深冷分离制氧流程

第一节 深冷分离空分装置的发展历程

一、深冷分离工艺技术：

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等5次变革。目前正在实现常温分子筛全低压填料精馏空分流程的变革，使我国空分设备水平能跟进世界先进水平。

铝带蓄冷器冻结高低压空分流程：

1968、年前，铝带蓄冷器冻结高低压空分流程是我国大中型空分设备采用的主导流程，典型产品为3150m3/h。这是我国第一代产品，流程组织较为复杂，主要由空气过滤压缩、高压空气压缩、二氧化碳碱洗、氨预冷、膨胀制冷、换热精馏等系统组成。

石头蓄冷冻结全低压空分流程：

随着透平膨胀机技术的开发，蛇管式石头蓄冷器的出现及其自清除技术的改进等，1968~1969年出现了石头蓄冷器冻结全低压空分流程。典型产品为6000m3/h空分设备，这是我国第二代产品。流程大为简化，同样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。

切换式换热器冻结全低压空分流程：

随着高效板翘式换热器的研制成功和式透平膨胀技术的进一步发展，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。1970~1978年，我国采用该流程自行设计了1000m3/h,6000m3/h,10000m3/h。这是我国第三代产品。同样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。

常温分子筛净化全低压空分流程 1960年分子筛吸附剂进入市场后，德国林德公司开发出了第一台分子筛吸附器，并将这种技术应用于空分设备上。

1979年后，我在引进常温分子筛净化空气设备的设计制造技术后，进过二次开发，先后设计制造了6000m3/h，10000m3/h两种容量分子筛净化空分设备。

常温分子筛净化全低压空分流程和切换式换热器冻结空分流程之根本区别在于，将切换式换热器的传质和换热两种功能分开，在冷箱外用分子筛吸附器清除空气中的水分和二氧化碳，在冷箱内的主换热器仅起到换热作用。这是我国的产品。

常温分子筛净化增压膨胀空分流程

在寻求降低能耗的途径上，常温分子筛净化增压膨胀空分流程的出现，是空分流程技术一大进步。它是常温分子筛净化全低压空分流程的基础上，将膨胀机的制动发电机该成了增压机。增压机的作用是将膨胀空气在膨胀过程中产生的功，直接用来使进膨胀机的空气增压，膨胀机前压力的提高，就增加了单位膨胀空气的制冷量，在空分设备所需一定的情况下，膨胀量就可以减少下来，总的加工空气量也就相应降低，这就是常温分子筛净化增压膨胀空分流程氧提起率能进一步提高，能耗得以下来的原因。

1986~19年，我国成功地为吉林化肥厂研制出了采用常温分子筛净化增压膨胀空分流程的6000m3/h空分设备，这是我国的第五代产品。

常温分子筛净化全填料精馏空分流程

常温分子筛净化增压膨胀空分流程发展至今，已作为主导流程被国内外广泛采用。但是，为了进一步提高装置效率，降低能耗，国外在常温分子筛净化增压膨胀空分流程的基础上，对其配套的单元设备部机的设计采用了“各个击破”的战略，进行了深入的研究和开发，并取得了大幅度增效减耗得整体效应。

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（1）规整填料塔技术。

（2）全精馏制氩技术。 （3）膜式蒸发技术。 （4）变压解吸技术。 （5）水冷塔蒸发降温技术。 内压缩流程：

内压缩流程是最近几年新兴的空分流程。来自主冷凝蒸发的液氧被液氧泵压缩到所需要的压力，然后再换热器中被气化和复热。为了使加压后液氧的低温冷量能够转换成为同一质量等级（或同一低温级）的冷量，使装置实现能量（冷量）的平衡。必须要有一股逆向流动的压缩空气在换热器中与加压后的液氧进行换热。在始液氧气化和复热的同时，这股压缩空气则被冷却和液化，然后送入塔内参与精馏，使加压的液氧的低温冷凉被吸收后保存下来，如此循环不断，达到最经济运行的目的。由于热动力学的原因，这股压缩空气必须在增压机中被压缩到高于液氧的压力。

在一些不同的流程中，也可以用氮气作为循环介质来吸收和转移加压液氧的低温冷量。对高压压力氮有大量需求的工艺过程，常用以氮气作为在循环介质的内压缩流程，这样可以减少转动设备，因而可以节约投资。

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利用高压氮气来使加压液氧气化复热并回收其低温冷量的缺点是：

由于氮气的冷凝温度比空气低，氮气的潜热比空气小，这就意味着为气化同样数量的加压液氧，需要被压缩的氮气量要比空气气量更多，而且，氮气的压力高于空气的压力。

由于被压缩的氮气来自冷箱，在冷箱里德氮气流路由压力损失。因此，循环氮压机的吸入压力要低于相应的增压空气压缩机的吸入压力，这意味着氮压缩机的压缩比要大于增压增压空气压缩机的压缩比。因此，在同样规模的内压缩流程中，氮压机的尺寸要比增压控股器压缩机的尺寸大，耗功也要高一些。

