开封市鑫联空分设备有限公司 河南省开封市 475000
摘要：自然界里的氧占地壳总成份的48.6%，氧气是生态系统中最重要的气体之一。随着我国各个行业的快速发展，我国对氧气、氮气以及稀有气体的需求快速增加，虽然以现在的科技发现，我们用来提取氧气等气体的方法有很多种，但是目前应用最多的方法为深冷空气分离法，并且随着技术的不断改进，深冷空气分离在每标方气体提取所需要的能耗也一直在降低。基于此，本文主要对深冷空气分离法在制氧系统中的应用进行分析探讨。
关键词：深冷空气分离法；制氧系统；应用分析
前言
深冷空气分离法制氧是指空气在低温液化下精馏，将空气分离成氧和氮，他的应用是基于在同一压力下，不同的物质他们的沸点不同的原理，同理在液态空气中的氧、氮在同一压力下他们的沸点也是不一样的。（大气压力下，氧、氮的沸点分别为-183度、-196度，所以在压力相同的情况下，氧和氮的沸点差距为13度），因此先将空气进行液化，然后通过设备逐渐蒸发。那么，沸点较低的液氮将变成气体，而相对沸点高的液氧则为液体，从而将氧氮分离，获取我们所需的氧氮产品，这种方法就是深冷空气分离法。
1、深冷空气分离法概述
空气分离的方法一般有变压吸附、膜分离、深度冷冻等方法，其中深度冷冻法简称深冷法。深冷分离法又称低温精馏法，是以自然界中取之不尽，用之不歇的空气为原料，经过过滤、去机械杂质、进压缩机压缩获得整个流路的动力、空气进入空冷塔降温、达到设定温度的空气进入吸附器处理水和二氧化碳等，进而最终干净空气进入分馏塔内，利用液态气体沸点不同的特性，通过精馏，使各种气体分离从而获得氮气、氧气和稀有气体。分馏塔是整套工艺系统的核心部位，他的工作原理是先制冷，再精馏。首先制冷是通过膨胀机来获取整套分馏塔系统内的冷量，膨胀机的制冷原理就是绝热膨胀，由于空分获取的产品中有液氧、液氮、液化的稀有气体，还有分馏塔与周围空气的换热等都会造成系统的冷损，所以膨胀机要不停的向系统提供冷量，维持系统的冷态平衡状态。精馏是整套工艺流程的最后一步，也是能否获得所需纯度的氧氮的关键一步，精馏原理已在上面讲过，它的工作流路就是空气进下塔与冷凝蒸发器回流下来的液氮进行接触式的换热，从而下塔底部获得一定纯度的富氧液空，顶部获得纯氮，富氧液空在上塔进一步精馏，从而在上塔底部获得所需纯度的氧气，上塔顶部获得氮气。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
2、深冷空气分离法在制氧系统中的应用
2.1应用路径
在制氧系统的深冷空气分离法应用中，应用流程可描述为：“将空气吸入自洁式空气过滤器除去机械杂质→空气压缩机把空气压力压缩到0.5MPa→空冷塔把空压机排放的高温空气降低到10℃→分子筛吸附器吸附空气中的水、二氧化碳等碳氢化合物→空气导入分馏塔系统进行蒸馏分离→氧气、氮气”，这里的分馏塔系统一般由透平膨胀机、热交换器、过冷器、上塔下塔、冷凝蒸发器等组成，，为了保证分离效率，下塔采用筛板塔，上塔塔采用填料塔。由于筛板塔自身特点限制，分馏塔的负荷调节特性比较小，一般调节范围在75%～105%之间。为实现更好的负荷调节，对于下塔也可采用填料塔，来提高装置的操作弹性。
2.2实践应用
2.2.1制氧系统工艺流程
为提升研究的实践价值，本文选择了延安（彩虹）新能源有限公司采用深冷空气分离法的制氧系统作为研究对象，该系统由空气过滤压缩系统、空气预冷系统、分子筛纯化系统、分馏塔系统、液体贮存及汽化系统、仪控系统、电控系统等组成，具体的工艺流程如下所示：①空气过滤压缩系统，一般采用自洁式空气过滤器进行空气的过滤，空气在经过自洁式过滤器的滤网时，空气中的灰尘和颗粒状机械杂质均被过滤出去，过滤后的空气被吸入多级空压机进行压缩，然后送出0.5MP的高温空气②空气预冷系统，空气自下而上流过空冷塔，在空冷塔中先后和由常温泵、冷冻泵送过来的常温水、冷冻水进行热量交换，把高温空气降低到10℃，并且在换热的过程中空气被进一步清洗，剩余杂质再次被去除。