胀后进入下塔，另一股继续在中压换热器Ⅱ中被返流气体冷却液化节流后进入下塔。而另外一股压力为2.75 Mpa的中压空气，经中压换热器Ⅰ冷却至-23℃，进入高温膨胀机膨胀，膨胀后的空气与从下塔返抽经中压换热器II的空气在中压换热器I中汇合,再复热后出冷箱，进入离心式空压机TC中的循环段作为循环空气。

在下塔中，空气被初步分离成氮和富氧液体空气，顶部气氮在主冷凝器K1中液化, 同时主冷的低压侧液氧被气化。部分液氮作为下塔回流液，另一部分液氮从下塔顶部引出，经过冷器E4被纯氮气和污氮气过冷并节流后送入上塔C2顶部。污液氮（含氧量为19.45% O₂）经过冷器E4过冷后，再经节流送入上塔C2上部。液空在过冷器E4中过冷后经节流送入上塔C2中部作回流液。

产品液氧从上塔底部引出，经V7阀出冷箱，送入贮槽。

产品液氮从上塔顶部引出，经V8阀出冷箱，送入贮槽。

液氧从上塔底部引出，经低温液氧泵OP501（OP502）加压，通过高压氧换热器E3复热后，以15MPa（G）的压力作为气体产品出冷箱。

纯氮气从上塔顶部引出，在过冷器及中压换热器中复热后出冷箱，既可作为产品，也可作为水冷塔的冷源。污氮气从上塔上部引出，也在过冷器及中压换热器中复热后送往分馏塔外，部分污氮气复热至22℃作为分子筛纯化器的再生气体，其余复热至～37.5℃后，送往水冷却塔中作为冷源冷却外界水。

2.3.2氩气的生产

纯液氩是采用低温全精馏法制取的。

从上塔相应部位抽出氩馏份气体约3400m³/h(标)，含氩量为8～10%(体积)，含氮量小于0.06%(体积)。氩馏份直接从粗氩塔Ⅰ的底部导入，粗氩塔Ⅰ上部采用粗氩塔Ⅱ底部排出的粗液氩作回流液，作为回流液的粗液氩经液氩泵AP701(或AP702)加压到0.75MPa（G）后直接进入粗氩塔Ⅰ上部。粗氩自粗氩塔Ⅰ顶部排出，经粗氩塔Ⅱ底部导入，粗氩冷凝器K701采用过冷后的液空作冷源，上升气体在粗氩冷凝器K701中液化，得到粗液氩和约为108Nm³/h的粗氩气(其组成为98%～99%Ar，≤2PPmO₂)。后者经V705阀导入K704粗气氩冷凝器进行液化，然后进入纯氩塔C703中，继续精馏；前者作为回流液入粗氩塔Ⅱ。冷凝器K701蒸发后的液空蒸汽和底部少量液空同时返回上塔。

粗液氩从纯氩塔C703中部进入，与此同时在纯氩塔蒸发器K703氮侧内利用下塔顶部来的压力氮气作为热源，促使纯氩塔底部的液氩蒸发成上升蒸汽，而氮气被冷凝成液氮进入PV701并从0.5MPa(G)节流至0.035MPa(G)返回上塔。来自液氮过冷器并经节流的液氮进入纯氩冷凝器K702作为冷源，使纯氩塔顶部产生回流液，以保证塔内的精馏，使氩氮分离，从而在纯氩塔底部得到纯液氩。

液氩经调节阀V708排入液氩贮槽贮存，槽内蒸发的气体返回纯氩塔。产品液氩从液氩贮槽输送至槽车提供给客户。

三：停车和加温操作规程

3.1 停车和重新起动。

3.1.1正常停车:

