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1、空分设备及深冷工艺流程 空分设备就是以空气为原料，通过压缩循环深度冷冻的方法把空气变成液态，再经 过精馅而从液态空气中逐步分离生产出氧气、氮气及氮气等惰性气体的设备。目前我国生产的空分设备的形式、种类繁多。有生产气态氧、氮的装置，也有生产液态 氧、氮的装置。但就基本流程而言，主要有四种，即高压、中压、高低压和全低压流程。我国空分设备的生产规模已经从早期只能生产20m3/h（氧）的制氧机，发展到现在具有 生产20000m3/h、30000m3/h和50000m3/h（氧）的特大型空分设备的能力。空分设备从工艺流程来说可以分为5个基本系统：1杂质的净化系统：主要是通过空气过滤器和分子筛吸收器等装置
2、，净化空气中混有的机 械杂质、水分、二氧化碳、乙烘等。2空气冷却和液化系统：主要由空气压缩机、热交换器、膨胀机和空气节流阀等组成，起 到使空气深度冷冻的作用。3空气精镭系统：主要部件为精馆塔（上塔、下塔）、冷凝蒸发器、过冷器、液空和液氮 节流阀。起到将空气中各种组分分离的作用 4加温吹除系统：用加温吹除的方法使净化系统再生。5仪表控制系统：通过各种仪表对整个工艺进行控制。深冷空分制氮 深冷空分制氮以空气为原料，经过压缩、净化、用热交换使空气液化成为液空。液 空主要是液氧和液氮的混合物，利用液氧和液氮的沸点不同，通过精馆，使它们分离来 获得氮气。1深冷制氮的典型工艺流程 整个流程由空气压缩及净化
3、、空气分离、液氮汽化组成。1.1空气压缩及净化 空气经空气过滤器清除灰尘和机械杂质后进入空气压缩机，压缩至所需压力，然后 送入空气冷却器，降低空气温度。再进入空气干燥净化器，除去空气中的水份、二氧化 碳、乙烘及其它碳氢化合物。1.2空气分离 净化后的空气进入空分塔中的主换热器，被返流气体（产品氮气、废气）冷却至饱 和温度，送入精懈塔底部，在塔顶部得到氮气，液空经节流后送入冷凝蒸发器蒸发，同 时冷凝由精憎塔送来的部分氮气，冷凝后的液氮一部分作为精憎塔的回流液，另一部分 作为液氮产品出空分塔。由冷凝蒸发器出来的废气经主换热器复热到约130K进膨胀机膨胀制冷为空分塔提供 冷量，膨胀后的气体一部分作为
4、分子筛的再生和吹冷用，然后经消音器排入大气。1.3液氮汽化 由空分塔出来的液氮进液氮贮槽贮存，当空分设备检修时，贮槽内的液氮进入汽化 器被加热后，送入产品氮气管道。深冷制氮可制取纯度M 99.999%的氮气。2.主要设备简介 2.1空气过滤器 为减少空气压缩机内部机械运动表面的磨损，保证空气质量，空气在进入空气压缩 机之前，必须先经过空气过滤器以清除其中所含的灰尘和其他杂质。目前空气压缩机进 气多采用粗效过滤器或中效过滤器。2.2空气压缩机 按工作原理，空气压缩机可分为容积式和速度式两大类。目前空气压缩机多采用往 复活塞从液态空气中逐步分离生产出氧气氮气及氮气等惰性气体的设备目前我国生产的空分
5、设备的形式种类繁多有生产气态氧氮的装置也有生产液态氧氮的装置但就基本流程而言主要有四种即高压中压高低压和全低压流程我国空分设备的来说可以分为个基本系统杂质的净化系统主要是通过空气过滤器和分子筛吸收器等装置净化空气中混有的机械杂质水分二氧化碳乙烘等空气冷和液化系统主要由空气压缩机热交换器膨胀机和空气节流阀等组成起到使空气深度冷冻的作用加温吹除系统用加温吹除的方法使净化系统再生仪表控制系统通过各种仪表对整个工艺进行控制深冷空分制氮深冷空分制氮以空气为原料经过压缩净化用热交换使空气液化成为液空液空主要是液氧和液氮的混合物利用液氧和液式空气压缩机、离心式空气压缩机和螺杆式空气压缩机。2.3空气冷却器
6、是用来降低进入空气干燥净化器和空分塔前压缩空气的温度，避免进塔温度大幅度 波动，并可析出压缩空气中的大部分水分。通常采用氮水冷却器（由水冷却塔和空气冷却 塔组成：水冷塔是用空分塔内出来的废气冷却循环水，空冷塔是用水冷塔出来的循环水 冷却空气）、氟里昂空冷器。2.4空气干燥净化器 压缩空气经空气冷却器后仍含有一定的水分、二氧化碳、乙烘和其他碳氢化合物。被冷冻的水分和二氧化碳沉积在空分塔内会堵塞通道、管道和阀门，乙烘积聚在液氧内 有爆炸的危险，灰尘会磨损运转机械。为了保证空分装置的长期安全运行，必须设置专 门的净化设备，清除这些杂质。空气净化的最常用方法是吸附法和冻结法。目前国内在 中小型制氮装置
