[科普中国]-空气分离设备

空气分离设备就是将空气液化、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。它的最低工作温度为77K。19世纪末空气仍被称为“永久气体”，后来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。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。

简史到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(/时；空气压力下降到0.36兆帕；连续运转周期可达2年以上。

氮膜系统介绍简介SMN氮膜系统是一种空气分离设备，SMN氮膜系统由空气压缩机、过滤器和 SMN膜分离制氮装置组成。压缩空气经过滤器进入SMN膜分离制氮装置，空气中的氧气、水蒸气及少量CO2 快速透过膜进入膜的另一侧被富集；氮气透过膜的相对速率慢而留在膜滞留侧被富集。富集后的氮气其出口压力大小几乎和压缩空气进入膜系统时的压力相同，动力损耗非常小。 利用空气分离设备-SMN氮膜系统，可将空气中氮从78% 提高到95% 以上，最高可得到99.9% 的纯氮。用户如果要更高纯度的N2，可以配置化学催化脱O2，得到纯度直99.9995% 的高纯氮。

空气分离设备-SMN氮膜系统已形成了适合各种用途的全套系列，并通过调节压缩空气的压力、流速及温度等因素而得到您所希望的氮气产品纯度和产量。同时，在氮膜系统的渗透侧可得到富氧空气，富氧浓度在30--40%。

产品规格流量 1--2000Nm3/hr

压力 ≤1.2MPa

纯度 95~99.9995%

露点 -40~70℃

三、空气分离设备-SMN氮膜系统的优点

通过增加膜组件可很容易地扩大系统产氮量，压力损失小；

实现无人看管，系统全部由计算机操作管理，纯度在95%~99.9%之间由流量自由调节；

开机、停机简单方便，启动到正常供气仅需几分钟，膜组寿命可长达十年；

甚少保养，无运动部件，无须更换移动组件，根据用户需要现场配置不同规格的氮气系统；

重量轻，结构紧凑，节省空间，移动方便，与氮气纯化装置连接方便。

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．

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 。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。

空分设备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[干燥空气的组成]。

分离设备流程1、空气分离设备流程冻结法净除水分和CO2。空气在冷却过程中，水分和CO2在换热器通道内析出、冻结；经一定时间后将通道切换，由返流污氮气体将冻结的杂质带走。根据换热器的型式不同，又分为蓄冷器和板翅式切换式换热器。这种方式切换动作频繁，启动操作较为复杂，技术要求高，运转周期为1年左右；

2、空气分离设备流程按分子筛吸附净化流程。空气在进入主换热器前，已由吸附器将杂质净除干净。吸附器的切换周期长，使操作大大简化，纯氮产品量不再受返流气量要求的限制，运转周期可达两年或两年以上，受到越来越广泛的应用。

工作原理

变压吸附制氮（简称PSA制氮）是一种先进的气体分离设备，以优质的碳分子筛（CMS）为吸附剂，采用常温下变压吸附原理（PSA）分离空气制取高纯度的氮气。氧、氮两种气体在分子筛表面上的扩散速率不同，直径较小的气体分子（O2）扩散速率较快，较多的进入碳分子筛微孔，直径较大的分子N2扩散速率较慢，进入碳分子筛微孔较少。利用碳分子筛对氮和氧的这种选择吸附性差异，当压缩空气通过碳分子筛吸附塔时，氧在吸附相富集，氮在气体相富集，可使氧氮分离，在PSA条件下连续制取氮气。

优势成本低：PSA是一种简便的制氮方式，开机后几分钟产生氮气，氮气成本低于深冷法空分制氮；

选用优质进口碳分子筛：具有吸附容量大，抗压性能高，使用寿命长；

技术力量和售后服务：设备集装箱化，现场安装时，只需连接气源，电源；

优良的电气和机械装配技术，提供连续性技术服务，负责现场调试及培训工作；

低能耗：采用独特的吸附塔、布气系统、碳分子筛装填工艺，并针对不同要求的制氮机选用不同工艺和不同型号的优质碳分子筛，使吸附塔体积缩小，空气消耗量降低，从而合使能耗降低；

智能化：采用人性化的人机界面，智能化控制，您所做的只是按一下按钮，就能源源不断的供应所需的氮气，解决您外购氮气及搬运气瓶的烦恼；

个性化；为特殊客户量身定做，无需氮气纯化装置，也可直接制取纯度为99.999%的高纯氮气；

模块化：采用独有国家专利技术的模块化结构，设备结构清晰流畅，紧凑美观，具有极大的灵活性，便于未来系统扩容，降低投资成本；

长寿命：采用独有的气流控制技术和分子筛装填技术，最大限度的减小气流对分子筛的冲击，降低分子筛的磨损，寿命更长。

空气分离设备-变压吸附制氮装置主要技术指标

氮气产量1~2000Nm3/h

露点：-40℃~-60℃

氮气纯度：95~99.999%

氮气出口压力：≤0.6MPa

压缩空气：压力≥0.8MPa

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。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所