关闭产品液体排入贮槽阀门。

开启产品液体管线上的吹除阀。

停止向用户供产品气。

开启产品管线上的放空阀。

(5) 把仪表空气系统切换到备用仪表气管线上。

(6) 开启空压机(循环段)管路回流阀。

(7) 停止高、低温透平膨胀机。

(8) 停运液氧泵(OP501或OP502)。

(9) 开启空压机(原料段)空气管路放空阀。

(10) 关闭空压机(循环段)导叶。

(11) 停止空气压缩机(原料、循环)。

(12) 停运空冷系统的水泵。

(13) 停运分子筛纯化器的切换系统。

(14) 关闭空气和产品管线。打开冷箱内管线上的排气阀(视压力情况而定)。

(15) 停运液氩泵(AP701或AP702)。

(16) 如停车时间较长，应排放液体。

(17) 关闭所有的阀门(不包括上面提到的阀门)。

(18) 对各装置进行加温。

如停车时间较短，则只按1-15步骤进行操作，注意在室外气温低于零度时，停车后需把容器和管道中的水排尽，以免冻结。

注意: 低温液体不允许在容器内低液面蒸发，当液体在容器内剩下正常液位的20%时，必须全部排放干净。

3.1.2临时停车

由于各种故障需短时间停车处理，则按5.1.1节的第1-15步骤执行，并视消除故障时间快慢、决定执行第16步，直至第17步。一般停车时间大于24小时应进行全系统加温再起动。

3.1.3临时停车后的启动:

装置在临时停车后重新启动时，其操作步骤应从哪一阶段开始应视冷箱内的温度来决定，保冷状态下的冷箱内设备不必进行吹除。

(1) 起动空气压缩机(原料段)，慢慢加大压力。

(2) 起动空气预冷系统的水泵。

(3) 起动分子筛纯化系统，为使另一只纯化器再生彻底，需在空气送入分馏塔前经过一个切换周期。

(4) 慢慢向空压机(循环段)送气加压，全开回流阀，慢慢开启导叶。

(5) 向高、低温增压透平膨胀机送气，并缓慢升压。

(6) 起动和调整高温透平膨胀机。

(7) 起动和调整低温透平膨胀机。

(8) 起动液氧泵(OP501或OP502)。

(9) 调整精馏系统。

(10) 调整产品产量和纯度到规定指标。

3.2 全面加温分馏塔:

    空分装置经过长期运转，在分馏塔系统的低温容器和管道可能产生冰、干冰或机械粉未的沉积，阻力逐步增大。因此，运转两年后，一般应对分馏塔进行加温解冻以去除这些沉积物。

    如果在运转过程中发现热交换器的阻力和精馏塔的阻力增加，以至在产量和纯度上达不到规定指标，这就要提前对分馏塔进行加温解冻。这种情况往往是与操作维护不当有关。

加热气体为经过分子筛纯化器吸附后的干燥空气。加温时，应尽量做到各部分温度缓慢而均匀回升，以免由于温差过大造成应力，损坏设备或管道。加温时所有的测量、分析等检测管线亦必须加温和吹除。上述方法必须严格执行。

3.2.1阀的加温:

所有低温阀门由于泄漏，会造成冻结，这往往是填料函密封不严所致。对于已经冻结的阀门不能用强力开关，以免损坏阀门。可用热气或蒸汽直接吹阀门的结冰部位，但在使用蒸汽时应注意不要让水分进入填料函。阀门解冻后应找出泄漏部位，并加以消除。

3.2.2高、低温透平膨胀机的加温(参见流程图5.1)

参阅高、低温透平膨胀机加温时的阀门状态和仪表检测附表5.2。

(1) 停运高、低温透平膨胀机，关闭所有阀门。（注意：密封气和润滑油均应正常提供）

(2) 全开高、低温透平膨胀机喷嘴，并打开加温阀，加热紧急切断阀、喷嘴、机壳及出口管道。

(3) 当所有出口的加温气体温度接近进口温度时，加温结束。

(4) 关闭加温气体入口阀和其他所有阀门。

3.2.3精馏塔系统的加温(参见流程图5.1)

参阅精馏系统加温时的阀门状态和仪表检测附表5.2。

排放所有液体，关闭全部阀门。

起动空气透平压缩机（原料段）、空气预冷系统及其水泵、分子筛纯化系统(加热空气量为总的空气量的30～60%)。

按加温流路开启各阀。

当各加温气出口的气体温度升至0℃以上时，打开加温管路上的检测管线。

当加温气体的进出口温度基本相同时，加温结束。

停止空气透平压缩机（原料段）、空气预冷系统及其水泵、分子筛纯化系统的工作，关闭所有阀门。

3.2.4分子筛纯化器的吸附和再生

详细说明请参阅分子筛纯化系统说明书和仪控使用说明书，这里只作简要说明。

两只分子筛纯化器的吸附和再生的切换是由专门的可编程序控制器自动进行的，其步骤如下所述。

(1) 再生:

