簡析空分裝置工藝技術路線的分析及比選

廖正強

摘 要：文章首先對分離技術進行分析，分別介紹了低溫法、吸附法以及膜分離法等，對空分裝置工藝技術路線的選擇進行探討，無論是液態產品的工藝選擇，還是氣態產品的工藝選擇，都要根據產品的實際需求進行選擇。

關鍵詞：空分裝置；工藝技術；技術路線；分析；選擇

1 引言

空分裝置是利用深度冷凍的方式，對空氣中O2、N2以及其他稀有氣體等，按照氣體的沸點的區別而進行逐個分離的裝置。隨著現代科學技術的進步和發展，空分技術在一定程度上實現從高能耗向節能環保的過渡，而且分子篩系統、預冷系統、分餾塔上塔以及膨脹機系統都有比較好的發展趨勢。本文對有關空分裝置工藝技術路線的分析及比選進行研究和探討，不足之處，敬請指正。

2 分離技術分析

2.1 低溫法

低溫法首先是把空氣進行壓縮，使其膨脹降溫，最后空氣被液化，然后利用氧氣、氮氣的氣化溫度的區別，氧氣的沸點是90K，氮的沸點是77K，沸點較低的氮氣和氧氣相比較而言更加容易被氣化，在精餾塔內和溫度較高的蒸氣相互接觸，液體中氮氣被蒸發，氣體中液氧被冷凝，使得上升蒸汽中含氮量提升，下流液體中含氧量增大，以此實現空氣分離的目的。讓空氣液化，其要求是要把空氣冷卻到100K之下，我們把這種方法稱之為深度冷凍；通過沸點差把液空進行分離，我們稱之為精餾過程，而低溫分離法就是結合了深度冷凍和精餾過程，是現階段應用較為廣泛的空氣分離方法。

除此之外，現階段我國生產的空分裝置型式和種類比較多，包括生產氣態氧、氮的設備，生產液態氧、氮氣的設備，然而就低溫分離法來說，我們可以把其基本流程分為四個方面，也就是高壓、中壓、高低壓以及全低壓流程。

2.2 吸附法

吸附分離法就是利用某種特殊物質，讓空氣吸附，通過分子篩的吸附塔，對具有不同吸附特點的空氣進行分離，比如有些分析篩5A、13X等，對于氮氣具有很強的吸附能力，僅僅讓氧氣分子通過吸附塔，從而得到了較高純度的氧氣；有的分子篩，比如說碳分子篩，對于氧氣有較高的吸附能力，那么可以得到較高純度的氮分子。然而，吸附劑的吸附容量是有一定限度的，如果吸附某種分子飽和之后，就暫時失去了繼續吸附的能力，那么必須有一個物質驅趕的過程，使其恢復吸附能力才能繼續發揮作用，這個過程叫做“再生”，所有為了確保連續供氣，必須準備兩個以上的吸附塔，再生的方法可以采用加熱升溫的方法或者降低壓力的方法。以上兩種方法流程較為簡單，操作起來也比較方便，運行成本不高，然而要獲得高純度的產品還存在較高的難度，產品氧的純度要求高于93%。而且這些裝置僅僅適用于小容量分離裝置。

2.3 膜分離法

膜分離法是通過對一些有機聚合物進行滲透選擇，在空氣通過薄膜時，氧氣穿透薄膜的速度較快，是氮氣穿透薄膜的5倍，以此實現了氧氣和氮氣的分離。膜分離法具有操作簡單、設備啟動速度快、投資較少的優點，然而富氧濃度適宜在30%左右，規模也不大，適合于中小型設備，因此現階段僅僅適用于富氧燃燒和醫療保健的方面。

3 空分裝置工藝技術路線的選擇

利用空氣分離裝置工作原理的區別以及工藝特點，能夠指導我們在基于客戶需求的前提下進行經濟、穩定、可靠的工藝流程。那么，我們針對空分設備的具體特點，文章對空分裝置工藝技術路線的選擇進行分析，提出些看法。