因此，在对氮产品米有特别要求的情况下，常用空气来压缩使加压液氧气化复热 并回收其低温冷量。另外，再循环氮气主要作为吸收和转移低温冷量的一种载体，而空气则不仅完成了这种功能，还与精馏有机地结合起来了，能使精馏过程更加有效。

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第二节 深冷分离空分流程的组成

一、制氧流程的组成：

空气压缩和预冷却系统；

分子筛吸附系统：以去除空气中的水分、二氧化碳以及大部分碳氢化合物； 主换热器：将加工空气冷却至露点附近，同时复热其余产品； 空气增压系统：高压液氧的汽化提供热源； 制冷设备：包括透平膨胀机和氨换热器； 精馏系统：分离空气； 内压缩液氧泵： 液氮贮存： 后备系统：

（一）、空气压缩系统和预冷系统：

1、空气中固体杂质的净除：

空气经空气过滤器过滤，清除掉其中的灰尘及机械杂质。过滤后的空气由离心式多级空气压缩机压缩到所需压力。空气中灰尘等固体杂质的含量一般为0.005~0.02g/m3，灰尘的粒度通常在0.15mm以下。虽然这些杂质在每立方米中的含量不大，但由于大型空分设备每小时的加工空气量都在几万甚至十几万立方米，因此，每小时带入空分设备的总量还是客观的。一般在0.15mm以上的粒子由于重力作用会很快降落的。目前作为固体杂质的除尘对象，其粒度在0.1~0.0001mm之间。如果空气不经过除尘直接被空压机吸入，其中固体杂质会使空压机的气缸、叶片和阀门摩擦加剧。固体灰尘带到冷却器中会造成换热表面污染，导致传热系数下降。一般要求空气净除后的固体杂质含量应小于0.001g/m3。

常见除尘方法：

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常见的过滤除尘装置有拉西环式过滤器，链带式过滤器、干式空气过滤器（干带传动过滤器，袋式过滤器）。

主要设备及工作原理：

空气过滤器（脉冲反吹自洁式空气过滤器）：

自洁式空气过滤器是工业发达国家上世纪70年发的新型设备，其最大的特点是结构简单，维护使用方便。国内厂家生产自洁式空气过滤器仅有十几年的历史。自洁式空气过滤器由空气滤筒、脉冲反吹系统、净气室、框架、控制系统组成。反吹系统由气动隔膜阀、电磁阀、专用喷嘴及压缩空气管路组成。控制系统主要由脉冲控制仪、差压变送器、控制电路等组成。其结构如图所示。

在空气进入空压级之前清洁介质中的固体颗粒和微尘。自洁式空气过滤器的净气室出口与空压机入口连接，在负压的作用下，从大气中吸入加工空气。空气径过过滤滤筒，灰尘被滤料阻挡。无数小颗粒粉尘在滤料的迎风面形成一层尘膜。尘膜可使过滤效果有所提高，同时也使气流阻力增大。当阻力增至高限600Pa时，由压差变送器将阻力信号传给脉冲控制仪中的电脑，电脑发出指令，直接系统开始工作。电磁阀接到指令后，按程序控制、驱动隔膜阀，隔膜阀瞬间释放出压缩空气，其压力为600~800KPa，径喷嘴整流后，自虑筒内部反吹滤筒，将滤料表面的粉尘吹落，阻力随之下降。当阻力达到滤料的初始阻力约150Pa时，自洁系统停止工作。

原理草图

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2、空气压缩系统：

目的：将空气压缩至工艺所需的压力。（见压缩机工作原理。） 3、空气预冷系统：

目的：空分装置希望压缩空气进装置时的温度仅可能低。以降低空气中的饱和水含量和主换热器的热负荷。而空压机实际上部可能实现等温压缩，末级压缩后的空气温度可高达80~90℃。因此空气在空压机后，进空分装置前，要对空气进行冷却。尤其是对分子筛吸附进化流程，由于分子筛的吸附容量与温度有关，温度越低，吸附量越大。

空气进空分设备的温度升高将会造成：

等温节流效应下降，膨胀空气量增加，产品能耗增大；主换热器的热负荷增大，这是由于进气温度升高以及空气中水蒸气含量增加的缘故；空分设备的净化工作条件恶化，由于清除水负荷加重，吸附器工作周期短；使空分设备的工况不温度。氮水预冷器主要有以下类型：

直接接触式氮水预冷器（关键因素是水气比）、非接触式氮水冷却器、组合式氮水预冷器。

流程描述：压缩后的空气通过空气冷却塔直接接触洗涤并冷却，冷却水分两段注入冷却塔。在较低段空气由循环水预冷，在较高段，冷却空气的冷冻水来自蒸发冷却塔，（并经过氨冷却器进一步冷却）。冷却水下降过程中同时也将空气中的可溶性杂质洗涤掉。当空气经过两个填满分子筛的吸附器时，其他的有害物质如水蒸气、CO2、N2O以及碳氢化合物被吸附掉。吸附器再生气为来自分馏塔的污氮气，经由蒸汽加热器加热到再生所需的温度。

