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1、深冷法分离空气的基本原理一、空气的组成与产品（氮气、氧气）的制取 空气是一种复杂的气体混合物，由多种气体组成。干燥空气的组成，各类组份的性质不同，一般来说，常规情况下空气的组成可视为不变，只有二氧化碳在空气中的含量，随地区条件的不同有一些变化，另外空气中还含有少量的机械杂质、水蒸气、乙炔、甲烷、二氧化氮、一氧化碳等对空气分离有害的成分。深冷法（低温法）分离空气的基本过程是：将空气压缩到所需要的压力后，先彻底去除空中的水蒸气与二氧化碳，而后送入分馏塔。空气在分馏塔中的主换热器内与返流的产品气、富氧气体进行热交换，被冷却并部分液化，最后进入精馏塔。空气在塔内变成液体聚积在塔底，利用氧、氮沸点之差使
2、之分离，成为产品气和富氧空气。分离产品经主换热器复热后送出分馏塔，产品气使用点，富氧气一部分去纯化器再生，多于富氧气出分馏塔直接放空。水在0C要结冰，二氧化碳在79C要变成干冰。而在0.6下的空气，其液化温度约为172。5C，因此，如果水和二氧化碳不先除去，则随空气的冷却它们将先后变成冰和干冰，并随气体一起流动积聚，堵塞主换热器的空气通道、精馏塔筛板小孔、阀芯，影响装置的正常运转。水、二氧化碳、润滑油一样，对空气分离装置低温部分危害极大。空气中的碳氢化合物，特别是乙炔，在精馏过程中，如液空和液氧中的乙炔的浓度浓缩到一定程度就有爆炸的可能。因此乙炔在液氧中的浓度规定不能超过0.1ppm。空气中的
3、不凝性气体，如氖、氦气，由于其冷凝温度太低，在空气设备的运行中，总是以气态集聚在冷凝蒸发器内，侵占冷凝蒸发器的热换面积，增大了热阻，影响热交换效果，因此也需要经常排放。空气的深冷分离过程是一个物理过程，空气冷却与液化并使冷箱内的各部分冷却到各自的工作温度并始终维持在各自的工作温度，所需要的“冷量”主要是膨胀机提供的。从上面的简单叙述中可以知道，深冷法分离空气一般包括以下一些过程：空气中的机械杂质的去除空气压缩到所需要的压力空气中水分、二氧化碳与乙炔的去除冷量的产生空气的冷却、液化与分离产品的复热液态空气的精馏、分离成产品气和富氧空气产品气的压缩与液化产品的贮存、运输和汽化此外还有保温与绝热、计
4、量、检测与控制等内容。下面对各个过程再做较深一层的叙述与介绍二、空气中的机械杂质的除净空气中的灰尘等固体微粒称为机械杂质。这些固体微粒如不清除，会使高速旋转的空气透平压缩机和膨胀机的叶轮、导流器磨损加剧，如带到换热器中会污染换热器表面，导致传热系数下降，阻力增大。这些会影响空气设备的正常运行。空气中固体杂质的含量一般为0.0050.01克/立方米空气。在冶金企业周围，可高达0.05克/立方米空气，灰尘粒度在0.15毫米以下，一般在空压机吸风口设置空气过滤器来清除空气中的固体杂质。三、空气的压缩如前所述，深冷法分离空气，首先要使空气冷却和液化。空气的液化过程使一种能量的转换的过程。空气只要有足够
5、的压力，才能通过膨胀机的节流效应产生足够的冷量，使它降到所需的温度，并从气态变成液态。压缩空气的压力，根据用户对产品气压力的要求、设备的大小、空气流程的不同，是设计、制造与操作维护的水平来决定。在空气分离设备的中，空气压缩机是最主要消耗电能的设备。尽可能提高空气中氮、氧产品的提取率，减少分离的空气量减少设备的冷损，降低空气压力。四、空气的净化空气压缩后由于体积小，单位体积空气内能容纳的水蒸汽量也减少，所以空气被压缩时，其中所含的部分水分也将在压缩机的冷却器内冷凝析出，并在水分离器内排除掉。大气中的二氧化碳含量为300400ppm，一般气体随压力和温度的不同，由气态、液态和固态三种，而在空气中二
