随着煤化工行业的蓬勃发展，空分行业正朝着全自动化、低压力、高效节能与大型化的方向快速迈进。空分系统，这一复杂而精密的体系，由动设备与静设备两大部分构成。动设备阵营中，离心压缩机、工业汽轮机、透平膨胀增压机及低温液体泵等关键设备各司其职；而静设备则涵盖了管壳式换热器、板翅式换热器、分子筛、精馏塔、粗氩塔、冷却塔、管道系统及储气罐等多样化组件。这些设备间紧密相连，任何一环的故障都可能影响整个系统的稳定运行，因此深入理解各设备的性能特性与运行规律显得尤为重要。

以内压缩空分系统试运行阶段为例，就遭遇了包括空压机振动异常、高速齿轮箱磨损、透平膨胀增压机喘振、油温过高引发跳车及工业汽轮机轴温超限导致的联锁停车等动态设备故障，同时也出现了静态设备如空压机内置换热器换热不均、粗氩塔氮塞、密封件泄漏、分子筛冷吹效果不达标及油冷却器压力异常导致换热器损坏等问题。此外，即便在相对稳定的预冷系统中，水冷却塔与空冷塔等设备也曾遭遇严重运行障碍，进一步凸显了空分系统维护与管理的高要求与复杂性。

1 空分系统制氧流程简介

图1展示的是内压缩空分系统的工艺流程图（PFD）。在此系统中，外界空气首先流经自洁式空气过滤器，有效去除其中的机械杂质后，进入离心式空气压缩机进行初步压缩。压缩后的空气随即通过空冷塔进行降温处理，随后进入分子筛装置。分子筛在低温高压条件下工作，有效吸附空气中的二氧化碳和水分，而在低压高温条件下则进行脱附再生，实现循环利用。

经过分子筛净化后的空气被分为三股主要流向：第一股直接作为装置所需空气使用；第二股空气则首先通过低压换热器进行热交换，随后进入两级精馏塔的下部，作为精馏过程所需的上升气流；第三股空气则导向离心式增压机，在增压过程中，于二段入口处抽取部分空气作为仪表用气，剩余空气继续进入第二段压缩。在增压机三段入口处，再次抽取一部分空气送入透平膨胀机的增压端进行进一步压缩，随后通过水冷恢复至进入增压端前的温度，并经由高压换热器深度冷却。冷却后的空气进入透平膨胀机的膨胀端进行膨胀，温度显著降低至气液混合状态，随后进入气液分离器。分离后的气态部分同样进入两级精馏塔下部作为精馏上升气，而液态部分则流向粗氩塔顶部，作为精馏过程中的重要物料。

另一方面，经过增压机第二段压缩后剩余的空气继续进入第三段压缩，随后通过高压换热器冷却，并经过节流阀调节后形成气液混合物，最终也进入两级精馏塔下部参与精馏过程，从而在下塔底部积累形成富氧液空。高压换热器中的低温回流流体主要来源于上塔顶部的污氮气、下塔顶部的氮气以及从上塔底部抽取的液氧；而低压换热器中的低温回流流体则主要由上塔顶部的污氮气和粗氩塔中的粗氩构成。这一复杂而精细的流程确保了空分系统能够高效、稳定地生产出高纯度的氧气及其他气体产品。

图1 内压缩空分设备的 PFD 图

2 静设备

2.1板翅式换热器

板翅式换热器在空分系统中占据核心地位，其应用范围广泛，涵盖高/低压换热器、过冷器、上下塔间的关键主冷凝蒸发器以及粗氩塔冷凝器等关键环节。这类换热器之所以备受青睐，主要得益于其卓越的传热性能与紧凑的结构设计。板翅式换热器内，多股冷热流体同时进行高效换热，其独特的翅片结构在流体流动过程中产生强烈的湍流效应，显著降低了热阻，使得热端温差能够维持在极低的1至3℃范围内。此外，其结构紧凑性尤为突出，传热密度高达17,300平方米/立方米，相比传统的管壳式换热器，这一数值提升了近十倍，极大地节省了空间与材料。

然而，板翅式换热器流道狭窄的特点也带来了易堵塞的挑战。为了克服这一难题，翅片在设计中被巧妙地用作隔板的延伸与拓展，不仅增加了换热面积，还通过形成二次传热面来进一步强化传热效果。基于传热学原理，增加翅片数量并减小其布置间距，能够显著提升换热性能，因此，提升传热密度成为了板翅式换热器发展的主流趋势。

图2展示了四种常见的板翅式换热器翅片类型，每种类型均通过不同的隔板分隔，形成各具特色的流动与传热性能，以适应空分系统中多样化的传热需求。随着空分系统向超大型化迈进，换热器流道长度显著增加，而板翅式换热器凭借其紧凑的结构设计，有效解决了换热不充分的问题。

为进一步优化传热性能，国内外学者不断探索创新，提出了包括螺旋翅片、钉型翅片及波纹翅片在内的多种新型翅片型式，并引入了流体旋转导流增效技术和人工粗糙壁导流增效技术，旨在通过增强流体流动过程中的湍流强度，进一步提升板翅式换热器的换热效率。这些努力不仅推动了空分技术的进步，也为相关行业的能效提升与可持续发展奠定了坚实基础。

图 2 常见板翅式换热器采用翅片类型

2.2 分子筛吸附器

在空分系统中，分子筛吸附器通常采用一备一用的配置模式，以确保连续高效的空气净化过程。每个吸附器的工作周期设定为8小时，其中前4小时专注于吸附作业，后4小时则进行再生处理。吸附过程发生在低温高压环境下，遵循特定的吸附顺序：首先高效吸附水分（H2O），随后是乙炔（C2H2），最后是二氧化碳（CO2）。而再生过程则在高温低压条件下进行，以恢复吸附剂的活性。

图3展示了一种常用于中型及中大型空分装置的卧式分子筛吸附器结构。为了优化气流分布，提升吸附效率，2008年杭氧公司创新性地提出了采用多孔管作为气流分布器的设计思路，并携手浙江大学对这一新型结构的流场特性进行了深入研究。研究结果表明，多孔管与多孔板相结合的布局显著降低了分子筛床层内气流速度的不均匀性，从而实现了更为高效的吸附性能，成功将这一设想转化为实际应用。

另一方面，对于大型及特大型空分装置而言，图4所示的立式径向分子筛吸附器成为了更为理想的选择。其独特的立式径向流设计大幅增加了气体的流通面积，有效降低了床层阻力，相比传统的卧式水平结构，能够节能10%至20%。此外，立式结构还显著减少了占地面积，解决了大型设备运输与安装的难题，为大型空分项目的实施提供了更为灵活与高效的解决方案。

图3 卧式分子筛吸附器结构简图

3 总结

本文以内压缩空分系统为例，我们来概览其制氧工艺流程及设备运行状态。该空分系统核心在于高效制取氧气，流程始于原料空气的压缩与净化，随后通过精密的分离技术提取纯氧。系统运作中，设备协同工作，展现了国内空分技术领域的显著进步。

航烨能源在氢能领域，特别是氢液化技术方面，做出了显著贡献。公司紧跟全球氢液化技术发展趋势，致力于通过技术创新提升压缩机、膨胀机及换热器等关键组件的运行效率，降低能耗，并探索混合制冷剂自复叠预冷技术等高效液化循环体系。这些努力不仅推动了氢能产业的规模化、商业化发展，还为我国能源结构的优化和能源供应安全的保障提供了重要支持。航烨能源的技术创新和自主研发能力，在氢能产业链中占据了重要位置，为我国氢能产业的快速发展注入了强劲动力。