3.1 液態產品的工藝選擇

空分裝置的工藝流程，首先是對客戶的需求進行確定，利用上文中講過空分工藝工作原理的區別，對其流程進行分析，我們可以得知非低溫精餾空分裝置是在低壓常溫下進行的，利用分子篩和選擇性滲透膜得知，氧氣沸點為90K，氮氣沸點為77K，所有采用非低溫精餾工藝在一般溫度下是無法獲取產品的，僅僅在低溫精餾空氣分離工藝才可以。全低壓空分內壓縮和外壓縮工藝都可以獲取液態產品，然而液態產品的提取量對于設備能耗的影響不小，所有需要按照液態產品的提取量進行空分裝置設備的選擇，一般情況下液態產品的產量如果高于8%氣氧的產量，則選擇全低壓內壓縮工藝，這是較為合理的選擇；反之，則選用全低壓外壓縮工藝。

3.2 氣態產品的工藝選擇

3.2.1 雙高產品對工藝流程的要求

非低溫精餾工藝受到自身工藝技術的限制，無法獲取雙高產品，也即是純度較高的氧、氮產品，當變壓吸附和膜滲透分離工藝，由于吸附劑和分子膜的區別，僅僅吸附和分離特定產品，無法同時獲取雙高產品，那么必須選擇全低壓空分低溫雙塔精餾工藝。

3.2.2 產品產量對工藝流程的要求

空分裝置如果生產的產品較為單一，那么變壓吸附、膜滲透分離以及低溫精餾工藝都可以滿足其需求，然而由于受到本身技術工藝的限制，變壓吸附和膜滲透分離工藝的產品純度和生產率存在一定的矛盾，所有無法大量制取。現階段，較為常見的變壓吸附和膜滲透分離工藝法進行氧、氮產品的制取，其產量一般不會高于5000Nm3/h，產品的純度在95%～100%之間。

全低壓低溫精餾空分技術路線屬于較為傳統的生產工藝，許多大中小型空分裝置都得到應用。然而隨著變壓吸附和膜滲透分離技術工藝的不斷發展，小型制氧、氮裝置也有了較大的發展前景。實際上，工藝技術路線的區別，主要是針對產品產品以及質量的具體要求，都有其各自的工藝特點。對于如何選擇技術工藝，則按照對裝置設備的需求不同進行選擇。然而，在現階段氧、氮產品產量高于5000Nm3/h的大中型空分裝置，均是采用全低壓低溫精餾工藝，這是變壓吸附和膜滲透分離工藝無法取代的。

3.2.3 操作方式對工藝流程的要求

小型空分裝置，包括變壓吸附、膜滲透分離以及低溫精餾工藝都可采用。假如用戶對產品的需求是不連續的，或者具有較大的波動，則可以采用非低溫精餾工藝，因為其具有較好的經濟型。其主要特點是可按照不同的要求進行生產，操作起來較為靈活，可在負荷調整范圍較為廣泛，而且設備啟動時間較短，開機后在很短時間即可獲得所需產品。所以，非持續性生產工藝，比較適合采用非低溫精餾工藝。同時，低溫精餾工藝的流程比較繁瑣，操作難度也較大，設備啟動時間也較長，因此還是適合于連續生產。

3.2.4 大型空分輸出產品對工藝流程的要求

全低壓空分工藝技術比較成熟，而且裝置設備運行穩定可靠，能夠生產出雙高產品，因此在許多行業都得到廣泛應用。然而，大型空分裝置主要被應用于石油、化工以及煉鋼冶金等行業。全低壓空分裝置設備采用全低壓內壓縮和外壓縮工藝。以上兩種工藝都是為確保對氧產品壓力具體要求的區別，對設備安全性、穩定可靠性以及經濟性進行綜合考慮。

4 結束語

綜上所述，利用對現階段空分技術的現狀進行分析，對國內外廣泛應用的空分技術進行比較，空分技術在工藝流程方面和設備選擇方面都有較好的發展，低能耗、高效能以及安全生產的空分裝置依然是市場的主要選擇。文章對有關空分裝置工藝技術路線進行分析和比較，以期對于空分裝置工藝技術路線選擇，提供一定的理論指導。

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