（1） 空气冷却塔、水冷却塔

空气冷却塔的工作原理：从压缩机出来的高温空气自下而上流动，冷却水自上而下喷淋，如图所示。空气与水直接接触，既换热又受到了洗涤，能够清除空气中的灰尘，并将一些有腐蚀性的气体溶解于水中，例如H2S、SO2、SO3等，避免主换热器等被腐蚀，延长使用寿命。由于空气冷却塔的容积较大，对加工空气还能起到缓冲的作用。

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空气冷却塔工作原理图

水冷却塔的工作原理：温度较高的冷却水（35℃左右），从顶部喷淋向下流动，温度较低的污氮气（27℃左右）自下而上地流动，二者直接接触，既传热又传质，是一个比较复杂的换热过程。另一方面，由于污氮比较干燥，相对湿度只有30%左右，所以水分子能不断蒸发、扩散到污氮中去。而水蒸汽需要吸收气化潜热，从水中带走热量，这就使得水的温度不断降低。必须指出，污氮吸湿是使水降温的主要原因，因此污氮的相对湿度是影响冷却效果的关键，这也是为什么有可能出现冷却水出口温度低于污氮进口温度的原因。

（二）前端净化系统

1、空气中水分的清除（干燥）：

2、清除空气中的水分、二氧化碳和乙炔的方法

清除空气中的水分、二氧化碳和乙炔的方法最常用的是吸附法和冻结法（乙炔是不能冻结的）。

空气中的水分、二氧化碳和乙炔等采用吸附法清除。吸附法就是用硅胶或分子筛等作为吸附剂，把空气中所含的水分、二氧化碳和乙炔等杂质分离出来，浓聚在吸附剂的表面上（没有化学反应），加温再生时再把它们吹走，从而达到净化的目的。

吸附过程

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分子筛是人工合成的晶体铝硅酸盐，也有天然的，俗称泡沸石。分子筛内空穴占体积的50%左右，平均每克分子筛有700～800m2的内表面积。吸附过程产生在空穴的内部，它能把小于空穴的分子吸入孔内，把大于空穴的分子档在孔外，起到筛分分子的作用。

吸附剂存在最大的吸附能力，当吸附剂达到其最大吸附量（饱和）时，就失去了吸附能力，必须再生。再生就是吸附的逆过程，使吸附剂恢复吸附能力。

常见的吸附剂有：活性碳、硅胶、活性氧化铝、沸石分子筛。

沸石分子筛具有以下特点：有极强的吸附选择性、在气体组分浓度很低的情况下具有较大的吸附能力，它的比表面达800~1000m2/g。

（TSA法）再生的方法有两种，一种是利用吸附剂高温时吸附容量降低的原理，把加温气体通入吸附剂层，使吸附剂温度升高，被吸组份解吸，然后被加温气体带出吸附器。再生温度越高，解吸越彻底。这种再生方法叫加温再生或热交换再生，是最常用的方法。再生气体用于干燥氮气较好，或用空气。

（PSA法）另一种再生方法叫降压再生或压力交变再生。再生时，降低吸附器内的压力，甚至抽成真空，使被吸附分子的分压力降低，分子浓度减小，则吸附在吸附剂表面的分子数目也相应减少，达到再生的目的。

分子筛吸附器利用分子筛变温吸附的工作原理，在常温或低温时分子筛能够吸附大量比其孔径大的杂质，当温度提高时，它会把吸附的杂质全部脱附，这就是分子筛的再生。因此分子筛一般设计成两塔结构，能实现连续工作，一塔吸附时，另一塔脱付（再生），把空气中的水蒸汽、二氧化碳、一氧化二氮和潜在有害的碳氢化合物吸附，从而使压缩空气得到净化

6空气入口35空气出口421—吸附再生塔；2—电加热器；3—再生气调节阀；4—切换阀；5—消音器；6—双向阀

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分子筛的使用寿命正常情况下可达4～6年，影响其寿命较短的主要原因是破碎问题和永久吸附问题。破碎与分子筛本身的强度和气流冲击、装填不实有关；永久吸附又称吸附中毒，它与被吸附介质中的杂质有关，油、烃类等物质附在吸附剂表面后，不能解吸，成为永久吸附。

但是值得注意的是分子筛净化对乙炔、丙烯等式可以清除的，但对甲烷，乙烷是无效的。

（三）制冷与液化

1.、制冷过程与原理

在空分装置中要实现氧氮分离，首先要使空气液化，这就必须设法将空气温度降至液化温度。空分下塔的绝对压力在0.6MPa左右，在该压力下空气开始液化的温度约为—172℃。因此，要使空气液化，必须有一个比该温度更低的冷流体来冷却空气。

