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摘要：在化工企业中，高纯度的氧气和氮气是重要的工艺原料气体，氮气还是常用的保护气和输送动力气。为此，安全可靠的空气分离设备，是化工企业正常生产的重要保证。本文通过介绍三种常用的空气分离方法，分析化工企业空气分离装置的工艺流程选择。
关键词：化工企业；空气分离装置；工艺流程
1、引言
改革开放以来，我国工业化发展迅速，各行各业都呈现出蓬勃发展之势。化工行业作为一个基础的民生行业，近年来发展迅速，我国的化工水平与西方发达国家之间的距离越来越小。无论是我国化工原料产品的生产还是精细化学品的生产方面都在国际市场上占有一席之地，化工生产过程中会用到氧气、氮气、二氧化碳等气体，空气分离装置在大型化工企业中是不可或缺的。但是空气分离装置流程的选择关系到分离气体的纯度与质量和工艺装置的安全性，空气分离装置安全高效地运行是保证企业盈利的根本。因此，在保证安全的前提下，合理的选择流程，提升气体分离效率，保证气体质量，争取实现经济效益的最大化。
2、变压吸附分离工艺
变压吸附分离工艺核心部机为装有分子筛的吸附塔。利用不同组分在分子筛微孔中扩散吸附速率的不同，对空气中氧气或氮气进行分离。在吸附未达到平衡时，氧或氮在气相中被富集起来，形成产品气体。然后经减压至常压，吸附剂脱附所吸附的废气、杂质，实现再生。在系统中设置两个吸附塔，一塔吸附产氧或氮，另一塔脱附再生，通过PLC程序控制器控制气动阀的启闭，使两塔交替循环工作，实现连续生产氧气或氮气。
变压吸附分离工艺的优点在于运行参数稳定、能耗低、维修便利，其大多为撬装式组合结构，能够实现无人操作。但其缺点也非常明显，生产出的氮气或者氧气具有较差的纯度，气体压力较低。产品纯度会对设备尺寸、设备能力产生较大的影响，这是由于变压吸附分离工艺的规模本身较小。一般情况下变压吸附产品的最小气体压力约为0.4MPa，最大气体压力约为0.8MPa，制氮纯度能够达到95%～99.9%，制氧纯度能够达到93%±2%。根据当前的国内技术水平，单套产品的最大变压吸附制氮处理量能够达到1000Nm3/h，最大变压吸附制氧往往难以达到500Nm3/h。当前成熟产品在氮纯度达到或超过99.99%的情况下，制氮能力仅为600Nm3/h，在氧纯度为95%～99%的情况下，制氧能力能够达到6000Nm3/h。
3、膜分离工艺
膜分离技术依靠不同气体在膜中溶解和扩散系数的差异来实现气体的分离。当混合气体在驱动力与膜两侧压力差作用下，渗透速率相当快的气体如氧气、水汽、氢气、二氧化碳等透过膜后，在膜的渗透侧被富集，而渗透速率相当慢的气体如氮气、氩气等被滞留在膜的滞留侧被富集从而达到混合气体分离的目的。
膜分离工艺的优点在于启动速度快、占地面积小、能耗低、噪音小、设备结构紧凑，并且能够实现无人操作。膜分离设备结构比较简单，可以做成集装箱式、撬装式或者箱式，安装起来比较便利，5～l5分钟之内就可以将合格的产品气体提供出来，具有较快的运行速率。但是由于设备结构简单，膜的质量会直接影响膜分离设备的使用寿命。而且一旦膜发生老化，要对其进行更换或者维修比较不便。膜分离工艺的另一个缺点在于具有有限的分离能力，产品气体的纯度较低，氮气产品的纯度约为95%～99%，氧气产品的纯度约为45%，往往用于对产品气体纯度要求不高的行业，例如医用行业、污水处理行业和富氧燃烧等等。
4、低温精馏工艺
低温精馏工艺的原理则是利用了氧气和氮气的沸点不同来实现空气中氧氮分离的。压力和温度会影响气体的沸点，所以此工艺是利用高压、低温的环境，以及氧、氮沸点的不同，把空气进行液化时由精馏塔精馏的传质传热后，分离得到氧气和氮气。其具有产气量大、气体纯度高、气体压力足的优点。满足现在工厂等用户在生产上的高要求。其缺点则是启动耗时比较长、具体操作比较复杂、负荷调节的范围较小，只适用于大气量和稳定气量的连续供气情况。虽然引入了DCS控制系统，但还需改进加强。目前低温精馏工艺经过不断发展，在根据用户的不同需求下，出现了多种工艺流程。
4.1内压缩与外压缩流程
