深冷空气分离法在制氧系统中的应用

马倩（山东华鲁恒升化工股份有限公司，山东 德州 253000）

0 引言

在当前社会经济水平不断提升的情况之下，各行各业得到了飞速发展，冶炼产业、石油化工产业、机械制造产业、航空航天、造纸以及污染物处理和富氧助燃等相关产业，对于氧气的需求量也在不断提升，极大地推动了制氧系统的研究和发展，深冷空气分离法基于其自身制备纯度较高、生产规模较大等优势在制氧系统当中得到了良好应用。为提升深冷空气分离法的作用效果，加强对于该技术在制氧系统当中的应用研究是十分有必要的。

1 深冷空气分离法

1.1 原理和优缺点

深冷空气分离法实际上是通过简单的机械方法，以自然空气为原料，通过压缩、净化以及热交换等一系列措施，将空气液化成为液空，然后在根据液氧和液氮二者沸点差异，经过精馏之后，实现气体分离，以此获得氧气、氮气以及稀有气体，是当前常用的气体生产技术。基于深冷空气分离法操作原理，该方法也被称为低温精馏法。

深冷空气分离法的主要优势表现为氧气制备的纯度高达99%以上，而且生产规模相对较大，多用于大规模气体分离工程当中，当前我国制氧量的80%是使用深冷空气分离法完成的。但与此同时，该技术措施对于制氧条件也有一定要求，相应系统设备复杂程度较高，维修难度较大，而且基础设施设备投资成本较高，实际压缩、冷却过程中，需要消耗大量的能源，同时对于安全操作技术要求也十分严格[1]。

1.2 工艺流程

第一，空气压缩、净化。需要先将空气经过空气过滤器，清除其中的灰尘和杂质，然后运输至离心式空气压缩机当中，压缩到所需压力，再将其送入到空气冷却器当中，降低空气温度，然后通过空气干燥净化器，将其中的水分、二氧化碳以及其他碳氢混合物等清除干净。空气当中虽然是以氧气和氮气为主的，但还包括微量稀有气体、水分以及二氧化碳等其他物质，而且其中存在的灰尘和颗粒等，还会增加设备磨损、降低换热效率，甚至堵塞管道、阀门等，影响精馏效率，因此，空气净化是应用深冷空气分离法的重要步骤和环节。

第二，空气分离。将净化后的空气送入到空分塔当中，经过冷却系统，降低装置中空气温度，以此减少后续换热过程中系统负荷，然后将冷却后的气体送入换热系统，进行空气的液化、分离，并维持好空气装置的冷量平衡。最后，将液化空气送入精馏系统，进行氧气制备。精馏系统主要包括上塔、下塔以及主冷三个部分，其中下塔主要负责原料空气初精馏，上塔负责富氧液空再精馏，而主冷则是连接上下塔完成液氧蒸发、气氮冷凝的部分。

2 深冷空气分离法在制氧系统中的应用要点

2.1 深冷空气分离制氧系统要求

氧气作为无色无味的气体，在空气当中的占比约为21%左右，熔点为-218.4 ℃，沸点为-183 ℃。在利用深冷空气分离法进行制氧的过程中，需要对空气进行液化处理，然后在根据氮氧沸点差异，进行分离，涉及的工艺多、复杂程度高，这也使得在制氧系统当中应用深冷空气分离法时，存在以下突出特点。

2.1.1 设备材料要求高

在实际进行深冷空气制氧的过程中，需要经历空气液化处理这一过程，而此环节中空气体积压缩处理以及热交换是十分重要的，对于相应设备材料也有着较高的要求。一方面，需要低温设备具备良好的耐压性能，能够满足空气压缩要求，同时，应确保设备材料焊接质量良好，因此多选用合金材料；另一方面，为保障空气液化效果，要求设备材料具有良好的保冷、隔热性能，因此，保冷箱当中填充物多选择具有良好隔热性能的传导材料，但应避免选用脆性较大碳钢，以免压力过大，出现断裂情况。

2.1.2 杂质容易出问题

空气中不仅包括氧气和氮气，同时还含有灰尘、机械颗粒、二氧化碳以及水蒸气等物质，灰尘以及机械颗粒若混入制氧系统当中，会加剧设备磨损，增加冷却器阻力，降低换热效率；而水、氧化氮等杂质的凝固点较高，在制氧过程中，氧气还未完全液化时，此类杂质就已经转变为固体形态，进而造成管道、通路以及阀门等的堵塞，使得液态氧分流不顺利，降低制氧效率，影响系统的正常运行。

