制氧車間空分產品

空氣分離的方法及原理

空分的含義：簡單說就是利用物理方法將空氣混合物各組份進行分離，獲得高純氧氣和高純氮氣以及一些稀有氣體的過程。

空氣中的主要成分是氧和氮，它們分別以分子狀態存在，均勻地混合在一起，通常要將它們分離出來比較困難，目前工業上主要有３種實現空氣分離方法。

深冷法（也稱低溫法）：先將混合物空氣通過壓縮、膨脹和降溫，直至空氣液化，然后利用氧、氮汽化溫度（沸點）的不同（在標準大氣壓下，氧的沸點為﹣１８３℃；氮的沸點為﹣１９６ ℃，沸點低的氮相對于氧要容易汽化這個特性，在精餾塔內讓溫度較高的蒸汽與溫度較低的液體不斷相互接觸，低沸點組分氮較多的蒸發，高沸點組分氧較多的冷凝的原理，使上升蒸氣氮含量不斷提高，下流液體中的氧含量不斷增大，從而實現氧、氮的分離。要將空氣液化，需將空氣冷卻到﹣１７３ ℃以下的溫度，這種制冷叫深度冷凍（深冷）；而利用沸點差將液態空氣分離為氧、氮、氬的過程稱之為精餾過程。深冷與精餾的組合是目前工業上應用最廣泛的空氣分離方法；

吸附法：利用多孔性物質分子篩對不同的氣體分子具有選擇性咐附的特點，對氣體分子不同組分有選擇性的進行吸附，達到單高純度的產品。吸附法分離空氣流程簡單，操作方便運行成本較低，但不能獲得高純度的的雙高產品。

膜分離法：利用一些有機聚合膜的潛在選擇性，當空氣通過薄膜或中空纖維膜時，氧氣穿過膜的速度比氮快的多的特點，實現氧、氮的分離。這種分離方法得到的產品純度不高，規模也較小，目前只適用于生產富氧產品。

目前大型空分設備基本上采用的是深冷法獲得大氣量的氧氣氮氣產品，以保證生產的需要。

低溫法空氣分離設備常見的流程
低溫法分離空氣設備均由以下四大部分組成：空氣壓縮、空氣中水分雜質等凈除；膨脹制冷；空氣通過換熱冷卻、液化；空氣精餾、分離；低溫產品的冷量回收及壓縮。各部分實現的方式和采用的設備不同，組成不同的流程。

根據制冷方式分類

按工作壓力分為高壓流程、中壓流程和低壓流程。高壓流程的工作壓力高達10.0～20.0MPa，制冷量全靠節流效應，不需膨脹機，操作簡單，只適用于小型制氧機或液氮機。中壓流程的工作壓力在1.0～5.0MPa，對于小型空分裝置由于單位冷損大，需要有較大的單位制冷量來平衡，所以要求工作壓力較高，此時，制冷量主要靠膨脹機，但是節流效應制冷量也占較大的比例。低壓流程的工作壓力接近下塔壓力，它是目前應用最廣的流程，該裝置具有較低的單位能耗。

按膨脹機的型式分為活塞式、透平式和增壓透平式。活塞式膨脹量小，效率低，只用于一部分舊式小型裝置。透平式由于效率高，得到最廣泛的應用。對低壓空分裝置，由于膨脹后的空氣進入上塔參與精餾，希望在滿足制冷量要求的情況下膨脹量盡可能地小，以提高精餾分離效果。增壓透平是利用膨脹機的輸出功，帶動增壓機壓縮來自空壓機的膨脹空氣，進一步提高壓力后再供膨脹機膨脹，以增大單位制冷量，減少膨脹量。這在新的低壓空分流程中得到越來越廣泛的應用；本車間目前使用的就是增壓透平膨脹機。

 按膨脹氣體分為空氣膨脹流程和氮膨脹流程。膨脹后空氣進上塔會影響精餾；氮氣膨脹使主冷中氮的冷凝量減少，即進入上塔的回流液減少，同樣對上塔精餾有影響，二者各有優缺點。

按凈化方式分類

凍結法凈除水分和CO2。空氣在冷卻過程中，水分和CO2在換熱器通道內析出、凍結；經一定時間后將通道切換，由返流污氮氣體將凍結的雜質帶走。根據換熱器的型式不同，又分為蓄冷器和板翅式切換式換熱器。這種方式切換動作頻繁，啟動操作較為復雜，技術要求高，運轉周期為1年左右；

 分子篩吸附凈化流程。空氣在進入主換熱器前，已由吸附器將雜質凈除干凈。吸附器的切換周期長，使操作大大簡化，純氮產品量不再受返流氣量要求的限制，運轉周期可達兩年或兩年以上，目前受到越來越廣泛的應用。

隨著空氣質量的變化，N2O的脫除也收到越來越多的重視。

分離方式分類

低溫法分離空氣是靠精餾塔內的精餾過程。

根據產品的品種分為生產單高產品、雙高產品、同時提取氬產品（全精餾無氫制氬）或全提取稀有氣體等流程；    

根據精餾設備分為篩板塔和規整填料塔等。

按產品的壓縮方式分類
可分為分離裝置外壓縮和裝置內壓縮兩類。裝置外壓縮是單獨設置產品氣體壓縮機，對裝置的工作沒直接影響。裝置內壓縮是用泵壓縮液態產品，再經復熱、氣化后送至裝置外。相對來說內壓縮較為安全，但是，液體泵是否正常將直接影響到裝置的運轉。

空分-流程方塊圖

深冷法制氧的設備在安全上有何特點?

