宝钢30000m3(氧)空分设备的设计开发.docx

周家建，周智勇，张永凤，何传贤杭州杭氧股份有限公司设计院，杭州东新路388 号，310004【摘要】文章着重介绍了宝钢30000m3/h空分设备的设计要点，详细阐述了整套空分设备的特点透过宝钢 30000m3／h 空分设备的顺利投产，反映出我国空分事业的飞跃发展词：大型空分设备；工艺流程；设计；制造；精馏塔；双沸腾主冷；冷箱；低温容器1 概述我国自行设计、成套的最大空分设备——上海宝山钢铁集团公司 能源部30000m3 / h空分设备，于2002年12月14日一次开车成功, 12 月 16日调试出氩，并于2002 年12 月 30 日通过了性能考核，氧、 氮、氩产品的产量和纯度都达到或超过了设计指标(见表 1)宝钢 30000m3 / h空分设备的诞生，说明我国已具备制造30000m3 / h等级 空分设备的能力，为研制50000m3/h和60000m3 / h等级空分设备迈 出了坚实的一步表1宝钢30000m3 / h (氧)空分设备主要性能指标介质保证值产量(m3 / h)设计值产量(m3 / h)纯度出冷箱压力气氧3000030000三99.6%0221kPa(G)液氧500600三99.6%02气氲4000040000<5X10-6。

28kPa(G)液氮500500<5X10-602液氩10501070<2X10-60,2V3X10-6N22 工艺流程介绍宝钢 30000m3／h 空分设备的主体设备是由杭州 杭氧股份有限公 司设计、制造的该套空分设备采 用分子筛增压、规整填料塔和全 精馏制氩技术的工 艺流程（见图1）宝钢30000m3 / h空分设备，吸 收 了国外先进流程技术，结合杭氧近年来生产几十套 第六代大型空 分设备的宝贵经验，解决了大量的设 计和制造技术难题，这是成功 的根本对于整个流程设计是经过周密考虑和精确计算的，特别是对 上下塔的物料量和组分都作了严格的设定和控制，整套空分设备采用 可靠的模块化设计软件，经大量的模拟计算，优化设计出最合理的流 程由于空分设备的等级和规模上子一个台阶，所以其能耗问题就显 得尤为重要这套空分设备的氧氩提取率达到了很高的水平，在生产 大量液体的情况下，其精馏塔的氧提取率高达99%，其氩提取率高达 78%精确的流程计算，保证了这套空分设备的稳定运行实际运行 的情况证明理论计算的参数和实际运行的参数守全吻合，这说明国产 空分设备在设计和制造水平上有了很大的提高以氩馏分在上塔的抽 口位置为例，实际运行时其馏分值一直保持在含氩量 9%左右，粗氩液化器的氮化器的氮侧压力和精氩塔冷凝器的氮侧压力一直很稳定所以保证了整个氩系统的稳定运行。

整套空分设备具有多种产品及灵活的变工况能力；工艺流程上设 有快速启动及液体回灌管路，以缩短空分设备起动时间；整套装置具 有较多的变负荷能力，变负荷范围 75%~110%3 设计和制造技术难点 冷箱内的塔和主冷凝蒸发器等大型低温设备是空分设备的核心，也是 设计和制造技术难点所在3.1 精馏塔为宝钢30000m3/h空分设备配套的精馏塔有采用规整填料的上塔、粗氩塔、精氩塔，采用四溢流筛板的下塔规整填料上塔和下塔最大直径达03800mm，塔咼30多米，是杭氧目前制造的最大的上、下塔整个塔器部分做到了气体上升流速合理、液体下流分布均匀、 其热质交换相对充分，精馏效果十分理想3.2 双沸腾主冷凝蒸发器宝钢30000m3 / h空分设备采用了双沸腾型冷凝蒸发器技术，它 将液氧蒸发侧通道分成两层，以此降低液氧层高度，增强换热效率的 效果这样有利于减少主冷凝蒸发器外径，使30000m3 / h空分设备 的主冷安装在上、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，同时降低了运输成本经实际运行表明，主冷凝蒸发 器换热性能良好，同时还具有热、冷启动快的特点双沸腾型冷凝蒸 发器，结构紧凑，操作液面低，温差小，节约能耗效果十分明显。

