李鋼

摘 要：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展及科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，各種新型空氣分離設(shè)備不斷出現(xiàn)，作為空氣分離技術(shù)中最早出現(xiàn)的技術(shù)，深冷技術(shù)在其發(fā)展中得到了廣泛的應(yīng)用。文章主要對(duì)深冷技術(shù)的概念、空氣分離設(shè)備的含義及深冷技術(shù)在空氣分離設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析與探究。

關(guān)鍵詞：深冷技術(shù)；空氣分離設(shè)備；設(shè)計(jì)；應(yīng)用；概念

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ116.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）23-0063-02

空氣分離技術(shù)起源于1985年與1903年德國(guó)卡爾·林德教授創(chuàng)造的第一套空氣液化設(shè)備及10 m3/h（氧）空氣分離設(shè)備，在其100多年的發(fā)展歷程中，隨著新型技術(shù)的不斷發(fā)展，空氣分離設(shè)備及技術(shù)得到了極大的發(fā)展，深冷分離技術(shù)在空氣分離出現(xiàn)最早的一種技術(shù)，經(jīng)人們的不斷研究及革新，在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐及設(shè)備更新中愈加成熟，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的應(yīng)用范圍也隨之更加廣泛。

1 深冷技術(shù)的概念

深冷技術(shù)是指采用冷媒介質(zhì)作為冷卻介質(zhì)，把淬火后的金屬材料的冷卻過(guò)程繼續(xù)下去，達(dá)到遠(yuǎn)低于室溫的某一溫度（-196 ℃），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)金屬材料性能發(fā)送的目的。近年來(lái)，隨著空氣分離設(shè)備設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，作為金屬工件性能發(fā)送的新型工藝技術(shù)，深冷技術(shù)是現(xiàn)階段最有效、最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的技術(shù)。

在深冷加工中，金屬里殘余的大量奧體轉(zhuǎn)化為馬氏體的形式，尤其是從-196 ℃到室溫的過(guò)程中過(guò)飽和的亞穩(wěn)定馬氏體的過(guò)飽和度會(huì)下降，析出彌散，超微細(xì)碳化物其與基體保持共格關(guān)系，電流只有20～60 A，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生可以減少馬氏體晶格畸變，降低微觀應(yīng)力，在材料塑性變形中細(xì)小彌散的碳化物可以對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)造成阻礙，進(jìn)而起到基體組織強(qiáng)化的作用。與此同時(shí)，析出超微細(xì)碳化物顆粒后要在馬氏體基體上進(jìn)行均勻分布，對(duì)晶界脆化作用進(jìn)行有效減弱，細(xì)化基體組織不僅可以對(duì)雜質(zhì)元素在晶界的偏聚程度進(jìn)行有效減弱，還可以充分發(fā)揮晶界強(qiáng)化的作用，進(jìn)而對(duì)工模具性能進(jìn)行極大改善，提高其硬度、抗沖擊韌性及耐磨性。深冷技術(shù)的應(yīng)用不僅體現(xiàn)于工作表面，還在工件內(nèi)部進(jìn)行滲入，展現(xiàn)的是整體性效果，基于此，可以對(duì)工件進(jìn)行重模，多次使用。在工件方面，深冷技術(shù)的應(yīng)用還可以對(duì)淬火應(yīng)力進(jìn)行有效降低及起到尺寸穩(wěn)定性增強(qiáng)的作用。

2 空氣分離設(shè)備的含義

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在空氣分離研究等行業(yè)的發(fā)展中，其裝備發(fā)展已呈現(xiàn)出大型化的趨勢(shì)，對(duì)空氣分離設(shè)備配套的要求也越來(lái)越高?，F(xiàn)階段，在空氣分離設(shè)備自主化發(fā)展中我國(guó)的水平等級(jí)已達(dá)6萬(wàn)等級(jí)，與世界先進(jìn)水平十分接近。2002年，杭氧的3萬(wàn)等級(jí)國(guó)產(chǎn)空氣分離設(shè)備在寶鋼集團(tuán)成功運(yùn)轉(zhuǎn)，使得我國(guó)空氣分離設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)力得到了極大的提升，促使國(guó)產(chǎn)大型空氣分離設(shè)備成功對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)進(jìn)行了大范圍地占領(lǐng)。