=利用深冷法制氧，首先要將空氣液化，再根據氧、氮沸點不同將它們分離開來。空氣液化必須將溫度降到-140.6℃以下。一般空氣分離是在-172～-194℃的溫度范圍進行的。

=低溫換熱器、精餾塔等低溫容器及管道置于保冷箱內，并充填有熱導率低的絕熱材料珍珠巖保溫砂，防止從周圍傳入熱量，減少冷損，否則設備無法運行；

=用于制造低溫設備的材料，要求在低溫下有足夠的強度和韌性，以及有良好的焊接、加工性能。常用鋁合金、銅合金、不銹鋼等材料；

=空氣中高沸點的雜質，例如水分、二氧化碳等，應在常溫時預先清除。否則會堵塞設備內的通道，使裝置無法工作；

=空氣中的乙炔和碳氫化合物進入空分塔內，積聚到一定程度，會影響安全運行，甚至發生爆炸事故。因此，必須設置凈化設備將其清除；

=貯存低溫液體的密閉容器，當外界有熱量傳入時，會有部分低溫液體吸熱而氣化，壓力會升高。為防止超壓，必須設置可靠的安全裝置；

=低溫液體漏入基礎，會將基礎凍裂，設備傾斜。因此必須保證設備、管道和閥門的密封性，要考慮熱脹冷縮可能產生的應力和變形；

=被液氧浸漬過的木材、焦炭等多孔有機物質，當接觸火源或給以一定的沖擊力時，會發生激烈的燃爆。因此，冷箱內不允許有多孔性的有機物質。對液氧的排放，應預先考慮有專門的液氧排放管路和容器，不能走地溝；

=低溫液體長期沖擊碳素鋼板，會使鋼板脆裂。因此，排放低溫液體的管道及排放槽不能采用碳素鋼制品；

= 氮氣、氬氣是窒息性氣體，其液體排放管應引至室外。氣體排放管應有一定的排放高度，排放口不能朝向平臺樓梯；

 = 氧氣是強烈的助燃劑，其排放管不能直接排在不通風的廠房內。

內壓縮與外壓縮比較

1）首先是投資成本,就是說如果上:一套空分設備,內壓縮流程和外壓縮流程哪一種花的錢多。大致上,投資成本存在差別的主要有以下幾部分。

就是內壓縮流程的液氧泵加上空氣増壓機與外壓縮流程的氧壓機相比。在國外,認為采用內壓流程的投資要合算很多,那是國外的行情。因為國外的氧壓機非常昂貴。舉例來說,相同規格的氧氣透平壓縮機(透平氧壓機),進口的價格是國產價格的3倍左右;而內壓縮流程所需的空氣增壓機的價格是相應國產透平氧壓機的1.5倍;液氧泵的成本相比較而言幾乎可以忽略不計。這么大的成本差距,在國外當然是要選用內壓縮流程的空分設備。而在國內,情況正好相反。首先,外壓縮流程的透平氧壓機完全可以采用同產產品,性能良好,價格低廉,且安全性能好。若采用內壓縮流程,所需的空氣增壓機一般是要求進口機組,國產機組在性能等各方面還不能完全滿足要求。這樣,采用內壓縮流程的空分設備的成本就高。事實上,內壓縮流程比外縮流程高出的投資成本也主要在這個部分。

2）換熱器部分

因為內壓縮流程空分設備要用到中高壓的板翅式換熱器,會涉及到投資成本的變化。進的中高壓換熱器質量和可靠性相對而商更高一些,價格也同樣要高一些,這部分也相應增加了一些成本。

3）膨脹機部分

內壓縮流程空分設備要用到中壓膨脹機,進口的膨脹機效率較高,可靠性史好。如果選用進口產品,通常的模式是配1臺,并帶1套機芯總成。而如果選用國產機組,出才運行可靠性的考慮,要采用一用一備的方式。按照這樣的配置模式進行比較,配進口機組仍然比配國產機組成本要高一些。

4）閥門部分

內壓縮流程空分設備有部分中高壓的流路,相應對閥門的要求也比較高。所以在這部分也會有一些增加的成本，一般來說,一套內壓縮流程空分設備的總價格會比同樣規模的外壓縮流程空分設備高10%左右。

5）運行費用主要由三部分構成:運行能耗、備件及維護費用和操作維護人員的開支。我們只比較前兩個部分。雖然通常認為:“內壓縮流程能耗略高。”不過還是要具體情況具體分析。空分設備中液體產品(液氧、液氮和液氬總量)占氣氧產品的比例對能耗的影響很大。一般可以認為8%-10%左右的比例是一個分界點,低于這個比例外壓縮流程能耗較低,若高于這個比例則內壓縮流程在能耗上具有優勢。科學的方法是做仔細的方案比較,然后再決定采用哪一種流程，與外壓縮流程相比,內壓縮流程空分設備由于進口的機組設備和其他部件較多,則相應的備件和維護費用也會高一些。

