空气分离技术及发展研究

(营口职业技术学院，辽宁营口115000)

空气分离就是利用相关设备及技术，把空气中的氧气、氮气及稀有气体等分离出来，从而满足冶金、煤化工、石油化工、航空、国防等各行各业的需求，工业用气是工业发展的“血液”，因此，空气分离这个行业在经济发展中具有举足轻重的地位。

1 空气分离技术的分类

1.1 膜分离法空气分离技术是根据气体中各关键组分在一定压力的推动下通过膜的速率不一样，从而达到不同组分分离的目的。

1.2 变压吸附（PSA）法是利用分子筛对不同气体分子“吸附”性能的差异而将气体混合物分开[1]。它是以最低价的空气为原材料，利用一种高选择性的固体吸附剂，把空气中的氮气和氧气分离出来。这种分离方法多应用在中小规模的空分领域。

1.3 深冷分离空气是将空气液化后，再利用氧、氮的沸点不同将它们分离。即，造成气、液浓度的差异这一性质，来分离空气的一种方法[2]。

2 深冷分离的发展历程[1,2]

1903年，德国卡尔·林德博士采用“高压节流循环”试制成功世界上第一台10m3/h单级精馏的制氧机。1905年试制成功320m3/h双级精馏的制氧机:1930年，林德首创用冻结法清除空气中的水分和二氧化碳。1960年，法液空通过管道输送气体给用户。20世纪70年代，日本神钢采用电子计算机控制的3万m3/h空分设备。20世纪末，林德公司制氩装置采用规整填料塔，全精馏制氩技术。目前国内已投运的最大空分装置集群是神华集团宁东400万t/a煤液化项目所配套的12套10万m3/h空分装置。世界上投运最大制氮站墨西哥坎塔雷尔，制氮量高达134万m3/h[3]。

建国初期我国的工业发展处于起步阶段，空分设备只有八十余套进口，总容量也很低，随着经济的飞速发展，杭氧和法液空组建合资公司，2017年，由杭氧生产的首套国产10万等级特大型空分在神华宁东煤化工项目基地开车成功，为目前为止国产在生产的最大的空分设备，目前世界上运行最大的空分设备是由杭氧生产在伊朗运行的12万m3/h的空分设备。

3 深冷法空气分离原理及流程

3.1 分离原理

空气是多组分气体，空气中的氮气与氧气均匀地混在一起，在常温下要使它们分离是很困难的。首要条件是要将空气液化，空气一般均以气体状态存在，要使空气液化必须将空气降到-141℃以下才有可能。

在标准大气压下，氧、氮、氩的沸点分别是-183℃、-196℃和-186℃，氧和氮的沸点相差约13℃，氩和氮的沸点相差约10℃，它们之间的沸点差使通过低温液化，然后精馏把它们分离成为可能[4]。所以制氧的基本原理就是利用低温精馏法，将空气冷凝成液体，按各组分蒸发温度的不同将空气分离。同时氧、氮、氩无论是在气态还是液态都能以任何比例均匀的混合在一起。因此，采用在一定的压力下多次的部分蒸发和多次的部分冷凝的方法实现氧气、氮气、氩气的分离。

3.2 分离流程（见图1）

图1 分离流程

3.2.1 原料空气压缩

利用压缩机将空气压缩到工艺要求的压力并送至下一工序，压缩机前设置自洁式空气过滤器，清除掉空气中的杂质，且该过滤器能够实现滤筒的自清洁。

3.2.2 空气预冷和纯化系统

空气自原料空压机出来后送入冷却塔进入冷却阶段。空气冷却塔的下段常用循环水,而上段则使用经氮水塔冷却后的低温水。

空气经冷却后，温度降至生产要求温度下，进入分子筛吸附器，空气中残留的水蒸气、二氧化碳和部分碳氢化合物被吸附。分子筛吸附器有工作和再生两只，可以相互切换使用。

分子筛系统是空分装置的关键单元之一，随空气进入空压机，继而进入空分设备是非常有害的。故必须利用分子筛纯化器将水分和二氧化碳清除掉。

3.2.3 制冷、换热和精馏

空气经净化后，由于分子筛的吸附热，温度升高，然后分三路：一路空气被抽出作为仪表空气；一路空气直接进入主换热器，在主换热器E1中与返流气体（纯氧、纯氮、污氮）换热达到接近空气液化温度后出主换热器冷端并分为两股，一股直接进入下塔，另一股去液氧蒸发器蒸发液氧，液化后的液空分两股，一股节流进入下塔，另一股通过过冷器进入上塔[5]；另一路空气去增压机增压后进入主换热器，在主换热器内被返流冷气体冷却至一定温度时抽出进入膨胀机膨胀冷却，膨胀后的空气送入上塔。

产品氧气从上塔下部引出，经过冷器及主换热器，回收冷量后，出冷箱，送至氧气压缩机。液氧从上塔底部引出，在液氧自增压器中自增压并气化后得到低压氧气，经主换热器复热后出冷箱进入用户管网。进入贮槽的液氧产品从液氧自增压器底部引出，部分经过冷器过冷后送往液氧贮槽。生产液氧还有一个主要作用就是连续排出液氧，防止液氧中碳氢化合物和乙炔浓缩超标。

污氮气从上塔上部引出，经过冷器及主换热器复热后出冷箱，部分作为分子筛吸附器的再生气体，部分进入水冷塔冷却空冷塔的上部用水。

纯氮气从上塔顶部引出，经过冷器及主换热器，回收冷量后，出冷箱，送至氮气压缩机。

3.2.4 产品气压缩外送系统

该系统主要包括氧气压缩机、氮气压缩机、氧气球罐、氮气球罐以及产品气调压输配系统组成。氧气、氮气自冷箱出来后分别通过氧气压缩机、氮气压缩机升压进入氧气球罐、氮气球罐。氩气经过液氩泵加压并复热后进去氩气缓冲罐。

4 空分技术在各行业及营口地区的应用

4.1 冶金工业

4.1.1 在炼钢过程中高纯氧可以与碳、磷、硫、硅等物质发生氧化反应，这不但可以降低钢的含碳量，还有利于清除磷、硫、硅等杂质。生产过程中吹氧发生氧化反应产生的热量可提供炼钢所需的能量缩短生产时间，提高生产效率。

4.1.2 高炉炼铁时，提高鼓风中的氧浓度可以提高产量降低结焦率。

4.1.3 在有色金属冶炼中，采用富氧也可以提高产率。

4.2 化学工业

氧气主要用于原料气的氧化，例如：重油的高温裂化，以及煤化工（甲醇、稀炔等）造气用氧，可深化工艺过程，化肥生产、合成氨造气用氧，可以提高化肥产量。此外氧气在金属切割及焊接等方面也有着广泛的用途。氮气是合成氨、制硝酸的重要原料。氮气的化学性质很不活泼，所以它常被用作保护气。

4.3 国防工业与医疗保健方面

液氧是现代火箭最好的助燃剂。

氧气可维持正常生命活动，用于氧含量不规律环境，例如：潜水作业、登山运动、医疗救助等。液氮在医学上常用作手术冷冻剂等，在高科技领域用于制造低温环境。

营口钢铁有限公司采用的是杭氧设计生产的2套2万m/h（氧）的制氧装置，五矿营口中板有限公司是由盈德气体投资并运营的气体公司供应氧气、氮气、氩气，共有2套6万m/h的制氧装置。鞍钢鲅鱼圈钢铁分公司采用的是杭氧设计生产的2套2万m/h（氧）的制氧装置。中冶京诚1.2万m/h的制氧装置。