浅析制冷空分的应用与制氧技术

摘要：随着我国各工业领域的快速发展，各行业对高纯度氧气以及其他特殊气体的需求不断增大。本文详细介绍了空分及制氧技术的发展趋势、简要回顾了空分的工业化进程，重点介绍了现行空分技术的应用及优缺点，并对空分在节约能源与降低能耗方面存在的问题进行探究。

关键词：空气分离技术;制氧技术;节能减排

引言

近年来，制冷和低温技术得到了飞速的发展和广泛的应用，制冷与低温技术也迅速发展起来。随着冶金、化工等工业部门科学技术的发展氧的需求急剧增加，制氧生產不断扩大，制氧工作人员的队伍及技术水平也迅速壮大。这就需要我们不断学习和掌握制氧专业知识，在扩大制氧产业规模的同时，不断提高制氧技术水平。

1.空气分离技术简介

空气分离装置（简称空分装置）是以空气为原料生产氧、氮、氩及其它稀有气体的装置。通常，空分装置多只用来生产氧、氮，所以习惯上称它为制氧机。

1.1 空气分离产物的作用

空分装置生产的氮气为化肥工业提供了大量的原料。氮气是氮肥的主要原料，用于制造合成氨，氰胺化钙等。

氩是一种无色无味的气体，利用它的惰性可作电弧焊的保护气体，焊接通常难以焊接的金属或合金如铝、镁、铜、镍、钛、钼、不锈钢等。在炼钢过程中用氩作环境气体可使钢水成分均匀，去除掉溶解于钢水中的氢、氧、氮等杂质，并能缩短冶炼时间，提高产量节约电能等，还可采用氩氧混合气吹炼不锈钢。氩具有高密度和低热导性，所以广主地用于灯泡工业和电子工业，充氩的灯泡比充氮亮度、增加寿命延长，氩还用来充填电压管及计数放电管，亦也可用于气体激光器集大型色谱仪。

2.空分发展概况

2.1 制氧机的发展历史

制氧机又称空分装置，其主要任务是将空气分离成氧和氮。制氧工业发展至今，在这一百年的历史有着突飞猛进的发展。1902年德国人设计制造了第一台单级精馏制氧机。1903年又进行第一次精馏试验，并制造了第一台10m?/h制氧机。1949年我国共有89台10～200m?/h的制氧机，但国内自己没有能力制造制氧机。新中国第一台制氧机是由哈尔滨第一机械厂于1953年设计的30m?/h制氧机，随后杭州、开封相继生产出不同类型的制氧机。1930年德国第一次在冶金工业上用氧。由于钢铁、石油、化工、航天等技术的发展，从而促使空分装装置向大型化发展，并形成了今天的一系列产品。

3.空气分离产物的工业应用

3.1 液氧的工业制取方法

工业上大规模制取氧气的主要原料是空气，因为空气中大约包含有五分之一的氧气。但是因为氧气与氮气性质的原因，两者分离起来并不十分容易。人们在长期实践中发现，任何物质都可能以气体状态、液体状态或固体状态存在，并在一定条件下可以互相转化。当温度降低到一定程度时，氧气或氮气均可能变成液氧或液氮，但转化的条件（即液化温度）是不同的。这样，就有可能在专门的设备（精馏塔）里将液态空气分离成氧和氮。因此，要使空气中氧、氮分离的首要条件是要将空气液化。

要使空气液化必须将空气冷到零下140度以下才有可能。日常经验告诉我们，一个物体要自发地冷到比周围更低的温度是不可能的，除非用人工的方法，花费一定的代价（消耗功）才能实现。这种人工获得低温的方法叫“冷冻”，冷至零下120度以下叫“深度冷冻”。因此，目前在工业上广泛采用的制氧方法也叫“深度冷冻方法分离空气”。

