深冷技術(shù)在空氣分離設(shè)備設(shè)計中的應(yīng)用

談碩

摘 要：空氣分離設(shè)備就是將空氣液化、精餾、最終分離成為氧、氮及其他有用氣體的氣體分離設(shè)備，簡稱空分設(shè)備。隨著近年來工業(yè)水平的迅速發(fā)展，空氣分離設(shè)備也朝著大型化、智能化的方向發(fā)展，運轉(zhuǎn)周期也有了明顯的提升。而深冷技術(shù)的出現(xiàn)，大幅度提升了設(shè)備的工作效率。旨在分析深冷技術(shù)在空氣分離設(shè)備設(shè)計中的具體應(yīng)用，為后續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：深冷技術(shù)；空氣分離設(shè)備；膜分離；氮氣

中圖分類號：TQ116.11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.149

深冷技術(shù)指的是采用冷媒介質(zhì)作為冷卻手段，對金屬材料進(jìn)行冷卻的一項過程。在這一過程中，金屬材料的性能可以得到充分發(fā)揮。因此，該技術(shù)在近年來得到了非常廣泛的使用，也是效率最高的、最節(jié)約成本的一種工藝。空氣分離利用空氣中各組分物理性質(zhì)不同，采用深度冷凍、吸附、膜分離等方法從空氣中分離出氧氣、氮氣，或同時提取氦氣、氬氣等稀有氣體，其最常用的方法是深度冷凍法。

1 空氣分離設(shè)備的內(nèi)涵

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動了工業(yè)化的進(jìn)程。我國在近年來高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)也讓相關(guān)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展的腳步速度加快。相比而言，國內(nèi)的很多行業(yè)也走向了大型化道路。現(xiàn)階段，我國的空氣分離設(shè)備已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平。而深冷技術(shù)基體組織細(xì)化也發(fā)揮了晶界強化的作用。此外，在國內(nèi)市場上，我國的大型空氣分離設(shè)備在市場中的占有率同樣非常高，無論是出口還是內(nèi)銷的金額數(shù)量都是非常大的。

2 深冷技術(shù)的具體運用

目前的技術(shù)書評下，空氣分離設(shè)備有2種主要方式。其中，一種是在溫度非常低的環(huán)境下進(jìn)行，另一種是在常溫下進(jìn)行的。前者被稱為深冷空分，后者被稱為常溫空分。而常溫空分也有2種模式，即膜分離和變壓分離。早在20世紀(jì)50年代，我國因國防需要，向蘇聯(lián)引進(jìn)了深冷空分設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了自主研發(fā)工作。幾年過后，我國也成功研制出了深冷空分的設(shè)備。直至今天，我國已經(jīng)有數(shù)以百計的廠家能夠具備該項技術(shù)，且其中也不乏進(jìn)入世界前列水平的企業(yè)。因此，筆者也根據(jù)自身的工作經(jīng)驗，結(jié)合發(fā)展的資料，對深冷技術(shù)在現(xiàn)階段空氣分離設(shè)備設(shè)計中的具體運用作出了總結(jié)，具體內(nèi)容如下。

2.1 空氣緩沖罐

緩沖罐主要由于各種系統(tǒng)中緩沖系統(tǒng)的壓力波動，主要目的在于讓系統(tǒng)的工作能更加平穩(wěn)。緩沖罐的介質(zhì)在空氣分離設(shè)備中是氣體，按照結(jié)構(gòu)可以分為隔膜式和氣囊式2種。這一設(shè)備主要用于中央空調(diào)、鍋爐、供水設(shè)備等大型設(shè)備當(dāng)中。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的壓力變化，緩沖罐的氣囊也會同樣變化。在這一過程中，壓縮空氣可以利用凈化設(shè)備減少內(nèi)部存在的油、水等雜質(zhì)，并提供必要的壓縮空氣，進(jìn)一步保證設(shè)備的穩(wěn)定性。

