摘要：氧气是十分重要的一种气体，无论是人类的正常生存需要还是工业生产，都离不开氧气。因此，氧气的制备技术十分重要。而在工业制氧系统中是各种新型空气分离设备不断出现，作为空气分离技术中最早出现的技术，深冷技术在其发展中得到了广泛的应用。本文主要分析了深冷空气分离技术的工艺原理以及其在制氧系统中的运用。
关键词：制氧系统；深冷空气分离法；运用研究
一、深冷空气分离法概述
空气是多种气体的混合物，主要由氧、氮和氩、氖、氦、氪、氙等稀有气体组成，还包括二氧化碳和水蒸气等可变组成部分。对空气进行分离的目的是从空气中分离出氧气、氮气或提取氦气、氩气等稀有气体，这些气体用途很广，所以空气分离装置在冶金、化工、石油、机械、采矿、食品、医药、军事等工业部门有着广泛的应用。空气分离法一般有深度冷冻、吸附、膜分离等方法，其中深度冷冻法简称深冷法。深冷分离法又称低温精馏法，是以空气为原料，经过压缩、净化、用热交换使空气液化成液氧、液氮和液态稀有气体的混合物，并利用液态气体沸点不同的特性，通过精馏，使各种气体分离来获得氮气、氧气和稀有气体。
深冷法一般分为两步：先制冷，再精馏。①制冷。制冷的目的是通过不同的深度冷冻循环装置使空气液化，一般是利用膨胀机进行制冷，为系统提供所需冷量。②精馏。精馏是一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法，空分的精馏塔一般采用双级精馏塔，它是由上塔、下塔和塔间的冷凝蒸发器组成，采用双级精馏塔的优点是使产品有较高的提取率，并能同时取得高纯氧和高纯氮。通过精馏，空气在双级精馏塔中进行分离，在下塔顶部产出液氮，在冷凝蒸发器中产出液氧。深冷空气分离制氧的特点氧气的沸点为-183℃，氮气的沸点为-196℃，利用深冷法制氧，要将空气进行液化处理，然后利用氧气的沸点温度，再进行与氮气的分离。
二、深冷法制氧特点
2.1对材料要求高
对空气进行液化处理时，主要依靠将空气体积压缩和热交换的方式。因此，制造低温的设备材料，一定要有较强的耐压能力，并且对接口焊接要求也比较高，通常用的材料多为合金。同时，为了防止外源热量的传入，所选用的材料必须安装保冷箱，对于管道也要用对热绝缘性较好的材料进行包裹，同时，保冷箱的填充物也要选用一些对热传导比较惰性的材料。尤其要注意的是，材料一定不能选用碳钢，因为碳钢比较脆，承受较大压力时，可能会发生断裂，产生危险。
2.2杂质组分易产生问题
因为空气中还含有二氧化碳、水蒸气、灰尘等，尤其是二氧化碳和水蒸气凝固点较高，氧气还未液化时，它们就已经成为固态，会阻塞管道和阀门，等进行精馏时，液态氧无法分流出来，直接影响了装置的正常工作。
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2.3设备工艺标准高
利用深冷法制取氧气，温度跨度大，必须考虑设备的热胀冷缩应力和压力承受力，尤其是对于一些阀门、管道和接口处。一定要采用特殊的工艺进行连接和焊接，保证管路没有任何泄露。同时，做好安全保护，充分考虑到设备发生故障，压力急剧升高时的泄压措施，防止其爆炸。
2.4安全要求高
氧气不能燃烧，但是具有强烈的助燃性。设备上或周围一定不能有木材或者焦炭类物质。如果存在上述物质，被液氧浸润过，只要有外界火星或者被撞击，就会发生爆燃事故。对于制取设备的废气排放口，也不能随意安放，一定要遵守相关规定，不能对着厂房、人员或者有杂物堆放的位置。
三、深冷空气分离法在制氧系统中的应用
工业上对于氧气的使用一般是对空气进行分离措施，将其从中提取出来，这种方法被称为深冷液化分离法。首先是将作为原料的空气导进空气过滤器净化器之中，利用压缩机使压力达到0.5MPa，之后再导进空气分离装置最终产生氧气。这样，在通常的空气分离法制造氧气的场合，其产品氧气量只能与原料空气量成比例地进行生产。
（1）压缩空气净化组件。压缩空气净化组件主要的组成成份有高效除油器、冷冻式干燥机、精密过滤器及活动性过滤器。首先空气要在空气压缩机里进行压缩，再在空气缓冲罐中进行作业，然后经过高效除油器将大部分的杂质进行有效去除，杂质主要包括油、水及尘等，在水分进一步去除中可以采用冷冻式干燥机进行，再次进行去油、去尘时可以选用精密过滤器实施操作，最后选用活性炭过滤器进行更深层次地去油工作。（2）空气缓冲罐。空气缓冲罐组件主要的构成成份有空气缓冲罐与附属阀门仪表。空气缓冲罐在空气分离设备设计中起到的主要作用就是缓冲，对气流脉动起到有效降低。进而使系统压力波动得到降低，使压缩空气能够顺利在压缩空气净化组件中通过，最大限度地将尤、水等杂物进行有效排除。（3）氧氮分离系统。构成氧氮分离系统组件主要的成份有吸附塔、压紧装置、附属阀门与仪表电器。选用复合床结构设计中的吸附塔，主要分为两种塔：A塔与B塔，将进口碳分子筛填装进塔内（为提高碳分子筛装填的均匀性可以选用伸展扭转式振动填充方式进行操作）。清洁的压缩空气要先从A塔入口端在碳分子筛的作用下流向出口端，这个时候被其吸附的主要成分有氧气、二氧化碳及水，在吸附塔出口端流出的只有产品氮气。经过时间的不断推移，当A塔内的碳分子筛吸附达到饱和前将会出现自动吸附停止的现象，在B塔中流入清洁压缩空气在进行吸氧产氮，并进行A塔分子筛的再生。通过将吸附塔快速降低到常压脱附的氧气、二氧化碳就水来实现分子筛的再生。在进行A、B塔交替吸附塔再生时，不仅可以促使氧氮分离的完成，还可以不断产生氮气。
四、总结
随着社会经济的发展和能源需求的增加，需要有更多的氧气来支持。深冷法以其较为高效的制氧方法，已经得到了应用。但是，深冷法对于设备要求高，能源消耗较大，如要大规模推广应用，当前面临的问题和困难依旧比较多。如何克服这些难题，并且降低深冷法制氧的成本，还需要科研工作者的继续研究。
参考文献：
[1]王静，丁玉峰.深冷分离法加膜分离法的空气分离装置分析[J].化工设计通讯，2017（09）
[2]冯德兴，许剑波，梅应虎.空气分离设备清洁度控制工艺与检验方法[J].中国特种设备安全，2017（05）
论文作者:陈鹏光
论文发表刊物:《基层建设》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/8
标签：空气论文; 氧气论文; 精馏论文; 分离法论文; 分子筛论文; 氮气论文; 冷空气论文; 《基层建设》2017年第36期论文;