7、中广泛采用分子筛吸附法。2.5空分塔 空分塔内主要包括有主换热器、液化器、精馆塔、冷凝蒸发器等。主换热器、冷凝 蒸发器和液化器为板翘式换热器是一种全铝金属结构新型组合式间壁式换热器，平均温 差很小，换热效率高达98-99%。精脩塔为空气分离的设备，塔设备的类型按内件划分，设置筛孔板的称筛板塔，设置泡罩板的称泡罩塔，堆放填料的称填料塔。筛孔板结构简 单、便于制造、塔板效率高，因此在空分精馆塔中被广泛使用。填料塔主要用于直径小 于0.8m,高度不大于7m的精懈塔。泡罩塔由于结构复杂、制造困难现已很少使用。2.6透平膨胀机 是制氮装置用来产生冷量的旋转式叶片机械，是一种用于低温条件下的气体透平。透平
8、膨胀机按气体在叶轮中的流向分为轴流式、向心径流式和向心径轴流式；按气体在 叶轮中是否继续膨胀又分为反击式和冲击式，继续膨胀为反击式，不继续膨胀为冲击式。空分设备中广泛采从液态空气中逐步分离生产出氧气氮气及氮气等惰性气体的设备目前我国生产的空分设备的形式种类繁多有生产气态氧氮的装置也有生产液态氧氮的装置但就基本流程而言主要有四种即高压中压高低压和全低压流程我国空分设备的来说可以分为个基本系统杂质的净化系统主要是通过空气过滤器和分子筛吸收器等装置净化空气中混有的机械杂质水分二氧化碳乙烘等空气冷和液化系统主要由空气压缩机热交换器膨胀机和空气节流阀等组成起到使空气深度冷冻的作用加温吹除系统用加温吹除的
9、方法使净化系统再生仪表控制系统通过各种仪表对整个工艺进行控制深冷空分制氮深冷空分制氮以空气为原料经过压缩净化用热交换使空气液化成为液空液空主要是液氧和液氮的混合物利用液氧和液用单级向心径轴流反击式透平膨胀机。深冷空分制氮设备复杂、占地面积大，基建费用高，设备一次性投资多，运行成本 高，产气慢，安装要求高周期长。深冷空分制氮装置宜于大规模工业制氮，在中、小规 模制氮就显得不经济。在3500Nm3/h以下的设备，相同规格的PSA装置的投资规模要比 深冷空分装置低20%50%。空气分离制氧的主要工艺及其比较 氧气在工业生产和日常生活中有广泛的用途，空气中含有21%(体积浓度)的氧气，是最廉价的制氧原
10、料，因此氧气一般都通过空气分离制取。空气分离制氧主要工艺 1深冷分离工艺:传统制氧技术，氧气纯度高、产品种类多，适用于大规模制氧。2.变压吸附工艺(PSA):新兴技术，投资小、能耗低，适用于氧气纯度不太高、中小规模 应用场合。3.膜分离工艺：尚不成熟，基本未得到工业应用。深冷空分制氧工艺II膜分离工艺II变压吸附制氧工艺的比较 项目 深冷空分法 膜分离空分法 变压吸附空分法 分离 原理 将空气液化，根据氧和氮 沸点不同达到分离。根据不同气体分子在膜中的 溶解扩散性能的差异来完成 分离。加压吸附，降压解吸，利用 氧氮吸附能力不同达到分 离。装置 工艺流程复杂，设备较 工艺流程简单，设备少，自控
11、工艺流程简单，设备少，自 特点 多，投资大。阀门少，投资较大。控门较多，投资省。工艺 特点-160-190C低温下操 作 常温操作 常温操作 从液态空气中逐步分离生产出氧气氮气及氮气等惰性气体的设备目前我国生产的空分设备的形式种类繁多有生产气态氧氮的装置也有生产液态氧氮的装置但就基本流程而言主要有四种即高压中压高低压和全低压流程我国空分设备的来说可以分为个基本系统杂质的净化系统主要是通过空气过滤器和分子筛吸收器等装置净化空气中混有的机械杂质水分二氧化碳乙烘等空气冷和液化系统主要由空气压缩机热交换器膨胀机和空气节流阀等组成起到使空气深度冷冻的作用加温吹除系统用加温吹除的方法使净化系统再生仪表控制