目前，对于气体的加压方式主要存在着两种形式，一种是外压缩，另一种是内压缩。通常情况下空气分离装置生产气体的过程中是在常温下进行的，因此，对于外压缩机应该加压到所需要的压力。在减压状态下，气体的沸点会降低，对于内压缩的原理来说，主要是将精馏塔中的液体产品通过泵提高压力，之后通过换热器进入主管路。两种方式的主要区别在于外压缩通过压缩机进行降压，内压缩是通过液压泵进行加压，内压缩工艺运行费用较低，设备维护简单，安全系数较高，操作方便。
4.2规整填料
规整填料在近几年来得到了迅速的推广和普及，其具有以下几个优势：（1）可以提高氧、氮、氩的分离率。在采用了填料塔后，上塔及氩塔的操作压力大幅度下降，可以降低15%—20%的压力，下塔的压力也会随之相应的下降。这样就会很大程度上利于氧、氮、氩的分离，尤其是氧气和氩气的分离，可以使氧的提取率提高1%—3%，氩的提取率可以提高5%—10%。（2）可以连续进行热质交换，能耗降低。使用规整填料塔后，因为回流液会在填料的表面形成一层液膜，上塔阻力会降低至相应筛板塔的1/4—1/6，由于汽、液有了不同的流路，就会持续进行热交换，使填料上塔的阻力大幅度下降、不可逆性降低，从而最终使能耗下降。（3）可进行大范围变动和操作。在采用填料塔后，由于汽液的接触是连续性的，所以塔本身的持液量减少，可以承受较大的负荷范围内进行变动，负荷范围达40%—120%，而且变工况操作也比较快。
4.3全精餾无氢制氩
全精馏无氢制氩技术是一种新工艺技术，在国内大型化工企业中已经有不少该装置。该工艺技术分为两步，第一步是通过加氢除去气体中的氧气，得到粗氩气，之后再采用低温精馏的方法除去其中的氮气得到高纯度的氩气。
5、结束语
目前空气分离装置设计制造正朝着专业化、规模化、标准化的方向发展，各企业应该根据自身的实际情况合理的选择分离工艺，保证生产安全的前提下，提高生产质量，降低生产成本，争取经济利益的最大化。目前这三种空气分离工艺技术仍然存在着很多问题，需要进一步优化工艺，才能实现空气的高效分离。
参考文献：
[1]空气分离技术回顾与展望[J].陈宗蓬，王晨，谢东红，王斌.医用气体工程.2016（01）.
[2]空气分离过程设备密封失效分析[J].李强.科技展望.2016（30）.
[3]变压吸附空气分离制氧微型化技术讨论[J].向兆永.科技展望.2015（05）.
[4]空气分离技术运行调优措施探讨[J].叶鹏.化工管理.2017（30）.
（作者单位：杭州杭氧股份有限公司）
关键词：化工企业；空气分离装置；工艺流程
1、引言
改革开放以来，我国工业化发展迅速，各行各业都呈现出蓬勃发展之势。化工行业作为一个基础的民生行业，近年来发展迅速，我国的化工水平与西方发达国家之间的距离越来越小。无论是我国化工原料产品的生产还是精细化学品的生产方面都在国际市场上占有一席之地，化工生产过程中会用到氧气、氮气、二氧化碳等气体，空气分离装置在大型化工企业中是不可或缺的。但是空气分离装置流程的选择关系到分离气体的纯度与质量和工艺装置的安全性，空气分离装置安全高效地运行是保证企业盈利的根本。因此，在保证安全的前提下，合理的选择流程，提升气体分离效率，保证气体质量，争取实现经济效益的最大化。
2、变压吸附分离工艺
变压吸附分离工艺核心部机为装有分子筛的吸附塔。利用不同组分在分子筛微孔中扩散吸附速率的不同，对空气中氧气或氮气进行分离。在吸附未达到平衡时，氧或氮在气相中被富集起来，形成产品气体。然后经减压至常压，吸附剂脱附所吸附的废气、杂质，实现再生。在系统中设置两个吸附塔，一塔吸附产氧或氮，另一塔脱附再生，通过PLC程序控制器控制气动阀的启闭，使两塔交替循环工作，实现连续生产氧气或氮气。
变压吸附分离工艺的优点在于运行参数稳定、能耗低、维修便利，其大多为撬装式组合结构，能够实现无人操作。但其缺点也非常明显，生产出的氮气或者氧气具有较差的纯度，气体压力较低。产品纯度会对设备尺寸、设备能力产生较大的影响，这是由于变压吸附分离工艺的规模本身较小。一般情况下变压吸附产品的最小气体压力约为0.4MPa，最大气体压力约为0.8MPa，制氮纯度能够达到95%～99.9%，制氧纯度能够达到93%±2%。根据当前的国内技术水平，单套产品的最大变压吸附制氮处理量能够达到1000Nm3/h，最大变压吸附制氧往往难以达到500Nm3/h。当前成熟产品在氮纯度达到或超过99.99%的情况下，制氮能力仅为600Nm3/h，在氧纯度为95%～99%的情况下，制氧能力能够达到6000Nm3/h。
