浅谈空气分离技术的发展与改进

浅谈空气分离技术的发展与改进

王梦抒

开封黄河空分集团有限公司河南开封475004

摘要：通过介绍空气分离工艺流程和它的特点展现分离技术这一制备高纯度气体的基础对如今的工业发展所起的重要作用，本文重点分析空气分离技术的发展，并且提出专门适应改善空气分离技术目前存在的不足之处的一些措施，旨在提高空气分离技术的水平，促进工业发展。

关键词：空气分离；工艺流程；技术；发展

如今，空气分离技术已经比较成熟，对工业的发展起到了举足轻重的推动作用。在我国的经济高速发展的背景下，冶金、石化、石油、化肥等行业有着持久恒定的发展，因此空气分离设备的需求量也在不断增大，大型空气分离设备产业迎来了空前的发展机遇，国内对大型空气分离设备的市场需求不断增多。空气分离设备从出现到现在已经经过多次重要的发展，也不断朝着大型化的方向前进，众多关键性的技术问题都得到解决从而发展到现今的成熟。本文介绍了空气分离技术的发展情况以及气体分离装置的发展。

1.低温法空气分离工艺流程简述

低温法分离空气设备是四大部分组成的，它们是：用压缩机压缩空气，净化（用分子筛吸附二氧化碳和水）。膨胀机膨胀通过节流伐送到下塔就成液空。用节流伐分抽取液空别送到上塔塔板经过热交换。

用不同物质进行空气分离有不同的效果，状态方程的选择能够在系统物性预测计算中起重要作用。我们一般会首先对纯物质进行研究以此来获得状态方程，这些状态方程有着自己的特征参数，可以用到纯物质P-V-T或是其他热力学计算中。当我们需要研究混合物性质，就可以用把混合物看作一个虚拟的纯物质，并有着自己的虚拟特征参数，然后把虚拟的特征参数代入纯物质状态方程里，就能够得知混合物的性质。

表1-1氮—氩、氮—氧、氩—氧二元体系的a0和a1值

低温空气分解法分离流程也能按照工作压力区分，这样可以分成高压流程、中压流程、低压流程。高压流程工作压力能够达到10.0-20.0MPa，制冷量取决于节流效应，因此不需要使用膨胀机，所以步骤简单，只能在小型制氧机或者液氮机中使用。中压流程工作压力一般处于1.0-5.0MPa，小型的空气分离装置单位冷损比较大，必须用大的单位制冷量来做一种平衡，因此必须有比较高的压力。这种情况下，制冷量就会主要取决于膨胀机，但也会与节流效应有很大联系。低压流程的工作压力则接近下塔压力，低压流程是现今应用最广的流程，这种装置单位能耗很低，所以它的的应用也比较广泛。

另外，按产品的压缩方式分类可以分成两类，它们分别是分离装置外压缩和装置内压缩。装置外压缩即单独设置产品气体压缩机，不会直接影响到装置的工作。[1]装置内压缩指的则是让泵压缩液态产品在复热、气化后再运出装置。由此看来，内压缩相对比较安全，然而它也存在一定的不足，装置的正常工作很大程度上会受到液体泵的影响。

表2-2主精馏塔下塔物料流股代号

2.空气分离装置低温管道设计要点

2.1低温管道材料

空气分离装置中的管道一般使用－196℃的超低温条件，因此管道在低温韧性、抗腐蚀功能、焊接功能等方面都有很大的优势，而如果管道在常温下安装，那么装置在低温下运行时，应该尽可能地让材料的线膨胀系数小些。现在国内的低温管道大多采用的是奥氏体不锈钢材料。另外，9%镍钢在国外的空气分离装置中使用广泛，因为它的综合性能比较好并且具有超低温功能，同时，它的线膨胀系数比不锈钢要低很多，因此它也很可能成为国内空气分离管道的主要材料。除此以外，还有一种材料也受关注，那就是奥氏体不锈钢，这种材料做成的管道壁太薄，所以强度和刚度不好。我们在选材时一定要结合管道壁厚的计算和管道支架的设置，防止震动带来严重后果。

2.2阀门的结构及安装

低温阀门和普通常温阀门在结构和功能上都存在很多不同。低温球阀、截止阀适合使用加长阀盖结构，因为这种结构能够防止填料被冻住进而损坏填料。而低温阀门通常采用阀杆垂直向上安装或中心垂直线30度向上安装的方式，从而避免低温介质同填料盖进行太长时间的接触。另外，在阀门闭合的时候，需要把一个泄压阀或安全阀装置安装在阀门的高压侧，这样做可以预防内部液体受热蒸发产生太大压力从而破坏阀门。除此以外，在进行阀门的安装时应该格外注意流向，确保流向无误。