12、系统通过各种仪表对整个工艺进行控制深冷空分制氮深冷空分制氮以空气为原料经过压缩净化用热交换使空气液化成为液空液空主要是液氧和液氮的混合物利用液氧和液操作 启动时间长，一般在15 启动时间短，一般在一般 W 启动时间短,一般W30min,从液态空气中逐步分离生产出氧气氮气及氮气等惰性气体的设备目前我国生产的空分设备的形式种类繁多有生产气态氧氮的装置也有生产液态氧氮的装置但就基本流程而言主要有四种即高压中压高低压和全低压流程我国空分设备的来说可以分为个基本系统杂质的净化系统主要是通过空气过滤器和分子筛吸收器等装置净化空气中混有的机械杂质水分二氧化碳乙烘等空气冷和液化系统主要由空气压缩机热交换器膨胀
13、机和空气节流阀等组成起到使空气深度冷冻的作用加温吹除系统用加温吹除的方法使净化系统再生仪表控制系统通过各种仪表对整个工艺进行控制深冷空分制氮深冷空分制氮以空气为原料经过压缩净化用热交换使空气液化成为液空液空主要是液氧和液氮的混合物利用液氧和液特点 40小时，必须连续运转，不能间断运行，短暂停 机，恢复工况时间长。20min,可连续运行，也可间 断运行。可连续运行，也可间断运行。维护 特点 设备结构复杂，加工精度 高，维修保养技术难度 人，维护保养费用高。设备结构简单，维护保养技术 难度低，维护保养费用较高。设备结构简单，维护保养技 术难度低，维护保养费用低。土建 及安 装特 点 占地面积大，厂
14、房和基础 要求高，工程造价高。安装周期长，技术难度 人，安装费用高。占地面积小，厂房无特殊要 求，造价低。安装周期短，安装费用低。占地面积小，厂房无特殊要 求，造价低。安装周期短，安装费用低。产气 成本 0.51.OKW.H/Nm3 以RICH月莫分离制氮设备单位 产气量能耗为例：单位产98%纯度氮气的电耗为 0.29KW.H/Nm。以RICH常温变压吸附制氮 设备单位产气量能耗为例：单位产98%纯度氮气的电耗 为 0.25KW.H/Nm3o 安全 性 在超低温、高压环境运行 可造成碳氢化合物局部 聚集，存在爆炸的可能 性。常温较高压力下操作，不会造 成碳氢化合物的局部聚集。常温常压下操作，不
15、会造成 碳氢化合物的局部聚集。可调 性 气体产品产量、纯度不可 调，灵活性差 气体产品产量、纯度可调，灵 活性较好。气体产品产量、纯度可调，灵活性好。经济 适用 性 气体产品种类多，气体纯 度高，适用于大规模制 气、用气场合。投资小、能耗低，适用于氮气 纯度79%99.99的中小规模 应用场合。膜分离制氮能耗在 投资小、能耗低，适用于氧 气纯度21%95%、氮气纯度 79%99.9995的中小规模 从液态空气中逐步分离生产出氧气氮气及氮气等惰性气体的设备目前我国生产的空分设备的形式种类繁多有生产气态氧氮的装置也有生产液态氧氮的装置但就基本流程而言主要有四种即高压中压高低压和全低压流程我国空分设
16、备的来说可以分为个基本系统杂质的净化系统主要是通过空气过滤器和分子筛吸收器等装置净化空气中混有的机械杂质水分二氧化碳乙烘等空气冷和液化系统主要由空气压缩机热交换器膨胀机和空气节流阀等组成起到使空气深度冷冻的作用加温吹除系统用加温吹除的方法使净化系统再生仪表控制系统通过各种仪表对整个工艺进行控制深冷空分制氮深冷空分制氮以空气为原料经过压缩净化用热交换使空气液化成为液空液空主要是液氧和液氮的混合物利用液氧和液 氮气纯度99%以下和变压吸附 制氮能耗相差不人，氮气纯度 99.5%以上经济性比变压吸附 差。膜分离制氧工艺尚不成 熟，一般产氧纯度21%45%,基本未得到工业应用。应用场合。RICH牌节能
17、型变 压吸附系列制氮装置经济性 优异，特别是氮气纯度 99.9%以上的设备更体现了 变压吸附空分法的无与伦比 的优势。注：其他供气方式是基于上述空分制气产业基础上的产业延伸，供气过程产生了中间环 节的费用，增加了用气成本，可操作性差，其中运输式和钢瓶式供气存在较大安全隐患。变压吸附空分制氧工艺原理 变压吸附空气分离制氧原理 空气中的主要组份是氮和氧，通过选择对氮和氧具有不同吸附选择性的吸附剂，设计适 当的工艺过程，使氮和氧分离制得氧气。氮和氧都具有四极矩，但氮的四极矩（0.31A）比氧的（0.10A）大得多，因此氮气在沸 石分子筛上的吸附能力比氧气强（氮与分子筛表面离子的作用力强，如图1所示）
