空气分离技术及其在金陵石化的应用

空气分离技术及其在金陵石化的应用

化肥联合车间方紫咪

摘要：简要介绍了目前主流的空气分离技术及相关内容，结合金陵石化空分装置，简要说明了空分装置以后的发展方向。

关键词：空气分离，制氧，工艺，金陵石化

1 前言

氢气是化肥生产的重要原料，也是炼厂加氢裂化和加氢精制装置的主要原料。目前，金陵石化炼油部分有自己的两台石脑油制氢装置，石脑油是重要的化工原料，寻找成本低廉取代石脑油的制氢原料成为必然，煤气化制氢就是高效的替代工艺。金陵石化化肥联合车间生产的氢气一部分供化肥装置、一部分供炼油部分，并逐步取代金陵石化炼油部分原有的石脑油制氢装置，以达到资源利用的综合化，增强市场竞争力。

氧气是煤气化制氢的主要原料，氮气是化肥合成氨的主要原料。氧气和氮气都是空分装置的主要产品。因此空分装置是水煤浆装置正常开车和运行的必要请提和重要保障。

2 气体分离知识概要

2.1 空气分离的方法

空气中的主要成分是氧和氮，它们分别以分子状态存在。分子是保持它原有性质的最小颗粒，直径的数量级在10-8cm，而分子的数目非常多，并且不停地在作无规则运动。因此，空气中的氧、氮等分子是均匀地相互搀混在一起的，要将它们分离开是较困难的。目前主要有三种分离方法。

(1)低温法：先将空气通过压缩、膨胀降温。直至空气液化，再利用氧、氮的气化温度(沸点)不同(在大气压力下，氧的沸点为90K ,氮的沸点为77K).沸点低的氮相对子氧要容易气化这个特性，在精馏塔内让温度较高的蒸气与温度较低的液体不断相互接触，液体中的氮较多地蒸发，气体中的氧较多地冷凝。使上升蒸气中的含氮童不断提高，下流液体中的含氧量不断增大，以此实现将空气分离。要将空气液化，需将空气冷却到100K以下的温度，这种制冷叫深度冷冻；而利用沸点差将液空分离的过程叫精馏过程低温法实现空气分离是深冷与精馏的组合，是目前应用最为广泛的空气分离方法。

(2)吸附法：它是让空气通过充填有某种多孔性物质——分于筛的吸附塔，利用分子筛对不同的分子具有选择性吸附的特点，有的分子筛(如5A ，13X等)对氮具有较强的吸附性能，让氧分子通过，因而可得到纯度较高的氧气；有的分子筛(碳分子筛等)对氧具有较强的吸附性能，让氮分子通过，因而可得到纯度较

高的氮气。由于吸附剂的吸附容量有限、当吸附某种分子达到饱和时，就没有继续吸附的能力，需要将被吸附的物质驱赶掉，才能恢复吸附的能力。这一过程叫“再生”。因此，为了保证连续供气，需要有两个以上的吸附塔交替使用。再生的方法可采用加热提高温度的方法(TSA)，或降低压力的方法((PSA ) 。

(3)膜分离法：它是利用一些有机聚合膜的渗透选择性，当空气通过薄膜(0.1μm)或中空纤维膜时，氧气的穿透过薄膜的速度约为氮的4~5倍，从而实现氧、氮的分离。这种方法装置简单，操作方便，启动快，投资少，但富氧浓度一般适宜在28%～35% ,规模也只宜中、小型，所以只适用于富氧燃烧和医疗保健等方面。目前在玻璃窑炉中已得到实际应用。

2.2 氧气的主要用途

氧是地球土一切有生命的机体赖以生存的物质。它很容易与其他物质发生化学反应而生成氧化物，在氧化反应过程中会产生大量热量因此，氧作为氧化剂和助燃剂在冶金、化工、能源、机械、国防工业等部门得到广泛应用。

