氣體深冷分離技術探討

曹 蕊

(國家能源集團神華鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

1 氣體分離技術概述

工業常用氣體有氧氣、氮氣、二氧化碳、氬氣等。工業氣體的生產方法比較多，常用的氣體分離技術有：精餾法[1]，即將氣體混合物冷凝為液體，針對各組分沸點的不同，采用精餾的方法將不同組分分離出來；分凝法[2]，即利用不同組分的沸點的差異進行氣體分離的方法，該方法與精餾法的不同之處在于精餾法適用于沸點相近的場合，而分凝法適應于沸點相差較大的場合；吸收法，即用一種液態吸收劑在適當的溫度、壓力下吸收氣體混合物中的某些組分而達到氣體分離的目的，可分為物理吸收和化學吸收；吸附法，即采用多孔性固體吸附劑將被吸組分吸附于固體物質表面而達到氣體分離的目的；薄膜滲透法[3]，即利用高分子聚合物薄膜的選擇滲透性從混合物中將某種組分分離出來的一種方法。具體總結如表1。

表1 氣體分離技術匯總

空氣中的主要組成是氧氣和氮氣，在標準大氣壓下，氧氣的沸點為-183 ℃，氮氣的沸點為-196 ℃，二者的沸點相差較小，因此大部分空分裝置主要采用的是低溫精餾原理，而且低溫精餾分離法生產成本低，技術成熟，適合大規模工業化生產。

2 低溫精餾技術介紹

由于空氣中除了含有氧氣、氮氣之外，還含有二氧化碳、粉塵、水蒸氣等雜質，在氣體分離技術中，為了防止這些雜質對設備造成的損壞，通常會在空氣進入壓縮機之前對氣體中的雜質通過自潔式空氣過濾器清除。經壓縮之后的空氣，進入空氣冷卻塔使用冷卻水和冷凍水進行接觸式降溫。在降低壓縮空氣溫度的同時進一步除去空氣中的雜質。通過分子篩干燥器再次吸附空氣中殘存的水分、二氧化碳、乙炔等雜質后，在熱交換器中被冷卻至飽和溫度后送入下塔的下部，作為上升氣進行精餾。下塔的上升氣每經過一塊塔板，與塔板上的液體進行熱與質的交換：氣相中的難揮發組分氧逐漸被冷凝，液相中的易揮發組份氮逐漸被蒸發。這樣在下塔的頂部得到高純氮氣，在下塔的底部得到富氧液空。富氧液空經節流降壓后送到上塔中部進行二次精餾。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升高，到達上塔底部可得到高純度的液氧，這部分液氧在冷凝蒸發器中吸熱而蒸發成氣氧，作為上塔的上升氣再次參與精餾過程。液氧的一部分可以作為產品引出，而氮較多地蒸發到氣相中，最終聚集到上塔頂部。上塔頂部的高純氮可以做為產品經過壓縮機加壓后送給用戶。具體流程如圖1所示。空分裝置的低溫精餾技術又稱為氣體深冷分離技術[4]。

圖1 氣體深冷分離工藝流程

3 氣體深冷分離技術的關鍵

為了能夠得到較高純度的產品，使氣體分離效果最佳，同時也能夠保障裝置在運行過程中安全穩定，原料、工藝基礎條件以及設備的選擇非常重要。

3.1 原料對產品質量的影響

原料是保障氣體分離效果的最直接的因素，利用高品質的原料才能產出高品質的產品。氣體深冷分離的原料是空氣，空氣并不只是由氧氣和氮氣兩種成分組成，還含有粉塵、稀有氣體、二氧化碳等雜質成分，在進行精餾前需要將雜志成分清除，才能提高產品的質量。

