论文部分内容阅读
[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
[1] 廖正强.简析空分装置工艺技术路线的分析及比选[J].科技创新与应用，2014（14）：78.
[2] 赵宁博.多变量预测控制在空分装置自动变负荷中的应用分析[J].化学工程与装备，2014（05）：119-121.
[3] 赵绍武，姬丽，曾祥文，冯双双.空分装置低压空气管道爆破的原因分析及预防措施[J].低温与特气，2012，30（05）：46-48.
[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
[1] 廖正强.简析空分装置工艺技术路线的分析及比选[J].科技创新与应用，2014（14）：78.
[2] 赵宁博.多变量预测控制在空分装置自动变负荷中的应用分析[J].化学工程与装备，2014（05）：119-121.
[3] 赵绍武，姬丽，曾祥文，冯双双.空分装置低压空气管道爆破的原因分析及预防措施[J].低温与特气，2012，30（05）：46-48.