浅论深冷技术空气分离系统的应用

浅论深冷技术空气分离系统的应用

张明明

兰州蓝星纤维有限公司兰州市730094

摘要：在我国工业高速发展的今天，对高纯度气体需求量急剧增加，应用范围也越来越广泛，尤其是化工工业和金属工业以及材料工业。过去几十年在发达国家空气分离产品是主要的化学制品。其中氮和氩的产量增加了50~60%。在深冷技术流程方面做出了突破性的改进,使得生产氧，氮，氩的能耗降低，纯净度和生产量提高。新的制氧技术,集中使用在与煤气化综合循环发电一体化上。小规模生产氮和氧已采用非低温分离技术。计算机模拟方法有助于对高效率生产氧、氮的吸附流程的开发。研制出了许多新型薄膜材料和膜分离制氮流程。深冷技术在我国发展已经成熟，被应用于大规模生产，生产出的氧气纯度高，成本低，所以该技术应用广泛。本文基于深冷技术的基本原理，建立了空气分离系统流程、并对深冷技术在我国发展的趋势以及现状进行简单分析。

关键词：深冷技术，空气分离，氧气，氮气，应用分析

1深冷技术行业的发展以及现状分析

相对于西方工业技术高度发达国家我国深冷技术行业发展比较晚，早在1902年工业强国德国设计制造出世界第一台工业化利用深冷技术实现空气分离的设备，这就标志着本行业在发达国家已有百余年的发展历程。而我国直至20世纪50年代末期才开始小批量试制小型深冷空分设备，其差距非常大。并且在市场经济体制不完善、宏观经济增长相对缓慢的背景下，我国深冷技术行业至20世纪70年代末期始终未得到快速发展。20世纪80年代以后，我国工业化进程大幅加速、基础建设投资快速增长，从而推动本行业进入高速发展期。由于该阶段本行业的发展动力主要来自钢铁、有色金属等下游行业对于氧、氮、氩等工业气体的需求，因此我国深冷技术设备厂商纷纷将空气分离作为深冷技术研发的主攻领域。经过多年的努力，我国深冷空分设备的设计、制造能力显著提升，目前已能够跻身世界先进行列。

2深冷技术的空气分离概述：

空分的含义可以理解为利用物理和化学方法把空气中的各种混合物分离开，然后在萃取高纯度的氧，氮，氩以及其他稀有气体的过程称为空气分离。目前工业上主要的分离方法有三种，①深冷法俗称低温法，其方法是将混合气体通过分离设备进行压缩，膨胀降温，使气体形成液态状然后利用氧，氮，气化的沸点的不同特性，如：在标准大气压下氮气的沸点为-196℃，氧的沸点为-183℃，根据沸点较低的氮气要比氧气更容易气化的这一特性通过精馏塔内高温的蒸汽与低温气体不断接触使沸点低的氮蒸发，沸点高的氧冷凝，从而使氮和氧分离开来，为了便于收集和使用所以要将空气的温度冷却到-173℃以下的温度得到液态状的氮和氧，这种方法称之为深冷技术。②吸附法顾名思义就是利用吸附剂或多孔性物质筛对不通气体分子进行选择性吸附，从而达到高纯度产品。吸附法特点是工艺流程简单，成本低，缺点是获得的产品不能达到高纯度。③膜分离法，利用膜对特定气体的特性氧气比氮气穿膜速度快的特性把氮和氧分离出来。但这种分离法获得产品纯度低，规模小。

3深冷技术在空气分离设备设计中应用

当前我国生产的空分设备的形式、种类繁多。有生产气态氧、氮的装置，也有生产液态氧、氮的装置。但就基本流程而言，主要有四种，即高压、中压、高低压和全低压流程。我国空分设备的生产规模已经从早期只能生产20m3/h（氧）的制氧机，发展到现在具有生产20000m3/h、30000m3/h、50000m3/h和100000m3/h（氧）的特大型空分设备的能力。

空分系统主要组成部分

①动力系统：主要指原料空气压缩机。将空气经低温分离得到氧、氮等产品，从本质上说是通过能量转换来完成的。而装置的能量主要是由原料空气压缩机输入的。

②、净化系统：由空气预冷系统和分子筛纯化系统组成，经压缩后的原料空气温度较高，含湿量较大，空气预冷系统通过换热降低空气湿度，除去一部分水分杂质。分子筛纯化系统则进一步除去空气中的水分、二氧化碳、乙炔等对空分设备运行有害的物质。

