第二節　深度冷凍制氧法概述

煉鋼和冶煉有色金屬需要氧，氧應用于氣焊與氣割，同時氧還是化工生產過程中重油和煤氣化的氧化劑。

早期使用化學方法，即吸附法制氧。現代工業基本采用深度冷凍分離空氣，制取純氧和純氮。在用氧量較大時，用深度冷凍分離法最經濟。

深度冷凍法分離空氣制氧機，是先空氣壓縮，冷卻后液化，利用氧氮沸點的不同，在蒸氣與液體經過塔板接觸時，高沸點的氧組分不斷從蒸氣中冷凝而進入液體，中沸點的氮組分不斷從液體中蒸發而變成蒸氣，使下降液體的含氧量越來越高，上升蒸氣的含氮量越來越高，達到把空氣分離為氧、氮的目的。

由于空氣的液化和精餾是在低溫下進行的，并且溫度低于-120℃所以稱為深度冷凍分離法。就大中型制氧方法有高低壓法、自清除的全低壓板式流程和全低壓分子篩流程。

高低壓法工藝落后，噪聲大、功耗高、流程復雜，產品純度不易控制，已逐漸被全低壓流程所取代。

自清除的全低壓板式流程也稱凍結法，是利用空氣中的水分和二氧化碳的析出溫度高的特點，用可逆式換熱器回收低溫產品氣體的冷量和冷卻空氣，同時將空氣中的水分和二氧化碳凍結在空氣的通道內，當返流氣體通過時，靠分壓升華的原理，利用返流氣體的不飽和性，自動清除空氣中的水分和二氧化碳。其特點是切換閥切換頻繁，易出現故障，設備多，流程較為復雜，功耗大。

全低壓分子篩流程又稱凈化吸附流程。現代大型全低壓空分裝置用凈化空氣代替原來凍結、吸附相結合的方法。隨著吸附劑的性能改善，以及吸附工藝的改善，特別是吸附劑共吸附性能的利用，使用吸附劑能同時清除空氣中的H2O、CO2、C2H2以及一部分CnHm，大大地簡化了空氣凈化工藝。空分工藝流程也得到改善。吸附凈化空氣的工藝成為主要的空氣凈化方法。

1.全低壓分子篩流程原理

空氣分離是利用液化空氣中氧、氮等各組分沸點的不同，采用精餾的方法，將各組分分離開來。為達此目的，空分裝置的工作應包括下列幾個過程。

（1）空氣的壓縮　經原料空氣過濾器清除了灰塵和其他機械雜質的原料空氣首先在空氣壓縮機中被壓縮到工藝流程所需的壓力，其中一小部分空氣在純化后再經與膨脹機同軸異端匹配的增壓到更高壓力。空氣由于壓縮而產生的熱量由空氣冷卻器中的冷卻水帶走。

（2）空氣中水分和二氧化碳的清除　加工空氣中的水分和二氧化碳由于凝固點較高，在進入空分裝置低溫設備后將會形成冰和干冰，堵塞低溫設備的通道，而影響空分裝置的正常工作，為此需要利用分子篩純化器預先把空氣中的水分和二氧化碳清除掉。

進入分子篩純化器的空氣溫度約為8℃，出純化器的空氣溫度由于分子篩吸附而產生的吸附熱約上升到14℃左右。

（3）空氣被冷卻到液化溫度　空氣的冷卻是在主換熱器中進行的，在主換熱器中，空氣被來自精餾后的返流產品氣體和污氮氣冷卻到接近液化溫度，產品氣體及污氮氣則被復熱到接近常溫。

（4）冷量的制取　為了確保、維持裝置正常生產、運行所需的熱量平衡，克服由于絕熱跑冷、換熱器復熱不足及直接從冷箱中向外排放低溫液體等引起的冷量損失，需要不斷地向裝置補充冷量，裝置所需的補充冷量是由等溫節流效應和壓縮空氣在膨脹機中絕熱膨脹對外做功而制取的。

（5）空氣的液化　空氣的液化是進行氧、氮分離的首要條件，空氣在主熱交換器中被返流氣冷卻到接近液化溫度，并在下塔實現空氣的液化。

對于同一種物質，在不同的壓力下，其對應的飽和溫度不同。壓力高，其飽和溫度也高，亦即壓力越高，蒸汽越容易液化，反之亦然。

氮氣和液氧的熱交換是在冷凝蒸發器中進行的。由于氮氣和液氧兩種流體所處的壓力不同。所以在氮氣和液氧的熱交換過程中，氮氣被液化而液氧被蒸發。氮氣和液氧分別由下塔和上塔供給，這是保證上、下塔精餾過程進行所必須具備的條件。

（6）精餾　空氣的精餾是在精餾塔亦即上、下塔中進行的。在下塔中空氣被初次分離成富氧液空和氮氣，液空由下塔底部抽出后，經節流送入與液空組分相近的上塔塔板上，一部分液氮由下塔頂部抽出后經節流送入上塔副塔頂部。液空和液氮在節流前先在過冷器中過冷。減少節流汽化，在下塔中部另又抽出部分污液氮經節流送入上塔副塔底部。

空氣的最終分離是在上塔進行的。產品氧氣由上塔底部抽出，而產品氮氣則是上塔副塔頂部抽出，并通過主換熱器與進塔的加工空氣進行熱交換，復熱到常溫后送出冷箱。上塔副塔底部抽出的污氣氮在主換熱器內復熱后出冷箱。