2.3低温柔性

空气分离时冷箱内会发生很大的温度变化，就是从常温降到-196℃。在温度上的这种变化会使管道冷缩，因此在管道的设计中要充分考虑到冷热的补偿。用通过自然补偿或增加π型补偿弯来改变管道走向从而来达到低温管道上所有必需的柔性。还要对低温管道实行应力分析然后根据分析结果选取科学的管道走向从而减弱温度变化造成的收缩。除此外，对于大管径的低温管道，我们也应该考虑低温弯曲变形情况。

2.4保冷结构及材料选用

对管道进行隔热规划整体的保冷设计也是很重要的环节，这么做是为了避免空气分离装置管道外表凝露、减少吸热同时做好低温工作时的防冻。另外，导热系数能够在很大程度上衡量保冷性能，所以保冷结构要具有良好的绝热性才能够较好地保冷。如今冷箱里的保冷材料主要包括这几种:碳酸镁、玻璃棉、珠光砂和矿渣棉。其中珠光砂是主要的保冷材料，因为它比较轻，保冷性能好，价格相对较低并且流动性好，便于装填。[2]然而经常需要检修的局部隔箱则更适合装矿渣棉或玻璃棉。除了这些冷箱保温材料外现今国内外公司都比较认可的保冷材料有这几种:聚氨酯泡沫(PIR/PUR)、泡沫玻璃(FG)还有丁腈橡胶和二烯烃泡沫(LT+LTD)。这其中，前两种材料常常组合起来并用到硬质保冷体系中，后两种材料组合起来后能够用在柔性保冷体系中。对于低温管道支架保冷结构来说，不仅要保障保冷性还要满足机械强度和保护性的要求，一般情况下保冷结构由保冷层、防潮层和保护层构成，当保冷层厚度≥80mm时应该进行分层敷设。而在空气分离低温管道支架中常常采用的结构是卡箍式结构，这样不仅降低了施工难度，还为以后的维护提供了方便。

3.空气分离技术的实际运用

如今常用的空气分离技术是深冷法。深冷法全称深度冷冻空气分离法，又称为低温精馏法。此方法基本工作原理是先将空气压缩、冷却，并使空气液化，利用氧、氮组分的沸点的不同在精馏塔板上使气、液接触，进行质、热交换，高沸点的氧组分不断从蒸汽中冷凝成液体，低沸点的氮组分不断地转入蒸汽之中，使上升的蒸汽中含氮量不断地提高，而下流液体中氧量越来越高，从而使氧、氮分离，这就是空气精馏。此法无论是空气液化或是精馏，都是在120K以下的温度条件下进行的，故称为低温法空气分离。

深冷空分法制氧是一种传统的制氧方法，一般都用于大规模制氧，由于同时可以生产氮气，所以对于大规模的空分装置，其成本较低。在世界上大量生产的化工产品中氧气占第三位，主要由空气经深冷精馏的方法来生产。深冷分馏制氧法曾在国内外的制氧行业中占统治地位

4.空气分离技术的改进措施

4.1系统优化

为了优化空气分离技术系统，可以通过提高产品产量，提高设备效率，减少设备耗费的蒸汽、电能和循环水，从而使氧气生产的单位能耗得到降低。以后空气分离技术还会继续发展，包括提高压缩机效率、改进冷箱内物流循环、使用新型换热设备、新型分子筛等多个方面。

4.2节能优化

对空气分离技术的优化主要包括主换热器优化和调节换热器温差优化，尤其应该注意恰当地分配高低压换热器的气体流量，减少主换热系统热端温差，从而达到减少热交换不完全带来的冷损的效果。[3]另外，由于空压机消耗能量所占比例较高，所以为了优化节能功效，应该将空压机的排压设置适当降低。

5.结语

由上文所述，通过分析空气分离技术的发展并了解空气分离技术目前已有的应用，我们应该着力于改善空气分离技术装置，优化空气分离技术，使它得到更加广泛的应用，更好地推动工业发展。

参考文献：

[1]李永康.空气分离设备技术进展[J].深冷技术,2013:4-12.

[2]边守军.用于空气分离的吸附剂进展[J].黎明化工,2013,(2).

[3]汤学忠，顾福民.新编制氧工问答[M].北京：冶金工业出版社,2001.