淺析制冷空分的應用與制氧技術

摘要：隨著我國各工業(yè)領域的快速發(fā)展，各行業(yè)對高純度氧氣以及其他特殊氣體的需求不斷增大。本文詳細介紹了空分及制氧技術的發(fā)展趨勢、簡要回顧了空分的工業(yè)化進程，重點介紹了現(xiàn)行空分技術的應用及優(yōu)缺點，并對空分在節(jié)約能源與降低能耗方面存在的問題進行探究。

關鍵詞：空氣分離技術;制氧技術;節(jié)能減排

引言

近年來，制冷和低溫技術得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應用，制冷與低溫技術也迅速發(fā)展起來。隨著冶金、化工等工業(yè)部門科學技術的發(fā)展氧的需求急劇增加，制氧生產(chǎn)不斷擴大，制氧工作人員的隊伍及技術水平也迅速壯大。這就需要我們不斷學習和掌握制氧專業(yè)知識，在擴大制氧產(chǎn)業(yè)規(guī)模的同時，不斷提高制氧技術水平。

1.空氣分離技術簡介

空氣分離裝置（簡稱空分裝置）是以空氣為原料生產(chǎn)氧、氮、氬及其它稀有氣體的裝置。通常，空分裝置多只用來生產(chǎn)氧、氮，所以習慣上稱它為制氧機。

1.1 空氣分離產(chǎn)物的作用

空分裝置生產(chǎn)的氮氣為化肥工業(yè)提供了大量的原料。氮氣是氮肥的主要原料，用于制造合成氨，氰胺化鈣等。

氬是一種無色無味的氣體，利用它的惰性可作電弧焊的保護氣體，焊接通常難以焊接的金屬或合金如鋁、鎂、銅、鎳、鈦、鉬、不銹鋼等。在煉鋼過程中用氬作環(huán)境氣體可使鋼水成分均勻，去除掉溶解于鋼水中的氫、氧、氮等雜質(zhì)，并能縮短冶煉時間，提高產(chǎn)量節(jié)約電能等，還可采用氬氧混合氣吹煉不銹鋼。氬具有高密度和低熱導性，所以廣主地用于燈泡工業(yè)和電子工業(yè)，充氬的燈泡比充氮亮度、增加壽命延長，氬還用來充填電壓管及計數(shù)放電管，亦也可用于氣體激光器集大型色譜儀。

2.空分發(fā)展概況

2.1 制氧機的發(fā)展歷史

制氧機又稱空分裝置，其主要任務是將空氣分離成氧和氮。制氧工業(yè)發(fā)展至今，在這一百年的歷史有著突飛猛進的發(fā)展。1902年德國人設計制造了第一臺單級精餾制氧機。1903年又進行第一次精餾試驗，并制造了第一臺10m?/h制氧機。1949年我國共有89臺10～200m?/h的制氧機，但國內(nèi)自己沒有能力制造制氧機。新中國第一臺制氧機是由哈爾濱第一機械廠于1953年設計的30m?/h制氧機，隨后杭州、開封相繼生產(chǎn)出不同類型的制氧機。1930年德國第一次在冶金工業(yè)上用氧。由于鋼鐵、石油、化工、航天等技術的發(fā)展，從而促使空分裝裝置向大型化發(fā)展，并形成了今天的一系列產(chǎn)品。

3.空氣分離產(chǎn)物的工業(yè)應用

3.1 液氧的工業(yè)制取方法

工業(yè)上大規(guī)模制取氧氣的主要原料是空氣，因為空氣中大約包含有五分之一的氧氣。但是因為氧氣與氮氣性質(zhì)的原因，兩者分離起來并不十分容易。人們在長期實踐中發(fā)現(xiàn)，任何物質(zhì)都可能以氣體狀態(tài)、液體狀態(tài)或固體狀態(tài)存在，并在一定條件下可以互相轉化。當溫度降低到一定程度時，氧氣或氮氣均可能變成液氧或液氮，但轉化的條件（即液化溫度）是不同的。這樣，就有可能在專門的設備（精餾塔）里將液態(tài)空氣分離成氧和氮。因此，要使空氣中氧、氮分離的首要條件是要將空氣液化。

要使空氣液化必須將空氣冷到零下140度以下才有可能。日常經(jīng)驗告訴我們，一個物體要自發(fā)地冷到比周圍更低的溫度是不可能的，除非用人工的方法，花費一定的代價（消耗功）才能實現(xiàn)。這種人工獲得低溫的方法叫“冷凍”，冷至零下120度以下叫“深度冷凍”。因此，目前在工業(yè)上廣泛采用的制氧方法也叫“深度冷凍方法分離空氣”。