3 深冷技術(shù)在空氣分離設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

空氣深冷分離工藝是采用多塔低溫精餾的方式，從壓縮空氣中制取高純度的氧、氮等產(chǎn)品。目前在空氣分離設(shè)備設(shè)計(jì)中主要有兩種存在形式，第一種是常溫空氣分離設(shè)備，這種設(shè)備主要是在常溫及非低溫的狀態(tài)下進(jìn)行的，這種常溫空氣分離設(shè)備又可以分為兩種不同的形式：變壓吸附分離與膜分離。這里要進(jìn)行分析的就是另一種空氣分離設(shè)備設(shè)計(jì)形式，深冷空氣分離，這種設(shè)備主要應(yīng)用于溫度非常低的情況下。在20世紀(jì)50年代，為提升我國(guó)國(guó)防力量，滿足國(guó)防需求，我們的深冷空氣分離技術(shù)及設(shè)備都是從蘇聯(lián)引進(jìn)和仿制，當(dāng)時(shí)仿制的企業(yè)為杭州鐵工廠。在1953年左右時(shí)，我國(guó)才成功仿制出了屬于自己的深冷空氣分離設(shè)備。直至今日，我國(guó)的空氣分離技術(shù)及設(shè)備制造水平已經(jīng)得到了極大的發(fā)展，并為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)貢獻(xiàn)著自己的一份力量。目前，深冷空氣分離技術(shù)主要應(yīng)用于以下幾方面。

3.1 壓縮空氣凈化組件

壓縮空氣凈化組件主要的組成成份有高效除油器、冷凍式干燥機(jī)、精密過(guò)濾器及活動(dòng)性過(guò)濾器。首先空氣要在空氣壓縮機(jī)里進(jìn)行壓縮，再在空氣緩沖罐中進(jìn)行作業(yè)，然后經(jīng)過(guò)高效除油器將大部分的雜質(zhì)進(jìn)行有效去除，雜質(zhì)主要包括油、水及塵等，在水分進(jìn)一步去除中可以采用冷凍式干燥機(jī)進(jìn)行，再次進(jìn)行去油、去塵時(shí)可以選用精密過(guò)濾器實(shí)施操作，最后選用活性炭過(guò)濾器進(jìn)行更深層次地去油工作。

3.2 空氣緩沖罐

空氣緩沖罐組件主要的構(gòu)成成份有空氣緩沖罐與附屬閥門(mén)儀表。空氣緩沖罐在空氣分離設(shè)備設(shè)計(jì)中起到的主要作用就是緩沖，對(duì)氣流脈動(dòng)起到有效降低。進(jìn)而使系統(tǒng)壓力波動(dòng)得到降低，使壓縮空氣能夠順利在壓縮空氣凈化組件中通過(guò)，最大限度地將尤、水等雜物進(jìn)行有效排除。與此同時(shí)，在進(jìn)行吸附塔工作切換過(guò)程中，還可以幫助氧氮分離系統(tǒng)在極少時(shí)間中得到大量所需的壓縮空氣，這種技術(shù)的應(yīng)用，可以可以幫助吸附塔中的壓力進(jìn)行迅速上升并達(dá)到工作壓力，還可以確保機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

3.3 氧氮分離系統(tǒng)

構(gòu)成氧氮分離系統(tǒng)組件主要的成份有吸附塔、壓緊裝置、附屬閥門(mén)與儀表電器。選用復(fù)合床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的吸附塔，主要分為兩種塔：A塔與B塔，將進(jìn)口碳分子篩填裝進(jìn)塔內(nèi)（為提高碳分子篩裝填的均勻性可以選用伸展扭轉(zhuǎn)式振動(dòng)填充方式進(jìn)行操作）。清潔的壓縮空氣要先從A塔入口端在碳分子篩的作用下流向出口端，這個(gè)時(shí)候被其吸附的主要成分有氧氣、二氧化碳及水，在吸附塔出口端流出的只有產(chǎn)品氮?dú)?。?jīng)過(guò)時(shí)間的不斷推移，當(dāng)A塔內(nèi)的碳分子篩吸附達(dá)到飽和前將會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)吸附停止的現(xiàn)象，在B塔中流入清潔壓縮空氣在進(jìn)行吸氧產(chǎn)氮，并進(jìn)行A塔分子篩的再生。通過(guò)將吸附塔快速降低到常壓脫附的氧氣、二氧化碳就水來(lái)實(shí)現(xiàn)分子篩的再生。在進(jìn)行A、B塔交替吸附塔再生時(shí)，不僅可以促使氧氮分離的完成，還可以不斷產(chǎn)生氮?dú)狻?/p>