再生气体经加热器加热至规定温度然后进入分子筛纯化器，从下部引出排至大气。

(2) 冷却:

当加温达到要求后，再生气就自动切换至旁通管路上，不经加热器，进入纯化器进行冷吹，待出纯化器的再生气的温度降到规定温度即自动停止。

(3) 升压:

再生后的纯化器在切换以前，所有的进出口阀是关闭的。通过一只均衡阀放入空气，使纯化器的压力逐渐升高，待达到压力时，即自动切换空气流路，进行吸附。

(4) 泄压

这时已经工作过的另一只纯化器的压力，通过一只小阀慢慢降低，然后该纯化器按上述步骤进行再生。

3.2.5加温气的提供:

    本装置的局部加温或全面加温用气都是从空气透平压缩机（原料段）来的空气，它经空气预冷系统并经分子筛纯化器干燥而成。对纯氩塔的加温气源来自下塔启动管线V201阀后。

四：安全规程

    空分装置的使用必须遵守安全规程。操作人员及在空分部门工作的人员都必须事先学习安全规程，并进行必要的训练。

    4.1 空气及空气组份的一般特性:

    4.1.1 空气:

    空气液化后经精馏可获得所含的各种组份，如果把液空放在敞口容器中搁置一段时间，由于更易挥发的氮的逐步汽化，因而液体中氧的含量将会增加，液体将逐渐具有液氧的性质。

4.1.2氧:

氧是一种无色、无嗅、无毒的气体，有强烈的助燃作用。氧的浓度越高，燃烧就越剧烈。空气中的氧含量只要增加4%，就会导致燃烧显著加剧。包括金属在内的许多物质在普通大气中不会点燃但在较高浓度氧的情况下，或在纯氧中便能燃起来。因此，可燃性物质在较高氧浓度的情况下，易产生自燃，甚至爆炸。如遇受压氧气和液态氧，则情况更会加剧。

浸透氧的衣服极易着火(例如由静电荷产生的火花)，并会极其迅速燃烧起来，如不及时加以驱氧，则在相当长时间内都会有这种危险。

4.1.3氮

氮气是一种无色、无嗅、无毒的气体，但在高浓度的情况下，人一旦吸入，引起缺氧，便会窒息，这是很危险的，因为受害者会在事先没有任何不舒服表示的情况下很快失去知觉。

氮能阻止燃烧。因此，氮气在许多场合是作易燃和易爆物质的保护气，在空分装置的保冷箱内，充有氮气，以排除湿气和防止氧的积聚。氩、氖、氦、氪、氙等稀有气体也具有和氮相似的性质。

4.1.4液化气体

空气及其组份的液态，均由于温度很低，若与人的皮肤接触，将引起冻伤，类似严重烧伤。

    4.2 安全注意事项:

    空分装置的工作区及所有储存，输送和再处理各类产品气的场所，都必须注意以下安全事项。

    4.2.1 防止火灾和爆炸:

    (1) 禁止吸烟和明火:

    会产生火苗的工作，如电焊、气焊、砂轮磨刮等，通常禁止在空分生产区进行，如确需进行，则必须采取措施，确保氧浓度不高的场地，并要在专职安全人员的监督下才能进行。

    (2) 不得穿着带有铁钉或带有任何钢质件的鞋子，以避免摩擦产生火花。并不能采用易产生静电火花的质料作工作服。

(3) 严格忌油和油脂，所有和氧接触的部位和另件都要绝对无油和油脂，因此要进行脱脂清洗，应该用碳氢氯化物或碳氢氟氯化合物，例如全氯乙烯来清洗，一般的三氯乙烯等不适用于铝或铝合金的清洗，因为，这会引起爆炸反应。由于这类清洗剂有毒，在使用时，必须注意通风，皮肤的保护，并戴防毒面具。

