浅谈空分装置工艺及其流程

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  [摘 要]通过深度冷冻,再利用不同的气体沸点具有较大差异这一物理现象,将空气中的氧气、氮气等气体逐一分离,这就是空分装置能够分离空气的主要原理。空气分离装置的工艺技术日益成熟,不仅可以达到较好的空气分离的效果,还实现了节能环保的功能,这对相关工业的发展和进步,起到了积极的影响。基于此,本文对空分装置工艺及其流程进行分析。
  [关键词]空分装置;工艺;流程
  中图分类号:G334 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2018)30-0295-01
  空气分离装置是现代工业生产中的重要组成部分,以空气为生产原料,以多种生产工艺流程来分离空气中的氧气、氮气等成分,转化成液态形式,供应给石油、冶金、生物制药等多种工业生产使用。随着我国现代化工业发展越来越快,空气分离装置的应用前景也越来越广泛。
  1 空分装置的概述
  空气分离装置的主要任务是给气化炉供给所需要的高纯度氧气,为煤气化系统提供保护氮气,以及相应的仪表空气和工厂空气。空气分离装置在冷量过剩的情况下,也可以产生一些液体产品储存到备用储罐中,以确保在制氧过程中,在突然停车情况下系统仍可以进行工作。
  2 空分装置工艺分析
  在现实的生产活动中,用于进行空气分离的装置较多,不同的空分装置所使用的技术方法也不同,在实际生产活动中,要根据生产目的对空分装置工艺技术进行选择。目前常见的空分装置工艺技术主要有3种,即低温法、吸附法和膜分离法。
  2.1 低温法
  低温法首先是把空气进行压缩,使其膨胀降温,最后空气被液化,然后利用氧气、氮气的气化温度的区别,氧气的沸点是90K,氮的沸点是77K,沸点较低的氮气和氧气相比较而言更加容易被气化,在精馏塔内和温度较高的蒸气相互接触,液体中氮气被蒸发,气体中液氧被冷凝,使得上升蒸汽中含氮量提升,下流液体中含氧量增大,以此实现空气分离的目的。让空气液化,其要求是要把空气冷却到100K之下,我们把这种方法称之为深度冷冻;通过沸点差把液空进行分离,我们称之为精馏过程,而低温分离法就是结合了深度冷冻和精馏过程,是现阶段应用较为广泛的空气分离方法。
  除此之外,现阶段我国生产的空分装置型式和种类比较多,包括生产气态氧、氮的设备,生产液态氧、氮气的设备,然而就低温分离法来说,我们可以把其基本流程分为四个方面,也就是高压、中压、高低压以及全低压流程。
  2.2 吸附法
  吸附分离法就是利用某种特殊物质,让空气吸附,通过分子筛的吸附塔,对具有不同吸附特点的空气进行分离,比如有些分析筛5A、13X等,对于氮气具有很强的吸附能力,仅仅让氧气分子通过吸附塔,从而得到了较高纯度的氧气;有的分子筛,比如说碳分子筛,对于氧气有较高的吸附能力,那么可以得到较高纯度的氮分子。然而,吸附剂的吸附容量是有一定限度的,如果吸附某种分子饱和之后,就暂时失去了继续吸附的能力,那么必须有一个物质驱赶的过程,使其恢复吸附能力才能继续发挥作用,这个过程叫做“再生”,所有为了确保连续供气,必须准备两个以上的吸附塔,再生的方法可以采用加热升温的方法或者降低压力的方法。以上两种方法流程较为简单,操作起来也比较方便,运行成本不高,然而要获得高纯度的产品还存在较高的难度,产品氧的纯度要求高于93%。而且这些装置仅仅适用于小容量分离装置。
  2.3 膜分离法
