第二節(jié)　深度冷凍制氧法概述

煉鋼和冶煉有色金屬需要氧，氧應(yīng)用于氣焊與氣割，同時(shí)氧還是化工生產(chǎn)過(guò)程中重油和煤氣化的氧化劑。

早期使用化學(xué)方法，即吸附法制氧。現(xiàn)代工業(yè)基本采用深度冷凍分離空氣，制取純氧和純氮。在用氧量較大時(shí)，用深度冷凍分離法最經(jīng)濟(jì)。

深度冷凍法分離空氣制氧機(jī)，是先空氣壓縮，冷卻后液化，利用氧氮沸點(diǎn)的不同，在蒸氣與液體經(jīng)過(guò)塔板接觸時(shí)，高沸點(diǎn)的氧組分不斷從蒸氣中冷凝而進(jìn)入液體，中沸點(diǎn)的氮組分不斷從液體中蒸發(fā)而變成蒸氣，使下降液體的含氧量越來(lái)越高，上升蒸氣的含氮量越來(lái)越高，達(dá)到把空氣分離為氧、氮的目的。

由于空氣的液化和精餾是在低溫下進(jìn)行的，并且溫度低于-120℃所以稱(chēng)為深度冷凍分離法。就大中型制氧方法有高低壓法、自清除的全低壓板式流程和全低壓分子篩流程。

高低壓法工藝落后，噪聲大、功耗高、流程復(fù)雜，產(chǎn)品純度不易控制，已逐漸被全低壓流程所取代。

自清除的全低壓板式流程也稱(chēng)凍結(jié)法，是利用空氣中的水分和二氧化碳的析出溫度高的特點(diǎn)，用可逆式換熱器回收低溫產(chǎn)品氣體的冷量和冷卻空氣，同時(shí)將空氣中的水分和二氧化碳凍結(jié)在空氣的通道內(nèi)，當(dāng)返流氣體通過(guò)時(shí)，靠分壓升華的原理，利用返流氣體的不飽和性，自動(dòng)清除空氣中的水分和二氧化碳。其特點(diǎn)是切換閥切換頻繁，易出現(xiàn)故障，設(shè)備多，流程較為復(fù)雜，功耗大。

全低壓分子篩流程又稱(chēng)凈化吸附流程。現(xiàn)代大型全低壓空分裝置用凈化空氣代替原來(lái)凍結(jié)、吸附相結(jié)合的方法。隨著吸附劑的性能改善，以及吸附工藝的改善，特別是吸附劑共吸附性能的利用，使用吸附劑能同時(shí)清除空氣中的H2O、CO2、C2H2以及一部分CnHm，大大地簡(jiǎn)化了空氣凈化工藝。空分工藝流程也得到改善。吸附凈化空氣的工藝成為主要的空氣凈化方法。

1.全低壓分子篩流程原理

空氣分離是利用液化空氣中氧、氮等各組分沸點(diǎn)的不同，采用精餾的方法，將各組分分離開(kāi)來(lái)。為達(dá)此目的，空分裝置的工作應(yīng)包括下列幾個(gè)過(guò)程。

（1）空氣的壓縮　經(jīng)原料空氣過(guò)濾器清除了灰塵和其他機(jī)械雜質(zhì)的原料空氣首先在空氣壓縮機(jī)中被壓縮到工藝流程所需的壓力，其中一小部分空氣在純化后再經(jīng)與膨脹機(jī)同軸異端匹配的增壓到更高壓力。空氣由于壓縮而產(chǎn)生的熱量由空氣冷卻器中的冷卻水帶走。

（2）空氣中水分和二氧化碳的清除　加工空氣中的水分和二氧化碳由于凝固點(diǎn)較高，在進(jìn)入空分裝置低溫設(shè)備后將會(huì)形成冰和干冰，堵塞低溫設(shè)備的通道，而影響空分裝置的正常工作，為此需要利用分子篩純化器預(yù)先把空氣中的水分和二氧化碳清除掉。

