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1、空分装置的变革论文摘要】回顾了近五十年来我国大中型空分流程技术发展的历程，对七次空分流程优胜劣汰的变革作了 评述，阐明了实现我国大中型空分流程再次变革的目标应是进一步提高单元设备部机技术水平、控制水平 的节能和智能型的大型内压缩流程。 五十年来，我国大中型空分流程已经历了铝带蓄冷器冻结高低压空分流程、 石头蓄冷器冻结全低 压空分流程、切换式换热器冻结全低压空分流程、常温分子筛净化全低压空分流程、常温分子筛 净化增压膨胀空分流程、常温分子筛净化填料型上塔全精馏制氩流程。 目前正在实现大型内压缩 空分流程的变革，旨在使我国空分设备总体水平能紧跟世界先进水平，服务于广大用户， 自立于 世界空分之林。
2、每次大中型空分流程的变革，都是空分技术不断发展和科研成果相继被采用的必然结果；每次大中型 空分流程的变革，都以其独具的技术闪光点将空分设备的技术水准推上了一个又一个新的台阶。以下对大 中型空分流程技术的发展历程作一回顾，并就每个流程的优点和不足逐一评述，希望能了解过去，开拓未 来，使大中型空分流程的发展迎来一个又一个技术的春天，在技术的百花丛中永葆鲜艳。1 铝带蓄冷器冻结高低压空分流程 （简称第一代空分）1956 年 4 月，为了适应冶金工业、化肥工业等方面迫切需要大中型空气分离设备的新形势，杭州通用 机器厂（杭氧集团有限公司前身）承担了设计试制高低压流程3350m3/h空分设备的艰巨任务，在
3、参观、剖析 了吉林化肥厂从苏联进口的3350m3/h空分设备的基础上，通过近两年的努力，于1958年4月30日试制成 功第一套3350m3/h空分设备。铝带蓄冷器冻结高低压空分流程（见图1）是我国最早的大中型空分设备的主 导流程，标志着我国在空气分离设备的制造已实现了从小型向大型的飞跃发展。典型产品：3350m3/h（20C状态）空分设备，这是我国第一代空分产品，流程组织较为复杂，主要由空 气过滤压缩、高压空气压缩、 C0 碱洗、氨预冷、膨胀制冷、换热、精馏等系统组成。2主要性能指标：氧气：3120m3/h（标态），99%02氮气：800m3/h（标态），99. 8%N21.1 流程特点（1）
4、加工空气压力分成低压（0. 530. 57MPa）和高压（1620MPa）两个等级，这是因空分设备的冷量需 要而确定的。空分设备的冷量来源于两个压力等级下空气的焦汤效应、氮气膨胀制冷和氨预冷系统制冷等 三个方面。（2）采用了氧、氮蓄冷器各两只（分别一只走正流、另一只走返流），内充盘装铝带填料，供换热和清除低压空气中的水分和C0用。蓄冷器的自清除效果采用返流气量大于正流气量来保证，通常返流与正流气的 2流量之比为 1. 031. 04倍。（3）采用了一对高压换热器来冷却高压空气，高压空气中的C0是通过碱洗塔碱液的洗涤、水分是通过2 氨预冷系统的冻结而清除的。（4）将冷凝蒸发器分成主冷和辅冷两部分
5、，辅助冷凝蒸发器放置位置低于主冷凝蒸发器，利用液氧液位 落差使上塔液氧源不断流人辅助冷凝蒸发器，同时被下塔顶部引入的压力氮气气化成氧气后，导人乙炔分 离器吸附掉乙炔，作为产品氧气的一部分输出，这就保证了精馏塔的安全运行。主冷凝蒸发器为列管式（共 17749根列管，温差1. 8K），辅助冷凝蒸发器为盘管式（温差3. 2K）。Al、A2乙炔吸附器AF空气过滤器API、AP2、AP3碱液泵APC空气往复压缩机APC1、APC2氨预 冷器ATC空气透平压缩机AWC碱洗塔C1下塔C2上塔CS乙炔分离器E1、E2主换热器E3过 冷器E4膨胀前换热器ET膨胀机K1主冷凝蒸发器K2辅助冷凝蒸发器LAFl、LA
