制冷空分的應(yīng)用與制氧技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)潛析

摘?要：隨著我國(guó)各工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，各行業(yè)對(duì)高純度氧氣以及其他特殊氣體的需求不斷增大。本文詳細(xì)介紹了空分及制氧技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、簡(jiǎn)要回顧了空分的工業(yè)化進(jìn)程，重點(diǎn)介紹了現(xiàn)行空分技術(shù)的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)空分在節(jié)約能源與降低能耗方面存在的問(wèn)題進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞：空氣分離技術(shù);制氧技術(shù);節(jié)能減排

引言

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

一、空氣分離技術(shù)簡(jiǎn)介

空氣分離裝置（簡(jiǎn)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(lái)生產(chǎn)氧、氮，所以習(xí)慣上稱它為制氧機(jī)。

1.1 空氣分離產(chǎn)物的作用

空分裝置生產(chǎn)的氮?dú)鉃榛使I(yè)提供了大量的原料。氮?dú)馐堑实闹饕希糜谥圃旌铣砂?，氰胺化鈣等。

氬是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，利用它的惰性可作電弧焊的保護(hù)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(guò)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(shí)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(dǎo)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(zhǎng)，氬還用來(lái)充填電壓管及計(jì)數(shù)放電管，亦也可用于氣體激光器集大型色譜儀。

二、空分發(fā)展概況

2.1 制氧機(jī)的發(fā)展歷史

制氧機(jī)又稱空分裝置，其主要任務(wù)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(jìn)的發(fā)展。1902年德國(guó)人設(shè)計(jì)制造了第一臺(tái)單級(jí)精餾制氧機(jī)。1903年又進(jìn)行第一次精餾試驗(yàn)，并制造了第一臺(tái)10m?/h制氧機(jī)。1949年我國(guó)共有89臺(tái)10～200m?/h的制氧機(jī)，但國(guó)內(nèi)自己沒(méi)有能力制造制氧機(jī)。新中國(guó)第一臺(tái)制氧機(jī)是由哈爾濱第一機(jī)械廠于1953年設(shè)計(jì)的30m?/h制氧機(jī)，隨后杭州、開(kāi)封相繼生產(chǎn)出不同類型的制氧機(jī)。1930年德國(guó)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(shù)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。

三、空氣分離產(chǎn)物的工業(yè)應(yīng)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?yàn)榭諝庵写蠹s包含有五分之一的氧氣。但是因?yàn)檠鯕馀c氮?dú)庑再|(zhì)的原因，兩者分離起來(lái)并不十分容易。人們?cè)陂L(zhǎng)期實(shí)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(zhuǎn)化。當(dāng)溫度降低到一定程度時(shí)，氧氣或氮?dú)饩赡茏兂梢貉趸蛞旱?，但轉(zhuǎn)化的條件（即液化溫度）是不同的。這樣，就有可能在專門的設(shè)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(yàn)告訴我們，一個(gè)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(fèi)一定的代價(jià)（消耗功）才能實(shí)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(jiàn)的。眾所周知，一般情況下鋼鐵冶煉及燃燒過(guò)程所發(fā)生的都是氧化反應(yīng)，所以氧氣對(duì)于冶金行業(yè)來(lái)說(shuō)是必不可少的一個(gè)重要原料。

而且就現(xiàn)階段的有色冶金工業(yè)來(lái)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(shù)，達(dá)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(shí)際操作中也在一步步的推廣使用氧氣冶煉法的方式進(jìn)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(shí)際情況來(lái)看硫本身就是一種燃料，1Kg的硫相當(dāng)于1.32kg的標(biāo)準(zhǔn)煤。并且實(shí)際生活中的冶煉反應(yīng)的本質(zhì)多為氧化放熱反應(yīng)。在有色金屬進(jìn)行冶煉的時(shí)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(shí)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(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，例如通入氧氣的富氧煉銅法與傳統(tǒng)方法比較來(lái)說(shuō)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(huì)造成環(huán)境污染，因?yàn)槎趸蚧厥蘸罂梢灾圃炝蛩幔瑫r(shí)也減少了硫化物的排放量，保護(hù)了環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，噸銅耗氧量大于300 m?，氧氣純度大于90%。

四、空氣分離技術(shù)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(jī)也進(jìn)入了新型的流程。分子篩流程具有許多切換式流程無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，很快在空分裝表置中推廣開(kāi)來(lái)。

早期的制氧工業(yè)由于許多配套設(shè)備跟不上，再加上制氧機(jī)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(shè)備技術(shù)性能，就需要提高各個(gè)部件的技術(shù)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(zhǎng)起來(lái)，帶動(dòng)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(guó)制氧機(jī)行業(yè)的發(fā)展水平及現(xiàn)狀，在與世界上其他制氧機(jī)行業(yè)的比較中不難發(fā)現(xiàn)，我國(guó)的水平與世界的先進(jìn)技術(shù)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(dá)到甚至超過(guò)世界水平。

