廖正強(qiáng)

摘 要：文章首先對(duì)分離技術(shù)進(jìn)行分析，分別介紹了低溫法、吸附法以及膜分離法等，對(duì)空分裝置工藝技術(shù)路線(xiàn)的選擇進(jìn)行探討，無(wú)論是液態(tài)產(chǎn)品的工藝選擇，還是氣態(tài)產(chǎn)品的工藝選擇，都要根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

關(guān)鍵詞：空分裝置；工藝技術(shù)；技術(shù)路線(xiàn)；分析；選擇

1 引言

空分裝置是利用深度冷凍的方式，對(duì)空氣中O2、N2以及其他稀有氣體等，按照氣體的沸點(diǎn)的區(qū)別而進(jìn)行逐個(gè)分離的裝置。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，空分技術(shù)在一定程度上實(shí)現(xiàn)從高能耗向節(jié)能環(huán)保的過(guò)渡，而且分子篩系統(tǒng)、預(yù)冷系統(tǒng)、分餾塔上塔以及膨脹機(jī)系統(tǒng)都有比較好的發(fā)展趨勢(shì)。本文對(duì)有關(guān)空分裝置工藝技術(shù)路線(xiàn)的分析及比選進(jìn)行研究和探討，不足之處，敬請(qǐng)指正。

2 分離技術(shù)分析

2.1 低溫法

低溫法首先是把空氣進(jìn)行壓縮，使其膨脹降溫，最后空氣被液化，然后利用氧氣、氮?dú)獾臍饣瘻囟鹊膮^(qū)別，氧氣的沸點(diǎn)是90K，氮的沸點(diǎn)是77K，沸點(diǎn)較低的氮?dú)夂脱鯕庀啾容^而言更加容易被氣化，在精餾塔內(nèi)和溫度較高的蒸氣相互接觸，液體中氮?dú)獗徽舭l(fā)，氣體中液氧被冷凝，使得上升蒸汽中含氮量提升，下流液體中含氧量增大，以此實(shí)現(xiàn)空氣分離的目的。讓空氣液化，其要求是要把空氣冷卻到100K之下，我們把這種方法稱(chēng)之為深度冷凍；通過(guò)沸點(diǎn)差把液空進(jìn)行分離，我們稱(chēng)之為精餾過(guò)程，而低溫分離法就是結(jié)合了深度冷凍和精餾過(guò)程，是現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的空氣分離方法。

除此之外，現(xiàn)階段我國(guó)生產(chǎn)的空分裝置型式和種類(lèi)比較多，包括生產(chǎn)氣態(tài)氧、氮的設(shè)備，生產(chǎn)液態(tài)氧、氮?dú)獾脑O(shè)備，然而就低溫分離法來(lái)說(shuō)，我們可以把其基本流程分為四個(gè)方面，也就是高壓、中壓、高低壓以及全低壓流程。

2.2 吸附法

吸附分離法就是利用某種特殊物質(zhì)，讓空氣吸附，通過(guò)分子篩的吸附塔，對(duì)具有不同吸附特點(diǎn)的空氣進(jìn)行分離，比如有些分析篩5A、13X等，對(duì)于氮?dú)饩哂泻軓?qiáng)的吸附能力，僅僅讓氧氣分子通過(guò)吸附塔，從而得到了較高純度的氧氣；有的分子篩，比如說(shuō)碳分子篩，對(duì)于氧氣有較高的吸附能力，那么可以得到較高純度的氮分子。然而，吸附劑的吸附容量是有一定限度的，如果吸附某種分子飽和之后，就暫時(shí)失去了繼續(xù)吸附的能力，那么必須有一個(gè)物質(zhì)驅(qū)趕的過(guò)程，使其恢復(fù)吸附能力才能繼續(xù)發(fā)揮作用，這個(gè)過(guò)程叫做“再生”，所有為了確保連續(xù)供氣，必須準(zhǔn)備兩個(gè)以上的吸附塔，再生的方法可以采用加熱升溫的方法或者降低壓力的方法。以上兩種方法流程較為簡(jiǎn)單，操作起來(lái)也比較方便，運(yùn)行成本不高，然而要獲得高純度的產(chǎn)品還存在較高的難度，產(chǎn)品氧的純度要求高于93%。而且這些裝置僅僅適用于小容量分離裝置。

2.3 膜分離法

膜分離法是通過(guò)對(duì)一些有機(jī)聚合物進(jìn)行滲透選擇，在空氣通過(guò)薄膜時(shí)，氧氣穿透薄膜的速度較快，是氮?dú)獯┩副∧さ?倍，以此實(shí)現(xiàn)了氧氣和氮?dú)獾姆蛛x。膜分離法具有操作簡(jiǎn)單、設(shè)備啟動(dòng)速度快、投資較少的優(yōu)點(diǎn)，然而富氧濃度適宜在30%左右，規(guī)模也不大，適合于中小型設(shè)備，因此現(xiàn)階段僅僅適用于富氧燃燒和醫(yī)療保健的方面。

3 空分裝置工藝技術(shù)路線(xiàn)的選擇

利用空氣分離裝置工作原理的區(qū)別以及工藝特點(diǎn)，能夠指導(dǎo)我們?cè)诨诳蛻?hù)需求的前提下進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、可靠的工藝流程。那么，我們針對(duì)空分設(shè)備的具體特點(diǎn)，文章對(duì)空分裝置工藝技術(shù)路線(xiàn)的選擇進(jìn)行分析，提出些看法。