6）安全性與可靠性

理論上內壓縮流程空分設備的安全性高一些。相對而言外壓縮空分設備的性高些，外壓縮的安全隱患主要在于冷凝蒸發器內液氧中碳氫化合物的積聚和氧氣透平式及活塞式壓縮機。

制冷量

制冷就是要從比環境溫度低的裝置內取走熱量，以平衡由外部傳入的熱量，使裝置保持低溫狀態，或使內部溫度不斷降低，直至不斷積累起低溫液體。

熱量只能從高溫物體傳給低溫物體，要從低溫物體取走熱，首先要用人工的方法，造成一個更低溫度的狀態，使它具有吸收、并帶走熱量的能力。理論上講，制冷量就是指這個帶走熱量能力的大小。根據制冷造成低溫的方式不同，制冷量可分為以下三種：

節流效應制冷量：進入空分裝置壓力較高的空氣，在裝置內經過節流閥及管路、設備等壓力降低而膨脹。通常，節流過程將造成溫度降低，氣體所具有的帶走熱量的能力，就是低壓氣體在離開裝置時恢復到進口溫度相同時所能帶走的熱量。這說明，在同樣的溫度下，壓力高的氣體具有的能量(焓)比低壓時要小，二者能量(焓)的差值就是所能吸收的熱量，即叫做節流效應制冷量。

膨脹機制冷量：壓力較高的氣體經過膨脹機膨脹時，由于氣體推動葉輪旋轉，對外輸出功，因而氣體本身的能量(焓)減小，溫度顯著降低。它所具有的帶走熱量的能力，就是吸熱后恢復到膨脹前的能量。因此，膨脹機膨脹前后的能量(焓)之差就是膨脹機制冷量。

冷凍機提供的制冷量：采用分子篩凈化的空分設備，往往用冷凍機的低溫工質來預冷空氣，以提高吸附凈化效果。這是由空分設備外部提供的制冷量，就是指冷凍水從空氣帶走的熱量，它可使所需的節流效應和膨脹機制冷量減少。

什么叫節流，節流后流體溫度為什么會降低

·當氣體或液體在管道內流過一個縮孔或一個閥門時，流動受到阻礙，流體在閥門處產生漩渦、碰撞、摩擦。流體要流過閥門，必須克服這些阻力，表現在閥門后的壓力比閥門前的壓力低得多。這種由于流動遇到局部阻力而造成壓力有較大降落的過程，通常稱為“節流過程”。

·實際上，當流體在管路及設備中流動時，也存在流動阻力而使壓力有所降低。但是，它的壓力降低相對較小，并且是逐漸變化的。而節流閥的節流過程壓降較大，并是突然變化的。例如，空氣流經主熱交換器的壓降約在0.01MPa左右，而液空從下塔通過節流閥節流到上塔時，節流前后的壓降可達0.45MPa。

·在節流過程中，流體既未對外輸出功，又可看成是與外界沒有熱量交換的絕熱過程，根據能量守恒定律，節流前后的流體內部的總能量(焓)應保持不變。但是，組成焓的三部分能量：分子運動的動能、分子相互作用的位能、流動能的每一部分是可能變化的。節流后壓力降低，質量比容積增大，分子之間的距離增加，分子相互作用的位能增大。而流動能一般變化不大，所以，只能靠減小分子運動的動能來轉換成位能。分子的運動速度減慢，體現在溫度降低。在空分設備中，遇到的節流均是這種情況，這也是節流降溫制冷要達到的目的。

膨脹機膨脹的溫降效果與節流溫降比較

·空氣從0.6MPa節流到0.1MPa的溫降只有1℃左右，而通過膨脹機膨脹，理論上溫降可達80～90℃，溫降效果要比節流好得多。其原因是節流過程不對外輸出功，溫度降低是靠分子位能增加而引起的。氣體在膨脹機內膨脹時，氣體要推動葉輪旋轉，或推動活塞對外作功，而且膨脹過程進行很快，外界沒有能量輸入，理想情況下可以看成是一個絕熱過程。根據能量守恒定律，輸出的功只有靠減少氣體的能量(焓)來維持平衡，使得氣體分子運動的動能急劇減少，反映在溫度大幅度下降。因此，膨脹機膨脹時，氣體的溫度降低不僅是因為壓力降低，造成分子的位能增加，而使分子運動的動能減少引起的，更主要是由于對外作功造成的，所以溫降的效果要比節流時大得多。

