空分知识

第十四章 空分行业知识

第十四章 空分行业知识 (1)

1. 膜分离技术 (2)

2. 变压吸附技术(PSA) (2)

3. 深度冷冻技术 (3)

4. 设备介绍 (3)

5. 行业进展 (6)

5.1 内压缩工艺 (6)

5.2 氧含量自控 (7)

5.3 国外主要厂家进展 (9)

分离空气中的氧气、氮气在当前主要有三种常用工艺，并且在实际生产中都得到了广泛使用。以下将对三种工艺进行介绍。

1.膜分离技术

首先介绍膜分离的原理：当两种或两种以上的气体混合物通过高分子膜时，由于各种气体在膜中溶解度和扩散系数的差异，导致不同气体在膜中相对渗透速率不同。根据这一特性，可将各种气体分为“快气”和“慢气”。当混合气体在驱动力--膜两侧压力差作用下，渗透速率相对快的气体过膜后，在膜的渗透侧被富集，而渗透速率相对较慢的气体膜的滞留侧被富集，从而达到混合气体分离之目的。

采用膜分离技术制成的膜分离制氮机是利用空气中的O2和N2通过特制的中空纤维膜时渗透率不同的原理制成。空气中的氧气、水等其它杂质,由于渗透速度快被很快作为废气排出，而N2由于渗透性差，被富集至膜的另一端，作为成品气供用户使用。膜分离制氧机选用的膜正好与膜分离制氮机的膜特性相反，留下的是氧气，氮气、水等其它气体杂质等被作为废气排出。

在我军中，就装备有大量采用膜分离技术制成的制氧车和制氮车。据有关资料显示，杭氧于1952年就开始研制我国军用空分设备，至今已研制、开发军用空分成套设备10余个品种，包括空军、海军用的移动式制氧制氮车，机载制氧制氮设备，卫星发射配套使用的液氧液氮设备等。

2.变压吸附技术(PSA)

变压吸附技术利用吸附剂对气体的选择性吸附的特性进行工作。通常分变压吸氮设备和变压吸氧设备，两者采用的吸附剂不同。

变压吸附氮气设备是采用碳分子筛为吸附剂，利用变压吸附的原理来获取氮气的设备。利用空气氧、氮在碳分子筛表面的吸附量的差异，即碳分子筛对O2的扩散吸附远大于N2，通过可编程序控制器控制程控阀的启闭，加压吸附、减压脱附的过程，完成O2、N2的分离，得到所需纯度的N2。

而变压吸附制氧设备是以沸石分子筛吸附剂为核心，根据吸附剂在较高压力下选择吸附氮气，未被吸附的氧气在吸附塔顶部聚集，作为产品气输出。当处于吸附的吸附塔临近吸附饱和之前，原料空气停止进气，转而向另一只完成再生的吸附塔均压，随后泄压再生。被均

压的吸附塔引入原料空气开始吸附。两只吸附塔如此交替重复，完成氧气生产的工艺过程。

工业用变压吸附制氧可采用超大气压吸附常压解析流程、大气压吸附真空解析流程、穿透大气压吸附真空解析流程。

3.深度冷冻技术

深度冷冻技术是当前使用最为广泛的空气分离技术，也是各国在空气分离技术竞争上的焦点。深冷技术利用在相同压力下，氧、氮气体沸点不同的原理而实现气体的分离。采用深冷技术开发的空分装置，较之其他工艺的分离装置，容易实现大产量、高纯度的要求，这样可以满足现代大规模工业生产的要求，因此在空分行业讨论最多、应用最广泛的是采用深冷技术的空分装置。本文介绍也主要基于这种装置展开。