6、F2二氧化碳过滤 器NPC氮预冷器NR1、NB2氮蓄冷器ORl、OR2氧蓄冷器RPC馏分预冷器WC水冷却器图 l 铝带蓄冷器冻结高低压空分流程图l2 流程缺点(1) 流程组织较复杂。为了提供空分设备所需的部分冷量及由此而引起的高压空气中水分、C0的清除2问题，在冷箱外增设了高压空气压缩机、碱洗塔、氨预冷系统等多套机组；同时冷箱内设备也较多，给整 套空分设备的操作、维护带来诸多不便。(2) 蓄冷器的自清除问题没有得到妥善解决，氧气(或氮气)和空气的传质和传热虽按不同时间间隔错开 但却在同一腔内进行，使产品的纯度受到较大污染，氧气纯度由 9950 下降到 990 ，氮气纯度由 99822N下降到9
7、8%N，而后者由于纯度较低，只能放空；此外蓄冷器热端温差较大(5C),复热不足损失大。 22(3) 膨胀机结构为冲动式固定喷嘴的型式，效率较低，只有60%左右。若用空气作膨胀介质，对膨胀 后空气如何处理，没有得到妥善解决，影响了空分流程的组织水平。(4) 氧提取率低，一般只有833%。(5) 能耗高，设计值为0. 66kWh / m30，而实际运行值高达0. 70. 9kWh / m30。221.3 主要用户从1958年试制成功后，第一代空分设备共生产27套，主要用户为：首都钢铁公司、吉林化肥厂、上 海吴淞化工厂、重庆钢铁公司、鞍山钢铁公司、杭州钢铁厂和南京钢铁厂等，其中出口朝鲜7套。 196
8、9年 后停止生产。目前这些空分设备已完成历史使命，均已报废或停机。2 石头蓄冷器冻结全低压空分流程 (简称第二代空分)1964年，由于北京石景山(首都)钢铁公司的30吨转炉氧气顶吹炼钢试验成功，国务院决定迅速推广 这种先进的炼钢方法，使发展全低压流程大中型空分设备显得更为紧迫。杭氧在承接试制全低压6000m3 / h 空分设备任务后，参与了首都钢铁公司从日本神户制钢所引进的6000m3 / h空分设备的验收工作，并获得 了一些技术资料，在消化吸收这些资料的基础上，对部分单元设备进行了改造设计，在1965年11月完成 了设计方案。随着反动式透平膨胀机技术的开发、管式石头蓄冷器的出现及其自清除技术
9、的改进等， 1968 年杭氧试制完成了第一台全低压流程的6000m3 / h空分设备，这种管式石头蓄冷器冻结全低压空分流程(见 图2)，是我国第二代空分产品。流程组织大为简化，主要由空气过滤压缩、空气预冷、膨胀制冷、换热、 精馏等系统组成。A1 、 A2 液空吸附器 A3 液氧吸附器 A4 、 A5 二氧化碳吸附器 AC 空气冷却塔 AF 空气过滤器ASC空气螺杆压缩机Cl下塔C2上塔E1液空过冷器E2液氮过冷器E3 污氮一空气液化器EF1、 EF2膨胀前空气过滤器ET1、ET2、ET3膨胀机K1冷凝蒸发器NR1、NR2氮蓄冷器0R1、0R2氧蓄 冷器VI、V2、V3、V4自动阀箱V5、V6、
10、V7、V8抽气阀箱WC水冷却器WP水泵图 2 管式蓄冷器冻结全低压空分流程图主要性能指标：氮气：6600m3/h(标态),100X10-602氧气：6000m3 / h(标态)，99. 6%022.1 流程进步点(1) 随着透平膨胀机技术的发展，出现了反动式固定喷嘴透平膨胀机。空气在固定喷嘴和叶轮中进行两 次膨胀，使膨胀机效率有了很大的提高(可达80%)，空分设备的制冷手段得到了改善，因此使加工空气由 第一代空分流程的两个压力等级转变到只要0. 5MPa(G)的一个压力等级成为可能，实现了高低压空分流程 向全低压空分流程的变革。(2) 将铝带蓄冷器改为石头蓄冷器，让产品氧气、氮气始终走蛇管内部
