大型空气分离技术

大型空气分离技术

一、空分发展的历史和一些基本概念

1 空分发展的历史和近况

空气分离有多种方法，低温精馏、变压吸附、膜分离等等，这里主要介绍目前在工业中广泛应用的低温精馏法空分的技术和设备。

低温精馏法空分设备自1895年德国人设计了第一台高压空分设备到现在已经有100多年的历史，二十世纪三十年代，随着高效透平膨胀机的使用，空分设备逐步向大型化发展。目前，世界上最大的空分制氧能力已经超过10万Nm3/h（Nm3是指在0℃，101.325KPa状态下的体积，下同）。我国1953年生产出第一台小型空分设备，之后空分的技术水平取得很大发展，特别是改革开放以后，通过引进和合作生产，使我国的空分技术水平迅猛发展，从流程设计到设备制造已经接近世界先进水平。

空分设备一般以氧气的产量来确定设备容量的大小（高纯氮和液体空分设备除外），在我国通常以Nm3/h表示，在国外一些国家习惯以TPD（即吨每天）表示，100TPD的空分设备大约相当于2916Nm3/h的制氧机。空分设备根据去容量大小分为小型、中型、大型和特大型设备，按照机械工业行业标准，一般小于1000Nm3/h为小型设备，1000Nm3/h~10000Nm3/h为中型设备，10000Nm3/h~60000Nm3/h为大型设备，超过60000Nm3/h 为特大型设备。

2 空分中常用的一个概念

A 空气

空气是一种多组分混合气体，其主要组分是氧、氮、氩、二氧化碳，还有微量的稀有气体（氖、氦、氪、氙）、甲烷及其他碳氢化合物、氢、臭氧等，此外空气中还含有量少而不定的水蒸气及灰尘等。

B氧气

密度：1.4289kg/m3（在0℃，0.1Mpa(A)）

1升液氧可释放成800升气体（在0.1Mpa(A)，0℃）

氧气无色无味，在室温下比空气略重，无毒，属非窒息性气体，在含氧75%的大气中生活不会危及健康，如果含氧量大于75%就会引起过氧疹状（出现抽筋、恶心、头晕…）甚至死亡。

