[科普中国]-空气分离机

空气分离机就是将空气液化、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。它以空气为原料，通过压缩循环深度冷冻的方法把空气变成液态，再经过精馏而从液态空气中逐步分离生产出氧气、氮气及氩气等惰性气体的设备；最低工作温度为77K1。

种类空分设备

目前我国生产的空分设备的形式、种类繁多。有生产气态氧、氮的装置，也有生产液态氧、氮的装置。但就基本流程而言，主要有四种，即高压、中压、高低压和全低压流程。

工艺流程其工艺流程为中压带透平膨胀机的克劳特循环。空气从大气中吸入空压机，被压缩到所需的压力，再经末级冷却器冷却后进入氟里昂预冷机组，被冷却至5℃左右进入纯化器，在其中除去水份、二氧化碳、碳氢化合物等物质，进入分馏塔。经纯化后的压缩空气进入分馏塔的主换热器（上），与主换热器（下）来的氧、氮及馏份气进行热交换后经节流阀与膨胀机出来的冷空气会合于下塔底部的蒸发器，在下塔进行传热、传质过程。液空在下塔预分后，再节流到上塔进一步分馏，在塔顶得到纯氮气，上塔中部抽出之馏份气经上换热器回收冷量后作为纯化器再生吹冷用，产品纯氮气通过管道输往用户。产品氧气在输氧管路旁接水封器后导入贮气囊通往氧压机。2

基本系统空分设备是一个大型的复杂系统，主要由以下子系统组成：动力系统、净化系统、制冷系统、热交换系统、精馏系统、产品输送系统、液体贮存系统和控制系统等。

动力系统

主要是指原料空气压缩机。空分设备将空气经低温分离得到氧、氮等产品，从本质上说是通过能量转换来完成。而装置的能量主要是由原料空气压缩机输入的。相应地，空气分离所需要的总能耗中绝大部分是原料空气压缩机的能耗。

净化系统

由空气预冷系统（空冷系统）和分子筛纯化系统（纯化系统）组成。经压缩后的原料空气温度较高，空气预冷系统通过接触式换热降低空气的温度，同时可以洗涤其中的酸性物质等有害杂质。分子筛纯化系统则进一步除去空气中的水分、二氧化碳、乙炔、丙烯、丙烷和氧化亚氮等对空分设备运行有害的物质。

制冷系统：空分设备是通过膨胀制冷的，整个空分设备的制冷严格遵循经典的制冷循环。不过通常提到的空分制冷设备，主要是指：膨胀机。

热交换系统

空分设备的热平衡是通过制冷系统和热交换系统来完成的。随着技术的发展，现在的换热器主要使用铝制板翅式换热器。

精馏系统

空分设备的核心，实现低温分离的重要设备。通常采取高、低压两级精馏方式。只要由低压塔、中压塔和冷凝蒸发器组成。

产品输送系统

空分设备生产的氧气和氮气需要一定的压力才能满足后续系统的使用。只要由各种不同规格的氧气压缩机和氮气压缩机组成。

液体贮存系统

空分设备能生产一定的液氧和液氮等产品，进入液体贮存系统，以备需要时使用。只要是由各种不同规格的贮槽、低温液体泵和汽化器组成。

控制系统

大型空分设备都采用计算机集散控制系统，可以实现自动控制。

工艺系统空分设备从工艺流程来说可以分为5个基本系统：

（1）杂质的净化系统

主要是通过空气过滤器和分子筛吸收器等装置，净化空气中混有的机械杂质、水分、二氧化碳、乙炔等。

（2）空气冷却和液化系统

主要由空气压缩机、热交换器、膨胀机和空气节流阀等组成，起到使空气深度冷冻的作用。

（3）空气精馏系统

主要部件为精馏塔（上塔、下塔）、冷凝蒸发器、过冷器、液空和液氮节流阀。起到将空气中各种组分分离的作用。

（4）加温吹除系统

用加温吹除的方法使净化系统再生。

（5）仪表控制系统

通过各种仪表对整个工艺进行控制1。

净化原理在应用低温精馏原理制氧的设备中，为了保证空气在低温区精馏分离的正常进行，必须在常温区对空气进行过滤、预冷和净化等预处理。

空气中含有大量尘埃，空气透平压缩机（简称空压机）在长时间的高速运行中，粉尘会造成机器内部的叶轮，叶片等零部件的磨损、腐蚀和结垢，缩短机器使用寿命，因此必须设置原料空气过滤器，以清除空气中的尘埃。

经空气透平压缩机压缩后的空气温度升高至80度以上，导致后续吸附和换热不能正常进行，通过设置空气预冷系统可以有效的降低进入空分设备的空气温度。

原料空气中除了有大量的尘埃外，还有水分，二氧化碳，和乙炔等碳氢化合物，现代空分设备大多数采用分子筛纯化系统来清除这些杂质，以提高进入冷箱空气的洁净度，防止水分和二氧化碳浓缩而威胁空分设备的正常运行。因此，气体过滤、预冷和净化设备是空分设备内不可缺少的一个组成部分1。

本词条内容贡献者为:

李晓林 - 教授 - 西南大学