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空气分离设备

[拼音]:kongqi fenli shebei

[外文]:air separation plant

将空气液化、精馏、最终分离成为氧、氮和其他有用气体的气体分离设备,简称空分设备。它的最低工作温度为 77K。空气是气体的混合物,干燥空气的组成见表1。

简史

空气曾被称为“永久气体”。到19世纪末,人们发现在深低温下空气也能液化,并因氧、氮沸点不同,可以从液化空气中分离出氧气和氮气。第一台商品化的制氧机于1903年制成,它最初只是用于金属的气焊和切割。30年代末,氮肥工业需要氮气,制氧机发展到能同时生产氧气和氮气,改称空气分离设备。到50年代,由于吹氧炼钢和高炉鼓风工艺的推广应用以及氮肥工业的迅速发展,空气分离设备向大型化发展,并应用了近代的科研成果,如采用透平压缩机、透平膨胀机、板翅式换热器、微型计算机和分子筛吸附器等设备之后,空气分离设备不断得到改进和完善,设备中的空气压力从高压(20兆帕)降到低压(小于1兆帕),单位产品的电耗也逐渐下降(每立方米氧的电耗从1.5降至0.6千瓦・小时)。现代空气分离设备能生产各种容量、不同纯度的气态或液态产品,也能制造超高纯度的氧和氮(如含氧99.998%和含氮99.9995%)。空气分离设备还能根据用户的需要,通过电子计算机的控制,随时增减产品的数量,达到经济用氧的目的。到80年代,大型空气分离设备的氧气生产能力已达到70000米3 /时;空气压力下降到0.36兆帕;连续运转周期可达2年以上。

分类

空气分离设备是由多种机械和设备组成的成套设备,常按空气压力来分类。常用的有高压、中压和低压3种(表2)。

选择设备类型时应考虑产品种类、容量和纯度的要求,以及电耗、安全连续运转周期等因素。

低压设备由于电耗低、连续运转周期长、经济效益高,被广泛采用。

低压空气分离设备

图1是低压空气分离设备简图。整个设备由空气压缩系统、杂质净化和换热系统、制冷系统和液化精馏 4个主要系统组成。相应的机械设备有空气透平压缩机、空气冷却塔、透平膨胀机和分馏塔等。低压空气分离设备的工作原理(图2)建立在液化循环和精馏理论基础上。进入的空气先经空气过滤器,而后由透平压缩机、空气冷却塔压缩和冷却到压力为0.5兆帕、温度为303K左右,再进入切换式换热器(E1、E2)。两换热器能清除空气中的水和二氧化碳,并进行热交换,把空气冷却到接近液化温度(101K)后送入下塔,从下塔抽出一部分空气送到换热器(E2)加热。加热的空气与下塔来的少量冷空气汇合后进入透平膨胀机绝热膨胀,产生需要的冷量,然后被送往上塔精馏。余下的空气在下塔初步精馏。在底部得到含氧38%的液化空气,在下塔的顶部得到含氮 99.99%的纯液氮,在中部获得含氮约95%的污液氮。液化空气、纯液氮、污液氮分别从下塔抽出通过节流阀减压到约0.05兆帕,送入上塔作回流液,在此进行第二次深低温精馏,在上塔底部得到含氧99.6~99.8%的高纯度氧气,流经换热器(E4、E2、E1)与空气进行热交换,升温到大气温度后排出塔外。在上塔顶部获得含氮99.999%的高纯度氮气,在上塔中部得到含氮约96%的污氮,均经换热器(E3、E4、E2、E1)复热到大气温度后排出装置。位于上、下塔之间的冷凝蒸发器也是一种换热器,它的功用是通过换热,将上塔底部的液氧蒸发,而将下塔的气氮冷凝,故称冷凝蒸发器。液氧蒸发后一部分作为产品输出,其余部分作为上塔精馏所需的上升蒸气。下塔冷凝的液氮,一部分送往上塔作上塔回流液,另一部分作为下塔精馏所需要的回流液。因此,冷凝蒸发器是使上、下塔能起精馏作用的不可缺少的设备之一。除上述主要设备外,冷箱内还有吸附器,它能吸附未被冻结在换热器(E1、E2)中的杂质二氧化碳和易爆物质。箱内还设有液氧泵,使液氧循环流动和清除致爆物质,以保证设备的安全运转。在低温下工作的换热器、塔、液氧泵和透平膨胀机等都装在填充有绝热材料的冷箱内,以减少冷量损失。出冷箱的产品氧气和氮气,再送往贮存系统和透平压缩机内升压到需要的压力后供用户使用。

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文章名称:《空气分离设备》
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