低温空气分离技术的探讨和发展趋势

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自从人们发现并认识空气以来，通过科学家和化学家的探寻和试验，当今的空气分离的工艺技术已经达到了最新的现代技术程度，本文将近80多年以来，我们国家的大中型的空分流程技术发展的经历做一个回顾，展现了当代空分技术的核心内容，并同时对7次空分流程的优胜劣汰的变化做了阐述，最后在文末阐述了实现我国大中型空分流程再次变化的目标应当是进一步地提高单元设备技术水平、控制水平和节能和智能型的大型内压机缩流程。 

1 制冷技术的历史回顾

第一阶段：1823年，英国的科学家法拉第用实验方法-加压和冷却，产生液氨、液氯、液二氧化碳等，是世界上第一位涉足低温领域的人

第二阶段：1852年，英国的科学家汤姆孙、焦耳在科学实验中发现气体在节流后，温度会降低，这就是著名的“焦耳汤姆孙效应”，这个著名理论的发现是气体液化低温冷冻技术里程碑。

第三阶段：1902年，法国的工程师克拉特研究发明出活塞式膨胀机，建立了“克拉特液化循环”，“法国液化空气公司”由此诞生。

第四阶段：1939年，前苏联的科学家卡皮察发明了高效的径向流向心反击式透平膨胀机，这就是著名的卡皮察低压液化循环“空分设备”。

2 深冷法空气分离的发展历程

鉴于第三阶段的回顾，我们知道了“克拉特液化循环”，在1902年，德国卡尔.林德博士采用这个循环理论设计和制造了世界上第一台10m 3/h单级精馏的制氧机，并1903年试车成功，开辟了工业化制取液氧的工艺先河。在1905年320m 3/h双级精馏的制氧机又研制成功，1910年法液空公司在制氧机技术方面也去得了阶段性的胜利，世界第一台中压活塞式膨胀机研制成功，此制氧机也是采用“克拉特液化循环”工艺。

在1932年，“拉赫曼原理”诞生，这个是前苏联科学家拉赫曼提出了得近点理论，就是将一部分的膨胀空气直接送入高低压塔的上塔参与精馏。

气体工艺发展到20世纪40年代，切换式板翅式换热器在美国发明。60年代，新型的空气净化流程被德国的林德公司开发，使用分子筛吸附净化空气，此流程延长了板翅式换热器的寿命；再到70年代林德公司再次开发了液氧泵内压缩的流程；时间换到80年代，林德公司又加紧开发了分子筛净化附带增压透平膨胀机的新空分流程；最后来到90年代，全精馏制氩技术在林德公司诞生。

3 中国的空气分离行业的发展历程

我国的空分从1958年试制成功第一套3350m 3

/h 空分设备开始至今也有五六十年的历史。中国空分最早是在1953

年底的哈尔滨第一机械厂试制成功2套30m 3/h制氧机开始的，截止到目前，中国已累计生产空分设备10000多套。其中，1000m 3/h以上大中型空分设备也有900多套。

4 空气分离行业流程的发展变革

我国的空分流程主要经历了6次大的变革。以下简述了各个流程的特点：

4.1 第1代空分：铝带蓄冷器冻结高低压空分流程

流程组织较为复杂，主要由空气过滤压缩、高压空气压缩、C02碱洗、氨预冷、膨胀制冷、换热、精馏等系统组成。

这个流程复杂，膨胀机效率低，而且氧气的提取率低，能耗高。 

4.2 第2代空分：石头蓄冷器冻结全低压空分流程

相对于第一代空分流程大为简化，主要由空气过滤压缩、空气预冷、膨胀制冷、换热、精馏等系统组成。

此流程相比较于第一代空分能耗有明显的下降，但使冷箱内的设备和管道 变得复杂，工程费用高。

4.3 第3代空分：切换式换热器冻结全低压空分流程

空分流程水平在这个阶段有了很大的提高，这个流程主要是由空气过滤压缩、空气预冷、膨胀制冷、换热、精馏（含提氩设备）等系统组成。

此流程采用了传热效率高、结构紧凑轻巧板翅式换热器 ，提高了空分设备的技术经济性 ，温度分布较为稳定，膨胀机的效率提高了，所以能耗大大降低而且氧气的提取率提高了。

4.4 第4代空分：常温分子筛净化全低压空分流程

随着分子筛净化技术在空分领域的广泛应用，我国的空风也衍变到第四代，加紧了分子筛净化空气冷箱外“前端净化”技术。

第四代空分的流程采用常温分子筛，虽然操作维护方便，但是为了保证在再生时污氮气有足够的压力，空压机的排压要提高，导致能耗增加。 

4.5 第5代空分：常温分子筛净化增压膨胀空分流程

为了体现节能这个主题，第五代空分主要在降低能耗上下功夫，所以在运用常温分子筛的流程中引入了增加膨胀机，使氧提取率进一步提高，能耗进一步下降。

4.6 第6代空分：常温分子筛净化填料型上塔全精馏制氩流程

空分流程不断细化，精化，包括填料 技术的应用，诞生了第六代空分，它主要由空气过滤压缩、高效空气预冷、分子筛双层床净化、增压膨胀制冷、换热、精馏及全精馏制氩等系统组成。 

5 现代空分设备（第6代空分）的核心技术详述

低温空气分离技术的探讨和发展趋势

刘大勇

空气化工产品（中国）投资有限公司 上海 201203

摘要：以当今空气化工分离行业的发展为背景，探讨了如何运用低温空气分离技术，阐述了空气分离行业的整体发展经历，以及我们空分产业历经的六次技术变革发展，总结了行业发展趋势和奋斗目标。