我们知道，空分设备中是靠膨胀后的低温空气来冷却正流压力空气的。空气要膨胀，首先要压缩，压缩就要消耗能量。

空气膨胀可以通过节流膨胀或膨胀机膨胀。但是，这种膨胀的温降时有限的。对于20MPa，30℃的高压空气，节流到0.1Mpa时的温降也只有32℃。空气在膨胀机中从0.55 MPa膨胀至0.135MPa的温降最大也只有50℃。还远远达不道空气液化所需温度。

空分设备中的主换热器及冷凝蒸发器对液体的产生起到关键的作用。主换热器时利用膨胀后的低温、低压气体作为换热器的反流气体，来冷却高压正流空气，使它在膨胀前的温度逐步降低。同时，膨胀后的温度相应地逐步降得更低，直至最后能达到液化所需的温度正流空气部分液化。空分设备在启动阶段的降温过程就是这样一个逐步冷去的过程。

膨胀后的空气由于压力低，所以在很低的温度下任为气态。例如，空气绝对压力为0.105MPa时，温度降至-190℃液任为气态。它比正流高压空气的液化温度要低。对于小型中，高压制氧机，在启动阶段的后期，在主热交换器的下部，就会有部分液体产生，起到液化器的作用；对于低压空分设备，另设有液化气，利用膨胀后的低温低压空气来冷却正流高压（0.6Mpa左右）低温空气，使之部分液化。同时冷凝蒸发器在启动阶段后期也起到液化器的作用。膨胀后进入上塔的低温空气在冷凝蒸发器中冷去下塔的低温压力气体，部分产生冷凝后又节流到上塔，进一步降低温度，成为低温，嗲呀返流气体的一部分，时积累的液体量逐步增加。

下塔的液空节流到上塔时，温度降从—173℃将至—191℃；液氮节流到上塔时，温度从—177℃左右降低至—193℃左右。空分塔中节流的液体时“饱和液体”。 塔顶温度比膨胀机出口温度还要低。 2、影响膨胀机制冷量的大小的因素： 膨胀机制冷量Qp=V H /22.4 1) 膨胀量越大，总制冷量也越大；

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2) 进出口压力一定时，机前温度越高，单位制冷量越大。

3) 当机前温度和机后压力一定时，机前压力越高，单位制冷量越大。 4) 膨胀机后压力越低，膨胀机内的压力降越大，单位制冷量越大。 5) 膨胀机绝热效率越高，制冷量越大。

（四）换热

1、换热和产冷：

经过分子筛吸附器、干燥、纯净的空气一部分进入低压换热器，与来自上塔的污氮换热，换热后的空气与分离器顶部的空气汇合进入下塔；一部分径空气增压压缩机压缩，从在增压压缩机末级的出来的空气，径冷却后进入高压主换热器中分别和高压液氧、压力氮气以及污氮换热，换热后的压力空气径节流后进入下塔精馏，压力氮气复热出冷箱后送到用户。另一部分空气从增压压缩机中部抽出经冷却后，进入由膨胀机驱动的增压机，消耗掉由膨胀机输出的能量，使空气的压力得以进一步提高，增压后的空气进入增压机后冷却器，冷却到所需温度后进入高压主换热器，被返流的液氧、氮气及污氮冷却到一定温度后进入透平膨胀机膨胀，膨胀空气进入分离器，在分离器顶部，空气与来自低压换热器的空气汇合进入下塔参与精馏，而分离器底部液空进入上塔。

空气分离所需要的冷量是由增压膨胀机系统提供的。该系统主要由增压机装置、透平膨胀机装置组成。

2、主换热器：

属于直接接触式换热器中的板翅式换热器。板翅式换热器是一种全铝结构的紧凑式高效换热器，如图所示。它的每一个通道由隔板、翅片、导流片和封条等组成。将相邻的两块隔板之间放置翅片、导流片、两边用封条封住，构成一个通道。将多个夹层进行不同的叠置或适当的排列，构成许多平行的通道，在通道的两头，再配上冷热流体进、出口的导流板，用钎焊的方法将它们焊成一体，就构成一组单元，再配上流体出入的封头、管道接头，就构成完整的板翅式换热器。

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板翅式换热器

板翅式换热器中隔板中间的瓦楞形的翅片一方面是对隔板起到支撑作用；另一方面它又是扩展的传热面积，使单位体积内的传热面积大大增加，整个换热器可以做的很紧凑。流体从翅片内的通道流过。由于在换热器内要实现冷、热流体之间的换热，所以冷热流体通道要间隔布置。冷、热流体同时通过不同的通道，通过隔板和翅片进行传热，故称之为板翅式换热器，也叫紧凑式换热器，它是当今空分装置中应用最广泛的换热器。

主换热器中空气、从氮循环压缩机来的氮气、产品气体等通过不同的通道，互相进行换热。通过换热，产品气体被加热到接近常温，空气被冷却到液化温度。

3、冷凝蒸发器

氧、氮的分离是通过精馏来实现的。精馏过程必须有上升蒸气和下流液体。为了得到氧、氮产品，精馏过程是在上、下两个塔内实现双级精馏过程。冷凝蒸发器是联系上塔和下塔的纽带。它用于上塔底部的回流下来的液氧和下塔顶部上升的气氮之间热交换。