2.1.3 工艺要求标准高

实际应用深冷法进行制氧的过程中，需要经历冷却、热交换等流程，整体温度跨度较大，因此，对于系统设备热胀冷缩应力以及承压能力方面有着较高的要求，尤其是系统接口、阀门以及管道位置，对于焊接以及工艺连接要求较高，应确保系统的密封性，避免出现泄漏问题。此外，为避免系统运行不畅、设备故障、泄压不良等引发的爆炸等安全事故，应结合实际情况，加强工艺流程的检查、监控和维护管理。

2.1.4 安全操作要求高

氧气作为助燃气体，有着极高的助燃性，为保障制氧系统运行的安全性以及可靠性，对于系统安全操作方面有着较高的要求。在制氧系统和设备附近，严禁放置木材或者焦炭等易燃物质，在富氧环境下，此类物质在受到外界撞击或者与火星接触后，很容易引发爆炸、火灾等不良事故，因此应强化制氧现场环境以及操作安全管理，同时还应按照相关安全规范，展开废气排放口管理，尽可能消除制氧过程中的各种安全隐患。

2.2 深冷空气分离制氧系统设计原则

基于上述深冷空气分离法在制氧系统当中的相关应用要求，为保障该技术措施的应用质量和效果，应结合实际工艺特点和相关要求，加强对于制氧系统设计的研究和重视，明确相关设计原则，主要包括安装施工原则、布置原则、冷箱内配管原则以及阀门配置原则等，以此确保系统安装布置符合工艺要求，保障系统运行的顺畅性以及安全性。例如，为保障整个系统和装置运行的顺畅性以及高效性，应加强对于气温、降水量以及风沙等当地气候条件的考量，确保空气过滤效果，避免影响制氧效率；在冷箱配管方面，应加强对于焊缝位置、坡口加工以及配管顺序和管路之间间距方面的控制，确保管道焊接质量良好，冷热管道外壁间距在200 mm 以上；在阀门配置方面，应确保脱脂清洗到位，选用不锈钢材质配件，以此保障系统运行效果，并针对空气管道采取适当保冷措施，以此降低冷量损失，强化系统能耗控制。

2.3 深冷空气分离制氧系统工艺流程

深冷空气分离法在制氧系统当中应用时，具体工艺流程包括以下三个步骤。

第一，空气过滤和压缩。对此，需要采取自洁式空气吸入过滤器，对空气进行过滤处理，清除掉空气当中混有的灰尘、机械颗粒等杂质，然后将过滤后的原料空气输送到空气压缩机当中，展开多级压缩，最后，再将其送入到空冷塔当中。

第二，空气预冷和纯化。在空气经过空冷塔之后，会被送入分子筛吸附器当中，进一步去除掉空气当中的水分、二氧化碳以及碳氢化合物等，形成纯化空气，而后续氧气的制备提供原料。

第三，空气精馏。经过上述纯化处理后的空气，仅剩余氧气和氮气，原料空气中的部分气体将会经由污氮换热器进行冷却处理，然后进入到下塔，而另一部分气体则需要进一步进行压缩、冷却，然后再输送至下塔。与此同时，增压机的末级空气需要先后经过主换热器以及液体膨胀机，再被送入下塔当中。此时，再利用系统，使纯化空气与回流液体接触，其中回流液主要是由液氮组成，其他液氮将会作为产品由过冷器排出，下塔当中的顶部冷凝蒸发器将发挥作用，完成氮气的冷凝处理，而此时液氧将会不断蒸发，同时经过主换热器复热的纯氮气将会作为产品从系统当中排出，而污液氮和富氧液空则会作为上塔的回流液，经过冷却器冷却。当污氮气产生之后，上塔底部会出现液氧，将此处液氧抽出后，经过液氧泵压缩、主换热器进行热交换之后，就能够得到高压氧气，而部分液氧也会作为产品被输送到冷箱外部。