关键词：低温 空气分离 安全可靠 发展需求

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冷却器、干燥净化器、空分塔和膨胀机等主要设备

（1）空气粗滤器：是空分装置的最前端设备，主要是去除空气中的灰尘和其他杂质，减少杂质对压缩机内部转动部件的摩擦，确保高质量的空气经入压缩机。

（2）压缩机：就是将过滤好干净的空气进行压缩。目前大规模的空分装置均采用的是离心式空气压缩机，并需要蒸汽透平机进行驱动。

（3）空气冷却器：主要是由水冷却塔和空气冷却塔组成，用于降低压缩空气的温度，从而离析出压缩空气中的水分。

（4）空气干燥净化器：内部装填分子筛，利用变温吸附或变压吸附的工艺原理，去除压缩空气中没有过滤器过滤掉的水分、二氧化碳、乙炔和其他碳氢化合物。防止碳氢化合物积聚，保证空分装置长期安全运行。 

（5）空分塔：是空分装置的“心脏”设备，集中了所有空分装置的核心设备，包括主换热器、液化器、精馏塔和冷凝蒸发器，塔里的主换热器、冷凝蒸发器主要采用的是全铝材料的板翘式换热器，这种换热器的优点是平均温差很小，换热效率可以达到98%~99%。精馏塔的工作原理是 采用精馏的方法，使各组份经过塔内的筛孔板分离，从而得到高纯度的各种气体。

（6）膨胀机：是一种用于低温的透平膨胀机。它的原理是使气体在内部膨胀而产生冷量，为系统补充必要的冷源。

深冷空分法虽然有不少的缺点：设备复杂、占地面积

大，投资大，运行成本高，安装要求高建造周期长，但是深冷空分法可以适宜用于大规模工业生产，而且产出的气体纯度高，品种多。所以在空分领域里仍然被广泛使用，并在工业生产中占据着非常重要的地位。

3 我国空分设备产业的市场需求和趋势

中国的工业气体市场的发展与其下游行业如钢铁及煤化工行业的快速发展息息相关，中国的煤化工行业在近年来将持续长足发展，并且得益于政府利好环境的支持，所以工业气体的需求必将持续增长。 现今的工业生产中，大型空分设备是冶金、石油化工、煤化工等行业发展不可或缺的关键设备。随着我国国民经济持续发展，国内空分设备产业也将步入“繁荣时期”。未来的几年，我国大型空分设备的需求量正在持续看涨，市场需求也会随之逐步增大。

同时，庞大的市场需求，必将推进以深冷工艺占据主导工艺的国内空分设备技术向大型化、高自动化、节能高效、安全可靠的方向飞速发展。空分设备产业的快速发展也必将对提升我国装备制造业水平、开拓国际市场产生非常重要的影响。

参考文献 

[1]黄先钢，沈维楞，陈允恺，等.中国气体分离及液化设备工业发展史[M]. 北京：机械工业出版社，1986．

[2] 吴卫，石绍军.变压吸附制氮技术及其设备选型[M]. 化工技术与开发，2010.

[3] 毛绍融，朱朔元，周智勇.现代空分设备技术与操作原理.杭州出版社，2005.

目前空气分离设备主要采用的是第6代的技术，它继承了第五代的全部优点，包括流程简单，操作维护方便，碳氢环合物清除彻底，能耗低，同时还兼具大型化、自动化、长周期等显著优点。近年来低温法空分技术有了很大的持续进步，变压吸附技术也有良好的发展。2007年空气化工公司和中海石油合资，在福建的莆田市建立了大型的空分工厂，依靠LNG提供的冷能来生产液氮和液氧。规整填料和全馏制氩是第六代空分的两大核心技术。

5.1 规整填料塔采用，现整填料塔与筛板塔相比具

有以下的优点

1）采用规整填型上塔代替筛板型上塔，塔阻力小，只有筛板塔的1/4～1/6

1）由于它阻力小，上塔压力降低，操作弹性大，使得氧提取率进一步提高，可以达到97%~99% 

3）操作安全性高，可以连续长期运行：4）塔径是筛板塔的60%左右，运输条件好。

5.2 无氢制氩，即全精馏制氩气

全精馏的制氩就是从高低压塔的上塔提取氩馏分进入氩塔精馏，在塔底获得液氩。这样工艺流程简化；而且能耗低。

5.3 采用类环状流（膜式）冷凝蒸发器。

高低压上下塔之间的纽带设备也是空分的关键设备，

它的工作原理是周围的液氧温度低于气氮，使气氮冷凝而成液氮，作为下塔的回流液，同时液氧蒸发作为上塔的上升蒸气。采用膜式结构的优点是传热温差小、传热效率高，而且操作变工况适应性强，投资也可大大降低。

6 结束语

2010年我国的工业气体的市场规模比2005年增长了67%，在全球市场的占比率也迅速提高。随着我国国民经济的稳定发展，预计未来大型空分的需求将会日益增大。

从空分的发展史不难看出，历次的空气分离流程的变革，都是围绕着节能和安全这2个主题展开的。能耗低和安全长期运行时我们需要达到的目标。 随着煤化工的利好政策作为工程配套的空分设备也将趋于大型化。

近年来煤化工已经成为中国乃至世界的经济热点，煤化工必将是特大空分的巨大市场，特大型超大型的空气分离装置会是未来的发展趋势。而加速开发特大型内压缩流程，提高特大型空分设备各配套单元设备和部机技术水平，提高自动控制和变负荷跟踪技术水平，是我国大型空分设备流程再次变革和前进的奋斗目标。

参考文献 

[1] 王丽丽，刘勃安.空分技术读本[M]. 北京：化工工业出版社，2009．

[2] 黄进旗 王凤喜等.空分设备维修问答[M].北京：机械工业出版社，2008．

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