液氧在冷凝蒸发器中吸收热量而蒸发为气氧。其中一部分作为产品气氧送出，而大部分（70%～80%）供给上塔，作为精馏用的上升蒸气。气氮在冷凝蒸发器内放出热量而冷凝成液氮。一部分直接作为下塔的回流液，一部分经节流降压后供至上塔顶部，作为上塔的回流液，参与精馏过程。

由于下塔的压力高于上塔的压力，所以下塔气氮的饱和温度高于上塔液氧的饱和温度。液氧吸收温度较高的气氮放出的冷凝潜热而蒸发，因此得名“冷凝蒸发器”。冷凝蒸发器是精馏系统中必不可少的重要换热设备。它工作的好坏关系到整个空分装置的动力消耗和正常生产。所以要正确操作和维护好冷凝蒸发器。

冷凝蒸发器有板翅式、列管式和膜式蒸发冷凝器三种。板翅式的优点是结构紧凑、重量轻、体积小。列管式有长管式和短管式两种。管子按同心圆或等边三角形垂直排列，管子与管板焊接。长管式管内为液氧蒸发，短管式管内为气氮冷凝。

膜式蒸发冷凝器：

一般的冷凝蒸发器中的液氧侧是受热面浸在液氧中，在受到另一侧的气氮的热量

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后，在传热表秒产生气泡，在液体内部产生“沸腾”，使液氧气化。由于气泡的扰动作用，沸腾侧的传热系数比无相变时高的多。但是，尽可能强化沸腾传热，减低冷凝蒸发器的传热温差，有利于降低工作压力，节约能耗。膜式蒸发器是以此为目的开发出来的一种新型蒸发换热方式。

膜式蒸发器的蒸发传热面不是浸在液氧中，而是靠液氧泵将液氧喷淋到传热面上，形成一层薄的液膜，液膜在与传热面接触，受热的过程中，直接蒸发成气体。这种换热方式大大增强了传热效果，使冷凝蒸发器的传热温差从1.3~1.5℃下降到0.7~0.8℃，可使下塔压力降到0.02MPa左右。从而节约了空压机的能耗。

但是，这些年来，国内外的大型空分设备虽然均采取了分子筛净化流程，但是仍然有几起主冷爆炸事故发生。确切的爆炸原因并没有探明，但是，采用膜式蒸发似乎会增大溶解在液氧中的碳氢化合物，在蒸发过程中在传热面析出的可能。不如浸没式蒸发安全。因此，为了提高设备的安全可靠，宁愿降低一些传热效果，目前不提倡采用膜式蒸发器。对已采用的，要注意保证液氧泵的液氧循环量。

4、过冷器：

空气在下塔径精馏后产生的夜空和液氮，通过节流阀供给上塔作为精馏所需的回流液。处于饱和状态的液体经过节流阀时，由于压力降低，其相应的饱和温度也降低，部分液体将要气化。节流的气化率与节流前后的压力，液体的组成及过冷度有关。通常，未过冷时液空、液氮节流后的气化率可达15%~20%，这就使得上塔德回流液量减少，对上塔的精馏不利。为了减少节流气化率，因而设置了过冷器。它是靠回收污氮、纯氮的冷量、使液空、液氮的温度降低。低于下塔压力所对应的饱和温度称为过冷。如果过冷度为3~9℃，则节流后的气化率可减少到8%~12%。

另一方面，低温氮气经过过冷器温度升高，这可缩小切换式换热器（或蓄冷器）的冷端温差，有利于自清除，以该善切换式换热器的不冻结性。

此外，过冷器还起到调配冷量的作用。它可使一部分冷量又返回上塔。因此，空气

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带入下塔的能量（焓值）升高，使冷凝蒸发器的热负荷增加，对上塔德精馏有利。 设置在储槽及液氧泵前的过冷器时为了减少由于管道跑冷损失以及流阻引起的液体气化损失，防止泵内产生气蚀现象。一般过冷度在5℃。

（五）精馏

1、流程描述：

空气分离从主换热器底部出来的空气进入下塔中进行预分离。在下塔顶部得到纯氮气，底部得到富氧液空。来自下塔顶部的氮气一部分在冷凝蒸发器中冷凝成液氮，同时加热蒸发来自上塔的液氧，一部分在高压主换热器被空气复热后作为产品。来自冷凝蒸发器的液氮为下塔提供回流液，另一部分经由过冷器过冷后作为上塔的回流液。冷凝蒸发器中蒸发的氧气则返回上塔。来自下塔的富氧液空经由过冷器冷却后作为纯氩塔的冷源，经过最终分离，在上塔底部得到液氧，顶部得到污氮气。从上塔出来的污氮气经过过冷器，交换冷量后经由主换热器复热后离开冷箱。部分污氮气用于分子筛再生，其余进入蒸发冷却塔中。

