什么是空气分离设备?

什么是空气分离设备?

[拼音]：kongqi fenli shebei

[外文]：air separation plant

将空气液化、精馏、最终分离成为氧、氮和其他有用气体的气体分离设备，简称空分设备。它的最低工作温度为 77K。空气是气体的混合物，干燥空气的组成见表1。

简史

空气曾被称为“永久气体”。到19世纪末，人们发现在深低温下空气也能液化，并因氧、氮沸点不同，可以从液化空气中分离出氧气和氮气。第一台商品化的制氧机于1903年制成，它最初只是用于金属的气焊和切割。30年代末，氮肥工业需要氮气，制氧机发展到能同时生产氧气和氮气，改称空气分离设备。到50年代，由于吹氧炼钢和高炉鼓风工艺的推广应用以及氮肥工业的迅速发展，空气分离设备向大型化发展，并应用了近代的科研成果，如采用透平压缩机、透平膨胀机、板翅式换热器、微型计算机和分子筛吸附器等设备之后，空气分离设备不断得到改进和完善，设备中的空气压力从高压（20兆帕）降到低压（小于1兆帕），单位产品的电耗也逐渐下降（每立方米氧的电耗从1.5降至0.6千瓦·小时）。现代空气分离设备能生产各种容量、不同纯度的气态或液态产品，也能制造超高纯度的氧和氮（如含氧99.998％和含氮99.9995％）。空气分离设备还能根据用户的需要，通过电子计算机的控制，随时增减产品的数量，达到经济用氧的目的。到80年代，大型空气分离设备的氧气生产能力已达到70000米3 ／时；空气压力下降到0.36兆帕；连续运转周期可达2年以上。

分类

空气分离设备是由多种机械和设备组成的成套设备，常按空气压力来分类。常用的有高压、中压和低压3种（表2）。

选择设备类型时应考虑产品种类、容量和纯度的要求，以及电耗、安全连续运转周期等因素。

低压设备由于电耗低、连续运转周期长、经济效益高，被广泛采用。

低压空气分离设备

图1是低压空气分离设备简图。整个设备由空气压缩系统、杂质净化和换热系统、制冷系统和液化精馏 4个主要系统组成。相应的机械设备有空气透平压缩机、空气冷却塔、透平膨胀机和分馏塔等。低压空气分离设备的工作原理(图2)建立在液化循环和精馏理论基础上。进入的空气先经空气过滤器，而后由透平压缩机、空气冷却塔压缩和冷却到压力为0.5兆帕、温度为303K左右，再进入切换式换热器(E1、E2)。两换热器能清除空气中的水和二氧化碳，并进行热交换，把空气冷却到接近液化温度(101K)后送入下塔，从下塔抽出一部分空气送到换热器(E2)加热。加热的空气与下塔来的少量冷空气汇合后进入透平膨胀机绝热膨胀，产生需要的冷量，然后被送往上塔精馏。余下的空气在下塔初步精馏。在底部得到含氧38％的液化空气，在下塔的顶部得到含氮 99.99％的纯液氮，在中部获得含氮约95％的污液氮。液化空气、纯液氮、污液氮分别从下塔抽出通过节流阀减压到约0.05兆帕，送入上塔作回流液，在此进行第二次深低温精馏，在上塔底部得到含氧99.6～99.8％的高纯度氧气，流经换热器(E4、E2、E1)与空气进行热交换，升温到大气温度后排出塔外。在上塔顶部获得含氮99.999％的高纯度氮气，在上塔中部得到含氮约96％的污氮，均经换热器(E3、E4、E2、E1)复热到大气温度后排出装置。位于上、下塔之间的冷凝蒸发器也是一种换热器，它的功用是通过换热，将上塔底部的液氧蒸发，而将下塔的气氮冷凝，故称冷凝蒸发器。液氧蒸发后一部分作为产品输出，其余部分作为上塔精馏所需的上升蒸气。下塔冷凝的液氮，一部分送往上塔作上塔回流液，另一部分作为下塔精馏所需要的回流液。因此，冷凝蒸发器是使上、下塔能起精馏作用的不可缺少的设备之一。除上述主要设备外，冷箱内还有吸附器，它能吸附未被冻结在换热器(E1、E2)中的杂质二氧化碳和易爆物质。箱内还设有液氧泵，使液氧循环流动和清除致爆物质，以保证设备的安全运转。在低温下工作的换热器、塔、液氧泵和透平膨胀机等都装在填充有绝热材料的冷箱内，以减少冷量损失。出冷箱的产品氧气和氮气，再送往贮存系统和透平压缩机内升压到需要的压力后供用户使用。