制氧系统中深冷空气分离技术的运用研究

【摘要】 作为自然界中用途最多分布最广的气体之一，氧有着十分重要的意义。随着国民经济的飞跃发展和技术进步，工业上对氧的需求也在日益增加，其应用领域不断扩大。作为一种无色无味的气体，它的化学性质却十分的活跃，非常容易就会和不同的物质生成化合物。而且由于氧气本身不燃烧、却有强烈助燃性这一特性，因而广泛地支用在转炉、炼钢和高炉熔炼中。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

1 引言

工业上制氧的方法主要有两种，一是较为先进的变压吸附法；二是传统的深冷法。深冷空气分离法制氧是指在100K以下的温度情况下，把空气分解成为氧、氮两种气体，这一过程较为复杂。因为在相同的压力下组成液态空气的液氧和液氮在的沸点不同。一般情况下氧的沸点为零下183摄氏度，氮则为零下196摄氏度）这就使得空气最先液化，而后才被蒸发。由于沸点低的组会最先被分离成气体，而沸点高的成分则依然是液体状态，通过这一方法可以使得液体中氧的浓度得到提升，而气体中的氮成分则会增加从而使得这两种气体得到分离，这种制氧气的方法被称为深冷制氧法。

2 深冷空气分离法

2.1 原 理

利用氧、氮组成的沸点的不同，通过对于空气的压缩、冷却从而使之达到液化的效果，精馏塔板为气体和液体提供相容的平台，是质、热进行交换，那么氧的组分就会接连地传进蒸气中并且凝固成为液体，而氮组分则会进入蒸气之中，从而促进上升的蒸气中氮的含量，而下流液体中氧的含量则不断增加，这一分离方法就是空气精馏，也可以被称为低温法空气分离。深冷制氧法在一定的设备中（精馏塔），通过精馏过程，使氧、氮分离，此法在大型空分装置中最为经济。具有生产量大以及生产纯度很高等优势。

2.2 工艺组成

（1）空气压缩系统：即离心式空压机、为空分装置提供原料空气。

（2）空气的净化体系：作为深冷制氧的基本原材料是空气，而这一原料又是无穷无尽的，因此可以从中无限提取氧气。空气是一种混合气体，它的成分中含有许多种气体元素，而这之中氧气和氮气又占有很大的比例，位列他们之后的就是含量0.93%的氩元素。除了这些气体元素之外，存在于空气中的其他成分还有灰尘、二氧化碳、水、沉浮颗粒、乙炔等杂质，这些都在很大程度上大大加快了机器在操作过程中对于工作轮的损坏程度，增加了污染冷却器的阻力；在低温的情况之下，水和氧化碳会出现固体的形态，这就造成了通道被堵塞，而管路、容器、阀门、阻力增加、换热效率降低，精馏恶化。

（3）氮水予冷系统：为了减少换热器的负荷能力，需要对进装置空气的温度进行相应的降低措施。

（4）换热系统：为了使得空气能够液化、最终达到分离、同时保持空气装置的冷量平衡，它是一种不可或缺的设备。一般情况下有：中间冷却器、液化器、过冷器、上下塔和主凝蒸发器。

（5）胀制冷系统这一设备的主要目的是为了保持装置的冷量平衡。

（6）精馏系统作为为了达到空气分离的关键性设备。下塔是原料空气的初精馏；上塔则是原料液空的再精馏；主冷是联接上下塔实现液液氧蒸发、气氮冷凝。

（7）再生加热系统主要是使用在对于设备的加热和再生环节。

（8）产品压缩输送能够为用户提供使用。

（9）参与精馏是在空分装置中，为了制取冷量和补偿冷损，设置了膨胀机制冷系统。产品氧氮经住换热器复热后送往用户。污氮气一部分经再生加热系统加热后再生分子筛纯化器，大部分去氮水予冷系统的水冷却塔、冷却冷却水。

2.3 能 耗

制氧机的主要消耗品是电能，而所产的物质是氧气。看就制氧机是否具有经济性，可以通过生产每1立方米氧气需要消耗的千瓦时电能够体现出制氧机的能耗。而全低压流程通常是被大型或者是特大型的空分装置所使用，所耗能量较少；反之，带膨胀的中压和高压流程通常情况下则被中、小型空分设备所使用，能量消耗较高。