氧蒸汽压与温度曲线

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氮蒸汽压与温度曲线

氩蒸汽压与温度曲线

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2、精馏过程与原理描述：

（1）下塔又叫中压塔。工作压力一般为0.5～0.6MPa在下塔，原料空气达到初步分离，可获得纯液氮和富氧液空。

（2）上塔又叫低压塔。塔的工作压力一般为0.05～0.06MPa。以富氧液体为原料进行分离，取得高纯度氧和氮产品。

（3）冷凝蒸发器（简称主冷凝器）。一般介于上下塔之间。上塔通过主冷凝器，从下塔取得热量，使液氧蒸发。下塔通过主冷凝器，从上塔取得冷量，使氮气冷凝。

精馏塔是设有多层塔板（对筛板塔，填料塔德工作原理相同）的设备。在塔板上有一定厚度的液体层。精馏塔一般多为双级精馏塔，分为上塔和下塔两部分。

压缩空气径清除水分，二氧化碳，并在热交换器中被冷凝却及膨胀（对中压流程）后送入下塔的底部，最为下塔的上气。因为它含氧21%，在0.6MPa下，对应的饱和温度为100.05K。在冷凝蒸发器中冷凝的液氮从下塔的顶部下流，作为回流液体。因其含氧为0.01~1%,在0.6MPa下的饱和温度约为96.3K。由此可见，精馏塔下部的上升蒸汽温度高，从塔顶下流的液体温度较低。下塔的上升气每经过一块塔板就遇到比它温度低的液体，气体本身的温度就要降低，并不断有部分蒸汽冷凝成液体。由于氧是难挥发组分，氮时易挥发组分，在冷凝过程中，氧要比氮较多地冷凝下来，于是剩下的蒸气中含氮浓度就有所提高。就这样一次一次地进行下去，到塔顶后，蒸汽中的氧绝大部分已被液体中去了，其含氮浓度高达99%以上。这部分氮气被引到冷凝蒸发器中，放出热量后全部冷凝成液氮，其中一部分作为下塔的回流液从上往下流动。液体在下流的过程中，每经过一块塔板遇到下面上升的温度较高的蒸汽，吸热后一部分液体就要气化，在气化过程中由于氮时易挥发组分，氧时难挥发组分，因此氮气比氧较多地蒸发出来，剩下的液体中氧浓度就有所提高，这样一次、一次地进行下去，到达塔底就可以得到氧含量为

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空气富氧液空液氧液氮氧气氮气38%~40%的夜空。因此，经过下塔的精馏，可将空气初步分离成含氧38%~40%的富氧夜空和含氮99%以上的液氮。

然后将夜空径节流降压后送到上塔中部，作为进一步精馏的原料。与下塔精馏的原理相同，液体下流时，径多次部分蒸发，氮较多地蒸发出来，于是下流液体中的含氧浓度不断提高，到达上塔底部可得到含氧99.2%~99.6%液氧。从液空进料口至上塔底部塔板上的精馏时提高难挥发组分的浓度，叫提留段。这部分液氧在冷凝蒸发器中吸热而蒸发成气氧，在0.14MPa下塔德温度为93.7K左右。一部分气氧作为产品引出，大部分作为上塔的上升气。在上升过程中部分蒸汽冷凝，蒸汽中的氮含量不断增加。由于上塔中部液空入口处的上升气中还有较多的氧组分，如果放掉氧的损失太大，所以在进行精馏。从冷凝蒸发器引出部分含氮99%以上的液氮节流后送至上塔顶部，作为回流液，蒸汽在进行多次部分冷凝，同时回流液多次部分蒸发。其中氧较多地留在液相里，氮较多地蒸发到气相中，到了上塔顶，便可得到含氮99%以上的氮气。从液氮进料口到液空进料口是为了进一步提高蒸汽中低沸点组分（氮）的浓度，叫精馏段。如果需要纯氮产品还需要再次精馏，才能得到含氮99.99%的纯氮产品。这就是精馏塔内将空气分离成氧、氮的过程。 3、精馏塔

精馏塔分为筛板塔和填料塔两大类。填料塔分为散堆填料和规整填料两种。筛板塔虽然结构简单，适应性强，宜于放大，在空分设备中被广泛使用。但是，随着气液传热，传质技术的发展，对高效规整填料的研究，一些效率高、压降小、持液量小的规整填料的开发，在近十多年内，有逐步替代筛板塔德趋势。

规整填料由厚约0.22mm的金属波纹板组成，一块块排列起来的金属波纹板，低温液体在每一片填料表面上都形成一层液膜，与上升的蒸汽相接触，进行传热传质。规整填料的金属比表面约是筛板的30倍，液氧持留量仅为筛板的35%~40%。而且，因为精馏塔截面积比筛板塔小1/3，填料垂直排列，不存在水平方向浓度梯度的问题，只要液体分布均匀，精馏效率较高，压力降较小，气体穿过填料液膜的压差比传过筛板液层的压差要小很多，约只有50Pa，上塔底部压力的下降，必然可导致下塔压力降低，进而主空压机的出口压力相应将降低，时整套空分的能耗降低。同时，规整填料液体的滞留量小，因此，对负荷变化的应变能力较强。