空氣中有哪些雜質，在空氣分離過程中為什么要清除雜質？

空氣中除氧、氮外，還有少量的水蒸氣、二氧化碳、乙炔和其他碳氫化合物等氣體，以及少量的灰塵等固體雜質。每立方米空氣中的水蒸氣含量約為4～40g/m3(隨地區和氣候而異)，二氧化碳的含量約為0.6～0.9g/m3，乙炔含量約為0.01～0.1cm3/m3(在乙炔站和化工廠附近含量可達0.05～1cm3/m3)，灰塵等固體雜質的含量一般為0.005～0.15g/m3，冶金廠附近可高達0.6～0.9g/m3。這些雜質在每立方米空氣中的含量雖然不大，但由于大型空分設備每小時加工空氣量都在幾萬甚至十幾萬立方米，因此，每小時帶入空分設備的總量還是可觀的。以60000m3/h制氧機為例，每小時隨空氣帶入空壓機的水分量約11t，經空氣冷卻器和氮水預冷器后有很大一部分水分將析出。即使如此，每小時帶入空分設備的水分還有2000kg。每天隨空氣吸入的灰塵達50～100kg，甚至更多。而這些雜質對空分設備都是有害的。隨空氣冷卻，被凍結下來的水分和二氧化碳沉積在低溫換熱器、透平膨脹機或精餾塔里，就會堵塞通道、管路和閥門；乙炔集聚在液氧中有爆炸的危險；灰塵會磨損運轉機械。為了保證空分設備長期安全可靠地運行，必須設置專門的凈化設備，清除這些雜質。

脈沖式反吹自潔式空氣過濾器

·國產的脈沖式反吹自潔式空氣過濾器對2μm粒子過濾效率大于98%；初始阻力小于150Pa，正常狀態阻力為400～600Pa，報警阻力為800Pa，最大安全阻力為1500Pa；反吹壓縮空氣壓力600～800kPa，流量小于0.15m3/min。每個濾筒的有效過濾面積為21.4m3。

·脈沖式反吹自潔空氣過濾器的優點有：

·濾筒的過濾效率高，阻力低，使用壽命長，且能抗水霧；

·自動反吹清掃灰塵，達到自潔。可保證空壓機連續2年以上不間斷運行。實驗證明，連續運行5～10年的離心式空壓機內部無明顯結垢，葉片毫無粉塵磨損的痕跡；

·設備檢修維護方便，費用低。濾筒壽命長，更換方便，且可以不停機更換。濾料為優質防水紙料，價格便宜；

· 脈沖反吹自潔式空氣過濾器為干式空氣過濾器，與濕式空氣過濾器相比，加工空氣不帶油，沒有危及空分裝置安全的問題。

清除空氣中的水分、二氧化碳和乙炔常用方法

·清除空氣中的水分、二氧化碳和乙炔的方法最常用的是吸附法和凍結法。

·吸附法就是用硅膠或分子篩等作吸附劑，把空氣中所含的水分、二氧化碳和乙炔，以及液空、液氧中的乙炔等雜質分離出來，濃聚在吸附劑的表面上(沒有化學反應)，加溫再生時再把它們趕掉，從而達到凈化的目的。例如設置干燥器、二氧化碳吸附器、液空吸附器、液氧吸附器。

 ·凍結法就是空氣流經蓄冷器或切換式換熱器時把其中所含的水分和二氧化碳凍結下來(乙炔不能凍結)，然后被干燥的返流氣體帶出裝置，即自清除。

·在高壓、中壓、高低壓制氧系統上，曾用堿洗法清除二氧化碳，即用氫氧化鈉(Na0H)的水溶液吸收空氣中的二氧化碳。由于操作不便，目前已被淘汰。

·采用分子篩凈化流程可用分子篩同時吸附清除空氣中的水分、二氧化碳和乙炔，使流程簡化，已在制氧機上普遍地被采用。

壓縮系統

1）從空氣室濾筒出來的大氣空氣被去除了塵埃和其他機械雜質后，過濾后的空氣被裝備用來調整空氣量和防喘振設備的空壓機壓縮。在空壓機內部，空氣壓縮分三段執行，每一段都有內部冷卻器。壓縮后，空氣壓力5.2Bar（A），溫度是80 ℃，然后空氣被送入空氣預冷系統（空冷塔）進行洗滌降溫。

預冷系統

1）主要作用

  對空壓機增壓后的濕空氣進行冷卻，并進一步的洗滌空氣中的微顆粒灰塵、部分水溶性物質（NH3、SO2等）等雜質。經空冷塔冷卻后的空氣近似飽和濕空氣，根據純化系統的工作特性，濕空氣出空冷塔溫度越低含水量越低，也越有利于降低純化系統的吸附負荷。

2）工作原理及流程

      空冷塔分為上下兩段，下段用循環水降溫，上段用冷凍水降溫，直接利用冷卻水和冷凍水在散堆填料上與濕空氣接觸換熱來降低濕空氣的溫度。冷卻水從空冷塔下部引入，冷凍水從空冷塔上部引入。冷卻水來源于工廠冷卻水供水管網水池，經冷卻水泵加壓后引入，換熱后在空冷塔底部收集并回到冷卻水回水管網。冷凍水來源于循環水池，在水冷塔內與干燥污氮接觸，利用水的汽化潛熱實現降溫，再經氨冷凍機進一步的降低溫度，后經冷凍水泵加壓引入。在空冷塔頂部設置有收水器，可將空氣中夾帶的游離水分離出來。

空氣純化系統的任務

純化系統的目的是通過分子篩清除空氣中的水分、二氧化碳及碳氫化合物等雜質,保障空分裝置的安全運行。經分子篩吸附器純化后的空氣中的水含量≤5PPm 、CO2≤1PPm。