③纯化系统，由于水和二氧化碳的固化温度高于设备的操温度，容易造成设备的堵塞，所以用吸附剂在空气进分馏塔之前去除掉，纯化系统由两台吸附器、两台电加热器和若该阀门组成，当一台吸附器吸附饱和后，切换到另外一台工作，饱和的吸附器则被从电加热器出来的高温低压在生气进行再生，一般4个小时一个周期。④空气精馏，在经过分子筛吸附器的吸附后，纯化空气将被分为两部分，其中一部分将经过主换热器冷却后送入下塔，另一部分进入透平膨胀机的增压端增压到0.7MPa，然后进入增压机后冷却器通过冷冻泵送过来的冷冻水进行冷却，随后进入分馏塔主换热器冷却后，经过透平膨胀机的膨胀端进行绝热膨胀，为整套分馏塔系统提供冷量，膨胀后的空气进入上塔，在上塔进行精馏。进入下塔的空气会与冷凝蒸发器回流的液氮发生热交换，下塔顶部会得到氮气，底部则会形成富氧液空，下塔顶部的冷凝蒸发器把下塔顶部的氮气冷凝，相反上塔底部液氧则会在这一环节逐渐蒸发。其中下塔的回流液一部分经过冷器送往上塔参与精馏，其余的纯液氮则会通过过冷器作为产品送出，在上塔顶部得到纯氮气通过主换热器与进入分馏塔的空气进行热交换后，作为产品氮气送出。上塔底部将产生液氧，由此抽出液氧并使用液氧泵加压送入液氧蒸发器，与增压机送进的高压空气换热，空气液化进下塔进行精馏，液氧蒸发通过主换热器复热后，作为产品氧气送出。
2.2.2制氧系统特点
结合延安（彩虹）新能源有限公司制氧系统工艺流程不难发现，该系统流程具备安全性高、低能耗、操作维护方便等特点，组成系统的机组设备则具备以下几方面特点：①自洁式空气过滤器，由于空气不断的通过该过滤器进入空压机，会造成过滤器的阻力增大，空压机的吸气能力变弱，所以通过从吸附器后的空气主管道上引来一部分空气，作为反吹气，把过滤器中的杂质去除，通过空气过滤器的阻力值来控制反吹时间。②预冷系统，空冷塔采用了散装填料，这样水和空气就可以直接接触，这样不仅可以把空气的机械杂质洗涤出去，空冷塔的阻力值还小，降低能耗损失。③纯化系统，采用的是分子筛单层床结构分子筛吸附器，吸附器的再生阻力也将大大降低，再生能耗也因此得以大大节省，并且不需要进行特殊再生。此外为了防止开启时对吸附器的床层造成冲击，应通过充压阀门缓慢充压，达到与空冷塔压力时再打开切换阀，在设备稳定运行时则通过均压阀和泄压阀来控制吸附器的压力。④分馏塔系统，由于操作温度低，在设备运行时污氮气应不断的向冷箱内充气，通过冷箱安全阀放出，保证冷箱的微正压，防止外部的潮湿空气进入冷箱内，造成冷箱结冰。⑤控制系统。采用DCS集散型控制系统，同时选用了国际先进的在线分析仪、调节阀等测控组件，不仅可以实时掌握产品气的纯度、分馏塔内液氧中的碳氢化合物的含量，操作还很方便、安全。
2.2.3制氧系统设计原则
为确保深冷空气分离法产生更好的质量，延安（彩虹）新能源有限公司在此逃空分项目上投入了很大的精力，对设备的安装提出了严格的要求，同设计单位及安装装单位细化了设备的布局。特别是冷箱内配管则需要关注管道的焊接质量、配管顺序、各管间最小距离，如冷箱内管道、设备与冷箱壁之间的距离不应小于300mm；液体阀门安装时阀门要相应的向下倾斜，防止液体冻着阀门的保温填料。对于空气管道也进行保温保冷，确保冷损较小，氧气管道做脱脂处理，液体管道进行探伤，防止焊缝不合格，造成漏液引发安全隐患。
3、结语
综上所述，在我国经济快速发展、能源需求量快速增加的情况下，我们对氧气也越来越重视，对氧气的产量要求也越来越高。由于技术的不断创新，新的制氧技术也在不断出现，并在实践中得到应用，但是深冷法仍然是大规模制氧的主要方法。
参考文献
[1]常力鹏，赵永刚.深冷空气分离法在制氧系统中的应用[J].黑龙江科技信息，2012，02：1
[2]李晓黎，亢万忠.大型空分装置在煤化工中的应用与发展[J].化肥工业，2011，05：8~11.
论文作者:姬起亮
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年6期
论文发表时间:2019/7/12
标签：空气论文; 分馏塔论文; 分离法论文; 系统论文; 精馏论文; 冷空气论文; 液氧论文; 《建筑学研究前沿》2019年6期论文;