2.4 特点及安全性

（1）最为常见的空气中沸点较高的杂质有水、二氧化碳等，需要在常温的情况下提前进行清除，这样能够避免设备内的通道堵塞，提高工作效率。

（2）液态的氧由于长期弱放电的原因会成为深蓝色的液体，被称为臭氧，它极易产生爆炸。

（3）针对制造低温设备的原材料，最关键的要求就是需要这一材料在低温的情况之下拥有很大的强度和韧性，加之优质的焊接、加工性能。

⑷由于空气中含有易爆物质乙炔和碳氢化合物，它们一旦进到空分塔内，并且达到相应的温度那么就可能会发生会强的烈爆炸事故，从而导致危险事故发生。这就表示在操作时需要设置净化设备从而及时清理这些物质。

⑸在存储低温液体的容器之中，在外部的热量导入其中之时将会有一些低温液体因为受热而成为气体，从而导致压力的上升，为了防止这一情况的出现，需要进行安装可靠的安全设备。

⑹低温液体漏入基础，会造成基础的冻裂，设备可能出现倾斜状况，这种情况下必须要保证设备、管道和阀门这三方的密闭程度，同时也不能忽略热胀冷缩情况下所出现的应力和变形现象。

（7）由于低温液体对于碳素钢版形成长时间的冲击，这就会造成钢板的易断裂，考虑到这一情况，需要避免使用碳素钢材质来作为排放低温液体的管道和排放槽的组成成份。

⑼氮气和氩气属于窒息性气体，因此其液体的排放管需要牵引到室外。

⑽作为一种强烈的助燃剂，氧气的排放管不可以直接的在不通风的厂房内排放。

3 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。这一分离方法的具体流程如图l所示。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2的压缩机使压力达到0.5MPa，之后再导进3中的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。

而图2则是对于变压吸附制取氧气的示例。在图2中，使用压缩机4将作为原料的空气压缩到接近0.5MPa，之后再导入由吸附塔等成分所组成的变压吸附分离装置，从而制成产品氧气，但是这一方法虽然便捷但是产量却受到限制。

4 单体设备作用及作用原理：

（1）空压机：即离心式压缩机 ，主要是通过工作轮高速旋转而产生的离心力使得压力升高，从而不间断地为空分装置提供具有一定压力的原料空气。

（2）空气过滤器：滤除原料空气中的灰尘和机械颗粒及杂质。

（3）氮水予冷器：由空冷塔和水冷塔组成，安装在空分塔外，回收返流污氮冷量的换热设备。

（4）主换热气：主要用以正返流气体进行热量交换。

（5）纯化器：即分子筛吸附器，两个交替使用。一个工作的同时，另一个加热再生。 其作用：用分子筛吸附剂，吸附清除原料空气中的水、氧化碳、C2H2及怪类碳氢化合物。 其原理：利用吸附剂较高的选择吸附的性能和低稳吸附。高温解析的物性、使吸附质浓雾在吸取附剂表面，加温再生时，再将其清除。

（6） 下塔：它是原料空气的初精馏设备。一般为35块环流式筛孔塔板。其原理：空气为精馏的上升蒸汽。顶部气氮被主冷冷凝后一部份作为上塔器流液，一部分经过冷器过冷节流后送往上塔，作为上塔器流液，精馏分离后获得38%左右的富氧液空。

（7）上塔：它是是原料液空的再精流设备。一般为75块筛孔塔板。其原理：上升蒸汽为主冷蒸发的气氧和膨胀后吹入的空气。作为上升气体，下塔送上的纯液氮和污液氮作为器流液。精流后获得纯氧、氮产品。

（8）膨胀机：使压缩膨胀，输出外功（对外作功）产生冷量的机器称膨胀机。压缩气体在膨胀机内绝热膨胀，对外输出功，制取维持空分装置正常就需冷量。其原理：由于压缩气体在膨胀机内绝热膨胀与外界没有任何能量交换。气体膨胀，克服分子引力。消耗分子功能、降低气体温度；同时膨胀机高速运转，对外输出功。大量消耗气体能量、进一步减少分子功能。因而使气体温度大幅度降低，产生冷量。

（9）氧压机：将空分装置生产的产品氧气压缩到一定压力送往用户。

5 结束语

根据上文诉述可以看出深冷空气分离技术制取氧气的方法依然存在手工调节多，操作复杂，劳动强度大，启动耗时长、安装及所用材质均需符合压力容器或低温容器国标，要求严格，费用高等许多缺点，只有在制氧过程中不断地改进，才能促进其制氧效率，从而取得进一步的发展。

【参考文献】

[1]陈正南.变压吸附法空气干燥装置的设计计算[J].医药工程设计，1982（1）.