3.1 液態(tài)產(chǎn)品的工藝選擇

空分裝置的工藝流程，首先是對(duì)客戶(hù)的需求進(jìn)行確定，利用上文中講過(guò)空分工藝工作原理的區(qū)別，對(duì)其流程進(jìn)行分析，我們可以得知非低溫精餾空分裝置是在低壓常溫下進(jìn)行的，利用分子篩和選擇性滲透膜得知，氧氣沸點(diǎn)為90K，氮?dú)夥悬c(diǎn)為77K，所有采用非低溫精餾工藝在一般溫度下是無(wú)法獲取產(chǎn)品的，僅僅在低溫精餾空氣分離工藝才可以。全低壓空分內(nèi)壓縮和外壓縮工藝都可以獲取液態(tài)產(chǎn)品，然而液態(tài)產(chǎn)品的提取量對(duì)于設(shè)備能耗的影響不小，所有需要按照液態(tài)產(chǎn)品的提取量進(jìn)行空分裝置設(shè)備的選擇，一般情況下液態(tài)產(chǎn)品的產(chǎn)量如果高于8%氣氧的產(chǎn)量，則選擇全低壓內(nèi)壓縮工藝，這是較為合理的選擇；反之，則選用全低壓外壓縮工藝。

3.2 氣態(tài)產(chǎn)品的工藝選擇

3.2.1 雙高產(chǎn)品對(duì)工藝流程的要求

非低溫精餾工藝受到自身工藝技術(shù)的限制，無(wú)法獲取雙高產(chǎn)品，也即是純度較高的氧、氮產(chǎn)品，當(dāng)變壓吸附和膜滲透分離工藝，由于吸附劑和分子膜的區(qū)別，僅僅吸附和分離特定產(chǎn)品，無(wú)法同時(shí)獲取雙高產(chǎn)品，那么必須選擇全低壓空分低溫雙塔精餾工藝。

3.2.2 產(chǎn)品產(chǎn)量對(duì)工藝流程的要求

空分裝置如果生產(chǎn)的產(chǎn)品較為單一，那么變壓吸附、膜滲透分離以及低溫精餾工藝都可以滿(mǎn)足其需求，然而由于受到本身技術(shù)工藝的限制，變壓吸附和膜滲透分離工藝的產(chǎn)品純度和生產(chǎn)率存在一定的矛盾，所有無(wú)法大量制取?，F(xiàn)階段，較為常見(jiàn)的變壓吸附和膜滲透分離工藝法進(jìn)行氧、氮產(chǎn)品的制取，其產(chǎn)量一般不會(huì)高于5000Nm3/h，產(chǎn)品的純度在95%～100%之間。

全低壓低溫精餾空分技術(shù)路線(xiàn)屬于較為傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，許多大中小型空分裝置都得到應(yīng)用。然而隨著變壓吸附和膜滲透分離技術(shù)工藝的不斷發(fā)展，小型制氧、氮裝置也有了較大的發(fā)展前景。實(shí)際上，工藝技術(shù)路線(xiàn)的區(qū)別，主要是針對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)品以及質(zhì)量的具體要求，都有其各自的工藝特點(diǎn)。對(duì)于如何選擇技術(shù)工藝，則按照對(duì)裝置設(shè)備的需求不同進(jìn)行選擇。然而，在現(xiàn)階段氧、氮產(chǎn)品產(chǎn)量高于5000Nm3/h的大中型空分裝置，均是采用全低壓低溫精餾工藝，這是變壓吸附和膜滲透分離工藝無(wú)法取代的。

3.2.3 操作方式對(duì)工藝流程的要求

小型空分裝置，包括變壓吸附、膜滲透分離以及低溫精餾工藝都可采用。假如用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的需求是不連續(xù)的，或者具有較大的波動(dòng)，則可以采用非低溫精餾工藝，因?yàn)槠渚哂休^好的經(jīng)濟(jì)型。其主要特點(diǎn)是可按照不同的要求進(jìn)行生產(chǎn)，操作起來(lái)較為靈活，可在負(fù)荷調(diào)整范圍較為廣泛，而且設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間較短，開(kāi)機(jī)后在很短時(shí)間即可獲得所需產(chǎn)品。所以，非持續(xù)性生產(chǎn)工藝，比較適合采用非低溫精餾工藝。同時(shí)，低溫精餾工藝的流程比較繁瑣，操作難度也較大，設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間也較長(zhǎng)，因此還是適合于連續(xù)生產(chǎn)。

3.2.4 大型空分輸出產(chǎn)品對(duì)工藝流程的要求

全低壓空分工藝技術(shù)比較成熟，而且裝置設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠生產(chǎn)出雙高產(chǎn)品，因此在許多行業(yè)都得到廣泛應(yīng)用。然而，大型空分裝置主要被應(yīng)用于石油、化工以及煉鋼冶金等行業(yè)。全低壓空分裝置設(shè)備采用全低壓內(nèi)壓縮和外壓縮工藝。以上兩種工藝都是為確保對(duì)氧產(chǎn)品壓力具體要求的區(qū)別，對(duì)設(shè)備安全性、穩(wěn)定可靠性以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合考慮。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，利用對(duì)現(xiàn)階段空分技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對(duì)國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的空分技術(shù)進(jìn)行比較，空分技術(shù)在工藝流程方面和設(shè)備選擇方面都有較好的發(fā)展，低能耗、高效能以及安全生產(chǎn)的空分裝置依然是市場(chǎng)的主要選擇。文章對(duì)有關(guān)空分裝置工藝技術(shù)路線(xiàn)進(jìn)行分析和比較，以期對(duì)于空分裝置工藝技術(shù)路線(xiàn)選擇，提供一定的理論指導(dǎo)。

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