空分技術

空氣分離三種技術方法：吸附法、膜分離法及低溫法，目前工業套用最為廣泛的就是低溫空氣分離技術。

基本介紹

• 中文名：空氣分離技術
• 簡稱：空分技術
• 方法：吸附法、膜分離法、低溫法
• 工業運用：低溫分離法
• 原理：空氣組分沸點不同
• 適用領域：物理、化學、工業生產

方法

空氣分離三種技術方法：吸附法、膜分離法及低溫法。

吸附法：利用分子篩對不同分子的選擇吸附性能來達到最終分離目的，該技術流程簡單，操作方便，運行成本低，但獲得高純度產品較為困難，而且裝置容量有限，所以該技術有其局限的套用範圍。

膜分離法：利用膜滲透技術，利用氧、氮通過膜的速率的不同，實現兩種組分的粗分離。這種方法裝置更為簡單，操作方便，投資小但產品只能達到28% --35%的富氧空氣，且規模只宜中小型化，只適用於富氧燃燒及醫療保健領域套用。

低溫法：利用空氣中各組分沸點的不同，通過一系列的工藝過程，將空氣液化，並通過精餾來達到不同組分分離的方法。這種方法較前兩種方法可實現空氣組分的全分離、產品精純化、裝置大型化、狀態雙元化（液態及氣態），故在生產裝置工業化方面占據主導地位。和傳統的分離相比，這些氣體的分離需在100K以下的低溫環境下才能實現，所以稱之為低溫法（或深冷法）。

目前工業套用最為廣泛的就是低溫空氣分離技術。

基本原理

空氣壓縮、空氣淨化、換熱、製冷與精餾是空分的五個主要環節。

設備組成

低溫法分離空氣設備均由以下四大部分組成：空氣壓縮、膨脹製冷；空氣中水分、雜質等淨除；空氣通過換熱冷卻、液化；空氣精餾、分離；低溫產品的冷量回收及壓縮。各部分實現的方式和採用的設備不同，組成不同的流程。

流程

根據製冷方式分類

1)按工作壓力分為高壓流程、中壓流程和低壓流程。高壓流程的工作壓力高達10.0～20.0MPa，製冷量全靠節流效應，不需膨脹機，操作簡單，只適用於小型制氧機或液氮機。中壓流程的工作壓力在1.0～5.0MPa，對於小型空分裝置由於單位冷損大，需要有較大的單位製冷量來平衡，所以要求工作壓力較高，此時，製冷量主要靠膨脹機，但是節流效應製冷量也占較大的比例。低壓流程的工作壓力接近下塔壓力，它是目前套用最廣的流程，該裝置具有低的單位能耗；

2)按膨脹機的型式分為活塞式、透平式和增壓透平式。活塞式膨脹量小，效率低，只用於一部分舊式小型裝置。透平式由於效率高，得到最廣泛的套用。對低壓空分裝置，由於膨脹後的空氣進入上塔參與精餾，希望在滿足製冷量要求的情況下膨脹量儘可能地小，以提高精餾分離效果。增壓透平是利用膨脹機的輸出功，帶動增壓機壓縮來自空壓機的膨脹空氣，進一步提高壓力後再供膨脹機膨脹，以增大單位製冷量，減少膨脹量。這在新的低壓空分流程中得到越來越廣泛的套用；

3)按膨脹氣體分為空氣膨脹流程和氮膨脹流程。膨脹後空氣進上塔會影響精餾；氮氣膨脹使主冷中氮的冷凝量減少，即進入上塔的回流液減少，同樣對上塔精餾有影響，二者各有優缺點。

按淨化方式分類

1)凍結法淨除水分和CO2。空氣在冷卻過程中，水分和CO2在換熱器通道內析出、凍結；經一定時間後將通道切換，由返流污氮氣體將凍結的雜質帶走。根據換熱器的型式不同，又分為蓄冷器和板翅式切換式換熱器。這種方式切換動作頻繁，啟動操作較為複雜，技術要求高，運轉周期為1年左右；

2)分子篩吸附淨化流程。空氣在進入主換熱器前，已由吸附器將雜質淨除乾淨。吸附器的切換周期長，使操作大大簡化，純氮產品量不再受返流氣量要求的限制，運轉周期可達兩年或兩年以上，目前受到越來越廣泛的套用。

按分離方式分類

低溫法分離空氣是靠精餾塔內的精餾過程。

1)根據產品的品種分為生產單高產品、雙高產品、同時提取氬產品或全提取稀有氣體等流程；

2)根據精餾設備分為篩板塔和規整填料塔等。

3)按產品的壓縮方式分類

可分為分離裝置外壓縮和裝置內壓縮兩類。裝置外壓縮是單獨設定產品氣體壓縮機，對裝置的工作沒直接影響。裝置內壓縮是用泵壓縮液態產品，再經復熱、氣化後送至裝置外。相對來說內壓縮較為安全，但是，液體泵是否正常將直接影響到裝置的運轉。

設備特點

利用深冷法制氧，首先要將空氣液化，再根據氧、氮沸點不同將它們分離開來。空氣液化必須將溫度降到-140.6℃以下。一般空氣分離是在-172～-194℃的溫度範圍進行的。用深冷法制氧的設備具有以下特點：

1)低溫換熱器、精餾塔等低溫容器及管道置於保冷箱內，並充填有熱導率低的絕熱材料，防止從周圍傳入熱量，減少冷損，否則設備無法運行；

2)用於製造低溫設備的材料，要求在低溫下有足夠的強度和韌性，以及有良好的焊接、加工性能。常用鋁合金、銅合金、不鏽鋼等材料；

3)空氣中高沸點的雜質，例如水分、二氧化碳等，應在常溫時預先清除。否則會堵塞設備內的通道，使裝置無法工作；

4)空氣中的乙炔和碳氫化合物進入空分塔內，積聚到一定程度，會影響安全運行，甚至發生爆炸事故。因此，必須設定淨化設備將其清除；

5)貯存低溫液體的密閉容器，當外界有熱量傳入時，會有部分低溫液體吸熱而氣化，壓力會自動升高。為防止超壓，必須設定可靠的安全裝置；

6)低溫液體漏入基礎，會將基礎凍裂，設備傾斜。因此必須保證設備、管道和閥門的密封性，要考慮熱脹冷縮可能產生的應力和變形；

7)被液氧浸漬過的木材、焦炭等多孔有機物質，當接觸火源或給以一定的衝擊力時，會發生激烈的燃爆。因此，冷箱內不允許有多孔性的有機物質。對液氧的排放，應預先考慮有專門的液氧排放管路和容器，不能走地溝；

8)低溫液體長期衝擊碳素鋼板，會使鋼板脆裂。因此，排放低溫液體的管道及排放槽不能採用碳素鋼製品；

9)氮氣、氬氣是窒息性氣體，其液體排放管應引至室外。氣體排放管應有一定的排放高度，排放口不能朝向平台樓梯；

10)氧氣是強烈的助燃劑，其排放管不能直接排在不通風的廠房內。

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