3、膜分离工艺
膜分离技术依靠不同气体在膜中溶解和扩散系数的差异来实现气体的分离。当混合气体在驱动力与膜两侧压力差作用下，渗透速率相当快的气体如氧气、水汽、氢气、二氧化碳等透过膜后，在膜的渗透侧被富集，而渗透速率相当慢的气体如氮气、氩气等被滞留在膜的滞留侧被富集从而达到混合气体分离的目的。
膜分离工艺的优点在于启动速度快、占地面积小、能耗低、噪音小、设备结构紧凑，并且能够实现无人操作。膜分离设备结构比较简单，可以做成集装箱式、撬装式或者箱式，安装起来比较便利，5～l5分钟之内就可以将合格的产品气体提供出来，具有较快的运行速率。但是由于设备结构简单，膜的质量会直接影响膜分离设备的使用寿命。而且一旦膜发生老化，要对其进行更换或者维修比较不便。膜分离工艺的另一个缺点在于具有有限的分离能力，产品气体的纯度较低，氮气产品的纯度约为95%～99%，氧气产品的纯度约为45%，往往用于对产品气体纯度要求不高的行业，例如医用行业、污水处理行业和富氧燃烧等等。
4、低温精馏工艺
低温精馏工艺的原理则是利用了氧气和氮气的沸点不同来实现空气中氧氮分离的。压力和温度会影响气体的沸点，所以此工艺是利用高压、低温的环境，以及氧、氮沸点的不同，把空气进行液化时由精馏塔精馏的传质传热后，分离得到氧气和氮气。其具有产气量大、气体纯度高、气体压力足的优点。满足现在工厂等用户在生产上的高要求。其缺点则是启动耗时比较长、具体操作比较复杂、负荷调节的范围较小，只适用于大气量和稳定气量的连续供气情况。虽然引入了DCS控制系统，但还需改进加强。目前低温精馏工艺经过不断发展，在根据用户的不同需求下，出现了多种工艺流程。
4.1内压缩与外压缩流程
目前，对于气体的加压方式主要存在着两种形式，一种是外压缩，另一种是内压缩。通常情况下空气分离装置生产气体的过程中是在常温下进行的，因此，对于外压缩机应该加压到所需要的压力。在减压状态下，气体的沸点会降低，对于内压缩的原理来说，主要是将精馏塔中的液体产品通过泵提高压力，之后通过换热器进入主管路。两种方式的主要区别在于外压缩通过压缩机进行降压，内压缩是通过液压泵进行加压，内压缩工艺运行费用较低，设备维护简单，安全系数较高，操作方便。
4.2规整填料
规整填料在近几年来得到了迅速的推广和普及，其具有以下几个优势：（1）可以提高氧、氮、氩的分离率。在采用了填料塔后，上塔及氩塔的操作压力大幅度下降，可以降低15%—20%的压力，下塔的压力也会随之相应的下降。这样就会很大程度上利于氧、氮、氩的分离，尤其是氧气和氩气的分离，可以使氧的提取率提高1%—3%，氩的提取率可以提高5%—10%。（2）可以连续进行热质交换，能耗降低。使用规整填料塔后，因为回流液会在填料的表面形成一层液膜，上塔阻力会降低至相应筛板塔的1/4—1/6，由于汽、液有了不同的流路，就会持续进行热交换，使填料上塔的阻力大幅度下降、不可逆性降低，从而最终使能耗下降。（3）可进行大范围变动和操作。在采用填料塔后，由于汽液的接触是连续性的，所以塔本身的持液量减少，可以承受较大的负荷范围内进行变动，负荷范围达40%—120%，而且变工况操作也比较快。
4.3全精餾无氢制氩
全精馏无氢制氩技术是一种新工艺技术，在国内大型化工企业中已经有不少该装置。该工艺技术分为两步，第一步是通过加氢除去气体中的氧气，得到粗氩气，之后再采用低温精馏的方法除去其中的氮气得到高纯度的氩气。
5、结束语
目前空气分离装置设计制造正朝着专业化、规模化、标准化的方向发展，各企业应该根据自身的实际情况合理的选择分离工艺，保证生产安全的前提下，提高生产质量，降低生产成本，争取经济利益的最大化。目前这三种空气分离工艺技术仍然存在着很多问题，需要进一步优化工艺，才能实现空气的高效分离。
参考文献：
[1]空气分离技术回顾与展望[J].陈宗蓬，王晨，谢东红，王斌.医用气体工程.2016（01）.
[2]空气分离过程设备密封失效分析[J].李强.科技展望.2016（30）.
[3]变压吸附空气分离制氧微型化技术讨论[J].向兆永.科技展望.2015（05）.
[4]空气分离技术运行调优措施探讨[J].叶鹏.化工管理.2017（30）.
（作者单位：杭州杭氧股份有限公司）