归纳起来，规整填料塔与筛板塔相比，有以下优点：

1）压降非常小。气相在填料中的液相膜表面进行对流传质、传热、不存在塔板上清液层及筛孔的阻力。在正常情况下，规整填料的阻力只有相应筛板塔阻力的1/5~1/6。

2)热、质交换从分，分离效率高，时产品的提取率提高；

3）操作弹性大，不产生液泛或漏液，所以负荷调节范围大，适应性强。负荷调节范围可以在30%`110%,筛板的调节在70%~100%；

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4）液体滞留量少，启动和负荷调节速度快；

5）可以节约能源。由于阻力小，空气进塔压力可降低0.07MPa左右，因而使空气能耗减少6.5%左右；

6）塔径可以减少。

此外，应用规整填料后，由于当量理论塔板的压差减小，全精馏制氩可能实现，氩提取率提高10%~15%。

规整填料精馏塔一把分为3~5段填料层，每段之间有液体收集器和在分布器，传统筛板塔的板间距为110~160mm，而规整填料的等板高为250~300mm，因此填料塔的高度会增加。一般都选择铝作为规整填料的材料，这样可减轻重量和减少费用，但必须控制好填料金属表面残留润滑油量小于50mg/。在这样条件下，可认为铝填料和铝筛板塔用于氧精馏时同样安全的。

当然，规整填料的成本要比筛板塔高，塔身也较高。但是，它的优点是突出的，所以，进入90年代后，许多空分设备生产厂首先在上塔和氩塔用规整填料替代了筛板塔，并有进一步在下塔也采用的趋势。

规整填料的每1m填料相当的理论塔板数与上升气体的空塔流速成反比，与气体的密度的1/2次方成反比。由于下塔的压力高，气体密度大，当处理的气量和塔径一定时，每米填料的理论塔板数减少，即需要有较高的下塔才能满足要求，这将是阻力增大，能耗增加，如果靠增大塔径来降低流速，提高每米填料的理论塔板数，侧会增加下塔的投资成本。因此，下塔是否才用规整填料，需要权衡利弊。目前还是以采用筛板塔居多。 4、精馏塔的调纯

回流比：在空气精馏中，回流比一般是指塔内下流液体量与上升蒸汽量之比，它又称为液气比。而在化工生产中，回流比一般是指塔内下流液体量与塔顶馏出液体量之比。

精馏产品的纯度，在塔板数一定的条件下，取决于回流比的大小。回流比大时所得到的气相氮纯度高，液相氧纯度就低。回流比小时得到的气相氮纯度就低，液相得氧纯度就高。这是因为温度较高的上升气与温度较低的下流液体在塔板上混合，进行热质交换后，在理想情况下他们的温度可趋于一致，即达到同一个温度。这个温度介于原来的气、液温度之间。如果回流比大、即下流的冷液体多或者上升的蒸汽少时，则气液混合温度必然偏于低温液体边，于是上升蒸汽的温降就大，蒸汽冷凝的就多。因氧时难挥发组分，故氧组分冷凝下来相应也较多些，这样离开塔板的上升气体的氮浓度也提高很快。每块塔板都是如此，因此在塔顶得到的其他含氮纯度就高。另一方面，应为气液混合物温度偏于低温一边，于是下流液体的温升就小，液体蒸发得也少，因而液体中蒸发出来的氮组分相应也少些，这样离开塔板的下流液体中氧浓度就提高的很慢。因而导致塔底液体的氧浓度就低。常说的精馏塔塔温高，实际就是指回流比小，塔温低，就是回流比大的情况。

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纯度控制：精馏空气必须具备两个条件；一是有一定的回流液，二是有一定的上升蒸汽量。若其比例（回流比）不合适，就不能制取高纯的氧、氮产品。当上升蒸汽量过少，回流液过多，液体中的氮分子由于蒸汽传入的热量不过而不能充分的蒸发，氧纯度就降低；反之，当回流液相对过少时，回流液不能是蒸汽中的氧分子充分冷凝下来，氮纯度就降低。

下塔的液空，液氮时提供给上塔做为精馏的原料液，因此，下塔精馏时上塔精馏的基础。妥善地控制夜空，液氮纯度的目的在于保证氧、氮产品的纯度和产量。

液空纯度高时，氧气纯度才可能提高。液氮纯度高而输出量大时，氮气纯度才能达到理想纯度，但是，液空、液氮的纯度是互相制约的。一种纯度提高，另一种纯度必然降低。并且，液空、液氮的纯度和各自的输出量也互相制约，提高其纯度，流量必然减少。

从以上种种制约可以看出，液空、液氮的纯度和导出量又个平衡点，这就需要稳步地，认真仔细地寻求。下塔的操作要点在于控制液氮节流阀的开度。具体地来说，就是要在液氮纯度合乎上塔精馏要求的情况下，尽量地加大其导出量。这样可以为上塔精馏提供更多的回流液。回流比的增大可使氮气纯度得到保障。于此同时，下塔回流比也会因此而减少，液空纯度会得到提高，进而可以是氧气纯度得到提高。

