曹 蕊

(國家能源集團(tuán)神華鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

1 氣體分離技術(shù)概述

工業(yè)常用氣體有氧氣、氮?dú)?、二氧化碳、氬氣等。工業(yè)氣體的生產(chǎn)方法比較多，常用的氣體分離技術(shù)有：精餾法[1]，即將氣體混合物冷凝為液體，針對各組分沸點(diǎn)的不同，采用精餾的方法將不同組分分離出來；分凝法[2]，即利用不同組分的沸點(diǎn)的差異進(jìn)行氣體分離的方法，該方法與精餾法的不同之處在于精餾法適用于沸點(diǎn)相近的場合，而分凝法適應(yīng)于沸點(diǎn)相差較大的場合；吸收法，即用一種液態(tài)吸收劑在適當(dāng)?shù)臏囟?、壓力下吸收氣體混合物中的某些組分而達(dá)到氣體分離的目的，可分為物理吸收和化學(xué)吸收；吸附法，即采用多孔性固體吸附劑將被吸組分吸附于固體物質(zhì)表面而達(dá)到氣體分離的目的；薄膜滲透法[3]，即利用高分子聚合物薄膜的選擇滲透性從混合物中將某種組分分離出來的一種方法。具體總結(jié)如表1。

表1 氣體分離技術(shù)匯總

空氣中的主要組成是氧氣和氮?dú)?，在?biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氧氣的沸點(diǎn)為-183 ℃，氮?dú)獾姆悬c(diǎn)為-196 ℃，二者的沸點(diǎn)相差較小，因此大部分空分裝置主要采用的是低溫精餾原理，而且低溫精餾分離法生產(chǎn)成本低，技術(shù)成熟，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

2 低溫精餾技術(shù)介紹

由于空氣中除了含有氧氣、氮?dú)庵?，還含有二氧化碳、粉塵、水蒸氣等雜質(zhì)，在氣體分離技術(shù)中，為了防止這些雜質(zhì)對設(shè)備造成的損壞，通常會在空氣進(jìn)入壓縮機(jī)之前對氣體中的雜質(zhì)通過自潔式空氣過濾器清除。經(jīng)壓縮之后的空氣，進(jìn)入空氣冷卻塔使用冷卻水和冷凍水進(jìn)行接觸式降溫。在降低壓縮空氣溫度的同時(shí)進(jìn)一步除去空氣中的雜質(zhì)。通過分子篩干燥器再次吸附空氣中殘存的水分、二氧化碳、乙炔等雜質(zhì)后，在熱交換器中被冷卻至飽和溫度后送入下塔的下部，作為上升氣進(jìn)行精餾。下塔的上升氣每經(jīng)過一塊塔板，與塔板上的液體進(jìn)行熱與質(zhì)的交換：氣相中的難揮發(fā)組分氧逐漸被冷凝，液相中的易揮發(fā)組份氮逐漸被蒸發(fā)。這樣在下塔的頂部得到高純氮?dú)?，在下塔的底部得到富氧液空。富氧液空?jīng)節(jié)流降壓后送到上塔中部進(jìn)行二次精餾。與下塔精餾的原理相同，液體下流時(shí)，經(jīng)多次部分蒸發(fā)，氮較多地蒸發(fā)出來，于是下流液體中的含氧濃度不斷升高，到達(dá)上塔底部可得到高純度的液氧，這部分液氧在冷凝蒸發(fā)器中吸熱而蒸發(fā)成氣氧，作為上塔的上升氣再次參與精餾過程。液氧的一部分可以作為產(chǎn)品引出，而氮較多地蒸發(fā)到氣相中，最終聚集到上塔頂部。上塔頂部的高純氮可以做為產(chǎn)品經(jīng)過壓縮機(jī)加壓后送給用戶。具體流程如圖1所示?？辗盅b置的低溫精餾技術(shù)又稱為氣體深冷分離技術(shù)[4]。

圖1 氣體深冷分離工藝流程

3 氣體深冷分離技術(shù)的關(guān)鍵

為了能夠得到較高純度的產(chǎn)品，使氣體分離效果最佳，同時(shí)也能夠保障裝置在運(yùn)行過程中安全穩(wěn)定，原料、工藝基礎(chǔ)條件以及設(shè)備的選擇非常重要。

3.1 原料對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

原料是保障氣體分離效果的最直接的因素，利用高品質(zhì)的原料才能產(chǎn)出高品質(zhì)的產(chǎn)品。氣體深冷分離的原料是空氣，空氣并不只是由氧氣和氮?dú)鈨煞N成分組成，還含有粉塵、稀有氣體、二氧化碳等雜質(zhì)成分，在進(jìn)行精餾前需要將雜志成分清除，才能提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