4.设备介绍

目前，世界各国广泛采用深度冷冻的工艺方式生产高纯度的氧气和氮气,它以生产成本低、产品纯度高（氧纯度可以达到99．65％O2、氮气纯度达到≤5×10-4％O2，氩纯度达到≤2×10-4％O2，≤3×10-4％N2）、实现容易等特点而得到迅速推广。其基本工艺流程是：空气从空气吸入塔进入工艺系统，经过过滤和空气压缩机加压后，进入空气预冷塔，用冷却水对空气进行冷却，经冷却后的空气送入纯化系统（MS系统），空气经过纯化系统吸附净化后，可去除空气中的水分、CO2和碳氢化合物等杂质。经净化的空气在膨胀机中进行膨胀,温度急剧下降。在分馏塔系统中，经前面工段加压、净化、膨胀的空气将实现分离，最终得到氧气和氮气。在现阶段，氩气等稀有气体也是空分装置生产的一种重要产品，很多大型空分装置都设置有氩塔提取氩，一般主要由粗氩塔和精氩塔完成提氩。

国内几家大的空分制造企业总的工艺流程相同，但部分设备使用还是各有特色。下图所示为国内一空分企业空分工艺流程总图：

对于空分装置，其中包括一些关键的设备，分别介绍如下：

空气透平压缩机组

透平空气压缩机组主要用来压缩空气，将空气加压到0.5~0.62MPa之间（依据空分容量不同，范围会不一样，一般由空分制造厂家提指标），这也是整个系统的动力来源。控制上

通常采用空压机出口压力自动调节控制进口导叶，实行恒压控制。空压机通常选择国产（如沈阳鼓风机厂）或采用进口（如Atolas）的空气压缩机。实际应用中通常设置单独工段，采用独立控制系统完成空压机的控制。

空冷系统

目前多采用无冷冻机流程，利用返流污氮具有吸湿性的特点，实现外界水与污氮之间的热质交换，以降低外界水的水温，从而降低了整个系统的电耗。水冷却塔及空气冷却塔的上段一般采用填料，从而实现了热质传递效率高、空气处理量及操作弹性大的目的。空气冷却塔在进塔水量相当小的情况下，出塔空气的温度与上段进塔冷却水的温差为≤1°C，这也是检验整体设计是否达到要求指标之一。水冷塔在工作条件下会产生较大的负温差，说明空冷塔、水冷塔具有较高的效率。

对于一些小型空分装置，也有采用冷冻机组来降低空气温度的，冷冻机组的工作原理类似于空调，都是通过消耗电能达到降低空气温度的目的。在一些大型装置中，也有设置冷冻机组的，其主要目的是在开车过程中降低空气温度，以减少开车阶段的时间。

分子筛系统

通常也称纯化系统，其主要目的是将空气含有的水蒸气、CO2、乙炔和其他碳氢化合物，以及含有灰尘的其他固体杂质吸附出来，保证后序工段生产的正常进行。一般是二只交替工作的分子筛吸附器，内装少量活性氧化铝作底层，因为活性氧化铝有良好的吸水性，上面每只铺分子筛，分子筛的使用周期为4小时。加热再生污氮的电加热器（也有采用蒸汽加热器的）为直立式圆筒式结构，直管式电热元件在圆筒内均匀分布，为便于启动，电热元件分二组，一级为固定功率，另一组为可调节式。

分馏塔系统

分馏塔系统都安装在冷箱内，分馏塔（也称主塔）分为上塔和下塔，一般空分设备的上塔为填料塔，这样能提高塔精馏的性能，运行也更加可靠。而氩系统采用全精馏制氩。

冷箱中的过程由于在低温下运行，因此要限制法兰使用，因为法兰结构很有可能成为泄漏点。对于冷箱内的大多数接点，如管道、低温铝制阀门，应采用高强度的焊接结构，使得冷箱内的法兰数量减少到最低限度，以防止泄漏。冷箱内的塔体及主要管道，都采用高强度铝合金材料，以增加强度、减少管道的扭变破坏。冷箱内的三架(管架、阀架、容器支架)均采用不锈钢，减少跑冷损失，增加强度。

板翅式换热器是能量交换的场所，目前换热器多采用大型真空钎接炉进行钎接，钎焊质量会更有保证，目前空分厂家大多从国外引进了相关生产设备，通过钎接生产的换热器在当