分子篩吸附器

·分子篩主要成分是堿性硅鋁酸鹽,有一定的晶型和連接結構,能使一些特定的分子通過的物質。

·液化設備通常都有用于凈化流程空氣的前置凈化裝置，2臺分子篩吸附器（1臺吸附，1臺再生）交替使用，保證了其工作的連續性。其目的是脫除空氣中的水分和二氧化碳及C、H化合物（CO2在空氣中的平均含量約500ppm）。

分子篩吸附器結構圖

吸附器內裝填的氧化鋁和分子篩的吸附容量有限，吸附飽和后需要進行解析再生操作。為了持續的運行，設置了兩個吸附器，一個處于吸附狀態另一個則處于再生狀態。根據吸附劑低溫高壓吸附、高溫低壓解析的特性，將吸附飽和的吸附器泄壓吹除，然后利用蒸汽加熱器或者電加熱器（特殊再生）加熱從低壓塔復熱的低壓污氮至一定溫度對床層進行加熱解析再生，污氮加熱后的溫度足夠高到解析床層內被吸附的水分和二氧化碳。加熱完成后再利用復熱的污氮對床層進行冷吹，帶走床層內熱量。冷吹流量和時間需要保證冷吹完成時床層內的殘留熱量在一定范圍內，否則再生完的吸附器投用后出口溫度會波動對后續工段造成影響。再生完成的吸附器均壓后與當前運行的吸附器并行一段時間后投入吸附。

分子篩吸附過程

·吸附原理：吸附是一種把氣態和液態物質（吸附質）固定在固體表面（吸附劑）上的物理現象，這種固體（吸附劑）具有大量微孔的活性表面，吸附質的·分子受到吸附劑表面引力的作用，從而固定在上面。

·引力的大小取決于：

—吸附劑表面的構造（微孔率）

—吸附質的分壓

—溫度

·吸附伴隨著放熱，是一種可逆的現象，類似于凝結：

—如果增加壓力，吸附能力增加

—降低溫度，吸附能力增加

·因此，在吸附時，要使壓力升到最高，溫度降到最低。解吸時，則要使壓力降到最低，溫度升到最高。

什么叫精餾

·對兩種沸點不同的物質(例如氧與氮)組成的混合液體，在吸收熱量而部分蒸發時，易揮發組分氮將較多地蒸發；而混合蒸氣在放出熱量而部分冷凝時，難揮發組分氧將較多地冷凝。如果將溫度較高的飽和蒸氣與溫度較低的飽和液體接觸，則蒸氣將放出熱量給飽和液體。蒸氣放出熱量將部分冷凝，液體將吸收熱量而部分蒸發。蒸氣在部分冷凝時，由于氧冷凝得較多，所以蒸氣中的低沸點組分(氮)的濃度有所提高。液體在部分蒸發過程中，由于氮較多的蒸發，液體中高沸點組分(氧)的濃度有所提高。如果進行了一次部分蒸發和部分冷凝后，氮濃度較高的蒸氣及氧濃度較高的液體，再分別與溫度不同的液體及蒸氣進行接觸，再次發生部分冷凝及部分蒸發，使得蒸氣中的氮濃度及液體中的氧濃度將進一步提高，這樣的過程進行多次，蒸氣中的氮濃度越來越高，液體中的氧濃度越來越高，最終達到氧、氮的分離。這個過程就叫精餾。

·概括地說，精餾是利用兩種物質的沸點不同，多次地進行混合蒸氣的部分冷凝和混合液體的部分蒸發的過程，以達到分離的目的。

精餾塔內的空氣是怎樣被分離成氧和氮的

·精餾塔是設有多層塔板(對篩板塔，填料塔的工作原理相同)的設備。在塔板上有一定厚度的液體層。精餾塔一般多為雙級精餾塔。

·壓縮空氣經清除水分、二氧化碳，并在熱交換器中被冷卻及膨脹(對中壓流程)后送入下塔的下部，作為下塔的上升氣。因為它含氧21%，在0.6MPa下，對應的飽和溫度為100.05K。在冷凝蒸發器中冷凝的液氮從下塔的頂部下流，作為回流液體。因其含氧為0.01%～1%，在0.6MPa下的飽和溫度約為96.3K。由此可見，精餾塔下部的上升蒸氣溫度高，從塔頂下流的液體溫度較低。下塔的上升氣每經過一塊塔板就遇到比它溫度低的液體，氣體本身的溫度就要降低，并不斷有部分蒸氣冷凝成液體。由于氧是難揮發組分，氮是易揮發組分，在冷凝過程中，氧要比氮較多地冷凝下來，于是剩下的蒸氣中含氮濃度就有所提高。就這樣一次、一次地進行下去，到塔頂后，蒸氣中的氧絕大部分已被冷凝到液體中去了，其含氮濃度高達99%以上。這部分氮氣被引到冷凝蒸發器中，放出熱量后全部冷凝成液氮，其中一部分作為下塔的回流液從上往下流動。液體在下流的過程中，每經過一塊塔板遇到下面上升的溫度較高的蒸氣，吸熱后有一部分液體就要氣化。在氣化過程中，由于氮是易揮發組分，氧是難揮發組分，因此氮比氧較多地蒸發出來，剩下的液體中氧濃度就有所提高。這樣一次、一次地進行下去，到達塔底就可得到氧含量為38%～40%的液空。因此，經過下塔的精餾，可將空氣初步分離成含氧38%～40%的富氧液空和含氮99%以上的液氮。 