二氧化碳是空氣中含量較少的一種氣體。在化工生產(chǎn)區(qū)，通常會產(chǎn)生較多的二氧化碳?xì)怏w?？諝庠谶M(jìn)入熱交換器前若二氧化碳清除不干凈，當(dāng)溫度達(dá)到 -56.6 ℃ 時(shí)會變?yōu)楣腆w堵塞熱交換器，嚴(yán)重時(shí)會造成空分裝置停車。氧化亞氮(俗稱笑氣)也是空氣中含量較少的一種氣體。當(dāng)氧化亞氮進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器中的含量超過5.0×10-6時(shí)，會以固體顆粒的形式析出，占用冷凝蒸發(fā)器的通道，在固體顆粒與蒸發(fā)器壁摩擦產(chǎn)生靜電或者其他的誘導(dǎo)效應(yīng)下，可能會發(fā)生冷凝蒸發(fā)器爆炸的事故?？諝庵泻枯^少的乙炔及碳?xì)浠衔锶粑辞宄蓛魰S著空氣進(jìn)入精餾塔。相對于液氧和液空，由于乙炔和碳?xì)浠衔锏姆悬c(diǎn)較高，溶解度較大，飽和蒸氣壓較小，較容易在液空和液氧中積聚濃縮。固體乙炔在液氧沸騰時(shí)容易與冷凝蒸發(fā)器的通道產(chǎn)生摩擦和撞擊進(jìn)而產(chǎn)生靜電，當(dāng)靜電電壓較高時(shí)會引起冷凝蒸發(fā)器爆炸。通常，為了確?？辗盅b置加工空氣的質(zhì)量，將空分裝置建設(shè)在常年主導(dǎo)風(fēng)向的上風(fēng)向，同時(shí)采用分子篩干燥器對空氣中的雜質(zhì)進(jìn)行充分的吸收與干燥，以提高進(jìn)入主板式換熱器的空氣質(zhì)量。

3.2 工藝基礎(chǔ)條件對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

工藝操作是維持裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行的條件。為了確保裝置能夠產(chǎn)出高品質(zhì)氣體，對工藝操作基礎(chǔ)的了解是關(guān)鍵。只有掌握工藝操作的基礎(chǔ)理論，才能達(dá)到有針對性的操作和解決問題的目的。

物料平衡、能量平衡是空分生產(chǎn)中的兩大守恒定律，這兩大定律是工藝操作的基礎(chǔ)[5]。物料平衡包括物量平衡和組分平衡。物量平衡即進(jìn)來的物量之和等于出去的物量之和，組分平衡即空氣分離后的某一組分的量之和等于加工空氣量中該組分的量。當(dāng)加工空氣量小于產(chǎn)品產(chǎn)出量時(shí)，產(chǎn)品的純度會明顯下降，此時(shí)必須采取一定的工藝操作增加原料。能量平衡是進(jìn)入塔的能量總和等于出塔的產(chǎn)品的能量總和。裝置中的冷量是衡量能量平衡的主要標(biāo)志。膨脹機(jī)制冷和節(jié)流效應(yīng)制冷是裝置冷量來源的兩個(gè)重要途徑。冷凝蒸發(fā)器中的液氧液位是裝置冷量的最直觀的體現(xiàn)，工藝操作中要確保該液位處于正產(chǎn)的操作指標(biāo)范圍內(nèi)。此外，要控制熱交換器的熱端溫差，減少主換熱器的冷量損耗，因此，在能量平衡方面要綜合分析裝置的冷量，通過及時(shí)調(diào)整膨脹機(jī)負(fù)荷、主換熱器冷、熱流體流量等措施來平衡裝置的能量。

3.3 設(shè)備對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

為了能夠使氣體分離效果較佳，氣體分離設(shè)備的選擇也尤為重要。其中，重要的設(shè)備包括：自潔式空氣過濾器、空氣壓縮機(jī)、循環(huán)水泵、氮?dú)鈮嚎s機(jī)、空冷塔、水冷塔、冷凍機(jī)、分子篩、主換熱器、膨脹機(jī)、精餾塔、液氧泵、液氮泵等。

空氣壓縮機(jī)和氮?dú)鈮嚎s機(jī)是空分裝置的重要運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備。針對空氣和氮?dú)夤膺B續(xù)性的特點(diǎn)，空氣壓縮機(jī)和氮?dú)鈮嚎s機(jī)應(yīng)選擇連續(xù)性離心式壓縮機(jī)?？諝鈮嚎s機(jī)的操作需保證其出口壓力在一定的范圍內(nèi)，在小流量條件下，壓比過大，會造成壓縮機(jī)喘振，嚴(yán)重時(shí)影響設(shè)備安全；壓比過小，會使精餾塔下塔液體不能在足夠的壓力下返回上塔進(jìn)行再次精餾而影響精餾效果[6]。針對氧氣較活潑的化學(xué)性質(zhì)以及助燃性，從安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮，應(yīng)選擇液氧內(nèi)壓縮流程，液氧泵的操作也需要根據(jù)工況按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，以避免汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生。由于單級精餾無法充分將空氣進(jìn)行充分分離，也無法同時(shí)獲取高純度氧和高純度氮，因此應(yīng)選擇雙極精餾塔；對于長期運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備，還需要正確的操作和定期的維護(hù)保養(yǎng)，防止設(shè)備疲勞工作，助力裝置安全運(yùn)行。

4 總結(jié)

本文首先介紹了氣體分離的幾種方式，針對空氣中氧氣和氮?dú)夥悬c(diǎn)相近的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了氣體深冷分離技術(shù)，介紹了氣體深冷分離技術(shù)工藝過程，分析了影響裝置操作和產(chǎn)品純度的因素，并得出：

1)氣體深冷分離技術(shù)是空氣經(jīng)過過濾、壓縮、降溫、純化、冷卻等環(huán)節(jié)，最終進(jìn)入精餾塔內(nèi)利用各組分沸點(diǎn)不同實(shí)現(xiàn)多級精餾而獲得高純度氧、氮產(chǎn)品的技術(shù)。

2)原料質(zhì)量、工藝條件以及設(shè)備的選擇維護(hù)對空分操作有較大的影響。原料質(zhì)量要求可通過合理選擇廠址及過濾、干燥工藝來解決。物料平衡和能量平衡是工藝操作和調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)；設(shè)備的合理選擇和定期維護(hù)保養(yǎng)是保障裝置安全運(yùn)行，產(chǎn)出高品質(zhì)氣體的硬件條件。