二氧化碳是空氣中含量較少的一種氣體。在化工生產區，通常會產生較多的二氧化碳氣體。空氣在進入熱交換器前若二氧化碳清除不干凈，當溫度達到 -56.6 ℃ 時會變為固體堵塞熱交換器，嚴重時會造成空分裝置停車。氧化亞氮(俗稱笑氣)也是空氣中含量較少的一種氣體。當氧化亞氮進入冷凝蒸發器中的含量超過5.0×10-6時，會以固體顆粒的形式析出，占用冷凝蒸發器的通道，在固體顆粒與蒸發器壁摩擦產生靜電或者其他的誘導效應下，可能會發生冷凝蒸發器爆炸的事故。空氣中含量較少的乙炔及碳氫化合物若未清除干凈會隨著空氣進入精餾塔。相對于液氧和液空，由于乙炔和碳氫化合物的沸點較高，溶解度較大，飽和蒸氣壓較小，較容易在液空和液氧中積聚濃縮。固體乙炔在液氧沸騰時容易與冷凝蒸發器的通道產生摩擦和撞擊進而產生靜電，當靜電電壓較高時會引起冷凝蒸發器爆炸。通常，為了確保空分裝置加工空氣的質量，將空分裝置建設在常年主導風向的上風向，同時采用分子篩干燥器對空氣中的雜質進行充分的吸收與干燥，以提高進入主板式換熱器的空氣質量。

3.2 工藝基礎條件對產品質量的影響

工藝操作是維持裝置安全穩定運行的條件。為了確保裝置能夠產出高品質氣體，對工藝操作基礎的了解是關鍵。只有掌握工藝操作的基礎理論，才能達到有針對性的操作和解決問題的目的。

物料平衡、能量平衡是空分生產中的兩大守恒定律，這兩大定律是工藝操作的基礎[5]。物料平衡包括物量平衡和組分平衡。物量平衡即進來的物量之和等于出去的物量之和，組分平衡即空氣分離后的某一組分的量之和等于加工空氣量中該組分的量。當加工空氣量小于產品產出量時，產品的純度會明顯下降，此時必須采取一定的工藝操作增加原料。能量平衡是進入塔的能量總和等于出塔的產品的能量總和。裝置中的冷量是衡量能量平衡的主要標志。膨脹機制冷和節流效應制冷是裝置冷量來源的兩個重要途徑。冷凝蒸發器中的液氧液位是裝置冷量的最直觀的體現，工藝操作中要確保該液位處于正產的操作指標范圍內。此外，要控制熱交換器的熱端溫差，減少主換熱器的冷量損耗，因此，在能量平衡方面要綜合分析裝置的冷量，通過及時調整膨脹機負荷、主換熱器冷、熱流體流量等措施來平衡裝置的能量。

3.3 設備對產品質量的影響

為了能夠使氣體分離效果較佳，氣體分離設備的選擇也尤為重要。其中，重要的設備包括：自潔式空氣過濾器、空氣壓縮機、循環水泵、氮氣壓縮機、空冷塔、水冷塔、冷凍機、分子篩、主換熱器、膨脹機、精餾塔、液氧泵、液氮泵等。

空氣壓縮機和氮氣壓縮機是空分裝置的重要運轉設備。針對空氣和氮氣供氣連續性的特點，空氣壓縮機和氮氣壓縮機應選擇連續性離心式壓縮機。空氣壓縮機的操作需保證其出口壓力在一定的范圍內，在小流量條件下，壓比過大，會造成壓縮機喘振，嚴重時影響設備安全；壓比過小，會使精餾塔下塔液體不能在足夠的壓力下返回上塔進行再次精餾而影響精餾效果[6]。針對氧氣較活潑的化學性質以及助燃性，從安全性和經濟性考慮，應選擇液氧內壓縮流程，液氧泵的操作也需要根據工況按照操作規程進行操作，以避免汽蝕現象的發生。由于單級精餾無法充分將空氣進行充分分離，也無法同時獲取高純度氧和高純度氮，因此應選擇雙極精餾塔；對于長期運轉的設備，還需要正確的操作和定期的維護保養，防止設備疲勞工作，助力裝置安全運行。

4 總結

本文首先介紹了氣體分離的幾種方式，針對空氣中氧氣和氮氣沸點相近的特點，重點研究了氣體深冷分離技術，介紹了氣體深冷分離技術工藝過程，分析了影響裝置操作和產品純度的因素，并得出：

1)氣體深冷分離技術是空氣經過過濾、壓縮、降溫、純化、冷卻等環節，最終進入精餾塔內利用各組分沸點不同實現多級精餾而獲得高純度氧、氮產品的技術。

2)原料質量、工藝條件以及設備的選擇維護對空分操作有較大的影響。原料質量要求可通過合理選擇廠址及過濾、干燥工藝來解決。物料平衡和能量平衡是工藝操作和調節的基礎；設備的合理選擇和定期維護保養是保障裝置安全運行，產出高品質氣體的硬件條件。