·然后將液空經節流降壓后送到上塔中部，作為進一步精餾的原料。與下塔精餾的原理相同，液體下流時，經多次部分蒸發，氮較多地蒸發出來，于是下流液體中的含氧濃度不斷提高，到達上塔底部可得到含氧99.2%～99.6%的液氧。從液空進料口至上塔底部塔板上的精餾是提高難揮發組分的濃度，叫提餾段。這部分液氧在冷凝蒸發器中吸熱而蒸發成氣氧，在0.14MPa下它的溫度為93.7K左右。一部分氣氧作為產品引出，大部分作為上塔的上升氣。在上升過程中，部分蒸氣冷凝，蒸氣中的氮含量不斷增加。由于上塔中部液空入口處的上升氣中還有較多的氧組分，如果將它放掉，氧的損失太大，所以應再進行精餾。從冷凝蒸發器中引出部分含氮99%以上的液氮節流后送至上塔頂部，作為回流液，蒸氣再進行多次部分冷凝，同時回流液多次部分蒸發。其中氧較多地留在液相里，氮較多地蒸發到氣相中，到了上塔頂，便可得到含氮99%以上的氮氣。從液氮進料口到液空進料口是為了進一步提高蒸氣中低沸點組分(氮)的濃度，叫精餾段。如果需要純氮產品還需要再次精餾，才能得到含氮99.99%的純氮產品。這就是精餾塔內將空氣分離成氧、氮的過程。

下塔壓力為什么比上塔高

·為了實現上、下塔的精餾過程，必須使下塔頂部的氣氮冷凝為液氮，使上塔底部的液氧蒸發為氣氧。這個過程是通過冷凝蒸發器，用下塔的氣氮來加熱上塔的液氧，使其蒸發成氣氧，而氣氮本身因放出熱量而冷凝成液氮來實現的。為此，要求冷凝蒸發器的冷凝側(即氮側)的溫度高于蒸發側(即氧側的溫度)，并保持一定的溫差(一般在1.0～2.5℃)。

·我們知道，在同樣壓力下，氧的沸點比氮高，無法達到上述目的。但是，氣體的液化溫度和液體的氣化溫度與壓力有關，而且隨壓力的增加而升高。例如在0.14MPa下，液氧的蒸發溫度是93.2K，氣氮的冷凝溫度是80K；而在0.58MPa下，氣氮的冷凝溫度是95.6K。為實現用氣氮來加熱液氧的目的，就必須把氮側的壓力提高，使氮的冷凝溫度高于氧的蒸發溫度，并保證一定的傳熱溫差才行。因為冷凝蒸發器的氧側與上塔底部相連。它與上塔底部具有相同的壓力；其氮側與下塔頂部相連，它與下塔頂部具有相同的壓力。所以，下塔壓力比上塔高就是要保證主冷的正常工作，以實現上、下塔的精餾過程。

精餾系統流程

空氣經空冷塔和分子篩純化器凈化后的空氣分為兩部分：

1）一部分凈化后的空氣主氣流直接進入冷箱的主換熱器（E1)(E2)內，并在主換熱器(E01)中與返流產品進行熱交換而冷卻至-173℃，這股氣流然后進入下塔(K01)底部首次參加精餾分離。上升氣體和下降液體接觸后氮的含量升高。

2）另一部分凈化空氣送入增壓透平膨脹機的增壓端增壓后送入冷箱，在冷箱的主換熱器(E01)中與氧、氮換熱，或旁通至。

3）剩余部分增壓空氣在主換熱器(E01)中冷卻至適當溫度抽出（部分做儀表氣），然后經透平膨脹機膨脹端 (ET01) 膨脹后送入中壓塔 (K01)。

注：1開氏度（K）= -272.15攝氏度（℃）

氬系統流程

·為了提取氬，從低壓塔(K02)中間位置抽出的氬餾份（氧含量為8%～10%）被送入粗氬塔(K10)中，在此去除氧。該塔的回流液所需的冷量由粗氬塔冷凝器(E10)中的富氧液空的蒸發而產生。

·然后粗液氬流入精氬塔(K11)中分離去除氮，產品液氬送至儲槽。

·精氬塔(K11)底部的蒸發熱量由精氬塔蒸發器(E15)冷凝來自中壓塔的少量中壓氮氣而產生。被冷凝的液氮進入精氬塔冷凝器(E16)中和來自過冷器(E03)后的液氮同時被蒸發用于冷凝上升蒸氣，從而向精氬塔(K11)提供回流液。

·當不生產液氬時，來自粗氬塔(K10)頂部的粗液氬回流至低壓塔(K02)，通過提純的粗液氬進入低壓塔(K02)頂部，保證氧提取率不變。此時精氬塔(K11)停車冷備。

液氧后備及儲槽

·液氧貯槽和后備系統

·來自低壓塔(K02)的液氧產品經過過冷器后送入1個1200m3的液氧貯槽(V40)。

·當需要啟動中壓液氧后備系統時，貯槽中的液氧產品可以由中壓液氧后備泵(P41)升壓至所需壓力后，在水浴式蒸發器(E41)中汽化作為緊急情況時的后備中壓氧氣產品輸出。