6、氧化碳只有气态和固态两种状态。空气中的二氧化碳在一定的温度下也有一个最大的含量，叫饱和含量。与饱和含量相对应有一个饱和分压。如果二氧化碳的分压超过了他的饱和分压，那会有二氧化碳析出，析出二氧化碳成雪花状。空气中的水分、乙炔和二氧化碳是在纯化器的吸附筒中被清除的。吸附筒中装满了一种能吸附水、二氧化碳与乙炔的物质叫吸附剂，吸附剂吸附水份与二氧化碳的能力，与空气的压力、温度、空气在吸附筒内的流速、吸附剂床层高度等因素有关，空气的压力是由流程决定的，不能任意改变。吸附温度降低，吸附剂对二氧化碳的吸附能力增加。从能耗及投资两方面的综合考虑，一般吸附温度为10C，为此，在空气压缩机末级冷却器与纯化器之间，
7、还设置了预冷机组，其目的是将空气从40C降低到10C，并除去空气中的大部分水份，以提高吸附剂的吸附能力。吸附剂吸附水分和二氧化碳有一定的限度，达到了这个限度吸附就“饱和”了，必须将吸附在吸附剂中的水分及二氧化碳清除掉，才能恢复其工作能力，这叫做吸附剂的“再生”。根据这一特性，何止了两只吸附筒及再生电加热器，两只吸附筒轮流工作，一只从空气中吸附水分与二氧化碳，另一只用加热再生气将吸附在分子筛中的水分与二氧化碳清除，随后再将分子筛吹冷至工作温度，恢复其工作能力。两只吸附筒定期切换，电加热器则被用作吸附剂再生气的加热。空气设备的运转周期与纯化器的工作情况密切相关，为保证空分设备的长期连续运转，要求出
8、纯化器、进入冷箱的空气达到一丁点露点温度和二氧化碳含量。如果进塔空气中水分和二氧化碳仍会冻结在换热器及精馏塔内，时间一长，积少成多，水分和二氧化碳积累到一定程度，就会影响设备的正常运转，必须停车加温。五、空气的冷却与液化 在空气设备的分馏塔里除了精馏塔外，主要是各种换热器，有主换热器，冷凝蒸发器。各种换热器的作用，都是实现冷热流体之间的热交换，主换热器的作用是使热流体（空气）冷却并部分液化。使冷流体（产品氧、氮及废气）复热到接近常温，然后送出冷箱，以最大限度的回收冷量。冷凝蒸发器保证了精馏塔的正常工作。 现在空分设备用铝制板翅式换热器。这种换热器结构紧凑、体积小，重量轻，在1立方米体积内传热面
9、积可达15002500平方米，且传热效率高，传热系数大。在一个板翅式换热器中，可以组织多股冷热流体同时进行热交换。出主换热器冷端的空气基本上处于饱和状态，随流程和最终产品的状态不同，少量或部分空气液化，全部液化是在精馏塔中实现的。六、空气的精馏精馏过程是利用氧、氮的沸点不同，在精馏塔的塔板上使气、液经多次部分冷凝与部分蒸发，而使空气分离为氧、氮的过程。在每一块塔板上，提供了液体与蒸汽充分接触的条件。而液体与蒸汽的每一次的接触，即使一个传热的过程，又是一个传质的过程。即上升的蒸汽从下降的液体中获得冷量，使蒸汽中高沸点的组分氧冷凝成液体；液体则被蒸发加热，使液体中低沸点组分氮蒸发变成蒸汽。经过每一
10、块塔板，蒸汽中的氮含量就提高一些，含氧量就变低一点，而液体的含氧量就提高一点，含氮量就减少一些。也就是说，上升的蒸汽中的含氮量越来越高，而下降的液体中的含氧量就越来越高，经过一定数量的塔板精馏以后，在塔的上部就得到了纯氮气，在塔下部就得到富氧液空。 前面讲过，进入精馏塔的空气一般是饱和蒸汽或者有部分液化。那么，从塔板往下流的液体是从哪里来的呢？这就是冷凝蒸发器的作用。冷凝蒸发器有两个通道，一个通道通的是氮气，另一个通道是富氧液空。设计时使氮气与富氧液空有一定的温差，而且总是使氮的冷凝温度高于富氧液空的蒸发。因此，其结果是氮气冷凝变成液体液氮，富氧液空蒸发变成饱和的蒸汽。一部分液氮回到塔顶部作为