進(jìn)入分子篩純化器的空氣溫度約為8℃，出純化器的空氣溫度由于分子篩吸附而產(chǎn)生的吸附熱約上升到14℃左右。

（3）空氣被冷卻到液化溫度　空氣的冷卻是在主換熱器中進(jìn)行的，在主換熱器中，空氣被來(lái)自精餾后的返流產(chǎn)品氣體和污氮?dú)饫鋮s到接近液化溫度，產(chǎn)品氣體及污氮?dú)鈩t被復(fù)熱到接近常溫。

（4）冷量的制取　為了確保、維持裝置正常生產(chǎn)、運(yùn)行所需的熱量平衡，克服由于絕熱跑冷、換熱器復(fù)熱不足及直接從冷箱中向外排放低溫液體等引起的冷量損失，需要不斷地向裝置補(bǔ)充冷量，裝置所需的補(bǔ)充冷量是由等溫節(jié)流效應(yīng)和壓縮空氣在膨脹機(jī)中絕熱膨脹對(duì)外做功而制取的。

（5）空氣的液化　空氣的液化是進(jìn)行氧、氮分離的首要條件，空氣在主熱交換器中被返流氣冷卻到接近液化溫度，并在下塔實(shí)現(xiàn)空氣的液化。

對(duì)于同一種物質(zhì)，在不同的壓力下，其對(duì)應(yīng)的飽和溫度不同。壓力高，其飽和溫度也高，亦即壓力越高，蒸汽越容易液化，反之亦然。

氮?dú)夂鸵貉醯臒峤粨Q是在冷凝蒸發(fā)器中進(jìn)行的。由于氮?dú)夂鸵貉鮾煞N流體所處的壓力不同。所以在氮?dú)夂鸵貉醯臒峤粨Q過(guò)程中，氮?dú)獗灰夯貉醣徽舭l(fā)。氮?dú)夂鸵貉醴謩e由下塔和上塔供給，這是保證上、下塔精餾過(guò)程進(jìn)行所必須具備的條件。

（6）精餾　空氣的精餾是在精餾塔亦即上、下塔中進(jìn)行的。在下塔中空氣被初次分離成富氧液空和氮?dú)猓嚎沼上滤撞砍槌龊螅?jīng)節(jié)流送入與液空組分相近的上塔塔板上，一部分液氮由下塔頂部抽出后經(jīng)節(jié)流送入上塔副塔頂部。液空和液氮在節(jié)流前先在過(guò)冷器中過(guò)冷。減少節(jié)流汽化，在下塔中部另又抽出部分污液氮經(jīng)節(jié)流送入上塔副塔底部。

空氣的最終分離是在上塔進(jìn)行的。產(chǎn)品氧氣由上塔底部抽出，而產(chǎn)品氮?dú)鈩t是上塔副塔頂部抽出，并通過(guò)主換熱器與進(jìn)塔的加工空氣進(jìn)行熱交換，復(fù)熱到常溫后送出冷箱。上塔副塔底部抽出的污氣氮在主換熱器內(nèi)復(fù)熱后出冷箱。

（7）危險(xiǎn)雜質(zhì)的清除　采用分子篩純化流程，大部分碳?xì)浠衔锏任ｋU(xiǎn)雜質(zhì)已在純化器內(nèi)清除掉，殘留部分仍要進(jìn)入塔內(nèi)，并積貯在冷凝蒸發(fā)器中。其間由于液氧的不斷蒸發(fā)，將會(huì)有使碳?xì)浠衔餄饪s的危險(xiǎn)，但只要從冷凝蒸發(fā)器中連續(xù)排放部分液氧就可防止碳?xì)浠衔锏臐饪s。而當(dāng)在冷凝蒸發(fā)器中提取液氧產(chǎn)品，就可不采用另外排放液氧來(lái)防止碳氧化合物濃縮的措施。