五、空氣分離技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

5.1 基礎(chǔ)技術(shù)所面臨的問(wèn)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(gè)過(guò)程單獨(dú)進(jìn)行將存在兩個(gè)問(wèn)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(guò)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(duì)于部分分冷凝過(guò)程，若最后獲得的蒸氣中氮濃度愈高，則部分冷凝過(guò)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(gè)方面來(lái)看部分氣化過(guò)程是需要吸熱的，氣化過(guò)程要想連續(xù)進(jìn)行，就必定需要一個(gè)額外的熱源;相對(duì)的，部分冷凝是放熱過(guò)程，冷凝要想可以連續(xù)的進(jìn)行同樣的需要一個(gè)額外的冷源。如果在實(shí)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(zhǔn)備許多額外的熱源和冷源，這樣的行為在能量的利用上來(lái)說(shuō)是不合理的，是否能把部分冷凝和部分蒸發(fā)過(guò)程結(jié)合起來(lái)，把部分冷凝所放出的熱量使液體部分蒸發(fā)。

同時(shí)使氣、液量也得到互相補(bǔ)充，這樣的過(guò)程就是靠精餾來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

精餾的作用就是同時(shí)且多次地利用部分氣化和部分冷凝的過(guò)程，更好地使低沸點(diǎn)組分連續(xù)地從液相蒸發(fā)到氣相中去，與此同時(shí)做到使高沸點(diǎn)連續(xù)不間斷地從氣相冷凝到液相中來(lái)，以達(dá)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(shí)，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(shí)的液體便會(huì)吸收散發(fā)的熱量而達(dá)到蒸發(fā)的效果。實(shí)現(xiàn)相同溫度下的平衡。蒸汽部分在放熱冷凝時(shí)，沸點(diǎn)較高的氧將會(huì)相對(duì)較多地冷凝進(jìn)入液相中，冷凝液的溫度便會(huì)逐漸升高，這個(gè)時(shí)候沸點(diǎn)較低的氮將會(huì)相對(duì)較多地蒸發(fā)到氣相中，直到達(dá)到平衡的時(shí)候，氣相中的氮增加和液相中的氧濃縮。上述過(guò)程多次在多次進(jìn)行的情況下就可以達(dá)到精餾的結(jié)果，這便是精餾過(guò)程的簡(jiǎn)述。

5.2 單級(jí)精餾塔

單級(jí)精餾塔的作用在于可以將達(dá)到冷凝溫度的空氣壓縮輸入單級(jí)精餾塔的底部，而氧氣作為精餾過(guò)程的上升氣體。在塔內(nèi)會(huì)以由上至下的狀態(tài)穿過(guò)每塊塔板，與塔板上存在的的液體接觸，在這個(gè)過(guò)程中，氧將會(huì)因?yàn)樯岫淠揭后w中去，這樣的話液體中原本存在的氮就會(huì)被蒸發(fā)到氣體中去。在這種模式下每經(jīng)過(guò)一塊塔板，上升氣體的氮濃度便提高一次。在這種方式下，當(dāng)精餾塔塔板數(shù)很多時(shí)，塔上部的氮?dú)饩涂梢院苋菀椎倪_(dá)到高純度。隨后氮?dú)怙h入塔頂?shù)睦淠舭l(fā)器，上升的一部分氮?dú)饫淠亓鳎Ｏ碌牟糠謱?huì)被當(dāng)作產(chǎn)品從頂蓋引出。氮?dú)庑纬傻睦淠汉罄m(xù)將向下流入塔內(nèi)，這部分被當(dāng)作精餾過(guò)程的回流液。回流液在運(yùn)動(dòng)時(shí)是沿塔板自上而下的，這時(shí)候液體每經(jīng)一塊塔板，其本身的含氧濃度便會(huì)得到一步提升，液體隨后會(huì)流到塔底部的塔釜內(nèi)。

塔釜的液體通過(guò)節(jié)流閥將壓力降低至0.15MPa左右，因?yàn)槠湔舭l(fā)溫度小于氮?dú)庠?.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?dú)饫淠菏軣嵴舭l(fā)。顯然這種單級(jí)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(dá)到收集上升蒸汽的目的，可以預(yù)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(dá)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(dá)到蒸發(fā)效果。當(dāng)空氣冷凝至液體狀態(tài)的時(shí)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(lái)作為精餾的回流液。這部分液體向下流動(dòng)時(shí)會(huì)順著塔板與上升蒸汽接觸，液體的含氧量便會(huì)不斷增加，而且塔板數(shù)很多的時(shí)候，塔的底部就能很簡(jiǎn)單的收集到純度較高的液氧，接著液氧會(huì)被蒸發(fā)成氣氧，這其中的一部分也會(huì)成為產(chǎn)品以及上升氣體。塔頂部的氮的濃度最多只能達(dá)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(shí)際應(yīng)用來(lái)看并不是特別經(jīng)濟(jì)。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)有的空氣分離技術(shù)在一定情況下存在著能源消耗過(guò)大，技術(shù)不成熟以及推廣性的問(wèn)題。而節(jié)能環(huán)保是社會(huì)發(fā)展的不變主題，制冷空分技術(shù)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(yīng)用性更廣，經(jīng)濟(jì)與能源消耗更低的技術(shù)與設(shè)備，為社會(huì)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

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[2]?陸山.淺談空氣分離技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)[J].甘肅冶金.2011.03

作者簡(jiǎn)介：王建偉，1986年，男，河北省滄州市，初級(jí)工程師，畢業(yè)于唐山科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，專業(yè)：制冷與冷藏技術(shù)，現(xiàn)在華潤(rùn)電力（渤海新區(qū)）有限公司工作。