3.2 液氧的工業(yè)用途

工業(yè)上的用途是很常見的。眾所周知，一般情況下鋼鐵冶煉及燃燒過程所發(fā)生的都是氧化反應，所以氧氣對于冶金行業(yè)來說是必不可少的一個重要原料。

而且就現(xiàn)階段的有色冶金工業(yè)來看，氧氣的重要性更是得到了提升，為了有效的節(jié)約能源而且有更好的方式增加產(chǎn)量，更好的發(fā)展自熱冶煉技術，達到提高資源利用率并且更好地減少工業(yè)造成的環(huán)境污染的目的。目前冶金工業(yè)的實際操作中也在一步步的推廣使用氧氣冶煉法的方式進行加工。銅、鉛、鋅、鎳、等有色金屬礦在工業(yè)初步采集中本身就含有著大量的硫元素。并且從實際情況來看硫本身就是一種燃料，1Kg的硫相當于1.32kg的標準煤。并且實際生活中的冶煉反應的本質(zhì)多為氧化放熱反應。在有色金屬進行冶煉的時候通入氧氣，有助于存在于有色金屬中的硫充分燃燒，硫的燃燒使得金屬在冶煉時可以更好地維持冶煉溫度，而且更好地提高了冶煉金屬的速度。并且實際應用情況來看，例如通入氧氣的富氧煉銅法與傳統(tǒng)方法比較來說可節(jié)能50%，等于在消耗同樣的燃料的情況下，產(chǎn)生的銅的質(zhì)量可以變?yōu)閮杀?，即使產(chǎn)生的煙氣中的二氧化硫的含量增加，但是并不會造成環(huán)境污染，因為二氧化硫回收后可以制造硫酸，同時也減少了硫化物的排放量，保護了環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計，噸銅耗氧量大于300 m?，氧氣純度大于90%。

4.空氣分離技術的發(fā)展概況

制氧工業(yè)史上的一次重大變革是八十年代分子篩吸附器的采用，增壓透平膨脹機也進入了新型的流程。分子篩流程具有許多切換式流程無法比擬的優(yōu)點，很快在空分裝表置中推廣開來。

早期的制氧工業(yè)由于許多配套設備跟不上，再加上制氧機原理、理論不全，只是裝置能耗高、產(chǎn)品純度低、產(chǎn)量小。要提高設備技術性能，就需要提高各個部件的技術性能，并且理論上也要逐步完善。

世界上專門從事制氧工業(yè)的公司廠家也迅速成長起來，帶動了制氧行業(yè)的發(fā)展。以上為杭氧的發(fā)展歷程，基本上也反映了我國制氧機行業(yè)的發(fā)展水平及現(xiàn)狀，在與世界上其他制氧機行業(yè)的比較中不難發(fā)現(xiàn)，我國的水平與世界的先進技術水平之間不斷縮小，這就需要從事這方面的專業(yè)人才加倍努力，研制出具有高水平的產(chǎn)品，達到甚至超過世界水平。

5.空氣分離技術的優(yōu)勢

5.1 基礎技術所面臨的問題

部分蒸發(fā)和部分冷凝雖然可以得到純液氧或高純度的氣氮，但是這兩個過程單獨進行將存在兩個問題：

一是由于要得到高純度液氧，必須將部分蒸發(fā)的蒸氣不斷地引出，并且，要求的氧濃度愈高，則部分氣化過程的次數(shù)愈多，這樣最后所得到的高純度的液氧量也愈少。同樣對于部分分冷凝過程，若最后獲得的蒸氣中氮濃度愈高，則部分冷凝過程的次數(shù)也愈多，最后所得到的高純度氮的蒸氣量也愈少。即存在著產(chǎn)品質(zhì)量與數(shù)量之間的矛盾。

另一個方面來看部分氣化過程是需要吸熱的，氣化過程要想連續(xù)進行，就必定需要一個額外的熱源;相對的，部分冷凝是放熱過程，冷凝要想可以連續(xù)的進行同樣的需要一個額外的冷源。如果在實際操作中需要的部分氣化與冷凝的次數(shù)非常多，那么這種情況下肯定需要準備許多額外的熱源和冷源，這樣的行為在能量的利用上來說是不合理的，是否能把部分冷凝和部分蒸發(fā)過程結合起來，把部分冷凝所放出的熱量使液體部分蒸發(fā)。