2.全低壓大型分子篩流程的特點(diǎn)

全低壓大型分子篩流程選用冷凍機(jī)預(yù)冷分子篩吸附和帶增壓機(jī)的透平膨脹機(jī)組。其特點(diǎn)如下。

1）安全可靠。空分裝置的爆炸是氧氣生產(chǎn)中最大威脅，而引起爆炸的主要原因是乙炔和碳?xì)浠衔锏拇嬖诤头e累。采用分子篩吸附凈化空氣，可使空氣中的雜質(zhì)、水分、二氧化碳、乙炔和碳?xì)浠衔镌诶湎渫鈳缀跞砍簟榱吮苊庖胰埠吞細(xì)浠衔镌诶淠舭l(fā)器內(nèi)積聚增濃，從其底部抽出約為氧氣1%的液氧作為安全排放，連續(xù)排入液氧噴射蒸發(fā)器，被產(chǎn)品氣氧蒸發(fā)氣化，與氣氧一起作為產(chǎn)品氧氣送出，從而保證了空分裝置安全可靠生產(chǎn)。

2）冷箱內(nèi)設(shè)備大大減少，簡(jiǎn)化了流程。進(jìn)冷箱空氣純凈性好，因而冷箱內(nèi)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易于操作、檢修，運(yùn)行安全可靠。特別是主換熱器，只起換熱作用，不需切換，無(wú)疲勞應(yīng)力作用，使設(shè)備使用壽命延長(zhǎng)。

3）空氣冷卻塔采用穿流式篩板塔結(jié)構(gòu)，同原來(lái)采用的噴淋式空冷塔相比阻力小，效率高，傳熱效果好。

4）采用了臥式活性氧化鋁及分子篩的雙床層吸附器，下部設(shè)有分布器，上部設(shè)有耙平機(jī)構(gòu)，減小阻力，提高了凈化效率。在國(guó)產(chǎn)大型空分設(shè)備中是首次采用。空氣中的水分首先被活性氧化鋁吸附，提高了分子篩吸附二氧化碳和碳?xì)浠衔锏哪芰Γ⑶矣捎诨钚匝趸X容易解析水分，能有效地減少再生能耗。同時(shí)吸附熱也比分子篩小，可降低空氣溫升。另外，活性氧化鋁能抵抗空氣中酸性水源的侵蝕，起到保護(hù)分子篩的作用。吸附器再生選用帶蓄熱器的電加熱器再生系統(tǒng)，電加熱器不需頻繁切換，延長(zhǎng)了使用壽命，并可大大減少電耗。

5）采用帶可調(diào)噴嘴的增壓透平膨脹機(jī)組，提高了膨脹壓力。這不僅增加了制冷量，而且減少了上塔的膨脹空氣量和空壓機(jī)吸氣量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的，氧提取率達(dá)91%以上。

6）充分利用純氮以過(guò)冷液空及純液氮，從而改善精餾。

7）采用分子篩流程，增加了高純度氮?dú)猱a(chǎn)量，相對(duì)地使單位產(chǎn)品電耗下降。

3.規(guī)整填料上塔、全精餾制氬的內(nèi)壓縮流程

該流程的優(yōu)勢(shì)在于能夠確保空分裝置的安全性更高，主要原因如下：

①用液氧泵取代氧壓機(jī)，可減少因氧壓機(jī)帶來(lái)的安全隱患；

②從主冷凝蒸發(fā)器中大量抽取液氧，極大地減少了碳?xì)浠衔锏姆e聚；

③產(chǎn)品液氧在高壓下蒸發(fā)，使烴類(lèi)物質(zhì)積累的可能性大大降低。

其工藝流程如下。

（1）壓縮、預(yù)冷和前端凈化　經(jīng)空氣過(guò)濾器濾除塵埃和其他機(jī)械雜質(zhì)后的空氣，經(jīng)過(guò)空氣壓縮機(jī)壓縮至0.6MPa（A）后進(jìn)入管殼式空冷器，經(jīng)過(guò)低溫水冷卻后送純化器，此低溫水是通過(guò)循環(huán)水在氮水塔冷卻后得到的。