3.3 主换热器的合理布置宝钢30000m3 / h空分设备的主换热器一共有15只单元组成，为 了使气流分布均匀，对板式单元进行了重新优化组合和布置，并在每 一只板式单元的氧通道设置一只阀门，使整个主换熟22 分组搭配合 理，避免了气体偏流，使热端温差可以控制到最小程度从实际运行 情况看，一般主换热器热端温差在2°C左右3.4 “三万”空分设备低温容器加工工艺宝钢“三万”空分设备的上塔、主冷、下塔、氩塔等大型低温 设备的壳体全部采用了高强度铝合金5083 材料，这种材料强度高， 但延伸率只有普通碳钢(Q235)的二分之一，奥氏体不锈钢 (0Crl8Ni9)的三分之一，这给上塔、下塔、主冷所用的大型厚壁封 头的成形带来了极大的困难为此，我们进行了高强度铝合金(5083) 厚板的焊接及冷、热加工试验，掌握了焊接、冷热成形及热处理规 范，攻克了少3800X 35mm、少700X 22rmn等大 型、厚壁封头的旋 压成形难题宝钢“三万”空分设备下塔内径达少3800mm,塔内采用四溢流 型式的孔板塔板，每块塔板由2~ 3只溢流斗、接液槽，无孔板及8 块孔板组成，并 由 68 只支承螺栓及托环，承托固定在塔内。

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V1000： 1,与塔体轴线的垂直度公差V10（］0： 1,是比较困难 的为此，我们全 面应用了从德国林德公司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宝钢“三万”空分设备主冷体积大（外简直径少250mm、高 7880mm）,吨位重（30多吨），结构复杂，这给组装、焊接带来极大 的困难为此我们 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加工技术攻关,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、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 压制成型工艺；同时,杭氧还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、技术先进的大型空分填料塔。

3．5 冷箱总体的布置整个冷箱内的管道布置合理，使气体和液体的 流速恰当，既减 小了阻力，也增强了管道的强度 出于流程上的特殊需要，汽液夹 带部分的计算更为 精细实践证明运用多个管道软件，在计算机内 进 行综合计算，得到的效果是十分理想的3．6 其他配套设备的设计液体产品经过过冷，用液体流量计进行计量， 做到简便正确分馏塔基础，载荷分布均匀合理30000m3/h空分设备的冷箱 对于一般空分设备的冷箱已有了明 显的突破，仅从高度上来说，它 已达到 62 米，所 以从强度上来说，理论计算是很必要和重要的宝钢 30000m3/ h 空分设备大到塔器，小到一次 显示仪表，无论 是材质上还是从晶牌的选择上，都是全国优良的，在世界L也是一 流的，有一些产品 还是第一次用在国内的空分设备上这些最好的 配套，高质量的元器件，保证了宝钢30000m3 / h空分 设备在总体上 的先进性和优良性宝钢30000m3 / h空分没备在冷箱上除仅有膨胀 机的进出口阀和循环 液氩泵的进出口阀，以及一•只特殊的开槽恒 流阀是 手动阀外，其余均为调节阀，可见自动化程度之高，在国内 甚至在国外都是首屈一指的4 结束语宝钢 30000m3/ h 空分设备于2001 年9 月 24 日 签定供货合同， 2002年2月15日完成最终设计， 2002年4月30日生产完毕，按合 同规定日期，准 时运抵现场，2002年12 月12日整套空分设备安装 完毕。

透过宝钢 30000m3／h 空分设备的的顺利投运，我 们可以看到国 产 30000m3 ／h 空分设备的优良特性， 其综合性能已经达到或接近国 际先进水平我国空 分设备的设计制造技术已经跻身于世界空分技 术安装 国的行列宝钢 30000m3／h 空分设备的成功，并非偶然， 这是杭氧和宝钢 的工程技术人员辛勤工作、密切配 合的结晶整套空分设备在设计 和制造过程中，杭 氧从领导到工人全力以赴，投入了最大的人力和 物 力，2002 年 4 月 30 日整套空分设备提前完成生产 汁划，及时运 到宝钢现场，为整套空分设备的成功 奠定了物质基础从我国第一套国产20000m3 / h空分设备的开车 成功到我国第一 套国产 30000m3／h 空分设备的开车 成功，仅用了一年时间，由此我 们可以深信，有了宝钢30000m3 / h空分设备的坚实基础，用不了多 久，我们一定可以看见我国第一套国产 50000m3/ h 空分设备高高矗 立的雄姿作者简介：周家建(1946- ) ，男， 1981 年毕业于杭氧工大机制专业， 进杭氧从事空分设备设计工作，现任杭氧设计 院项目一室主任，高 级工程师。