深冷制氧工艺

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1、销售处内部学习资料- 1 -深冷制氧工艺介绍一、 概述：氧是自然界中分布最广的气体。常温、常压下为无色、透明、无嗅无味气体。其它化学性质十分活跃，极易和各种不同物质生成化合物。氧气本身不燃烧、但具有强烈的助燃性，被广泛地支用在转炉、炼钢和高炉熔炼中。氧气顶吹转炉炼钢速度快、产量高、品种多、质量好。因而氧气在国民经济发展中有着举足轻重的作用。工业深冷制氧，我国走过了 50 年历程。我国由 1953 年哈尔滨第一机械厂（哈尔滨制氧机厂的前身）首次生产两套 30 立方米/h 制样机，发展到今天的 5000 立方米/h 制氧机。我们德龙公司现有大型全低压制氧机三台套。 （ 1500 立方米/h、 32

2、00 立方米/h、6000 立方米/h）总装机容量达到 10700 立方米/h，基本能满足公司钢铁生产对氧气和氮气的需求。二、 几个概念：1、 空气分离设备：（简称空分设备）指空分装置及其附属设备的统称。指空气压缩系统、空气净化系统、换热系统、膨胀制冷系统、精馏系统、再生加热系统和产品压缩输送系统。2、 深冷制氧（即深度冷冻法制氧）深冷制氧指-1000 度以下的低温 。将空气分离成氧和氮，是一个相当复杂的过程。要想把处于气态下的空气分离，实际上是相当困难。因为氧氮分子均匀混合再一起的，而将液态空气分离就容易得多。这是由于组成液态空气的液氧和液氮在同一压力下具有不同的沸点。 （大气压力下，氧的沸

3、点为-183 度，氮的沸点为-196度 ，即同一压力下，氧氮的沸点有 13 度的温度差）因此可以首先将空气液化，然后将其逐渐蒸发。那麽，沸点低的组份首先蒸发成气体，沸点高的组份仍为液体，如此反复进行，则液体中氧浓度提高，气体中氮浓度提高，从而将氧氮分离。这种方法，需将空气压缩，然后冷却到非常低的温度（-173 度）销售处内部学习资料- 2 -将其液化，然后将氧氮分离，这种制取氧气的方法叫做深冷制氧法，通常所指的深冷制氧。3、 精馏塔：用于将空气精馏分离的设备称之为精馏塔。 （空分塔）它包括下塔、上塔和主冷凝蒸发器。4、 精馏：在精馏塔中，将处于饱和状态的氧氮混合体，穿过比它温度较低的氧氮混合体

4、时，气相中的高沸点组分（即难蒸发的组分氧气）要部分冷凝为液体，释放冷凝潜热，与此同时，液相中的低沸点组分（即易蒸发的氮气）吸收热量而蒸发，这样多次的部分冷凝和部分蒸发，越往上部，气相中氮组分越浓，越往下部，液相中氧组分越浓。这样多次部分精馏和部分蒸发的过程，我们称之为精馏。精馏的实质是气、液两种流体热量和质量的交换。5、 保冷箱：用于将深冷设备和大气绝热隔离的箱体。内充填膨胀珍珠岩粉 （即通常称珠光砂）以防止上部冷量的泄露造成冷换。6、 临界温度：气体的液化温度与压力有关。但是对每一种气体都有一个温度，大于这个温度，无论在何种压力下，都不能将其液化，这个温度即为该气体的临界温度。与其对应的压力

5、称之为该气体的临界压力。7、 部分蒸发与部份冷凝：当液体蒸发时，新产生的蒸汽不断的从容器中引出，这种蒸发过程称之为部分蒸发。在定压冷凝时新产生的液体，不断的从容器中引出，这种冷凝过程称之为部分冷凝。三、 深冷制氧的工艺组成；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、 空气净化系统：首先，我们应该明确知道深冷制氧的原料是自销售处内部学习资料- 3 -然界取之不尽、用之不完的空气。空气是一种多原素（多组分）气体，组成的混合气体。它的主要组分是氧气和氮气（容积含量分别为 21%和 78%）其次是氩占 0.93%。除此之外还有特有气体He|、Ne、Ke、Xe、H2。空气中除上述组

6、分外，还有杂质：灰尘、机械颗粒、水份、二氧化碳、乙炔、怪类碳氧化物其它危害：灰尘、机械颗粒：加剧机器工作轮磨损，污染冷却器将阻力增加，换热效率降低；水、氧化碳（H2o、CO2）：低温下会以固态出现。堵塞通道、管路、容器、伐门、阻力增加、换热效率降低，精馏恶化； C2H2、CH4：是易燃物，是空分装置的大敌。净化：空气过滤器：灰尘和机械颗粒（H2O、CO2、C2H2、CH4）换热式流程：（H2O、CO2：切换式换热器；C2H2、CH4：液空吸附过滤器、液氧吸附器） ；分子筛流程：分子筛纯化器。3、 氮水予冷系统：尽可能降低进装置空气的温度，以减少换热器（纯化器的负荷。它由空气冷却塔和水冷却塔组成

7、。4、 换热系统：是实现空气液化、分离、维持空气装置冷量平衡，长周期正常运行必不可少的设备。包括：可逆式板式换热器，中间冷却器、液化器、过冷器、上下塔和主冷凝蒸发器。5、 胀制冷系统：是维持装置冷量平衡的重要设备。选平膨胀机（启动阶段：制取冷量；正常运行：补偿冷损）6、 精馏系统：是实现空气分离的主要设备。下塔：原料空气的初精馏；上塔：原料液空的再精馏；主冷：联接上下塔是实现液氧蒸发、气氮冷凝。7、 再生加热系统：用以设备的加热和再生。8、 产品压缩输送系统：用以产品氧氮的压缩输送以供用户使用（氧压机、氩氧机）9、 参与精馏：销售处内部学习资料- 4 -在空分装置中，为了制取冷量和补偿冷损，设