自管殼式換熱器出口的空氣通過(guò)由純化器組成的吸附H2O、CO2和碳?xì)浠衔锏奈较到y(tǒng)，去除大量有害元素如SO2、SO3、NH3。2臺(tái)純化器交替運(yùn)行，1臺(tái)運(yùn)行時(shí)，另1臺(tái)再生，定時(shí)自動(dòng)切換。

空分裝置正常運(yùn)行時(shí)，儀表空氣從純化器出口抽取送出。空分裝置開(kāi)車(chē)用的儀表空氣由儀表空壓機(jī)提供。

正常情況下，純化器只需要做普通再生。此時(shí)，污氮?dú)庠谠偕羝訜崞髦屑訜嶂良s150℃后送到純化器，解析并帶走吸附下來(lái)的有害雜質(zhì)。

特殊情況下，如分子篩中毒失效時(shí)，再生用氣體（此時(shí)為空氣）可通過(guò)特殊再生加熱器進(jìn)一步加熱至290℃，對(duì)純化器進(jìn)行徹底活化。

（2）空氣精餾和分離　從純化器來(lái)的凈化空氣分成兩股。一股空氣進(jìn)入冷箱內(nèi)主換熱器，被返流氣體冷卻后進(jìn)入低壓塔。另一股空氣進(jìn)入增壓機(jī)，這股空氣又分成兩部分。一部分空氣經(jīng)透平增壓機(jī)第一段增壓后，進(jìn)入膨脹機(jī)的增壓機(jī)中增壓，然后被冷卻器冷卻至常溫后進(jìn)入主換熱器，被返流氣體冷卻到后進(jìn)入膨脹機(jī)，膨脹制冷后進(jìn)入低壓塔參與精餾；另一部分空氣在增壓機(jī)的第二段繼續(xù)增壓，經(jīng)冷卻后進(jìn)入主換熱器，與高壓液氧換熱。高壓空氣經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入低壓塔。

空氣經(jīng)低壓塔初步精餾后，獲得液空、純液氮和污液氮，并經(jīng)過(guò)冷器過(guò)冷后節(jié)流進(jìn)入高壓塔。經(jīng)高壓塔進(jìn)一步精餾后，在高壓塔底部獲得液氧，一部分液氧作為液體產(chǎn)品進(jìn)入液氧儲(chǔ)罐，一部分經(jīng)液氧泵加壓后進(jìn)入主換熱器，復(fù)熱后出冷箱，進(jìn)入氧氣管網(wǎng)。

在低壓塔頂部得到產(chǎn)品液氮，一部分經(jīng)液氮泵加壓后進(jìn)入主換熱器，復(fù)熱后出冷箱，進(jìn)入氮?dú)夤芫W(wǎng)；一部分經(jīng)過(guò)冷器過(guò)冷后分成兩股，其中一股作為液體產(chǎn)品送入液氮儲(chǔ)罐，另一股節(jié)流后送入高壓塔。正常工況不取出液氮。

從高壓塔上部引出污氮?dú)夂偷獨(dú)饨?jīng)過(guò)冷器、主換熱器復(fù)熱后送出冷箱，一部分污氮?dú)馊シ肿雍Y純化系統(tǒng)作為分子篩再生氣源，余下的污氮?dú)夂偷獨(dú)馊サ鋮s循環(huán)水。

（3）氬的精餾和提取　從低壓塔中部抽取一定量的氬餾分送入粗氬塔。粗氬塔在結(jié)構(gòu)上分為兩段，第二段粗氬塔底部的回流液經(jīng)液氬泵加壓后送入第一段頂部作為回流液；氬餾分經(jīng)粗氬塔精餾得到粗氬，并送入精氬塔中部，經(jīng)精氬塔精餾后在塔底得到99.999%精液氬。