·空分后備系統配置高壓氧氣緩沖罐（V45）用于空分跳車時后備系統啟動達到滿負荷前短暫時間內的下游氣量供應。

另外，配置液氧充車泵(P40)用于液體充車。

液氮儲槽及后備

·來自中壓塔(K01)的液氮產品經過過冷器后送入1個2000m3的液氮貯槽(V50)。

·當需要啟動低壓液氮后備系統時，貯槽中的液氮產品可以由低壓液氮后備泵(P51)升壓至所需壓力后，在水浴式蒸發器(E51)中氣化，作為后備低壓氮氣產品輸出，其中一部分相當于常壓氮氣產品經過節流后作為常壓氮氣產品輸出。

·當需要啟動中壓液氮后備系統時，貯槽中的液氮產品可以由中壓液氮后備泵(P52)升壓至所需壓力后，在水浴式蒸發器(E52)中氣化作為緊急情況時的后備中壓氮氣產品輸出。

·當需要啟動高壓液氮后備系統時，貯槽中的液氮產品可以由高壓液氮后備活塞泵(P54)升壓至所需壓力后，在空浴式蒸發器(E54)中氣化作為緊急情況時的后備高壓氮氣產品輸出。

·當空分和下游裝置均停車或全廠斷水斷電的情況下，液氮真空罐（V51）引出的液氮經過空浴式蒸發器（E53）汽化，一部分作為全廠緊急用氣，另一部分節流至0.4MpaG送去用戶下游裝置。

·空分后備系統配置高壓氮氣緩沖罐（V55）用于空分跳車時后備系統啟動達到滿負荷前短暫時間內的下游氣量供應。

·另外，配置液氮充車泵(P50)用于液體充車。

液氬儲槽及后備

·來自精氬塔(K11)的液氬產品送入500m3液氬貯槽V30。

·配置液氬充車泵(P30)用于液體充車

制氧機哪些部位最容易發生爆炸?

·制氧機爆炸的部位在某種程度上與空分設備的型式有關。在高、中壓、雙壓流程中，發生爆炸的可能性相對較多；生產液氧的裝置，主冷未發生過爆炸，而氣氧裝置的主冷卻是爆炸的中心部位。爆炸破壞的程度與爆炸力有關，微弱的爆炸可能只破壞個別的管子，甚至未被操作人員所察覺。

·冷凝蒸發器的爆炸部位，隨其結構型式不同而有所不同。一般易發生在液氧面分界處，以及個別液氧流動不暢的通道，也有發生在下部管板處或上頂蓋處。對輔助冷凝蒸發器，爆炸易發生在液氧接近蒸發完畢的下部。

·據統計，除冷凝蒸發器外，在其他部位也發生過爆炸。計有：下塔液空進口下部；液空吸附器；上塔液空進口處的塔板；液氧排放管；液氧泵；切換式換熱器冷端的氧通道；輔助冷凝蒸發器后的乙炔分離器等。

·安全措施不論在哪個部位爆炸，其原因均有液氧(或富氧液空)的存在，并在蒸發過程中造成危險物的濃縮、積聚或沉淀，組成了爆炸性混合物，在一定條件下促使發生爆炸

安全措施

碳氫化合物的防范

設備的安全運行問題不僅需要在設計時特別注意，而且在操作時需要很好地監視。下面內容解釋了如何防范碳氫化合物侵入冷箱及如何防范碳氫化合物在主冷凝蒸發器中的積聚。

空壓機的進氣口

設備布置應考慮：

?風向和風速

?空氣吸風口與污氮排風口的水平距離不小于10m

?附近污染源的距離和方向以及潛在排放氣體的氣量和成份

?進氣塔的設計及其在裝置現場的具體位置應盡最大限度降低主空壓機吸入雜質的可能性。

通過在主空壓機入口前設置過濾器來保證在裝置運行壽命內能將空氣中的顆粒和浮質雜質去除。

切記一定要關注進入空分裝置的原料空氣中的雜質含量，尤其是可能發生的空氣污染情況的變化。

空氣凈化系統

·采用變溫吸附系統，所有流程空氣通過氧化鋁去除水分，然后在分子篩層吸附CO2，同時還有乙炔、異丁烷和更重的烴類。

·多數烴類如異丁烷和重質烴幾乎全被去除，而丙烷、乙烷和乙烯只能被部分去除。

·為確保空氣凈化裝置的正常運行，從而減少碳氫化合物進入主冷凝蒸發器的可能性，安裝一只CO2分析儀以不間斷地測得空氣純化裝置出口的CO2含量。任何偶爾的或非偶然的CO2超標情況都應查明原因，并根除隱患。應時常檢查CO2分析儀的準確性以確保進入冷箱前的空氣中的CO2含量能及時檢測。

·雙層床純化器的設計采用固定的吸附床層并有一個自清潔系統，把分子篩的磨蝕和酸蝕的風險降至最低程度。同時，塵埃進入的可能性也降至最低限度，因為塵埃一旦進入冷箱，最終將進入主冷凝蒸發器，引起設備堵塞。

