(營(yíng)口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧營(yíng)口115000)

空氣分離就是利用相關(guān)設(shè)備及技術(shù)，把空氣中的氧氣、氮?dú)饧跋∮袣怏w等分離出來(lái)，從而滿足冶金、煤化工、石油化工、航空、國(guó)防等各行各業(yè)的需求，工業(yè)用氣是工業(yè)發(fā)展的“血液”，因此，空氣分離這個(gè)行業(yè)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有舉足輕重的地位。

1 空氣分離技術(shù)的分類

1.1 膜分離法空氣分離技術(shù)是根據(jù)氣體中各關(guān)鍵組分在一定壓力的推動(dòng)下通過(guò)膜的速率不一樣，從而達(dá)到不同組分分離的目的。

1.2 變壓吸附（PSA）法是利用分子篩對(duì)不同氣體分子“吸附”性能的差異而將氣體混合物分開[1]。它是以最低價(jià)的空氣為原材料，利用一種高選擇性的固體吸附劑，把空氣中的氮?dú)夂脱鯕夥蛛x出來(lái)。這種分離方法多應(yīng)用在中小規(guī)模的空分領(lǐng)域。

1.3 深冷分離空氣是將空氣液化后，再利用氧、氮的沸點(diǎn)不同將它們分離。即，造成氣、液濃度的差異這一性質(zhì)，來(lái)分離空氣的一種方法[2]。

2 深冷分離的發(fā)展歷程[1,2]

1903年，德國(guó)卡爾·林德博士采用“高壓節(jié)流循環(huán)”試制成功世界上第一臺(tái)10m3/h單級(jí)精餾的制氧機(jī)。1905年試制成功320m3/h雙級(jí)精餾的制氧機(jī):1930年，林德首創(chuàng)用凍結(jié)法清除空氣中的水分和二氧化碳。1960年，法液空通過(guò)管道輸送氣體給用戶。20世紀(jì)70年代，日本神鋼采用電子計(jì)算機(jī)控制的3萬(wàn)m3/h空分設(shè)備。20世紀(jì)末，林德公司制氬裝置采用規(guī)整填料塔，全精餾制氬技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的最大空分裝置集群是神華集團(tuán)寧東400萬(wàn)t/a煤液化項(xiàng)目所配套的12套10萬(wàn)m3/h空分裝置。世界上投運(yùn)最大制氮站墨西哥坎塔雷爾，制氮量高達(dá)134萬(wàn)m3/h[3]。

建國(guó)初期我國(guó)的工業(yè)發(fā)展處于起步階段，空分設(shè)備只有八十余套進(jìn)口，總?cè)萘恳埠艿?，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，杭氧和法液空組建合資公司，2017年，由杭氧生產(chǎn)的首套國(guó)產(chǎn)10萬(wàn)等級(jí)特大型空分在神華寧東煤化工項(xiàng)目基地開車成功，為目前為止國(guó)產(chǎn)在生產(chǎn)的最大的空分設(shè)備，目前世界上運(yùn)行最大的空分設(shè)備是由杭氧生產(chǎn)在伊朗運(yùn)行的12萬(wàn)m3/h的空分設(shè)備。

3 深冷法空氣分離原理及流程

3.1 分離原理

空氣是多組分氣體，空氣中的氮?dú)馀c氧氣均勻地混在一起，在常溫下要使它們分離是很困難的。首要條件是要將空氣液化，空氣一般均以氣體狀態(tài)存在，要使空氣液化必須將空氣降到-141℃以下才有可能。

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氧、氮、氬的沸點(diǎn)分別是-183℃、-196℃和-186℃，氧和氮的沸點(diǎn)相差約13℃，氬和氮的沸點(diǎn)相差約10℃，它們之間的沸點(diǎn)差使通過(guò)低溫液化，然后精餾把它們分離成為可能[4]。所以制氧的基本原理就是利用低溫精餾法，將空氣冷凝成液體，按各組分蒸發(fā)溫度的不同將空氣分離。同時(shí)氧、氮、氬無(wú)論是在氣態(tài)還是液態(tài)都能以任何比例均勻的混合在一起。因此，采用在一定的壓力下多次的部分蒸發(fā)和多次的部分冷凝的方法實(shí)現(xiàn)氧氣、氮?dú)狻鍤獾姆蛛x。

3.2 分離流程（見圖1）

圖1 分離流程

3.2.1 原料空氣壓縮

利用壓縮機(jī)將空氣壓縮到工藝要求的壓力并送至下一工序，壓縮機(jī)前設(shè)置自潔式空氣過(guò)濾器，清除掉空氣中的雜質(zhì)，且該過(guò)濾器能夠?qū)崿F(xiàn)濾筒的自清潔。

3.2.2 空氣預(yù)冷和純化系統(tǒng)

空氣自原料空壓機(jī)出來(lái)后送入冷卻塔進(jìn)入冷卻階段?？諝饫鋮s塔的下段常用循環(huán)水,而上段則使用經(jīng)氮水塔冷卻后的低溫水。

空氣經(jīng)冷卻后，溫度降至生產(chǎn)要求溫度下，進(jìn)入分子篩吸附器，空氣中殘留的水蒸氣、二氧化碳和部分碳?xì)浠衔锉晃?。分子篩吸附器有工作和再生兩只，可以相互切換使用。