11、回流液。另一部分液氮送到液氮罐。下部有蒸汽上升，顶部有液体下流，这是精馏塔内每一块塔板实现精馏过程的必要条件，冷凝蒸发器具有重要作用。七 冷量的生产空分设备中的冷箱在低温下工作，与外界有很大的温差，必然会有热量侵入进去，要实现冷热体之间的热交换，在两流体之间必须有温差。也就是说，流出冷箱的产品和抚养弃的温度总是要比流入冷箱的空气温度低。如果生产液体产品，低温流体就要带出更多的冷量。空分设备安装时和加温后内外各部分均处于同样的环境温度之下，而在正常工作时冷箱内的精馏塔、花惹起、管道与阀门必须达到并始终保持在各自的低温状态下，因此需要“冷量”来维持空分设备的正常运行。空分设备的冷量，少部分靠压缩空
12、气的高压变成低压的等温节流效应得到，大部分冷量则靠膨胀制冷的得到。膨胀机时靠压缩空气推动叶轮高速旋转，在压缩空气消耗能量降低压力的同时，使出膨胀机的低压气体温度降低，使之低于要冷却和液化的气体温度，创造出一个从这些低温气体中取出热量的传热温差，即获得了冷量。在高纯氮设备 在高纯氮设备中，精馏塔的液空通过节流阀送到冷凝蒸发器时，由于压力从精馏塔压力0.6MPa左右经节流阀降低到0.3MPa左右，液空的温度也会降低，使它具备了从冷温度的物体吸收热量的能力，这是一部分非常宝贵的冷量。可见，无乱是膨胀机制冷还是高压气体节流制冷，都与膨胀前和节流前的压力有关，工艺流程中空压机排气压力的选定就要使这两部分
13、冷量能补偿前面所讲到各种冷量的损失。八、冷箱与保温空分设备中的换热器、冷凝蒸发器、精馏塔等，以及连接这些部机的管道、阀门和其内流动的各种流体，都处于不同的温度下，温度最低的地方接近190，所以保温（保冷）也是空分设备一个重要课题。保温做得好，冷量损失就低，操作压力就可以降低或者可以出更多的产品。上述所有换热器、塔管及管道、阀门都装在冷箱内，冷箱四壁与所有容器、管道之间都有约300500mm的距离，用来填装保温材料珠光砂（也叫膨胀珍珠岩）。在保管、填装珠光砂过程中，必须注意以下问题谨防受潮，受潮后很难处理，其保温性能也会明显下降， 使冷量损失增大填充时要注意安全，防止工作人员不慎跌入冷箱，出现事
14、故空分设备投入运转后，因管道的微小震动等原因珠光砂会变实而下沉，有时甚至使顶部裸露在冷箱中，而设备顶部的温度是最低的，这就导致冷量损失，因此，在开车一段时间后，从后视镜观察顶部情况，必要时打开顶部入孔，补充珠光砂致装满。防止潮湿空气侵入冷箱使珠光砂受潮。大家知道，温度与压力是有对应关系的，冷箱内的体积是一定的，当冷箱内的温度降低时，压力也随之降低到大气压以下。外界的湿空气就会因为出现了压差而侵入冷箱，使珠光砂逐步受潮。为避免这个问题，冷箱采用密封结构，并向冷箱内充入干燥的富氧气，使冷箱内部在任何时候都保持正压，杜绝外界湿空气侵入的可能性，操作时要注意冷箱充气阀的开度，如设备停车扒珠光砂时，必须
15、先关闭充气阀，并稍打开入孔将箱内压力放掉，然后再扒珠光砂。九、检测与控制空分设备各部机分别有流量、温度、压力、液位、纯度等要求，操作人员就是根据这些参数的设计要求与实际指标值的差别，来进行调整和操作的。空压机、预冷机等运行参数与它们的调节控制比较直观，使看得见，摸得着的。而冷箱内各种参数的变化与控制，就只能靠仪表指示和操作人员的判断。这就要求这些仪表的可靠准确，平时要认真维护保养，使用时要正确操作。KDN2400/80Y型高纯氮设备主要技术参数1.1加工空气量 气量：6500Nm3/h压力：0.6MPa温度：10C151.2产品产量、纯度及压力（出高纯氮设备冷箱）氮气产量：2400Nm3/h液氮产量：80L/h纯度： 3ppm露点： 701.3 仪表气及轴承、密封气仪表气压力：0.5MPa轴承气压力：0.5Mpa密封气压力：0.250.3MPa注：1.标准状态（N）系指0，0.1013MPa（760mmHg）时状态 2.压力单位MPa表示兆帕，无注明时压力均指表压二、技术经济指标2.1 电耗空压机 710kW预冷机组 44 kW纯化器电加热器 86 kW仪表系统 1 kW总电耗 84 kW冷却水耗量运转周期2年装置加温解冻时间