  膜分离法的原理是让空气通过薄膜,由于不同的气体穿过薄膜的速度不同,從而达到分离空气的目的。膜分离法的优点是操作简单、设备启动速度快、成本低,但难以支持大批量生产,而且得到的富氧浓度在30%左右。利用膜分离法进行空气分离时,使用的设备以中小型设最为适宜。由于这些限制,目前只在生产富氧燃烧以及医疗保健两方面使用膜分离法。
  3 空分装置工艺流程的选择
  利用空气分离装置工作原理的区别,能够指导我们在基于客户需求的前提下进行经济、稳定、可靠的工艺流程。那么,我们针对空分设备的具体特点,文章对空分装置工艺流程选择进行分析,提出些看法。
  3.1 液态产品
  空分装置及流程所对应的原料是气体形态,转化液体形态需要高压、低温等条件。综合以上工艺的特点,不难判断出,要得到液态产品低温精馏工艺是最佳的选择。这是因为,非低温状态下,尽管可以利用分子筛或者分离膜得到氮氧分子的集合,但在一个大气压的状态下,氧气(纯氧)的沸点是90.17K(-182.98℃),氮气(纯氮)的沸点是77.35K(-195.80℃),根本无法形成液态形式。
  因此,要获得液态产品,必须对温度和压力做出考量,同时液态产品的存储工艺要求也十分严格,这与生产工艺实现对接需要严格的条件。
  3.2 气态产品
  ①双高产品在实际生产中的工艺要求。非低温精馏工艺本身限制较多,因此无法获得高纯度氧气和氮气产品,而单纯的吸附法和膜分离法,也无法得到特定产品时,就必须使用全低压空分低温双塔精馏工艺,以达到生产目的,生产出特定的产品。②产品产量的工艺要求。空分装置如果生产的产品较为单一,那么变压吸附、膜渗透分离以及低温精馏工艺都可以满足其需求,然而由于受到本身技术工艺的限制,变压吸附和膜渗透分离工艺的产品纯度和生产率存在一定的矛盾,所有无法大量制取。现阶段,较为常见的变压吸附和膜渗透分离工艺法进行氧、氮产品的制取,其产量一般不会高于5000Nm3/h,产品的纯度在95%~100%之间。全低压低温精馏空分技术路线属于较为传统的生产工艺,许多大中小型空分装置都得到应用。然而随着变压吸附和膜渗透分离技术工艺的不断发展,小型制氧、氮装置也有了较大的发展前景。实际上,工艺技术路线的区别,主要是针对产品产品以及质量的具体要求,都有其各自的工艺特点。对于如何选择技术工艺,则按照对装置设备的需求不同进行选择。然而,在现阶段氧、氮产品产量高于5000Nm3/h的大中型空分装置,均是采用全低压低温精馏工艺,这是变压吸附和膜渗透分离工艺无法取代的。③操作方式的工艺要求。在操作方面,低温法、吸附法和膜分离法都可以使用小型空分装置。非低温精馏工艺设备启动时间短,操作较为灵活简单,而且拥有较为广泛的负荷调整范围,可以快速得到所需要的产品。但当对产品的连续性要求较高时,使用小型空分装置且操作较为简单的非低温精馏工艺、变压吸附法和膜分离法都无法达到这一要求。因此在对产品的连续性要求较高时,就需要使用操作难度大,设备启动时间长的低温精馏工艺。④大型空分装置产品的工艺要求。较为成熟的全低压空分工艺技术适合应用于大型空分装置,在实际生产中,大型空分装置设备的运行也更加稳定可靠,而且产品质量较好,能够生产出质量要求较高的双高产品,产品的产量也远远高于小型空分装置,因此全低压空分工艺技术在实际生产中,主要应用在石油、化工等行业中。
  结语
  通过以上内容介绍,对国内当前主要的空分工艺与流程进行了分析,当前的空分装置工艺呈现出“新旧混杂”的局面。工艺大大提升了空分装置工艺的产量,节约成本,提高效率,为了获取高纯度的产品,传统工艺依然具有发展前景。综合以上的研究成果,我国未来的空分装置工艺发展还有待进一步的提升,注意结合各自优点,从流程体系入手,满足经济发展需要和环境生态需要。
  参考文献
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