空氣分離設備

　　將空氣液化、精餾、最終分離成為氧、氮和其他有用氣體的氣體分離設備，簡稱空分設備。它的最低工作溫度為77K。空氣是氣體的混合物，乾燥空氣的組成見表1。

表1　乾燥空氣的組成

表2　各種類型空分設備的主要特性

　　簡史　空氣曾被稱為“永久氣體”。到19世紀末，人們發現在深低溫下空氣也能液化，並因氧、氮沸點不同，可以從液化空氣中分離出氧氣和氮氣。第一臺商品化的制氧機於1903年制成，它最初隻是用於金屬的氣焊和切割。30年代末，氮肥工業需要氮氣，制氧機發展到能同時生產氧氣和氮氣，改稱空氣分離設備。到50年代，由於吹氧煉鋼和高爐鼓風工藝的推廣應用以及氮肥工業的迅速發展，空氣分離設備向大型化發展，並應用瞭近代的科研成果，如采用透平壓縮機、透平膨脹機、板翅式換熱器、微型計算機和分子篩吸附器等設備之後，空氣分離設備不斷得到改進和完善，設備中的空氣壓力從高壓（20兆帕）降到低壓（小於1兆帕），單位產品的電耗也逐漸下降（每立方米氧的電耗從1.5降至0.6千瓦·小時）。現代空氣分離設備能生產各種容量、不同純度的氣態或液態產品，也能制造超高純度的氧和氮（如含氧99.998％和含氮99.9995％）。空氣分離設備還能根據用戶的需要，通過電子計算機的控制，隨時增減產品的數量，達到經濟用氧的目的。到80年代，大型空氣分離設備的氧氣生產能力已達到70000米³／時；空氣壓力下降到0.36兆帕；連續運轉周期可達2年以上。

　　分類　空氣分離設備是由多種機械和設備組成的成套設備，常按空氣壓力來分類。常用的有高壓、中壓和低壓3種（表2）。

　　選擇設備類型時應考慮產品種類、容量和純度的要求，以及電耗、安全連續運轉周期等因素。

　　低壓設備由於電耗低、連續運轉周期長、經濟效益高，被廣泛采用。

　　低壓空氣分離設備　圖1是低壓空氣分離設備簡圖。整個設備由空氣壓縮系統、雜質凈化和換熱系統、制冷系統和液化精餾4個主要系統組成。相應的機械設備有空氣透平壓縮機、空氣冷卻塔、透平膨脹機和分餾塔等。低壓空氣分離設備的工作原理（圖2）建立在液化循環和精餾理論基礎上。進入的空氣先經空氣過濾器，而後由透平壓縮機、空氣冷卻塔壓縮和冷卻到壓力為0.5兆帕、溫度為303K左右，再進入切換式換熱器(E1、E2)。兩換熱器能清除空氣中的水和二氧化碳，並進行熱交換，把空氣冷卻到接近液化溫度(101K)後送入下塔，從下塔抽出一部分空氣送到換熱器(E2)加熱。加熱的空氣與下塔來的少量冷空氣匯合後進入透平膨脹機絕熱膨脹，產生需要的冷量，然後被送往上塔精餾。餘下的空氣在下塔初步精餾。在底部得到含氧38％的液化空氣，在下塔的頂部得到含氮99.99％的純液氮，在中部獲得含氮約95％的污液氮。液化空氣、純液氮、污液氮分別從下塔抽出通過節流閥減壓到約0.05兆帕，送入上塔作回流液，在此進行第二次深低溫精餾，在上塔底部得到含氧99.6～99.8％的高純度氧氣，流經換熱器(E4、E2、E1)與空氣進行熱交換，升溫到大氣溫度後排出塔外。在上塔頂部獲得含氮99.999％的高純度氮氣，在上塔中部得到含氮約96％的污氮，均經換熱器(E3、E4、E2、E1)復熱到大氣溫度後排出裝置。位於上、下塔之間的冷凝蒸發器也是一種換熱器，它的功用是通過換熱，將上塔底部的液氧蒸發，而將下塔的氣氮冷凝，故稱冷凝蒸發器。液氧蒸發後一部分作為產品輸出，其餘部分作為上塔精餾所需的上升蒸氣。下塔冷凝的液氮，一部分送往上塔作上塔回流液，另一部分作為下塔精餾所需要的回流液。因此，冷凝蒸發器是使上、下塔能起精餾作用的不可缺少的設備之一。除上述主要設備外，冷箱內還有吸附器，它能吸附未被凍結在換熱器(E1、E2)中的雜質二氧化碳和易爆物質。箱內還設有液氧泵，使液氧循環流動和清除致爆物質，以保證設備的安全運轉。在低溫下工作的換熱器、塔、液氧泵和透平膨脹機等都裝在填充有絕熱材料的冷箱內，以減少冷量損失。出冷箱的產品氧氣和氮氣，再送往貯存系統和透平壓縮機內升壓到需要的壓力後供用戶使用。

圖1　低壓空氣分離設備簡圖