[科普中国]-气体分离设备

气体分离设备是指将气体液化、精馏、最终分离成为氧、氮和其他有用气体的设备。 气体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。

简介气体分离设备是指将气体液化、精馏、最终分离成为氧、氮和其他有用气体的设备。 气体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。

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

低压气体设备由于电耗低、连续运转周期长、经济效益高，被广泛采用。

从多组分原料气中分离出单组分气态和液态产品的深低温设备。多组分原料气通常指空气、天然气、焦炉气、水煤气、合成氨弛放气和各种裂解气等。常见的气体分离设备有空气分离设备、天然气分离设备、合成氨弛放气分离设备，以及焦炉气、水煤气分离设备和稀有气体提取设备。

发展历史气体分离设备的发展，是从1903年德国制成第一台商品制氧机开始的，随后又 出现了其他原料气的分离设备。1921年，美国建立第一家商业性回收氦并液化天然气的工厂。这些原料气组分多变、不稳定（特别是在低温带压力下），物性计算复杂，给设计带来困难，故很长时期都是当作燃料烧掉。直到30年代，焦炉气和水煤气的分离设备出现，才满足了化肥工业的需要。60年代，美国采用带液的透平膨胀机，制成了天然气深低温法回收轻烃的设备，使丙烷和乙烷的提取率达到80%，降低了化工原料的制造成本。由于能耗低、设备少、投资低、经济效益高等优点，气体分离技术得到迅速发展。

气体分离原理 分离的基本原理是：将经过净化的带压或加压的原料气逐级冷却至各分离组分的冷凝温度进行分凝(单级或逐级冷凝);或使原料气加压、冷却、液化、再精馏进行分离。常用的气体冷凝温度(在101.325千帕压力下)1。

天然气分离设备从天然气中分离出乙烷以上的轻烃的气体分离设备。天然气深低温分离轻 烃设备是在带液透平膨胀机技术获得成功后，逐步取代了传统的冷冻油吸收法而发展起来的。70年代以来，采用这种方法的分离设备已在世界各地得到广泛的应用。图1是天然气分离设备的工作原理。带压力的原料气经分离器(Ⅰ)去除机械杂质后进入吸附器，除去水、二氧化碳和硫化物，然后在换热器中被返流冷气流冷却。沸点较高的烃冷凝下来，在分离器(Ⅱ)中分离出冷凝液。液态烃经换热器气化复热并将冷量转给正流原料气，然后进甲烷塔中部。在分离器(Ⅱ)顶部分离得到的气体进入透平膨胀机冷却后，又有部分烃气冷凝出来。膨胀后带液的气体在分离器(Ⅲ)进一步分离分凝液而得到沸点更低的液态轻烃。液态轻烃进入甲烷塔顶部，与进入塔中部的气流在塔内进行精馏，使轻烃和甲烷分离，从甲烷塔顶部获得干气（甲烷），在塔底部获得液烃。甲烷气与分离器(Ⅲ)顶部出来的干气汇合，并进入换热器复热，再经透平膨胀机鼓风增压后外送1。

主要系统组成低压气体分离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。低压气体分离设备的工作原理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1。

合成氨弛放气分离设备从氨合成塔的弛放气中，通过深低温法分离回收氢氮混合气的气体分离设备。弛放气中含有大量有用气体，以往仅作为燃料烧掉。合成氨弛放气分离设备提取有用气体，可增产约 5%的合成氨。因此，采用这种设备是合成氨厂重要的增产节约措施之一。

工作原理合成氨弛放气分离设备的工作原理就是利用各组分沸点的不同,通过分凝，将氢和其他组分分离开。氨的沸点高,易固化堵塞在管道中而影响设备的正常运行，必须先将弛放气经水洗塔用软水脱氨，再用硅胶吸附器除去水、二氧化碳和微量氨；在换热器(E1)中受返流的氢氮混合气和可燃废气冷却，弛放气被部分冷凝，其中甲烷、氩和部分氮被冷凝成液体，并进入分离器(Ⅰ)中分离。液体返回换热器(E1)复热气化。从分离器(Ⅰ)顶部出来的气体经换热器(E2)进一步冷却，在分离器(Ⅱ)中分离出产品氮、氢混合气。氮氢混合气经换热器(E2)复热后进入活塞式膨胀机进行绝热膨胀，为低温装置提供冷量，然后经换热器(E2、E1)复热后出冷箱，按氢氮比为 3:1的比例配氮后，返回合成系统，再用压缩机加压，入合成塔合成为氨。富氮冷凝液在换热器(E2、E1)气化复热后分两部分：一部分作为吸附器的再生气，另一部分作为废气通入锅炉作为燃料使用。燃料废气中含有氩气，还可在冷箱内另设氩塔加以回收。

焦炉气、水煤气分离设备从焦炉气、水煤气中获得氮氢混合气的气体分离设备。焦炉气、水煤气经预处理设备除去机械杂质后的组分1。

设备的工作原理带压力的原料气（焦炉气、水煤气）经脱除二氧化碳后在换热器中逐级冷却。丙烯、乙烯和甲烷等高沸点碳氢化合物组分在相应的冷凝温度下分凝成液体，并通过分离器分离后排出；未被分凝的混合气通往氮洗塔，在塔中以液氮洗涤，除去微量的碳氢化合物、一氧化碳和氧等杂质，从塔顶得到氢氮混合气。水煤气由于只含少量甲烷，无冷凝液产生。为补偿冷量的不足，常用一组附加氮循环制冷设备，产生液氮供洗涤混合气用。由焦炉气分离设备和空气分离设备组成的联合装置，则以空气分离设备生产的液氮作洗涤液1。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学