空气低温分离技术的某些进展

文章编号:1009-9425(2004)02-0006-04

收稿日期:2003-03-08;修回日期:2003-10-14

作者简介:夏葵(1971 ),女,原安徽马钢气体公司工程师,现西安交通大学制冷与低温工程系硕士研究生。

空气低温分离技术的某些进展

夏 葵,姚艳霞,林韶宁,王 可,侯 予,陈纯正

(西安交通大学制冷与低温工程系,西安市咸宁西路 710049)

摘要:本文结合大型制氧机流程的发展,以全低压外压缩流程、内压缩流程及一种在空分上塔和下塔间设置闪蒸分离器/塔的新流程为例,简要介绍了空气低温分离技术的发展。

关键词:空气低温分离;技术发展;外压缩流程;内压缩流程

中图分类号:TB657 7 文献标识码:A

Some advances in cryogenic air separation technology

Xia Kui,Yao Yan -xia,Lin Shao -ning,Wang Ke,Hou Yu,Chen Chun -zheng

(Institute o f Re frigeration and C ryogenic Engineering ,Xi an Jiaotong University ,West Xianning Road,Xi an 710049,Shannxi ,P R China )

Abstract:The advances in cryogenic air separation technology are described in brief,taking some processes innovated in the development of the tonnage air separation plants as exa mples,such as full low pressure process with external compression,full low pressure process with internal compression,and a novel process with a flash separator/column installed between the upper column and the lower column.

Keywords:Cryogenic air separation;Technical development;Process with external compression;Process with internal compression

1 前 言

空气分离的方法可分为低温和非低温两种,其中非低温空气分离方法包括吸附、膜分离、化学分离法。由于目前在大规模制取氧、氮气液产品,尤其是高纯度产品方面低温分离法具有无法取代的竞争优势,而且只有低温分离法才具有可同时生产氩等稀有气体产品的能力,故低温法在空气分离的工业应用中占据非常重要的地位。距今为止,空气低温分离技术已经取得很大的发展。早期的发展主要为:产品提取率的提高、原料空气的净化、换热器效率的提高、装置的优化控制、压缩机和膨胀机效率的提高等。最近的发展着重于填料精馏塔的使用、分子筛吸附器用于空气的净化、计算机模拟和控制、单元设备机械效率的提高等。本文结合大型制氧机流程的发展对空气低温分离技术的发展状况

做简要介绍。

2 空气低温分离技术的发展

2 1 空气低温分离工艺简介

空气低温分离利用多塔低温精馏工艺从压缩空

气中制取高纯度的氧、氮、氩产品。流程中的空气净化单元用于除去压缩空气所含的杂质,包括水、CO 2、碳氢化合物等。净化后的空气经换热器被冷却至低温,在精馏塔中可分离为氧、氮、氩等产品。装置所需冷量由压缩空气或压缩氮气膨胀做功制取。

根据气态产品的加压方式可将空气低温分离流程分为外压缩和内压缩两种类型。在外压缩流程中,空分装置生产的气态产品的温度接近于环境温度,因其压力仅比大气压力稍高,故需要通过压缩

专题综述

机将其压缩至用户所需压力。在内压缩流程中,用液体泵将来自精馏塔的产品液体提压,再送入换热器汽化、复热后出空分装置。其中用液体泵将产品液体泵至用户所需压力的流程为全内压缩流程;在装置内将产品液体压力提升至一中间压力的流程为部分内压缩流程,此种流程可降低离心压缩机的压缩级数。

2 2 大型制氧机流程的发展

产品产量达到或超过100吨/天的装置被称为吨级制氧机。其典型低压流程如图1

所示。

图1 低压空分装置流程简图

在此流程中,原料空气经压缩冷却后,在分子筛吸附器中除去水、C O 2、碳氢化合物等,进入换热器与返流气换热。原料空气的绝大部分进入下塔,约12%的空气经与膨胀机耦合的增压机增压后膨胀做功制取冷量,膨胀后的空气送入上塔参与精馏。在精馏塔中进行热质交换,获得氧、氮和氩产品。气态氧、氮产品出装置的压力稍高于大气压力,由离心式压缩机压缩至用户所需压力。

当制取氩产品时,含氩量为10%~12%的氩馏分从上塔中部抽出,在粗氩塔完成氧、氩分离。由于氧、氩相对挥发度小,

氧、氩分离需要多的理

图2 全精馏提氩流程简图

论塔板数,故采用筛板塔的氧、氩分离只能将氩中的含氧量降至2%,还需加氢进一步除氧。而规整填料的使用使得粗氩塔能完成(1~2) 10-6的氧的分离,其流程简图见图2。

低温液体泵取代离心压缩机进行气态氧、氮产品压缩的流程为内压缩流程,该流程尤其适用于为以含碳物质为燃料的制氨装置提供高压氧、氮。

图3为液氧内压缩流程简图。在此流程中,液氧从上塔底部抽出,用液氧泵将其升至用户所需压力,经换热器汽化复热后送往用户。一部分净化空气在增压机中进一步增压至适当压力,进入换热器回收压力液氧的冷量,冷凝后的液空送往上、下塔参与精馏。与常规低压外压缩流程相比,不仅液氧泵的维护要比氧压机简单,而且液氧泵的价格比离心式氧压机要便宜得多,故可减少液氧内压缩流程设备的投资费用;此外,空气增压机的效率高于氧压机,流程的安全性也比常规低压外压缩流程高;但与此同时,液氧内压缩的总能耗要比常规低压外

压缩流程高。

图3 液氧内压缩流程简图

若用户同时对高压氧气、氮气的需求量很大,则通过液体泵将液态氧、氮产品压力提至所需压力,利用压力空气的冷凝使其汽化复热出冷箱(见图4)。在此流程中用以汽化复热液氧、液氮的空气占空气总量的比例较高,使得空分下塔的入塔空气(气态)减少,主冷负荷减小,氧气提取率有所

降低。

图4 液氧、液氮内压缩流程简图

此外,内压缩流程的应用还可以提高液体产品