③、制冷系统：通过空气膨胀机制冷。整个空分设备的制冷严格遵循经典的制冷循环。

④热交换系统：空分设备的热平衡是通过制冷系统和热交换系统来完成的。

⑤精馏系统：空分设备的核心，是实现低温分离的主要设备，通常采用高、低压两级精馏方式。主要由低压塔、中压塔和冷凝蒸发器组成。空气分离主要采用低温精馏分离法，精馏过程的特点：①蒸汽不断上升，液体不断下流，使处于平衡的两相物分开，被分开的两相物又与不平衡的物流接触，进行热、质交换，再达到新的平衡。如此循环，气液相浓度发生变化②下部进料的饱和空气温度最高，起加热作用，顶部进入的饱和液体温度最低，起冷却作用，气液相需连续进料，只有这样才能保证热质交换过程连续的、稳定的进行，同时不断的获得产品。精馏过程是使用精馏塔来分离的。通常使用的精馏塔为筛板塔，该塔为一直立的圆柱形筒，其中设置许多水平放置的筛板，筛板上布满直径为0.7-1.3mm的小孔，孔间距为2.1-3.25mm。液体由上一块塔板经溢流斗流到下块塔板，蒸汽通过小孔由下往上流动时与筛板上的液体相遇发生热、质交换，在两块塔板之间的空间产生鼓泡、泡沫、雾沫（溅沫）达到气液充分而出，在雾沫层上空（又称分离空间）气、液分离。

筛板的主要作用：

A、使不平衡的蒸汽与液体在板上进行热质交换，并趋于平衡。B、使趋于平衡的蒸汽继续上升，液体继续下流，即把趋于平衡的两相物分开，然后在相邻的板上再进行新的接触。

双级精馏塔主要有三部分组成：

A、上塔，工作压力一般为0.12-0.14Mpa（绝压），以富氧液空为原料进行分离，取得高纯度氧和氮产品。B、下塔，工作压力一般为0.5-0.6MPa(绝压)。在下塔原料空气初步分离，获得纯液氮和富氧液空。C、冷凝蒸发器（主冷），介于上、下塔之间，上塔通过主冷从下塔取得热量，使液氧蒸发。下塔通过主冷，从上塔取得冷量，使但其冷凝。空气的精馏过程本流程从纯化器来的常温干燥空气经热交换器冷却或接近饱和状态，然后经V1阀以下塔的工作压力进入下塔釜，空气在下塔自下向上经过每块塔板参与精馏，在下塔顶得到纯度为99.999﹪的氮气。氮气在主冷中全部被冷凝，一部分作为下塔的回流液经过V1阀回到下塔，自上而下沿塔板下流，与气体进行热质交换，最后在塔釜中得到含氧量40﹪左右的富氧液空。另一部分液氮经V1阀节流降压后，送入上塔顶部作为上塔回流液。下塔釜中的液空，经V1阀节流降压后送入上塔中部，节流后液空中的氧纯度约为41﹪以上，与其平衡的气相中氧浓度为16﹪，液空进料口以上的上塔部分，主要用来氧、氮分离，称精馏段或浓缩段。液空从上塔中部进料后，沿踏板逐块下流，与上升蒸汽在塔板上进行热质交换，这样可在上塔底得到纯度为99.6﹪的液氧。液氧在主冷中蒸发后，部分作为产品引出，另一部分作为上升蒸汽参与精馏。在上升中氮浓度不管提高，在上塔顶部得到99.99﹪的氮气，液空进料口以下的这部分上塔，主要气着氧、氩分离作用，通常称提馏段或蒸馏段。为提高氧的提取率，本流程中将膨胀后部分空气引入上塔中部参与精馏，其引入量要视膨胀过热度而定，一般为300m3/h左右。

结束语：

随着我国重型化工的迅速发展，空分设备也随即发展起来，尤其是杭氧走在了我国乃至世界的空分设备前列，其中空分设备的心脏部分精馏塔技术引用了计算机，使精馏塔性能及控制有了很大提高。在深冷空分设计方面法国空分装置设计主要对空分操作自动化，对分子筛吸附工艺，以及空气净化系统方面实行了技术改进从而使空分设备系统实现更安全，环保节能，高效生产，实现无人自动化控制。在深冷空分这一领域我国虽然发展迅速但是与西方发达国家比还是有一定的差距，因此在这一领域我们要通过学习和实践来提高深冷空分技术。

参考文献：

【1】杭氧空分精馏塔技术现状分析及进展，杭氧股份有限公司设计院，陈桂珍，杭氧科技2004

【2】深冷液化技术的空气分离，第二章。教课文书，主讲张国伟。