2.4 深冷空气分离制氧系统机组设备

第一，自洁式空气过滤器。主要负责过滤空气中的灰尘、机械颗粒等杂质，包括负压探头、出口管、滤芯、文氏管、反吹气源喷以及电控箱、压差控制仪等。该过滤器在过滤空气时，可通过小颗粒粉尘在滤料迎风面形成尘膜，以此增大过滤器气流阻力，保障过滤效果，降低粉尘杂质等对于系统的磨损影响。

第二，预冷系统。可采用水和空气直接接触的空冷塔设备，以此改善分子筛工作环境，降低空气温度，同时还能够实现对于空气中酸性气体和机械颗粒的清洗。该系统还采用了散装填料塔，能够有效减小阻力，提高换热效率。此外，还可进一步选用新型、高效分布器进行预冷系统的设计，促使空气与水得以充分接触，在减少冷冻水量需求的同时，提高塔的换热性能，降低冷却系统能耗。

第三，纯化系统。可采用单层床结构分子筛吸附器，不仅能够有效降低再生阻力，同时也会降低再生能耗，以此达到良好的节能效果。此外，纯化系统控制阀门应选用三杆阀，长周期分子筛纯化系统设计形式，并采取无冲击切换方式，以此全面提升分子筛系统纯化性能，实现系统自动控制与手动控制间的灵活切换，延长分子筛阀门寿命，确保阀门切换匀速稳定。

第四，精馏塔系统。精馏塔是整个制氧系统当中的关键设备，根据深冷空气分离法实际操作需求，精馏塔为上下塔结构，优选液体透平膨胀机，以此提升整个系统的运行效率，降低系统能耗。

第五，控制系统。选用DCS 集散型控制系统，搭配在线分析仪等相应测控组件，以此全面保障深冷空气分离法在制氧系统当中的应用能效，确保系统安全、稳定运行。

3 深冷空气分离法制氧系统在实践中的应用

在冶金生产中的应用。冶金工业不仅需氧量较大，而且对于氧气的纯度要求较高，以此确保氧能够与钢当中的硅、碳等元素得到充分反应，进而减少其中硅、碳等杂质。与此同时，氧化反应发生过程中，还能够更好地保障炼钢温度。深冷空气分离法制氧系统在冶金生产中的应用，能够在实际冶金生产中实现高纯度吹氧，不仅有助于提高钢材的质量，同时还能够缩短冶炼时间。与此同理，在冶炼有色金属的过程中，通过富氧的方式，也能够缩短冶炼时间，提高金属冶炼质量和产量。

在石油化工行业中的应用。空分装置在石油化工行业当中应用十分广泛，通过空分装置能够为石油化工生产提供充足氧气和氮气。例如，化肥、铵盐以及塑料等相关产业需要大量的氨，而合成氨的过程中，需要很多高纯度的氧气；再比如，煤化工产业、固定床、气流床企划技术等，也需要应用大量氧气。因此深冷空气分离法制氧系统在此类行业当中也有着十分广泛的应用，对于产业发展，生产效率等有着重要影响。

在机械制造行业中的应用。常见的包括汽车、船舶制造工业当中，多涉及金属切割、焊接等技术，因此，对于氧气的需求量相对较大，可借助深冷空气分离法制氧系统实现大规模制氧，确保实际生产制造工作得以顺利推进。在航空航天领域中的应用。液氧是航空领域当中的燃料，同时氧气也是维持生命的重要气体，在航天航空生命支持系统当中有着无可替代的作用，因此航空航天领域对于氧气以及液氧的需求量较大，而且纯度要求较高，传统制氧技术难以达到实际工作需求，可采用深冷空气分离法制氧系统实现液氧和氧气的大规模生产[2]。

4 结语

综上所述，深冷空气分离法在制氧系统当中的应用不仅能够实现大规模制氧，而且还有助于提升制氧的质量和效率，保障氧气以及液氧的纯度，在实际应用该技术的过程中，应首先明确技术应用相关要求，包括材料质量、杂质处理、工艺流程以及操作安全等方面，以此保障技术应用效果。同时，还应提前明确系统设计相关原则，设施安装、布置要求，以及工艺流程，并根据工艺流程和相关标准要求，合理进行系统机组设备的设计，如：自洁式空气过滤器、预冷系统、纯化系统等，以此保障深冷空气分离法应用效果，同时降低系统能耗，确保其能够在冶金、机械制造等领域当中充分发挥自身价值和作用。