液氮节流阀究竟开到什么程度合适呢？这可以同过液氮纯度与气氮的纯度差额来判断。在正常情况下，喷淋液氮与出上塔气氮纯度相等或者液氮稍低，允许液氮纯度低于气氮纯度0.51%~2%。纯度越低，其差值越大；纯度越高，差值越小，当气氮纯度高于99.9%时，则应使液氮出动相当于气氮纯度。

如果出现液氮纯度很高，而气氮纯度比液氮纯度还低的不正常现象，则说明导入上塔的液氮量太少，从而造成上塔顶部塔板的液体不足，精馏段回流比不够，氮气纯度无法提高。同时，下塔也会因液氮节流阀开度太小，回流比增大，液空纯度下降，进一步造成氧气纯度降低，此时，液氮节流阀开度必须加大。这时，液氮纯度虽然会有所下降。但是气氮纯度却反而能提高。在具有污液氮节流阀和纯液氮节流阀的流程中，在操作时，通常用污液氮节流阀控制液空纯度，而用纯液氮节流阀控制氮纯度。 氧、氩精馏

常规的制氩方法先从精馏塔抽取含氩达9%~12%的氩馏分，再在粗氩塔中进行氧氩分离，获得96%Ar+2.5%O2+1.5%N2组成的粗氩。然后经加氢除氧纯化后，最终在精馏塔实现氩氧分离，获得99.999%的精氩产品。

加氢法除去粗氩中的氧，是一种传统的氩精制法，应用化学原理在粗氩中加入纯氢气，粗氩由氧与氢在钯触媒的催化作用下化合成水，并放出热量。约1%的氧可使塔温升高230℃。加氢后粗氩径冷冻机降温，除去生成的水，在径活性氧化铝干燥器除去微量水。这种方法的工艺流程复杂，产品提取率低，设备费用及运行费用高，安全性差。

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全精馏制氩，即全部用精馏的方法除去馏分氩中的氧、氮、得到高纯氩气。通常氩—氮的分离都是用全精馏的方法来实现的。由于氧、氩在常压下沸点仅差3K，非常接近，如果用低温精馏来实现氧—氩分离，约需要150~180块理论塔板，用筛板塔来分离的实际塔板数要170~200块塔板，以每块塔板阻力为0.3KPa计算，170块塔板产生的压差为51KPa。粗氩塔粗氩蒸汽的冷凝式靠冷凝器另一侧富氧夜空蒸发，而蒸发侧的压力与上塔中部的操作压力相平衡，可确定粗氩塔顶部的温度和压力，而粗氩塔底部馏分氩入口的压力取决于上塔中、下部的压力。这样看来，粗氩塔德总压差式有限的，估计在5~18KPa，允许设置50~60块塔板，这样粗氩塔精馏获得的氩气中含氧量只能在2%~3%。

规整填料每当量理论塔板的压降世每理论筛板的1/8左右。这样在粗氩塔允许的压降范围就可以设置相当于170块理论塔板的规整填料，实现氧—氩的全精馏分离。为了降低粗氩塔德高度，往往采取设置二级粗氩塔。一级粗氩塔出口氩中氧含量小于10-6，可直接进入精氩塔进行精馏。

两者相比，全精馏法制氩工艺具有流程简化，操作方便，安全，稳定，氩的提取率高的优点，虽然设备投资目前要高一些，但随着规整填料的发展，该技术有很大推广价值。

该系统主要由粗氩塔I、粗氩塔II、粗氩冷凝器，纯氩塔及其冷凝、蒸发器，工艺液氩泵等组成。由上塔中部抽出的氩馏份气，进入粗氩塔I进行精馏，使氧的含量降低。粗氩塔I的回流液是由粗氩塔II底部引出经工艺液氩泵输送来的液态粗氩，粗氩塔I底部的液体再返回上塔参与精馏。由粗氩塔I顶部引出的气体进入粗氩塔II底部并在其中进行更进一步的氩、氧分离。结果在其顶部得到O2≤2 PPm的粗氩气。粗氩气经粗氩冷凝器冷凝成液体后作为回流液返回粗氩塔II。粗氩冷凝器的冷源是过冷器后引出的液空，液空与粗氩气换热（蒸发）后返回上塔适当部位参与上塔精馏。从粗氩冷凝器板式单元引出适量的含O2≤2 PPm的粗氩气进入纯氩塔中部，经纯氩塔的精馏，在其底部得到合格的液氩，除一部分作为产品经调节阀送出冷箱进入液氩贮存系统外，其余与来自下塔的夜空换热，使其蒸发作为上升气参与纯氩塔的精馏。而液化后的液氮返回上塔顶部参与上塔的精馏。纯氩塔顶部设有冷凝器，使上升气氩冷凝成液体作为纯氩塔的回流液，该冷凝器的冷源为来自过冷器后的液空，液空蒸发后返回上塔。

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