18、。因 此，当空气在加压状态下通过装有沸石分子筛吸附剂的吸附床时，氮气被分子筛吸附，氧气因吸附较少，在气相中得到富集并流出吸附床，使氧气和氮气分离获得氧气。当分 子筛吸附氮气至接近饱和后，停止通空气并降低吸附床的压力，分子筛吸附的氮气可以 解吸出来，分子筛得到再生并重复利用。两个以上的吸附床轮流切换工作，便可连续生 产出氧气。图1、变压吸附气体分离基本原理示意图 氮气和氧气的沸点接近，两者很难分离，一起在气相得到富集。因此变压吸附制氧装置 通常只能获得浓度为90%95%的氧气（氧的极限浓度为95.6%,其余为氮气），与深冷空 分装置的浓度99.5%以上的氧气相比，又称富氧。变压吸附空分制氧装置工
19、艺简述 从液态空气中逐步分离生产出氧气氮气及氮气等惰性气体的设备目前我国生产的空分设备的形式种类繁多有生产气态氧氮的装置也有生产液态氧氮的装置但就基本流程而言主要有四种即高压中压高低压和全低压流程我国空分设备的来说可以分为个基本系统杂质的净化系统主要是通过空气过滤器和分子筛吸收器等装置净化空气中混有的机械杂质水分二氧化碳乙烘等空气冷和液化系统主要由空气压缩机热交换器膨胀机和空气节流阀等组成起到使空气深度冷冻的作用加温吹除系统用加温吹除的方法使净化系统再生仪表控制系统通过各种仪表对整个工艺进行控制深冷空分制氮深冷空分制氮以空气为原料经过压缩净化用热交换使空气液化成为液空液空主要是液氧和液氮的混合
20、物利用液氧和液从上述原理可知，变压吸附空分制氧装置的吸附床必须至少包含两个操作步骤：吸附和 解吸。因此，当只有一个吸附床时，产品氧气的获得是间断的。为了连续获得产品气，通常在制氧装置中一般都设置两个以上的吸附床，并且从节能降耗和操作平稳的角度出 发，另外设置一些必要的辅助步骤。每个吸附床一般都要经历吸附、顺向放压、抽空或减压再生、冲洗置换和均压升压等步 骤，周期性地重复操作。在同一时间，各个吸附床则分别处于不同的操作步骤，在计算 机的控制下定时切换，使几个吸附床协同操作，在时间步伐上则相互错开，使变压吸附 装置能够平稳运行，连续获得产品气。根据解吸方法的不同，变压吸附制氧又分为两种工艺（参见表
21、1）:1、PSA工艺：加压吸附（0.20.6MP&）、常压解吸。投资小、设备简单，但能耗高，适 用于小规模制氧的场合。2、VPSAI艺：常压或略高于常压（050KPa）下吸附，抽真空解吸。设备相对复杂，但 效率高、能耗低，适用于制氧规模较大的场合。表1、PSA和VPSA制氧装置主要参数比 较 工艺 适宜规模 吸附压力 解吸压力 氧气纯度 制氧电耗 氧气收率 流程 m3/h KPa KPa%KWh/m3%PSA W200 200600 大气压 80 93 0.7 2 30 45 VPSA 100 10000 050 45 一 80 80 95 0.3 0.5 46 68 对于实际的分离过程，还必
22、须考虑空气中的其它微量组份。二氧化碳和水份在通常的吸 附剂上的吸附能力一般要比氮和氧都大得多，可在吸附床内填加合适的吸附剂（或利用 制氧吸附剂自身）使其被吸附清除。制氧装置所需的吸附塔数目取决于制氧规模、吸附 剂性能和工艺设计思路，多塔操作时运行平稳性相对更好一些，但设备投资较高。目前 的趋势是：使用高效制氧吸附剂、尽量减少吸附塔数量并采用短操作周期，以提高装置 的效率并尽可能节约投资。从液态空气中逐步分离生产出氧气氮气及氮气等惰性气体的设备目前我国生产的空分设备的形式种类繁多有生产气态氧氮的装置也有生产液态氧氮的装置但就基本流程而言主要有四种即高压中压高低压和全低压流程我国空分设备的来说可以分为个基本系统杂质的净化系统主要是通过空气过滤器和分子筛吸收器等装置净化空气中混有的机械杂质水分二氧化碳乙烘等空气冷和液化系统主要由空气压缩机热交换器膨胀机和空气节流阀等组成起到使空气深度冷冻的作用加温吹除系统用加温吹除的方法使净化系统再生仪表控制系统通过各种仪表对整个工艺进行控制深冷空分制氮深冷空分制氮以空气为原料经过压缩净化用热交换使空气液化成为液空液空主要是液氧和液氮的混合物利用液氧和液