空氣分離技術(shù)及發(fā)展研究

(營口職業(yè)技術(shù)學院，遼寧營口115000)

空氣分離就是利用相關(guān)設(shè)備及技術(shù)，把空氣中的氧氣、氮氣及稀有氣體等分離出來，從而滿足冶金、煤化工、石油化工、航空、國防等各行各業(yè)的需求，工業(yè)用氣是工業(yè)發(fā)展的“血液”，因此，空氣分離這個行業(yè)在經(jīng)濟發(fā)展中具有舉足輕重的地位。

1 空氣分離技術(shù)的分類

1.1 膜分離法空氣分離技術(shù)是根據(jù)氣體中各關(guān)鍵組分在一定壓力的推動下通過膜的速率不一樣，從而達到不同組分分離的目的。

1.2 變壓吸附（PSA）法是利用分子篩對不同氣體分子“吸附”性能的差異而將氣體混合物分開[1]。它是以最低價的空氣為原材料，利用一種高選擇性的固體吸附劑，把空氣中的氮氣和氧氣分離出來。這種分離方法多應用在中小規(guī)模的空分領(lǐng)域。

1.3 深冷分離空氣是將空氣液化后，再利用氧、氮的沸點不同將它們分離。即，造成氣、液濃度的差異這一性質(zhì)，來分離空氣的一種方法[2]。

2 深冷分離的發(fā)展歷程[1,2]

1903年，德國卡爾·林德博士采用“高壓節(jié)流循環(huán)”試制成功世界上第一臺10m3/h單級精餾的制氧機。1905年試制成功320m3/h雙級精餾的制氧機:1930年，林德首創(chuàng)用凍結(jié)法清除空氣中的水分和二氧化碳。1960年，法液空通過管道輸送氣體給用戶。20世紀70年代，日本神鋼采用電子計算機控制的3萬m3/h空分設(shè)備。20世紀末，林德公司制氬裝置采用規(guī)整填料塔，全精餾制氬技術(shù)。目前國內(nèi)已投運的最大空分裝置集群是神華集團寧東400萬t/a煤液化項目所配套的12套10萬m3/h空分裝置。世界上投運最大制氮站墨西哥坎塔雷爾，制氮量高達134萬m3/h[3]。

建國初期我國的工業(yè)發(fā)展處于起步階段，空分設(shè)備只有八十余套進口，總?cè)萘恳埠艿停S著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，杭氧和法液空組建合資公司，2017年，由杭氧生產(chǎn)的首套國產(chǎn)10萬等級特大型空分在神華寧東煤化工項目基地開車成功，為目前為止國產(chǎn)在生產(chǎn)的最大的空分設(shè)備，目前世界上運行最大的空分設(shè)備是由杭氧生產(chǎn)在伊朗運行的12萬m3/h的空分設(shè)備。

3 深冷法空氣分離原理及流程

3.1 分離原理

空氣是多組分氣體，空氣中的氮氣與氧氣均勻地混在一起，在常溫下要使它們分離是很困難的。首要條件是要將空氣液化，空氣一般均以氣體狀態(tài)存在，要使空氣液化必須將空氣降到-141℃以下才有可能。

在標準大氣壓下，氧、氮、氬的沸點分別是-183℃、-196℃和-186℃，氧和氮的沸點相差約13℃，氬和氮的沸點相差約10℃，它們之間的沸點差使通過低溫液化，然后精餾把它們分離成為可能[4]。所以制氧的基本原理就是利用低溫精餾法，將空氣冷凝成液體，按各組分蒸發(fā)溫度的不同將空氣分離。同時氧、氮、氬無論是在氣態(tài)還是液態(tài)都能以任何比例均勻的混合在一起。因此，采用在一定的壓力下多次的部分蒸發(fā)和多次的部分冷凝的方法實現(xiàn)氧氣、氮氣、氬氣的分離。

3.2 分離流程（見圖1）

圖1 分離流程

3.2.1 原料空氣壓縮

利用壓縮機將空氣壓縮到工藝要求的壓力并送至下一工序，壓縮機前設(shè)置自潔式空氣過濾器，清除掉空氣中的雜質(zhì)，且該過濾器能夠?qū)崿F(xiàn)濾筒的自清潔。

3.2.2 空氣預冷和純化系統(tǒng)

空氣自原料空壓機出來后送入冷卻塔進入冷卻階段。空氣冷卻塔的下段常用循環(huán)水,而上段則使用經(jīng)氮水塔冷卻后的低溫水。

空氣經(jīng)冷卻后，溫度降至生產(chǎn)要求溫度下，進入分子篩吸附器，空氣中殘留的水蒸氣、二氧化碳和部分碳氫化合物被吸附。分子篩吸附器有工作和再生兩只，可以相互切換使用。