(4) 现场人员的衣着必须无油和油脂。即使脂肪质的化妆品也会成为火源。

(5) 装置的工作区内禁止贮放可燃物品。对于装置运行所必需的润滑剂和原材料必须由专人妥善为保管。

(6) 要防止氧气的局部增浓。如果发现某些区域已经增浓或有可能增浓，则必须清楚地作出标记，并以强制通风。

人员在进入氧气容器或管道之前，必须用无油空气吹除，并经取样分析确认含量正常才能进入。

(7) 人员应避免在氧气浓度增高的区域停留。如果已经停留则其衣着必被氧气浸透，应立即用空气彻底吹洗置换。

(8) 氧气阀门的启闭要缓慢进行，避免快速操作，特别是对加压氧气必须绝对遵守。

(9) 冷凝蒸发器液氧中的乙炔和碳氢化合物的浓度必须严格控制，详见3.2.5节。

4.2.2防止窒息引起死亡:

(1) 要防止氮气的局部增浓。如果发现某些区域已经增浓或有可能增浓则必须清楚地作出标记，并加以强制通风。

(2) 严禁人员进入氮气增浓区域。如要进入氮气增浓区域，需先通风置换，经检验分析确认正常以后才能允许进入。并要在安全人员监督下进行。

(3) 人员进入氮气容器或管道前，必须经检验分析确认无氮气增浓，才允许进入。并要在安全人员监督下进行。

4.2.3防止冻伤:

(1) 在处理低温液化气体时，必须穿着必要的保护服，戴手套，裤脚不得塞进靴子内，以防止液体触及皮肤。

(2) 进入空分装置保冷箱内前，有关的区段必须先加温。

4.3 安全措施:

4.3.1厂房设计:

空分装置的厂房和附属建筑必须设置适当的通风系统，尤其在地下室，地坑和通道等处，这些地方易造成气体成分的增浓。

在液氧有可能泄漏的地方，楼板不得复盖任何易燃材料(例如木板，沥青等)而且必须平滑，不得有接口和断层。

空分装置和附属建筑区域内的下水道必须设置液封，要有足够的紧急出口，并有明显的标记。

4.3.2防火设备:

为及时扑灭起火，应该配置足够的灭火设备，如:

    (1) 特殊的喷淋装置，只要用手一按或人一起进去便能喷水。

    (2) 配置有足够长度水龙带的消防龙头。

    (3) 配备方便的手提式灭火器。

    (4) 安全可靠的报警系统。

    (5) 在氧气可能增浓场所安置禁止吸烟和禁止明火的醒目警告牌。6.3.3 防止超压

    在受压状态下工作的所有容器和管道，以及内部压力可能会升高的容器和管道，必须配备防超压的安全装置(安全阀防爆膜等)。这些安全装置必须保持良好的工作状态。必要时，安全阀的起跳压力要定期进行检查。报警系统也必须定期进行检查。

4.4 绝热材料的使用。

4.4.1为使保冷箱内的绝热材料保持良好的绝热性能，需在保冷箱内充氮以防止湿气的浸入，要定期检查保冷箱内充氮压力和流量。

4.4.2为防止保冷箱内因氧气渗漏造成氧气增浓，而使得绝热材料含氧，要定期检查保冷箱内气体组分。如果有氧气增浓现象，应用氮气吹洗，以便氧浓度降至安全范围。

4.4.3在装填绝热材料时，必须使用特制面罩和手套，防止损害呼吸器官和皮肤。保冷箱装砂口应设置防护栅格以防人员或其他杂物掉入冷箱内，千万别踏入珠光砂堆中，以免陷落，造成生命危险。

4.4.4珠光砂的排放,必须首先打开主冷箱顶部和板式冷箱顶部的所有人孔。全量通入冷箱密封气进行彻底加温，与此同时，冷箱内的所有设备必须加温至常温。然后，检测冷箱内气体的含氧量，若其含氧量超过20.95%,则应将整套设备静置等待,直到符合标准。珠光砂的排放必须从冷箱顶部开始，逐渐向下排放。下部人孔（包括珠光砂排放孔）严禁直接打开。珠光砂的排放速度应该缓慢，若有冰块，必从冷箱顶部取出。采取以上措施是为了防止静电和无法估计的物理、化学反应，而损坏设备。