冷凝蒸發器主動預防

·第一道預防是通過正確地操作前端凈化吸附裝置，從而盡可能避免碳氫化合物進入主冷凝蒸發器：除了去除流程空氣中的水份，凈化吸附裝置必須能非常有效地去除CO2。監測凈化后的空氣中的CO2的含量不僅有助于正確操作凈化吸附裝置以去除CO2和碳氫化合物，而且減少了固態CO2 引起主冷凝蒸發器通道阻塞的可能性。若有CO2穿透純化吸附裝置現象發生，則應相應降低兩只純化器切換運行的周期。

·第二道預防碳氫化合物在主冷凝蒸發器中的富集手段是從冷凝蒸發器浴液中不斷地排放液體。本裝置采用液氧泵內壓縮流程，產品氧以液態形式出精餾塔，因此碳氫化合物集聚的可能性極小。盡管有這些預防措施，但一段時間以后，一些雜質仍可能沉積在主冷凝蒸發器的波紋片上。作為一項附加措施，主·冷凝蒸發器必須在為裝置專門確定的加溫周期內通過徹底解凍加以清潔。為確保有效解凍，應監視主冷凝蒸發器出口的解凍氣體溫度和水分，只有當達到所需的干燥度和溫度后才可停止解凍。

主冷的頂部（低壓塔底部）采用了一段先進的銅填料，來替代傳統的鋁填料。銅填料能更有效的隔離主冷與易燃燒的鋁填料。增加安全性。

冷凝蒸發器被動預防

·分析儀用于監察主動預防措施是否運行正常、有效。用一臺分析儀關注主冷凝蒸發器液氧側的碳氫化合物含量。若液氧中碳氫化合物的含量超過警戒值時，則整套裝置應停車處理。

·為使測得數據可信，分析儀以及CO2分析儀(純化吸附裝置空氣出口)必須定期校準(每兩周一次)。

主冷凝蒸發器

·雖然液空是第一家獲得膜式主冷凝蒸發器專利的公司，但我們還是選用了更傳統的浴式主冷，因為浴式主冷的歷史更長、經驗更多。

·主冷凝蒸發器積聚了大氣中的碳氫化合物，它的安全運行非常關鍵。為避免碳氫化合物含量在液氧中增加，和保證換熱器中液體正常循環，有必要使浴液蒸發時確保換熱器的換熱區域在全浸的狀態下操作。

·除了檢查液位計的準確性以外，必須在高于板束頂端50mm處設置液位計取樣口，當該處有液體出現時檢查操作液位設定點。

·內壓縮流程的選用，使液氧得到有效的且不斷的排放，因而使主冷凝蒸發器得到良好的保護。

色譜分析儀

·用色譜分析儀對冷箱的不同部份巡回地和有選擇性地對碳氫化合物進行監測，當發現某含量超過界限時，會發出警報，警告操作者根據操作手冊的指導采取措施。

·測量的不同部位是：

?吸附器的出口

?主冷凝蒸發器的液氧浴槽

液體排放

·冷箱內液體排放管道的設計將考慮能將容器及管道內的液體盡快排盡。

裝置啟動前的準備工作

·如果裝置要加溫至環境溫度，則必須按解凍程序做。

·在裝置起動之前，冷箱必須加以徹底干燥(無CO2和水分)，以便在冷卻過程中避免由CO2和水分存在所引起的通道阻塞。應特別關注冷凝蒸發器的解凍。在主冷凝蒸發器中的CO2阻塞會引起局部濃度升高。所以在裝置起動之前，建議檢查空氣純化吸附裝置(校準氣體)后的CO2分析儀運行是否正常，并用一濕度分析儀（增壓機后冷卻器出口和膨脹機增壓端后冷卻器出口的露點分析儀）檢查冷箱內通道是否干燥。

怎樣判明氧氣瓶內是否有油脂?

·油脂是可燃物質，與壓力大于3MPa的壓縮氧氣接觸時會引起自燃。如果氧氣瓶閥上粘有油脂，在氧氣瓶充裝和使用過程中，氧氣高速流過瓶閥時，就能引起瓶閥著火，甚至使氧氣瓶爆炸。所以，氧氣瓶是嚴禁沾上油脂的。

·瓶閥上的油脂都是由于忽視安全，嚴重違反安全操作規程造成的。在充裝、使用過程中由操作者有油污的手、手套、工作服和工具沾上去的；也可能在檢驗、更換瓶閥時未作嚴格的脫脂處理。

·瓶內的油脂可能是氣瓶曾裝過含有油脂的氣體。在作氣瓶的定期檢驗時，為了判別氣瓶內壁是否有油脂，可采用下列方法：

·將涮洗氣瓶的水倒在杯中，靜置一段時間后，在水面上放一張香煙紙，停留片刻后取出烘干。若在紙上留有油污痕跡，則表明瓶內含有油脂；

·將涮洗氣瓶的水倒在杯中，用小勺取少許純樟腦粉灑于杯內水面。若樟腦粉在水面發生強烈旋轉，則表明瓶內含有油脂。這是因為樟腦粉不溶于水，但能溶于油脂。在溶解時產生溶解熱而使水局部汽化，造成樟腦粉產生旋轉。