3.4 氧氮緩沖系統(tǒng)

氧氮緩沖系統(tǒng)組件主要的構(gòu)成成份有氮?dú)饩彌_罐、精密過(guò)濾器、流量計(jì)、調(diào)壓閥、放空部件等，氮?dú)饩彌_罐主要是將氮氧分離系統(tǒng)中分離出來(lái)的氮?dú)鈮毫凹兌冗M(jìn)行均衡作用，確保氮?dú)獾姆€(wěn)定性并保障連續(xù)供給。與此同時(shí)，在進(jìn)行吸附塔切換工作之后，將自身的一些氣體進(jìn)行吸附塔回充作業(yè)，這種方式可以有效起到提升吸附塔壓力的作用，還能起到對(duì)床層的有效保護(hù)，在空氣分離設(shè)備工作時(shí)還能起到極大的保護(hù)作用。最后進(jìn)行再次過(guò)濾，主要采用精密過(guò)濾器進(jìn)行工作，這樣可以最大限度地確保氮?dú)獾馁|(zhì)量。

作為一種傳統(tǒng)的制氮方式，深冷空氣分離制氮已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷程。這種方式主要以空氣作為原料，為使空氣液化變?yōu)橐后w空氣，必須進(jìn)行嚴(yán)格的壓縮、凈化，并進(jìn)行熱交換。液體空氣主要構(gòu)成的混合物分兩部分組成：液態(tài)氧氣與液態(tài)氮?dú)?，通過(guò)兩者不同的沸點(diǎn)進(jìn)行液態(tài)空氣的精餾，將兩者進(jìn)行有效分離并獲取氮?dú)?。在整個(gè)工作操作中深冷空氣分離制氮設(shè)備及過(guò)程十分繁雜，需要占用大范圍的土地面積，基礎(chǔ)建設(shè)成本很高，氣體產(chǎn)生的速度很慢，在安裝過(guò)程中，具有較高要求及較長(zhǎng)工作周期。對(duì)深冷空氣分離設(shè)備、安裝與基層建筑等方面的因素進(jìn)行綜合分析，當(dāng)設(shè)備低于3 500 N m3/h時(shí)，規(guī)格一樣的PSA裝置與深冷空氣分離裝置在成本投資方面相比，要低出20%～50%之間。在經(jīng)濟(jì)適應(yīng)方面，深冷空氣分離制氮裝置并不適應(yīng)中、小規(guī)模的工業(yè)制氮，主要適應(yīng)于規(guī)模較大的工業(yè)制氮。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，我國(guó)空氣分離設(shè)備及技術(shù)越來(lái)越向大型化、專業(yè)化、規(guī)模化的發(fā)展趨勢(shì)邁進(jìn)。深冷技術(shù)作為空氣分離最重要的分離技術(shù)，在確保企業(yè)利益最大化的基礎(chǔ)上，將深冷技術(shù)的能耗量進(jìn)行有效降低，是空氣分離工作的主要任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葉必楠.杭氧應(yīng)用新技術(shù)開(kāi)發(fā)系列新產(chǎn)品[J].深冷技術(shù)，1996，（4）.

[2] 姜潤(rùn)民.空氣分離設(shè)備及低溫液化設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)和制造[J].深冷技術(shù)，1997，（4）.

[3] Helmut Springmann，毛捷.空氣分離設(shè)備的現(xiàn)狀和展望[J].深冷技術(shù)，1974，（3）.