空氣分離方法和工藝流程的選擇

王濤平

【摘要】隨著社會的快速發(fā)展，對高純氮、高純氧的需求不斷增加因此，空分技術(shù)得到了發(fā)展。因為氮和氧的純度。因此，需要選擇不同的空分方法和工藝流程。本文對空分方法和工藝流程的選擇進(jìn)行了探討，供有關(guān)人員參考。

【關(guān)鍵詞】空氣分離;方法;工藝流程;選擇

0引言

空分是根據(jù)空氣組分的不同物理性質(zhì)，采用psa、膜分離或低溫分離等方法，將氧氣、氮?dú)馀c空氣或氬氣、氦氣等稀有氣體同時分離出來的過程。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，不同類型的空分設(shè)備被廣泛應(yīng)用于鋼鐵冶金、電子、化工、煤化工、航空航天和油氣開發(fā)等行業(yè)。作為一名工程設(shè)計人員，有必要掌握空分裝置不同技術(shù)和工藝的特點(diǎn)。在設(shè)計過程中，能夠根據(jù)用戶對產(chǎn)品的生產(chǎn)和質(zhì)量要求，準(zhǔn)確分析工況特點(diǎn)，為用戶選擇合理的空分技術(shù)和工藝。我們不僅要防止盲目追求新技術(shù)，還要確保所選工藝安全可靠、高效節(jié)能、節(jié)約投資、創(chuàng)造效益。

一、空分技術(shù)及流程介紹

常見的空分工藝有低溫分離和非低溫分離。非低溫分離技術(shù)還包括變壓吸附分離技術(shù)和

膜分離技術(shù)。

1變壓吸附分離技術(shù)

1. 1 變壓吸附分離技術(shù)的分離原理

變壓吸附分離技術(shù)是壓縮空氣為原料，與孩子篩作為吸附劑，在一定的壓力下，利用空氣中的氧和氮分子在不同分子篩表面吸附量差異，氮（氧）在約定的時間內(nèi)吸附相濃度、氧（氮）氣相中的豐富，提供氧氣，氮?dú)夥蛛x;分子篩吸附劑減壓后進(jìn)行分析再生再利用。

1.2 變壓吸附分離流程

變壓吸附分離工藝過程如圖1所示。空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮后，由凈化系統(tǒng)除去有害雜質(zhì)后進(jìn)入吸附塔。在吸附塔中，填充不同種類的吸附劑，吸附氧（氮）分子，使未吸附的氮（氧）氣體富集，在吸附塔的頂部得到高純度的產(chǎn)物氣體。目前變壓吸附多采用A、B雙塔工藝。當(dāng)一組進(jìn)行吸附時，另一組進(jìn)行降壓解吸。雙吸附塔按設(shè)定的時間順序交替工作，實(shí)現(xiàn)連續(xù)供氣。通過改變吸附劑和吸附壓力[1]，可以得到不同質(zhì)量等級的氧、氮產(chǎn)品。

2 膜分離技術(shù)

2. 1 膜分離技術(shù)原理

膜分離技術(shù)的基礎(chǔ)是氣體的擴(kuò)散的原理，使用不同的原料氣的氣體滲透膜材料具有不同驅(qū)動力之間的壓力差氣膜的兩側(cè)和滲透率的滲透側(cè)大天然氣富集材料，不滲透的一面不容易透氣性氣體濃縮分離，氣體分離，實(shí)現(xiàn)。

2. 2 .空氣膜分離過程

氣膜分離工藝流程如圖2所示。空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮，經(jīng)過濾干燥系統(tǒng)過濾干燥，去除油水。進(jìn)入加熱器加熱至50℃左右，進(jìn)入膜分離器（中空纖維膜組）。壓差的作用下膜的兩側(cè)，快速滲透的“快速氣”，如氧氣、二氧化碳和水蒸氣，流露出內(nèi)心的纖維壁的高壓低壓外的一面，和積累的滲透膜，導(dǎo)致富氧釋放。將穿透率相對較低的氮?dú)饨亓粼谀さ谋Ａ魝?cè)，富集到產(chǎn)物氮?dú)夤拗校瑢?shí)現(xiàn)空氣中氧和氮的分離。通過選擇不同的透析膜[2]，可以得到不同純度的氧和氮產(chǎn)物。

3低溫空分技術(shù)

3.1低溫空分技術(shù)原理

低溫空分技術(shù)是以空氣為原料。空氣經(jīng)過壓縮、冷卻、凈化、渦輪增壓/膨脹、熱交換、精餾后，首先液化成液態(tài)空氣。然后利用液態(tài)氣中不同組分的不同沸點(diǎn)通過蒸餾塔進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，分離出氧氣、氮?dú)狻鍤獾犬a(chǎn)品氣體。