8、置了膨胀机制冷系统。它是由主换热气中部抽取一股高温气体与由下塔抽出的一股低温气体，混合后进入膨胀机，经膨胀机决热膨胀降温制取冷量后，吹入上塔中上部参与精馏。产品氧氮经主换热器复热后，由氧压机压缩后送往用户。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。四、 单体设备作用及作用原理：1、 空压机：离心式压缩机（空气压缩机）其作用：源源不断地为空分装置提供具有一定压力的原料空气。其原理：一是气体随工作轮高速旋转，产生离心力，将压力升高；二是流体离开叶轮后，在扩压器中，由速度能转换为压力能。2、 空气过滤器：其作用：滤除原料空气中的灰尘和机械颗粒及杂质

9、。3、 氮水予冷器：安装在空分塔外，回收返流污氮冷量的换热设备。它由空冷塔和水冷塔组成。空冷塔：以水为介质，降低加工空气装置的温度。同时降低空气中的饱和含量，减少换热器热负荷（分子筛负荷）还可对加工空气进行一次性洗涤。水冷塔； 返流污氮与来自空冷塔温度较高的冷却水进行热交换。其原理：返流污氮温度低，直接进行热换热。污氮含水的不饱和性。即干氮的吸湿作用带走水份、冷却水由于水份蒸发，释放蒸发潜热而本身温度降低。4、 主换热气：用以正返流气体进行热量交换的重要设备。机理：换热气 中，冷热气体的传热量是通过隔板和肋片同时进行。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。

10、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。销售处内部学习资料- 5 -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：其作用：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：其作用：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

11、，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、 主冷凝蒸发器：（简称主冷）同以上塔液氧和下塔气氮之间进行热交换。液氧吸收热量而蒸发，气氮释放热量而冷凝。9、 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。其作用：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。10、 氧压机：其作用：将空分装置生产的产品氧气压缩到一定

12、压力送往用户。销售处内部学习资料- 6 -11、 氮压机：其作用：将空分装置生产的产品氮气压缩到一定压力送往用户。活塞式压缩机工作原理：活塞在气缸内作往复运动、气缸容积增大，将气体吸入气缸容积缩小，将气体压缩。当压缩到一定程序时由排出伐压处。规模大于 10000 标立/hPSA 已经没有投资优势，应该上深冷空分根据所需氧气的纯度及产量在深冷空分法及变压吸附（PSA）法中选择。现代化深冷空分生产装置使用分子筛纯化、高效透平、填料塔、内增压等流程和工艺, 能耗和基建费用有所降低。PSA 制氧装置是近 20 多年中发展起来并被市场广泛接受的技术,与深冷法比较, 其产品单一, 氧气纯度低, 不能产氩。

13、而深冷法可以同时生产出高纯度的氧、氮、氩产品, 所需气量越大, 经济性越好,而且深冷法产品便于经济地储存和运输。2 种制氧方法的比较项目 深冷空分法 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。 加压吸附，降压解吸，利用氧氮吸附能力不同达到分离。装置特点 工艺流程复杂，设备较多，投资大。 工艺流程简单，设备少，自控阀门较多，投资省。2 k8 E2 y x8 k# u( z8 工艺特点 -160-190低温下操作 常温操作; r! D u& X( L3 I操作特点 启动时间长，一般在 1530 小时，必须连续运转，不能间断运行。 启动时间短，一般30min，可连续运行，也可间

14、断运行。维护特点 设备结构复杂，加工精度高，维修保养技术难度大，维护保养费用高。 设备结构简单，维护保养技术难度低，维护保养费用低。6 R, a. n3 y$ 5 d L% C土建及安装特点 占地面积大，厂房和基础要求高，工程造价高。 安装周期 23个月，技术难度大，安装费用高。 6 : m7 W, Q1 ) * p# z0 a8 z占地面积较小，厂房无特殊要求，造价低。 安装周期 2 个月，安装费用低。& + e6 N- H! 6 R. d产气成本 电耗：0.450.8KW.H/Nm3 氧气的电耗 0.4KW.H/Nm3; q+ D+ 2 , P6 O, W氧气纯度 气体产品产量、纯度稳定，

15、99.6% 气体产品产量、纯度可调，灵活性好，最高达 93%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。 能耗低，适用于氧气纯度 21%93%的中小规模应用场合。 C, a4 Y g; 5 F5 V O- f0 O J两者在原理上是完全不同的，都有自己的适用范围，不能简单的做出比较，$ Q3 : K- S N0 d) O5 G因此，得先根据你的要求再来比较选用何种方法。1 深冷法特点 8 x: R q |6 H+ X销售处内部学习资料- 7 -1） 工艺流程复杂，有空气压缩系统，空气预冷系统，空气净化系统，热交换系统，精馏系统和制冷系统；& N, b0 B$ o. Z* E y2） 工艺可靠，双塔精馏可连续生产双高产品( 同时生产出高纯度的氧、氮产品)，氧、氮纯度都可达到99.99，并且产品产量和质量稳定；. O. h- ?0 q ( D D# 4 3） 操作复杂，装置启动时间长(约需 36 小时) ，只适用于连续生产；4） 投资成本高，低温深冷工艺需要特殊的设备材料。7 _9 |1 ? e; i0 p5 h$ g$ y2 变压吸附特点 2 4 h8 G( Q, Y* w: M& 0 b1） 工艺流程简单，在常温、