空气分离技术——深度冷度液 化技术

第一节概述一、空气分离的方法和原理空分的含义：简单说就是利用物理或者化学方法将将空气混合物 各组进行分开，获得高纯氧气和高纯氮气以及一些稀有气体的过 程。 空分分离的方法和原理： 空气中的主要成分是氧和氮，它们分别以分子状态存在，均 匀地混合在一起，通常要将它们分离出来比较困难，目前工业上 主要有3种实现空气分离方法。 1)深冷法(也称低温法):先将混合物空气通过压缩、膨胀和降 温，直至空气液化，然后利用氧、氮汽化温度(沸点)的不同 (在标准大气压下，氧的沸点为﹣183℃;氮的沸点为﹣19 6 ℃,沸点低的氮相对于氧要容易汽化这个特性，在精馏塔内 让温度较高的蒸气与温度较低的液体不断相互接触，低沸点组分 氮较多的蒸发，高沸点组分氧较多的冷凝的原理，使上升蒸气氮 含量不断提高，下流液体中的氧含量不断增大，从而实现氧、氮 的分离。要将空气液化，需将空气冷却到﹣173 ℃以下的温 度，这种制冷叫深度冷冻(深冷);而

空气分离的方法和原理利用沸点差将液态空气分离为氧、氮、氩的过程称之为精馏过程。 深冷与精馏的组合是目前工业上应用最广泛的空气分离方法； 2)吸附法：利用多孔性物质分子筛对不同的气体分子具有选择性咐 附的特点，对气体分子不同组分有选择性的进行吸附，达到单高纯 度的产品。吸附法分离空气流程简章，操作方便运行成本较低，但 不能获得高纯度的的双高产品。 3)膜分离法：利用一些有机聚合膜的潜在选择性，当空气通过薄膜 或中空纤维膜时，氧气穿过膜的速度比氮快的多的特点，实现氧、 氮的分离。这种分离方法得到的产品纯度不高，规模也较小，目前 只适用于生产富氧产品。

二、空气的组成组 分分子 式体积 含量

氧O2

氮N2

氩Ar

氖Ne

氦He

氪Kr

氙Xe

二氧 其 化碳 它CO2

20.93

78.03

0.932

1.5~ 1.8 × 10-3 1.2 ×10-3 0 .9

4.6~5.3 × 10-4 7 × 10-3 0.17 8

1.08 × 10-4 3 × 10-4 3.74 3

8 × 10-6 4 × 10-5 5.89 6

0.03

氮氧 化物 水

重量 含量气体 密度

23.1

75.6

1.286

0.046

1.429

1.250

1.734

1.97 7

沸点

- 182.9 7

- 195.7 9

- 185.8 6

- 246.08

- 268.938

- 153.4

- 108.11

- 78.44 (升)

空气的组成氧、氮、氩和其他物质一样，具有气、液和固三态。在常温常压 下它们呈气态。在标准大气压下，氧被冷凝至-183℃,氮被冷 凝至-196℃,氩被冷凝至-186℃即会变为液态，氧和氮的 沸点相差13 ℃,氩和氮的沸点相差10 ℃,空气的分离就是 充分利用其沸点

的不同来将其进行分离。 空气中除氧、氮和氩外，还有氖、氦、氪、氙等稀有气体，这些 稀有气体广泛应用在国防、科研及工业上，稀有气体的提取也直 接关系到空分装臵氧气的提取率和生产运行能耗。目前大型的空 分装臵都普遍带无氢制氩工艺。

我国空分流程的技术发展空分设备是由诸多配套部机组成的成套设备，我国空分于1953年 起步，经过50多年的发展，从第一代小型空分流程发展到目前 的第六代大型全精馏无氢制氩工艺流程。每一次空分设备流程的 变革和推进，都是新技术、新工艺的创新。透平膨胀机的产生， 实现了大型空分设备全低压流程；高效板翅式换热器的出现，使 切换板翅式流程取代了石头蓄冷器、可逆式换热器流程，使装臵 冷量回收效率更高；增压透平膨胀机的出现极大的提高了膨胀机 的制冷效率并把输出的外功有利的得到回收；常温分子筛净化流 程替代了切换式换热器，使空分装臵净化系统的安全性、稳定性 得到极大提高 并使能耗大大降低，随着规整填料和低温液体泵 在空分装臵中的应用，进一步降低了空分设备的能耗，实现了全 精馏无氢制氩，使空分设备在高效、节能、安全等

我国空分流程的技术发展方面取得了进步。随着计算机的广泛应用，空分装臵的自动控制、 变负荷跟踪调节等变得更为先进。 第一代：高低压循环，氮气透平膨胀，吸收法除杂质；第二代：石头蓄冷器，空气透平膨胀低压循环； 第三代：可逆式换热器； 第四代：分子筛纯化； 第五代：规整填料，增压透平膨胀机的低压循环； 第六代：内压缩流程，规整填料，全精馏无氢制氩。

三、空气分离的基本过程从原理上划分空气分离包括下列过程：1空气的过滤和压缩 2空气中水分和二氧化碳等杂质的去除 3空气冷却和液化 4冷量的制取

5精馏6危险杂质的去除

三、空分装置类型

跟据冷冻循环压力的大小,空分装置分为 高压(7~⒛MPa)、中压(⒈5~2.5MPa)和 低压(小于1MPa)三种基本类型。

四、氧、氮的应用

1.氧的应用A工业应用， B医疗保健

2.氮的应用 氮气主要用于生产合成氨,另外还广泛地用于化 工、冶金、原子能、电子(石油、玻璃、食品 等工业部门作保护气。 液氮可用于国防工业,作为火箭燃料的压送剂和 作宇宙航行导弹的冷却装置。此外,液氮还广泛 地用于科研部门作低温冷源,以及用于金属的低 温处理、生物保存、冷冻法医疗和食品冷藏等。

第二节 空气的净化

空气净化的目的是脱除空气中所含的机 械杂质、水分、二氧化碳、烃类化

合物 (主要为乙炔)等杂质,以保证空分装置顺 利进行和长期安全运转。这些杂质在空 气中的一般含量见表⒈3。

一、机械杂质的脱除

机械杂质一般用设置在空气压缩机入口 管道上的空气过滤器脱除。 常用的空气过滤器分湿式和干式两类。 湿式包括拉西环式和油浸式;干式包括袋 式、干带式和自洁式

1.拉西环式过滤器 拉西环式过滤器由钢制外壳和装有拉西环的插 人盒构成见图⒈1,拉西环上涂有低凝固点的过 滤油。空气通过时,灰尘等机械杂质便附着在拉 西环的过滤油上,拉西环式过滤器通常适用于小 型空分装置。

2.油浸式过滤器 油浸式过滤器由许多片状链组成, 链借链轮的作用以2mm/min的速 度移动或间歇移动(见图⒈2)。片 状链上有钢架,钢架悬挂在链的活 动接头上,架上铺有孔为1mm2的细 网。 空气通过网架时,将所含灰尘留在 网上的油膜中。随着链的回转,附 着的灰尘通过油槽时被洗掉,并重 被覆盖一层新的油膜。油浸式过滤 器的效率一般为93%~99%

3.袋式过滤器 袋式过滤器一般由滤 袋、清灰装置、清灰 控制装置等组成(见图 ⒈3)。滤袋是过滤除 尘的主体,它由滤布和 固定框架组成