3.2 .低溫分離工藝

低溫空分工藝經(jīng)過100多年的發(fā)展，經(jīng)歷了高壓、低壓、中壓、總低壓等多種不同工藝過程。隨著現(xiàn)代空氣分離技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，高壓的過程，高壓和低壓和中壓空氣分離已經(jīng)基本消除，整個低壓過程和降低能源消耗和安全生產(chǎn)已成為首選的大中型低溫空氣分離設(shè)備。根據(jù)氧、氮產(chǎn)物壓縮環(huán)節(jié)的不同，將全低壓空分過程分為外壓縮過程和內(nèi)壓縮過程。全低壓外部壓縮流是產(chǎn)生低壓氧氣或氮?dú)猓缓笸ㄟ^外部壓縮機(jī)將產(chǎn)品氣體壓縮到所需的壓力供應(yīng)給用戶。

整個低壓內(nèi)壓縮過程就是取消氧或氮壓縮機(jī)，從空分機(jī)組冷箱直接為用戶生產(chǎn)高壓氧或氮。這個過程的主要區(qū)別和外部壓縮過程是氧或氮的供應(yīng)壓力達(dá)到高壓產(chǎn)品的低溫液體冷芯盒和加壓液體泵，和液態(tài)氧或氮在主換熱器與高壓空氣交換被增壓器，加壓后再熱氣化，然后供應(yīng)給用戶。

三、空分工藝流程的選擇

基于分析空分設(shè)備的工作原理和不同的技術(shù)流路徑的特點(diǎn)，空氣分離裝置的工藝流程可以選擇按照下列方法在工程設(shè)計根據(jù)用戶的要求，并且符合原理先進(jìn)、可靠的技術(shù)，經(jīng)濟(jì)和節(jié)能。

1全氣態(tài)產(chǎn)品的工藝選擇

1. 1 氧氣產(chǎn)品的工藝選擇

對于純度不超過95%的氣體氧，以及小型空分設(shè)備，可采用變壓吸附或低溫精餾空分工藝。如果氧純度大于95%，采用連續(xù)空分工藝，則只能采用低溫精餾。膜分離工藝裝置不能產(chǎn)生高純度氧氣，因此，該工藝僅適用于鍋爐富氧燃燒、污水處理、醫(yī)療等對氧氣純度要求不高的行業(yè)。

1.2氮產(chǎn)品的工藝選擇

如果需要的產(chǎn)品是單一氮，三種分離工藝都可以滿足要求。但是，由于工藝的限制，psa和膜分離工藝的純度與氣體的提取率（氣體消耗量）相互制約，無法生產(chǎn)大量純氮產(chǎn)品。目前常用的psa和膜分離工藝生產(chǎn)的氮?dú)猱a(chǎn)量大多在5000 Nm3 / h以下，產(chǎn)品純度可達(dá)95% ～ 99.99%。

1.3雙高產(chǎn)品的工藝選擇

非低溫精餾工藝由于自身工藝特點(diǎn)的限制，不能同時生產(chǎn)兩個以上的產(chǎn)品，更不能同時生產(chǎn)兩倍高的產(chǎn)品（氧純度大于95%，氮純度大于99.99%）。因此，當(dāng)有雙高產(chǎn)品需求時，只能選擇低溫雙塔精餾技術(shù)。

2液體產(chǎn)品的工藝選擇

液體產(chǎn)品不能通過非低溫工藝獲得，因此當(dāng)需要液體產(chǎn)品時，低溫分離工藝是唯一的選擇。

3所有低壓、低溫精餾采用內(nèi)壓、外壓工藝

3.1以產(chǎn)品的氧氣壓力為選擇依據(jù)

如果產(chǎn)品的氧氣壓力小于3.0 MPa，則選擇內(nèi)部或外部壓縮流。外部壓縮過程更節(jié)能，節(jié)省投資，而內(nèi)部壓縮過程從安全角度更可靠。如果氧氣壓力≥3.0mpa，應(yīng)選擇內(nèi)壓工藝，更安全可靠。

3.2以產(chǎn)品中氣體和液體的比例作為選擇依據(jù)

無論是采用內(nèi)壓縮工藝還是外壓縮工藝，低壓低溫精餾工藝均可生產(chǎn)液氮和氧氣。然而，液態(tài)產(chǎn)物在氣體和氧氣產(chǎn)物中的比例對裝置的能耗有很大的影響。因此，應(yīng)根據(jù)液體產(chǎn)品的產(chǎn)量選擇空分裝置。一般認(rèn)為，液體產(chǎn)品的產(chǎn)率要高于8%的氣體和氧氣。液體產(chǎn)品產(chǎn)量小于氧氣和氣體產(chǎn)量的8%，因此建議選用全低壓外壓工藝。

三、結(jié)論

在工程應(yīng)用中，對氧氣和氮?dú)獾男枨笠蚬I(yè)和項目而異。只有通過掌握的工作原理和工藝特點(diǎn)不同的空氣分離過程我們可以引導(dǎo)我們選擇更合理的過程的前提下滿足用戶的需求，不僅要考慮經(jīng)濟(jì)和適用性，安全性和可靠性，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)的最大經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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