（4）冷量的獲得　空分所需的大部分冷量是通過(guò)透平膨脹機(jī)膨脹低溫增壓空氣而獲得。

（5）儲(chǔ)槽和后備系統(tǒng)

①液氧儲(chǔ)槽和后備系統(tǒng)　來(lái)自高壓塔底部的液氧進(jìn)入液氧儲(chǔ)槽。液氧經(jīng)過(guò)液氧泵升壓至4.2MPa（G），并在水浴式蒸發(fā)器中氣化后，作為4.2MPa（G）后備氧氣輸出。

②液氮儲(chǔ)槽和后備系統(tǒng)　來(lái)自低壓塔頂部的液氮進(jìn)入液氮儲(chǔ)槽。液氮經(jīng)過(guò)液氮后備泵升壓至3.0MPa（G），在水浴式蒸發(fā)器中氣化后，作為后備氮?dú)廨敵觥?/p>

③液氬儲(chǔ)槽　來(lái)自精氬塔的液氬進(jìn)入液氬儲(chǔ)槽。儲(chǔ)槽中的液氬由充車(chē)泵送入液氬槽車(chē)。

可靠的液體儲(chǔ)存和后備系統(tǒng)能夠在新建空分裝置停車(chē)時(shí)，保證全區(qū)氧氣供應(yīng)72小時(shí)、氮?dú)夤?yīng)96小時(shí)。

內(nèi)壓縮流程特點(diǎn)如下。

（a）采用全低壓分子篩凈化吸附、空氣增壓循環(huán)、增壓透平膨脹機(jī)制冷、全精餾無(wú)氫制氬、產(chǎn)品氧氣和氮?dú)鈨?nèi)壓縮工藝流程。此流程設(shè)備配置合理、操作及維修方便，安全，低耗。

（b）可靠的液體儲(chǔ)存及后備系統(tǒng)能夠保證一段時(shí)間內(nèi)的氧、氮供應(yīng)。

（c）超凈空氣過(guò)濾器、全浸式主冷、在線(xiàn)碳?xì)浠衔锓治鰞x、低壓塔底部銅填料和液氧泵流程可以最大限度地確保空分裝置安全運(yùn)行。

（d）用管殼式空冷器取代空冷塔，杜絕了吸附系統(tǒng)和冷箱進(jìn)水的可能性。

（e）采用立式吸附器，占地面積小，吸附劑使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)15年以上。

（f）除鋁制板式換熱器及相連管線(xiàn)外，冷箱內(nèi)所有塔、閥門(mén)和除與主換熱器連接的部分管道外，全部采用奧氏體不銹鋼，焊接質(zhì)量容易保證，剛性強(qiáng)、耐腐蝕，對(duì)焊接場(chǎng)地?zé)o特殊要求，施工工期短，并能有效地減少由于內(nèi)漏導(dǎo)致更換絕熱材料的可能性。

（g）高壓塔、低壓塔及氬精餾塔全部采用規(guī)整填料，運(yùn)行變負(fù)荷范圍大（單塔為55%～110%），負(fù)荷調(diào)整速度快（約每3min變1%產(chǎn)量）。可針對(duì)不同的用氣情況，迅速調(diào)整負(fù)荷，保證最佳運(yùn)行狀況。

（h）壓縮機(jī)采用電驅(qū)動(dòng)，盡量減少裝置中轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械數(shù)量，與汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)相比，機(jī)械故障率較低。

（i）裝置可以做到自動(dòng)變負(fù)荷（約每3min變1%產(chǎn)量）。借助后備系統(tǒng)，變負(fù)荷速度可達(dá)每分鐘3%，能滿(mǎn)足用戶(hù)不同階段的需求。