11、换热，保证了氧、氮纯度不受污 染，使氧的纯度达到99. 6%0，氮的纯度达到100X 10-60。22(3) 为了清除冻结在石头上的C0和水分，除了采用正流空气和返流污氮气交替切换的方法外，还采用2了中间抽气法，即在蓄冷器中部抽出了相当于加工空气量10%的空气，这就保证了抽口以下正流气量小于 返流气量的自清除要求，进一步缩小了蓄冷器冷端温差，使自清除更为彻底。(4) 对膨胀后空气如何合理处理，有了新的技术：送人上塔中部参与精馏，充分利用了上塔的精馏潜力， 提高了氧提取率(可达 84%) 。(5) 用循环液氧泵0P和液氧吸附器A3组成的强制循环来清除液氧中的乙炔等碳氢化合物，确保了空分 设备的安
12、全运行，取消了前一流程的辅助冷凝蒸发器。(6) 能耗比第一代空分有了明显的下降，可达到0. 55-0. 60kWh/m30。22.2 流程缺点(1) 管式石头蓄冷器中的石头填料单位体积所具有的比表面积只有铝带的1/5，而密度却远比铝带大， 因而处理同样的空气量，石头蓄冷器比铝带蓄冷器体积要大5倍以上，这就使得石头蓄冷器体积庞大、笨 重，所需的安装基础必须深沉坚实，而且占地面积大，工程费用多。(2) 由于采用中间抽气法来保证蓄冷器的不冻结性，因而设置了相应的抽气阀箱、(V5V8)和C0吸附器，2 使冷箱内设备及配管复杂化。(3) 膨胀机采用的固定喷嘴，只能依靠调节压力来调节气量，因而膨胀量调节范
13、围较小，对空分变工况 生产需要大量冷量时的适应性较差，只能增设备用膨胀机来解决冷量的调节问题，这显得很不经济。(4) 主冷凝蒸发器仍为长列管式，管子数目仍然较多，体积大，制造难。23首家用户1970年10月，第一套全低压流程的6000m3/h空分设备在武汉钢铁公司投入生产，标志着我国气体分 离和液化设备工业正式进入了全低压空分流程的时代。3切换式换热器冻结全低压空分流程（简称第三代空分） 随着高效率板翅式换热器的研制成功和反动式透平膨胀机技术的进一步发展，空分流程水平又大大向 前推进了一步，出现了切换式换热器冻结全低压空分流程（图3）。19701978年杭氧采用该流程自行设计了 1000、60
14、00、10000m3/h三种规格的空分设备，但质量不稳定。19791991年杭氧在引进了 10000m3/h空 分设备的设计制造技术的基础上，经过消化吸收及二次开发，先后成功设计制造了 100010000m3/h空分 设备的系列产品。典型产品为10000m3/h空分设备。这是我国第三代空分产品。主要由空气过滤压缩、空 气预冷、膨胀制冷、换热、精馏（含提氩设备）等系统组成。主要性能指标：氧气：10000m3/h（标态），99. 6%02液氧：100m3/h（标态），99. 6%02氮气：10000m3/h（标态），100x10-602液氩：250m3/h（标态），99. 999%ArAC空气冷却
15、塔AF空气过滤器ATC空气透平压缩机C1下塔C2上塔C3粗氩塔C4一精氩 塔E1氧一空气液化器E2污氮一空气液化器E3、4 一液空过冷器E5液氮过冷器E6氩换热器EH 电加热器ET透平膨胀机K1冷凝蒸发器K2粗氩冷凝蒸发器K3精氩冷凝器K4精氩蒸发器OE 液氧喷射器R1、2切换式换热器SL消声器V1、2、3、4自动阀箱WC水冷却器W1、2水泵图3切换式换热器冻结全低压空分流程图3.1流程进步点（1）以传热效率高、结构紧凑轻巧、适应性大的板翅式换热器，取代了石头蓄冷器、列管式冷凝蒸发器 及盘管式过冷器、液化器等，使单元设备的外形尺寸大大缩小，空分设备的冷箱也相应缩小，跑冷损失减 少、膨胀量下降、启动时间缩短等一系列的良性循环，提高了空分设备的技术经济性。（2）以切换式换热器取代石头蓄冷器后，由于由间壁式连续换热代替了蓄冷器的间歇换热，使温度场 分布较为稳定，同时在气流通道中供水分和C0冻结的空间也增大了，使切换周期可以延长，切换损失可由2蓄冷器流程的4下降到2。（3）采用了环流法来保证切换式换热器的不冻结性，可使空气和返流污氮气冷端温差由蓄冷器流程的3. 5C缩小到2. 5CO这是一种较为完整的不冻结性方法，不再需要中间抽气阀箱、C0吸附器等附加设备，