此外，在医疗部门，氧气也是病人急救和辅助治疗不可缺少的物质因此，氧气生产已是国民经济中不可缺少的重要环节。

2.3 氧气提取率

在采用空气分离法制取氧气时，总是希望将加工空气中的氧尽可能多地作为产品分离出来。为了评价分离的完善程度。引入氧提取率这一概念。

氧提取率以产品氧中的总氧量与进塔加工空气中的总氧量之比来表示。即：ψ=V o2·y o2/V k·y k

式中ψ——氧的提取率；

V o2、V k——氧气产量和加工空气量,m3/h；

y o2、y k一一产品氧和空气中所含氧的体积分数。

从上式可以看出:对干一定的地点，空气中的含氧量基本不变。当进塔空气量和产品氧纯度一定时，氧提取率的高低取决寸氧产量的多少。而氧产量的多少，对于全低压制氧机在进气量一定的条件下，主要决定于污氮中含氧的高低。

2.4 空分设备对冷却水的要求

空分设备一般用江河湖泊或地下水作为冷却水。这种水中通常都含有悬浮物(泥沙及其他污物)以及钙、镁等重碳酸盐[Ca (HCO3)2和Mg(HCO3) 2]，称为硬水悬浮物较多时，易堵塞冷却器的通道、过滤网及阀门等。钙、镁等重碳酸盐在水温升高时易生成碳酸钙(CaCO3)。碳酸镁（MgCO3)沉淀物，即形成一般所说的水垢。一般水温在45 ℃以上就要开始形成水垢水温越高越易结垢水垢附着在冷却器的管壁、氮水预冷器的填料、喷头或筛孔等处。不仅影响换热，降低冷却效果，而且有碍冷却水或空气的流通，严重时会造成设备故障，例如氮水预冷器带水，使蓄冷器（或切换式换热器）冻结。水垢比较坚硬，附在器壁上不易清除。因此，冷却水最好是经过软化处理。采用磁水器进行软化处理较为简便，效果尚可。清除悬浮物应设置沉淀池。如果冷却水循环使用，有利于水质的软化，但占地面积

较多，基建投资较大。

对压缩机冷却水，温度一般要求不高于28℃:，排水温度小于40℃。对水质要求为：

pH值 6.5～8

悬浮物含量不大于5Omg/L

暂时硬度不大于17o dH

含油量小于5mg/L

氯离子(Cl)(质量分数) 小于50×10-8

硫酸根(SO3-2)(质量分数) 小于50×10-6

氮水预冷系统供排水为独立循环系统。因为冷却水在塔内温升大，排水温度高，结垢严重，所以要求该系统的补充水尽可能采用低硬度水或软水，其暂时硬度一般应不大于8. 5 o dH，其他要求与压缩机冷却水相同。

3 制冷原理

3.1 什么是制冷

在日常生活中我们可以看到，一杯热水会自然地冷却到周围的环境温度为止，一块冰会在0℃以上的环境中自然融化成水，但是水不会自发地降低到比周围空气更低的温度而结冰。这些现象说明自然界的一个基本规律：热只能自发地从高温物体传给低温物体，而相反的过程不能自发地进行。

用人为的方法获得比环境更低的温度.是可以实现的。但是，这需要花费一定的代价，即消耗一定的能量(功、电能等)才能实现。这种人为地获得低温的过程，就叫“制冷”。

我们常见的冰箱、空调机就是靠制冷机实现制冷过程而获得低温的。它必须要消耗电能，带动压缩机工作，制冷机中循环工作的物质叫“制冷剂”。它是一种低沸点的物质，常用的有氨、氟里昂等。将这些工质在气态压缩后，在常温下就能在冷凝器中放出热量而冷凝成液体。再通过节流膨胀降压，使其饱和温度降低到比环境更低的温度它就可以通过在蒸发器中蒸发吸热，来冷却别的物质（空气、水、食物等)，达到制冷的目的。工质本身则在蒸发器中吸热气化后，又返回到压缩机中再次压缩、如此循环地工作，实现连续制冷。

在制氧机中，要将空气温度降低到液化温度，这也是一个制冷过程，因此，必须有压缩机，并以消耗电能为代价只是制氧机中是以空气为工质，靠将空气先压缩、再膨胀的方法达到降温的目的，然后再来冷却空气本身有至达到液化温度而被液化。

3.2 节流及其相关影响因素

当气体或液体在管道内流过一个缩孔或一个阀门时，流动受到阻碍，流体在阀门处产生漩涡、碰撞、摩擦，如下图所示。流体要流过阀门，必须克服这些阻力，表现在阀门后的压力P2比阀门前的压力P1。低得多这种由于流动遇到局部阻力而造成压力有较大降落的过程，通常称为如节流过程。