同時使氣、液量也得到互相補充，這樣的過程就是靠精餾來實現(xiàn)的。

精餾的作用就是同時且多次地利用部分氣化和部分冷凝的過程，更好地使低沸點組分連續(xù)地從液相蒸發(fā)到氣相中去，與此同時做到使高沸點連續(xù)不間斷地從氣相冷凝到液相中來，以達到完全分離兩種物質(zhì)的作用。

在溫度較高的情況下，飽和蒸汽與溫度較低的飽和液體可以混合均勻時，由于蒸氣的溫度高于液體的溫度，就造成了氣體的放熱冷凝，這時的液體便會吸收散發(fā)的熱量而達到蒸發(fā)的效果。實現(xiàn)相同溫度下的平衡。蒸汽部分在放熱冷凝時，沸點較高的氧將會相對較多地冷凝進入液相中，冷凝液的溫度便會逐漸升高，這個時候沸點較低的氮將會相對較多地蒸發(fā)到氣相中，直到達到平衡的時候，氣相中的氮增加和液相中的氧濃縮。上述過程多次在多次進行的情況下就可以達到精餾的結果，這便是精餾過程的簡述。

5.2 單級精餾塔

單級精餾塔的作用在于可以將達到冷凝溫度的空氣壓縮輸入單級精餾塔的底部，而氧氣作為精餾過程的上升氣體。在塔內(nèi)會以由上至下的狀態(tài)穿過每塊塔板，與塔板上存在的的液體接觸，在這個過程中，氧將會因為散熱而冷凝到液體中去，這樣的話液體中原本存在的氮就會被蒸發(fā)到氣體中去。在這種模式下每經(jīng)過一塊塔板，上升氣體的氮濃度便提高一次。在這種方式下，當精餾塔塔板數(shù)很多時，塔上部的氮氣就可以很容易的達到高純度。隨后氮氣飄入塔頂?shù)睦淠舭l(fā)器，上升的一部分氮氣冷凝回流，剩下的部分將會被當作產(chǎn)品從頂蓋引出。氮氣形成的冷凝液后續(xù)將向下流入塔內(nèi)，這部分被當作精餾過程的回流液。回流液在運動時是沿塔板自上而下的，這時候液體每經(jīng)一塊塔板，其本身的含氧濃度便會得到一步提升，液體隨后會流到塔底部的塔釜內(nèi)。

塔釜的液體通過節(jié)流閥將壓力降低至0.15MPa左右，因為其蒸發(fā)溫度小于氮氣在3.5MPa下冷凝溫度，因而釜液的作用就是在于，流入冷凝蒸發(fā)器管間可以使得氮氣冷凝而釜液受熱蒸發(fā)。顯然這種單級精餾塔分離空氣是很不完善的。而且只能制取純氮而不能制取純氧。

為了更好達到收集上升蒸汽的目的，可以預先將冷卻至低溫的加工空氣先輸入塔釜內(nèi)的盤管，只要盤管內(nèi)可以達到較高的壓力，空氣的冷凝溫度高于釜液的蒸發(fā)溫度，釜液就可以很輕易地達到蒸發(fā)效果。當空氣冷凝至液體狀態(tài)的時候，便可以的很好的節(jié)流降壓到塔內(nèi)工作壓力0.12-0.13MPa，送到塔的上部噴淋下來作為精餾的回流液。這部分液體向下流動時會順著塔板與上升蒸汽接觸，液體的含氧量便會不斷增加，而且塔板數(shù)很多的時候，塔的底部就能很簡單的收集到純度較高的液氧，接著液氧會被蒸發(fā)成氣氧，這其中的一部分也會成為產(chǎn)品以及上升氣體。塔頂部的氮的濃度最多只能達到與節(jié)流降壓后的液空處于平衡的程度，一般包含92%-93%的氮，其中還夾雜著7%的氧。在這種情況下，加工空氣中含氧量的1/3是損失了，所以氧氣純度較高，但是從實際應用來看并不是特別經(jīng)濟。

結語

綜上所述，現(xiàn)有的空氣分離技術在一定情況下存在著能源消耗過大，技術不成熟以及推廣性的問題。而節(jié)能環(huán)保是社會發(fā)展的不變主題，制冷空分技術在節(jié)能降耗方面的革新與優(yōu)化才剛剛上路，需要不斷的研發(fā)與優(yōu)化，研究出應用性更廣，經(jīng)濟與能源消耗更低的技術與設備，為社會的發(fā)展貢獻力量。

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作者簡介：王建偉，1986年，男，河北省滄州市，初級工程師，畢業(yè)于唐山科技職業(yè)技術學院，專業(yè)：制冷與冷藏技術，現(xiàn)在華潤電力（渤海新區(qū)）有限公司工作。

（作者單位：華潤電力（渤海新區(qū)）有限公司）