氧气是助燃物，空气中氧的容积百分比含量为21%其成份稍微有些变化就足以引起危险，通常氧气的容积含量控制在23%。

氧气的压力越高，其危险性就越大。

C氮气

密度：1.2506kg/m3（在0℃，0.1Mpa(A)）

1升液氮可释放成643升氮（在0.1Mpa(A)，0℃）

氮气无色，无味，无臭，在常温下比空气略轻。

氮气无毒，不易燃，不助燃。

空气中氮的容积含量为78%，如果其含量增加，就变成了窒息的环境，危险的界限是大气中容积含氧18%，也就是容积含氮81%。

D氩气

密度：1.784kg/m3（在0℃，0.1Mpa(A)）

1升液氩可释放成782升氩（在0.1Mpa(A)，0℃）

氩气无色，无味，无臭，是含量最多的惰性气体，在常温下比空气重。

氩气无毒，不易燃，不助燃，不化合。

二、工艺流程和原理介绍

1 工艺流程

空气中的氮、氧、氩以及氪、氙、氦、氖是采用低温精馏方法分离出来的。上述低温可以通过若干物理过程来达到，这些过程包括：

1）空压机，其最基本的作用是使流体有能力沿工艺线路流动；

2）采用低温冻结法或物理吸附法，脱除掉所有可能在低温下固化的杂质（用专用分子筛进行吸附）；

3）换热器：用以使空气降温和复热产品气体；

4）产冷：

—为了开车启动期间的逐渐降温；

—补偿系统的冷损（空气与产品气之间的温差，产液体，装置的跑冷损失）；

5）脱除所有易与氧发生危险反应的有害杂质（如碳氢化合物）；

6）低温分离工艺（精馏）；

冷箱

原料空气吸入过滤器中去除了灰尘和机械杂质后，进入空气透平压缩机中，借助中间冷却器进行中间冷却，将空气压缩至需要的压力，然后进入空气冷却塔中冷却。

空气在直接接触式空气冷却塔（填料为聚丙烯，下段由于温度关系设置一层不锈钢填料）中与水进行热质交换，降温至设计温度。用于冷却空气的水有两部分：一部分为循环水，由泵加压后进入空冷塔中部；另一部分为冷冻水，来自循环水网，先进入水冷却塔中，利用分馏塔来的废气（包括污氮和富余氮气）的含水不饱和性初步降低水温，而后经过水泵加压进入氟里昂冷水机组，进一步降温后进入空冷塔的顶部。

出空冷塔空气进入分子筛吸附器，分子筛吸附器为立式单床层（卧式双层床，下面放置一层活性氧化铝吸附水分），用来清除空气中的水份、二氧化碳和一些碳氢化合物，从而获得干净而又干燥的空气。两台吸附器交替使用，即一台吸附器吸附杂质，另一台吸附器则由污氮气进行再生。

净化后的空气分成两路：一路直接进入主换热器中，被返流的污氮气、氮气和氧气冷却后进入下塔；另一路空气则经过增压透平膨胀机的增压机加压，增压后空气经增压机后冷却器进入主换热器；增压空气在主换热器中被冷却到一定温度抽出进入增压透平膨胀机组的膨胀机进行绝热膨胀，产生装置所需大部分冷量，同时输出膨胀功给增压端用于膨胀空气增压。膨胀后进入上塔参加精馏。

进入下塔的空气经下塔的初步分离，在下塔底部获得含氧为38%左右的富氧液空，顶部获得高纯度的氮气。下塔底抽出的液空经过冷器过冷后分别进入上塔和粗氩塔，而下塔顶的氮气则大部分进入冷凝蒸发器中，少部分进入精氩塔蒸发器中作为精氩热源。进入冷凝蒸发器的氮气被液氧冷却成为液氮，其中一部分液氮回下塔作为下塔的回流液体，另一部分液

氮经过冷器过冷后大部分进入上塔参加精馏，少量液氮进入精氩塔作为精氩塔冷凝器的冷源。

各种物流进入上塔，经过上塔的进一步分离，可在上塔顶获得合格的氮气，中上部抽出污氮气，底部获得纯度为99.6%的氧气，氧气经主换热器复热后出冷箱作为产品气送出。氮气、污氮气经过冷器、主换热器复热后出冷箱；复热后的氮气一部分作为产品气送出，另一部分氮气则送水冷却塔回收冷量。复热后的污氮气分成两部分，一部分作为分子筛吸附器的再生用气，另一部分也送入水冷却塔回收冷量。

抽部分液氧产品进入液体贮槽待用。

抽部分液氮产品进入液体贮槽待用。

从上塔中部抽出的氩馏份进入粗氩塔底部，经粗氩塔的分离可在其顶部获得工艺氩(含氧量合格，含氮量不合格)，工艺氩再进入精氩塔，经精氩塔的精馏，可在精氩塔底获得纯液氩产品。

2 精馏原理

精馏塔系一个装有一系列塔板或填料的塔形容器，气流依次通过这些塔板或填

料向上升，液体依次向下回流。

空气气流从精馏塔下部进入塔内，

穿过塔板或填料上升到塔顶，部分气体

被抽出塔外，剩下部分冷凝下来，并以

液态形式返回塔底（这部分液体称为回

流液）。

回流的液体和上升的气流，使精馏

工况得以进行，沿塔板上升的气流中所

含的易挥发气体组分（氮）浓度越来越

高，与此同时沿塔板下降的液体中不易

挥发的气体组分（氧）浓度越来越高。

理论塔板

气体的精馏分离需要一系列的精馏塔板，使得上升的蒸汽与下流的液体能在塔板上进行传热传质。

—从某块塔板上溢流下来的液体与塔板上的液体组份相同；

—上升的蒸汽V0通过筛孔进入塔板并与从上一块塔板溢流下来的液体L2；