分子篩系統(tǒng)是空分裝置的關(guān)鍵單元之一，隨空氣進入空壓機，繼而進入空分設(shè)備是非常有害的。故必須利用分子篩純化器將水分和二氧化碳清除掉。

3.2.3 制冷、換熱和精餾

空氣經(jīng)凈化后，由于分子篩的吸附熱，溫度升高，然后分三路：一路空氣被抽出作為儀表空氣；一路空氣直接進入主換熱器，在主換熱器E1中與返流氣體（純氧、純氮、污氮）換熱達到接近空氣液化溫度后出主換熱器冷端并分為兩股，一股直接進入下塔，另一股去液氧蒸發(fā)器蒸發(fā)液氧，液化后的液空分兩股，一股節(jié)流進入下塔，另一股通過過冷器進入上塔[5]；另一路空氣去增壓機增壓后進入主換熱器，在主換熱器內(nèi)被返流冷氣體冷卻至一定溫度時抽出進入膨脹機膨脹冷卻，膨脹后的空氣送入上塔。

產(chǎn)品氧氣從上塔下部引出，經(jīng)過冷器及主換熱器，回收冷量后，出冷箱，送至氧氣壓縮機。液氧從上塔底部引出，在液氧自增壓器中自增壓并氣化后得到低壓氧氣，經(jīng)主換熱器復熱后出冷箱進入用戶管網(wǎng)。進入貯槽的液氧產(chǎn)品從液氧自增壓器底部引出，部分經(jīng)過冷器過冷后送往液氧貯槽。生產(chǎn)液氧還有一個主要作用就是連續(xù)排出液氧，防止液氧中碳氫化合物和乙炔濃縮超標。

污氮氣從上塔上部引出，經(jīng)過冷器及主換熱器復熱后出冷箱，部分作為分子篩吸附器的再生氣體，部分進入水冷塔冷卻空冷塔的上部用水。

純氮氣從上塔頂部引出，經(jīng)過冷器及主換熱器，回收冷量后，出冷箱，送至氮氣壓縮機。

3.2.4 產(chǎn)品氣壓縮外送系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括氧氣壓縮機、氮氣壓縮機、氧氣球罐、氮氣球罐以及產(chǎn)品氣調(diào)壓輸配系統(tǒng)組成。氧氣、氮氣自冷箱出來后分別通過氧氣壓縮機、氮氣壓縮機升壓進入氧氣球罐、氮氣球罐。氬氣經(jīng)過液氬泵加壓并復熱后進去氬氣緩沖罐。

4 空分技術(shù)在各行業(yè)及營口地區(qū)的應用

4.1 冶金工業(yè)

4.1.1 在煉鋼過程中高純氧可以與碳、磷、硫、硅等物質(zhì)發(fā)生氧化反應，這不但可以降低鋼的含碳量，還有利于清除磷、硫、硅等雜質(zhì)。生產(chǎn)過程中吹氧發(fā)生氧化反應產(chǎn)生的熱量可提供煉鋼所需的能量縮短生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)效率。

4.1.2 高爐煉鐵時，提高鼓風中的氧濃度可以提高產(chǎn)量降低結(jié)焦率。

4.1.3 在有色金屬冶煉中，采用富氧也可以提高產(chǎn)率。

4.2 化學工業(yè)

氧氣主要用于原料氣的氧化，例如：重油的高溫裂化，以及煤化工（甲醇、稀炔等）造氣用氧，可深化工藝過程，化肥生產(chǎn)、合成氨造氣用氧，可以提高化肥產(chǎn)量。此外氧氣在金屬切割及焊接等方面也有著廣泛的用途。氮氣是合成氨、制硝酸的重要原料。氮氣的化學性質(zhì)很不活潑，所以它常被用作保護氣。

4.3 國防工業(yè)與醫(yī)療保健方面

液氧是現(xiàn)代火箭最好的助燃劑。

氧氣可維持正常生命活動，用于氧含量不規(guī)律環(huán)境，例如：潛水作業(yè)、登山運動、醫(yī)療救助等。液氮在醫(yī)學上常用作手術(shù)冷凍劑等，在高科技領(lǐng)域用于制造低溫環(huán)境。

營口鋼鐵有限公司采用的是杭氧設(shè)計生產(chǎn)的2套2萬m/h（氧）的制氧裝置，五礦營口中板有限公司是由盈德氣體投資并運營的氣體公司供應氧氣、氮氣、氬氣，共有2套6萬m/h的制氧裝置。鞍鋼鲅魚圈鋼鐵分公司采用的是杭氧設(shè)計生產(chǎn)的2套2萬m/h（氧）的制氧裝置。中冶京誠1.2萬m/h的制氧裝置。