分子篩系統(tǒng)是空分裝置的關(guān)鍵單元之一，隨空氣進(jìn)入空壓機(jī)，繼而進(jìn)入空分設(shè)備是非常有害的。故必須利用分子篩純化器將水分和二氧化碳清除掉。

3.2.3 制冷、換熱和精餾

空氣經(jīng)凈化后，由于分子篩的吸附熱，溫度升高，然后分三路：一路空氣被抽出作為儀表空氣；一路空氣直接進(jìn)入主換熱器，在主換熱器E1中與返流氣體（純氧、純氮、污氮）換熱達(dá)到接近空氣液化溫度后出主換熱器冷端并分為兩股，一股直接進(jìn)入下塔，另一股去液氧蒸發(fā)器蒸發(fā)液氧，液化后的液空分兩股，一股節(jié)流進(jìn)入下塔，另一股通過(guò)過(guò)冷器進(jìn)入上塔[5]；另一路空氣去增壓機(jī)增壓后進(jìn)入主換熱器，在主換熱器內(nèi)被返流冷氣體冷卻至一定溫度時(shí)抽出進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹冷卻，膨脹后的空氣送入上塔。

產(chǎn)品氧氣從上塔下部引出，經(jīng)過(guò)冷器及主換熱器，回收冷量后，出冷箱，送至氧氣壓縮機(jī)。液氧從上塔底部引出，在液氧自增壓器中自增壓并氣化后得到低壓氧氣，經(jīng)主換熱器復(fù)熱后出冷箱進(jìn)入用戶管網(wǎng)。進(jìn)入貯槽的液氧產(chǎn)品從液氧自增壓器底部引出，部分經(jīng)過(guò)冷器過(guò)冷后送往液氧貯槽。生產(chǎn)液氧還有一個(gè)主要作用就是連續(xù)排出液氧，防止液氧中碳?xì)浠衔锖鸵胰矟饪s超標(biāo)。

污氮?dú)鈴纳纤喜恳?，?jīng)過(guò)冷器及主換熱器復(fù)熱后出冷箱，部分作為分子篩吸附器的再生氣體，部分進(jìn)入水冷塔冷卻空冷塔的上部用水。

純氮?dú)鈴纳纤敳恳?，?jīng)過(guò)冷器及主換熱器，回收冷量后，出冷箱，送至氮?dú)鈮嚎s機(jī)。

3.2.4 產(chǎn)品氣壓縮外送系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括氧氣壓縮機(jī)、氮?dú)鈮嚎s機(jī)、氧氣球罐、氮?dú)馇蚬抟约爱a(chǎn)品氣調(diào)壓輸配系統(tǒng)組成。氧氣、氮?dú)庾岳湎涑鰜?lái)后分別通過(guò)氧氣壓縮機(jī)、氮?dú)鈮嚎s機(jī)升壓進(jìn)入氧氣球罐、氮?dú)馇蚬?。氬氣?jīng)過(guò)液氬泵加壓并復(fù)熱后進(jìn)去氬氣緩沖罐。

4 空分技術(shù)在各行業(yè)及營(yíng)口地區(qū)的應(yīng)用

4.1 冶金工業(yè)

4.1.1 在煉鋼過(guò)程中高純氧可以與碳、磷、硫、硅等物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)，這不但可以降低鋼的含碳量，還有利于清除磷、硫、硅等雜質(zhì)。生產(chǎn)過(guò)程中吹氧發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量可提供煉鋼所需的能量縮短生產(chǎn)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

4.1.2 高爐煉鐵時(shí)，提高鼓風(fēng)中的氧濃度可以提高產(chǎn)量降低結(jié)焦率。

4.1.3 在有色金屬冶煉中，采用富氧也可以提高產(chǎn)率。

4.2 化學(xué)工業(yè)

氧氣主要用于原料氣的氧化，例如：重油的高溫裂化，以及煤化工（甲醇、稀炔等）造氣用氧，可深化工藝過(guò)程，化肥生產(chǎn)、合成氨造氣用氧，可以提高化肥產(chǎn)量。此外氧氣在金屬切割及焊接等方面也有著廣泛的用途。氮?dú)馐呛铣砂?、制硝酸的重要原料。氮?dú)獾幕瘜W(xué)性質(zhì)很不活潑，所以它常被用作保護(hù)氣。

4.3 國(guó)防工業(yè)與醫(yī)療保健方面

液氧是現(xiàn)代火箭最好的助燃劑。

氧氣可維持正常生命活動(dòng)，用于氧含量不規(guī)律環(huán)境，例如：潛水作業(yè)、登山運(yùn)動(dòng)、醫(yī)療救助等。液氮在醫(yī)學(xué)上常用作手術(shù)冷凍劑等，在高科技領(lǐng)域用于制造低溫環(huán)境。

營(yíng)口鋼鐵有限公司采用的是杭氧設(shè)計(jì)生產(chǎn)的2套2萬(wàn)m/h（氧）的制氧裝置，五礦營(yíng)口中板有限公司是由盈德氣體投資并運(yùn)營(yíng)的氣體公司供應(yīng)氧氣、氮?dú)?、氬氣，共?套6萬(wàn)m/h的制氧裝置。鞍鋼鲅魚圈鋼鐵分公司采用的是杭氧設(shè)計(jì)生產(chǎn)的2套2萬(wàn)m/h（氧）的制氧裝置。中冶京誠(chéng)1.2萬(wàn)m/h的制氧裝置。