3.2 液氧的工业用途

工业上的用途是很常见的。众所周知，一般情况下钢铁冶炼及燃烧过程所发生的都是氧化反应，所以氧气对于冶金行业来说是必不可少的一个重要原料。

而且就现阶段的有色冶金工业来看，氧气的重要性更是得到了提升，为了有效的节约能源而且有更好的方式增加产量，更好的发展自热冶炼技术，达到提高资源利用率并且更好地减少工业造成的环境污染的目的。目前冶金工业的实际操作中也在一步步的推广使用氧气冶炼法的方式进行加工。铜、铅、锌、镍、等有色金属矿在工业初步采集中本身就含有着大量的硫元素。并且从实际情况来看硫本身就是一种燃料，1Kg的硫相当于1.32kg的标准煤。并且实际生活中的冶炼反应的本质多为氧化放热反应。在有色金属进行冶炼的时候通入氧气，有助于存在于有色金属中的硫充分燃烧，硫的燃烧使得金属在冶炼时可以更好地维持冶炼温度，而且更好地提高了冶炼金属的速度。并且实际应用情况来看，例如通入氧气的富氧炼铜法与传统方法比较来说可节能50%，等于在消耗同样的燃料的情况下，产生的铜的质量可以变为两倍，即使产生的烟气中的二氧化硫的含量增加，但是并不会造成环境污染，因为二氧化硫回收后可以制造硫酸，同时也减少了硫化物的排放量，保护了环境。据统计，吨铜耗氧量大于300 m?，氧气纯度大于90%。

4.空气分离技术的发展概况

制氧工业史上的一次重大变革是八十年代分子筛吸附器的采用，增压透平膨胀机也进入了新型的流程。分子筛流程具有许多切换式流程无法比拟的优点，很快在空分装表置中推广开来。

早期的制氧工业由于许多配套设备跟不上，再加上制氧机原理、理论不全，只是装置能耗高、产品纯度低、产量小。要提高设备技术性能，就需要提高各个部件的技术性能，并且理论上也要逐步完善。

世界上专门从事制氧工业的公司厂家也迅速成长起来，带动了制氧行业的发展。以上为杭氧的发展历程，基本上也反映了我国制氧机行业的发展水平及现状，在与世界上其他制氧机行业的比较中不难发现，我国的水平与世界的先进技术水平之间不断缩小，这就需要从事这方面的专业人才加倍努力，研制出具有高水平的产品，达到甚至超过世界水平。

5.空气分离技术的优势

5.1 基础技术所面临的问题

部分蒸发和部分冷凝虽然可以得到纯液氧或高纯度的气氮，但是这两个过程单独进行将存在两个问题：

一是由于要得到高纯度液氧，必须将部分蒸发的蒸气不断地引出，并且，要求的氧浓度愈高，则部分气化过程的次数愈多，这样最后所得到的高纯度的液氧量也愈少。同样对于部分分冷凝过程，若最后获得的蒸气中氮浓度愈高，则部分冷凝过程的次数也愈多，最后所得到的高纯度氮的蒸气量也愈少。即存在着产品质量与数量之间的矛盾。

另一个方面来看部分气化过程是需要吸热的，气化过程要想连续进行，就必定需要一个额外的热源;相对的，部分冷凝是放热过程，冷凝要想可以连续的进行同样的需要一个额外的冷源。如果在实际操作中需要的部分气化与冷凝的次数非常多，那么这种情况下肯定需要准备许多额外的热源和冷源，这样的行为在能量的利用上来说是不合理的，是否能把部分冷凝和部分蒸发过程结合起来，把部分冷凝所放出的热量使液体部分蒸发。

同时使气、液量也得到互相补充，这样的过程就是靠精馏来实现的。

精馏的作用就是同时且多次地利用部分气化和部分冷凝的过程，更好地使低沸点组分连续地从液相蒸发到气相中去，与此同时做到使高沸点连续不间断地从气相冷凝到液相中来，以达到完全分离两种物质的作用。