2.2 壓縮設(shè)備

壓縮設(shè)備主要包含除油設(shè)備、干燥機、過濾器等設(shè)備。當(dāng)壓縮機內(nèi)有空氣進(jìn)入時，通過緩沖罐先進(jìn)行緩沖后，在進(jìn)入除油設(shè)備時，將內(nèi)部存在的雜質(zhì)去除，然后利用過濾器內(nèi)的活性炭進(jìn)一步去除雜質(zhì)。

2.3 氮氧分離設(shè)備

氮氧分離設(shè)備包括吸收塔、閥門、儀表設(shè)備等幾個部分。吸收塔是實現(xiàn)吸收操作的設(shè)備，按氣液相接觸形態(tài)分為3類：①氣體以氣泡形態(tài)分散在液相中的板式塔、鼓泡吸收塔、攪拌鼓泡吸收塔；②液體以液滴狀分散在氣相中的噴射器、噴霧塔；③液體以膜狀運動與氣相進(jìn)行接觸的填料吸收塔和降膜吸收塔。塔內(nèi)氣液兩相的流動方式可以逆流，也可以并流。而復(fù)合結(jié)構(gòu)下的吸收塔分為2個部門，通過一段時間后，一塔內(nèi)的碳分子吸收飽和后，將空氣壓縮后進(jìn)入二塔，然后一塔的分子篩又進(jìn)行重復(fù)再生。在兩塔的交替作用下實現(xiàn)氮氧分離，最終保障氮氣能在這一環(huán)節(jié)中源源不斷產(chǎn)出。

2.4 緩沖體系

緩沖體系包括過濾器、流量計、壓力調(diào)節(jié)閥、氮氣緩沖罐幾個部分組成。氮氣緩沖罐的作用在于，當(dāng)分離系統(tǒng)能夠產(chǎn)出氮氣時，氮氣緩沖罐可以起到連續(xù)供給和穩(wěn)定氮氣質(zhì)量的作用。而當(dāng)吸收塔在運行時，也可以讓其中的一部分氣體回到吸收塔內(nèi)，不僅可以起到一定程度上的保護(hù)作用，也可以提升塔內(nèi)壓力，目的都在于維持氮氣的質(zhì)量。

這些所有的技術(shù)與工藝融合后，就成為了一種非常有效的氮氣制作方式。在長期的發(fā)展過程中利用空氣作為材料，然后經(jīng)過凈化和壓縮的過程，并獲得氮氣。這種工藝有效，且優(yōu)勢明顯，比如工作效率非常高、設(shè)備的使用周期比較長。采用氣流控制技術(shù)和分子篩裝填技術(shù)，最大限度地減小了氣流對分子篩的沖擊，降低了分子篩的磨損，壽命更長。但與此同時，也存在著一些局限性：制氮設(shè)備所需要的成本相對較高，因為需要占用非常廣闊的面積來容納運行的設(shè)備；在安裝和配備的要求上也相對困難。因此，這種設(shè)備的投資規(guī)模一般也比較大，適合于一些大型的企業(yè)。針對于一些小型的企業(yè)而言，這種方式會顯得成本消耗過高，不利于企業(yè)自身的可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)束語

深冷加工技術(shù)的出現(xiàn)引起了科學(xué)界和工業(yè)界的高度重視，目前，在國外已經(jīng)被廣泛運用于一些精密零件和設(shè)備的使用方面。在我國，該項技術(shù)也得到了廣泛使用，并大幅度延長了很多設(shè)備的使用壽命。空氣分離設(shè)備流程凍結(jié)法凈除水分和CO2，在空氣冷卻的過程中，水分和CO2在換熱器通道內(nèi)析出、凍結(jié)；經(jīng)一定時間后將通道切換，由返流污氮氣體將凍結(jié)的雜質(zhì)帶走。空氣分離設(shè)備流程按分子篩吸附凈化流程。空氣在進(jìn)入主換熱器前，已由吸附器將雜質(zhì)凈除干凈。吸附器的切換周期長，使操作大大簡化，純氮產(chǎn)品量不再受返流氣量要求的限制，運轉(zhuǎn)周期可達(dá)兩年或以上，這些優(yōu)勢在未來也必將得到高度重視。

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