在温度较高的情况下，饱和蒸汽与温度较低的饱和液体可以混合均匀时，由于蒸气的温度高于液体的温度，就造成了气体的放热冷凝，这时的液体便会吸收散发的熱量而达到蒸发的效果。实现相同温度下的平衡。蒸汽部分在放热冷凝时，沸点较高的氧将会相对较多地冷凝进入液相中，冷凝液的温度便会逐渐升高，这个时候沸点较低的氮将会相对较多地蒸发到气相中，直到达到平衡的时候，气相中的氮增加和液相中的氧浓缩。上述过程多次在多次进行的情况下就可以达到精馏的结果，这便是精馏过程的简述。

5.2 单级精馏塔

单级精馏塔的作用在于可以将达到冷凝温度的空气压缩输入单级精馏塔的底部，而氧气作为精馏过程的上升气体。在塔内会以由上至下的状态穿过每块塔板，与塔板上存在的的液体接触，在这个过程中，氧将会因为散热而冷凝到液体中去，这样的话液体中原本存在的氮就会被蒸发到气体中去。在这种模式下每经过一块塔板，上升气体的氮浓度便提高一次。在这种方式下，当精馏塔塔板数很多时，塔上部的氮气就可以很容易的达到高纯度。随后氮气飘入塔顶的冷凝蒸发器，上升的一部分氮气冷凝回流，剩下的部分将会被当作产品从顶盖引出。氮气形成的冷凝液后续将向下流入塔内，这部分被当作精馏过程的回流液。回流液在运动时是沿塔板自上而下的，这时候液体每经一块塔板，其本身的含氧浓度便会得到一步提升，液体随后会流到塔底部的塔釜内。

塔釜的液体通过节流阀将压力降低至0.15MPa左右，因为其蒸发温度小于氮气在3.5MPa下冷凝温度，因而釜液的作用就是在于，流入冷凝蒸发器管间可以使得氮气冷凝而釜液受热蒸发。显然这种单级精馏塔分离空气是很不完善的。而且只能制取纯氮而不能制取纯氧。

为了更好达到收集上升蒸汽的目的，可以预先将冷却至低温的加工空气先输入塔釜内的盘管，只要盘管内可以达到较高的压力，空气的冷凝温度高于釜液的蒸发温度，釜液就可以很轻易地达到蒸发效果。当空气冷凝至液体状态的时候，便可以的很好的节流降压到塔内工作压力0.12-0.13MPa，送到塔的上部喷淋下来作为精馏的回流液。这部分液体向下流动时会顺着塔板与上升蒸汽接触，液体的含氧量便会不断增加，而且塔板数很多的时候，塔的底部就能很简单的收集到纯度较高的液氧，接着液氧会被蒸发成气氧，这其中的一部分也会成为产品以及上升气体。塔顶部的氮的浓度最多只能达到与节流降压后的液空处于平衡的程度，一般包含92%-93%的氮，其中还夹杂着7%的氧。在这种情况下，加工空气中含氧量的1/3是损失了，所以氧气纯度较高，但是从实际应用来看并不是特别经济。

结语

综上所述，现有的空气分离技术在一定情况下存在着能源消耗过大，技术不成熟以及推广性的问题。而节能环保是社会发展的不变主题，制冷空分技术在节能降耗方面的革新与优化才刚刚上路，需要不断的研发与优化，研究出应用性更广，经济与能源消耗更低的技术与设备，为社会的发展贡献力量。

参考文献：

[1]  闻朝华.尚勤;崔向阳.空气分离安全技术[J].化学工程与装备.2010，09[2]陆山.浅谈空气分离技术的发展和改进[J].甘肃冶金.2011.03

作者简介：王建伟，1986年，男，河北省沧州市，初级工程师，毕业于唐山科技职业技术学院，专业：制冷与冷藏技术，现在华润电力（渤海新区）有限公司工作。

（作者单位：华润电力（渤海新区）有限公司）