（7）危險雜質的清除　采用分子篩純化流程，大部分碳氫化合物等危險雜質已在純化器內清除掉，殘留部分仍要進入塔內，并積貯在冷凝蒸發器中。其間由于液氧的不斷蒸發，將會有使碳氫化合物濃縮的危險，但只要從冷凝蒸發器中連續排放部分液氧就可防止碳氫化合物的濃縮。而當在冷凝蒸發器中提取液氧產品，就可不采用另外排放液氧來防止碳氧化合物濃縮的措施。

2.全低壓大型分子篩流程的特點

全低壓大型分子篩流程選用冷凍機預冷分子篩吸附和帶增壓機的透平膨脹機組。其特點如下。

1）安全可靠。空分裝置的爆炸是氧氣生產中最大威脅，而引起爆炸的主要原因是乙炔和碳氫化合物的存在和積累。采用分子篩吸附凈化空氣，可使空氣中的雜質、水分、二氧化碳、乙炔和碳氫化合物在冷箱外幾乎全部除掉。為了避免乙炔和碳氫化合物在冷凝蒸發器內積聚增濃，從其底部抽出約為氧氣1%的液氧作為安全排放，連續排入液氧噴射蒸發器，被產品氣氧蒸發氣化，與氣氧一起作為產品氧氣送出，從而保證了空分裝置安全可靠生產。

2）冷箱內設備大大減少，簡化了流程。進冷箱空氣純凈性好，因而冷箱內設備結構簡單緊湊，易于操作、檢修，運行安全可靠。特別是主換熱器，只起換熱作用，不需切換，無疲勞應力作用，使設備使用壽命延長。

3）空氣冷卻塔采用穿流式篩板塔結構，同原來采用的噴淋式空冷塔相比阻力小，效率高，傳熱效果好。

4）采用了臥式活性氧化鋁及分子篩的雙床層吸附器，下部設有分布器，上部設有耙平機構，減小阻力，提高了凈化效率。在國產大型空分設備中是首次采用。空氣中的水分首先被活性氧化鋁吸附，提高了分子篩吸附二氧化碳和碳氫化合物的能力，并且由于活性氧化鋁容易解析水分，能有效地減少再生能耗。同時吸附熱也比分子篩小，可降低空氣溫升。另外，活性氧化鋁能抵抗空氣中酸性水源的侵蝕，起到保護分子篩的作用。吸附器再生選用帶蓄熱器的電加熱器再生系統，電加熱器不需頻繁切換，延長了使用壽命，并可大大減少電耗。

5）采用帶可調噴嘴的增壓透平膨脹機組，提高了膨脹壓力。這不僅增加了制冷量，而且減少了上塔的膨脹空氣量和空壓機吸氣量，從而實現節能目的，氧提取率達91%以上。

6）充分利用純氮以過冷液空及純液氮，從而改善精餾。

7）采用分子篩流程，增加了高純度氮氣產量，相對地使單位產品電耗下降。

3.規整填料上塔、全精餾制氬的內壓縮流程

該流程的優勢在于能夠確保空分裝置的安全性更高，主要原因如下：

①用液氧泵取代氧壓機，可減少因氧壓機帶來的安全隱患；

②從主冷凝蒸發器中大量抽取液氧，極大地減少了碳氫化合物的積聚；

③產品液氧在高壓下蒸發，使烴類物質積累的可能性大大降低。

其工藝流程如下。

（1）壓縮、預冷和前端凈化　經空氣過濾器濾除塵埃和其他機械雜質后的空氣，經過空氣壓縮機壓縮至0.6MPa（A）后進入管殼式空冷器，經過低溫水冷卻后送純化器，此低溫水是通過循環水在氮水塔冷卻后得到的。

自管殼式換熱器出口的空氣通過由純化器組成的吸附H2O、CO2和碳氫化合物的吸附系統，去除大量有害元素如SO2、SO3、NH3。2臺純化器交替運行，1臺運行時，另1臺再生，定時自動切換。

空分裝置正常運行時，儀表空氣從純化器出口抽取送出。空分裝置開車用的儀表空氣由儀表空壓機提供。

正常情況下，純化器只需要做普通再生。此時，污氮氣在再生蒸汽加熱器中加熱至約150℃后送到純化器，解析并帶走吸附下來的有害雜質。

特殊情況下，如分子篩中毒失效時，再生用氣體（此時為空氣）可通過特殊再生加熱器進一步加熱至290℃，對純化器進行徹底活化。

（2）空氣精餾和分離　從純化器來的凈化空氣分成兩股。一股空氣進入冷箱內主換熱器，被返流氣體冷卻后進入低壓塔。另一股空氣進入增壓機，這股空氣又分成兩部分。一部分空氣經透平增壓機第一段增壓后，進入膨脹機的增壓機中增壓，然后被冷卻器冷卻至常溫后進入主換熱器，被返流氣體冷卻到后進入膨脹機，膨脹制冷后進入低壓塔參與精餾；另一部分空氣在增壓機的第二段繼續增壓，經冷卻后進入主換熱器，與高壓液氧換熱。高壓空氣經節流后進入低壓塔。

空氣經低壓塔初步精餾后，獲得液空、純液氮和污液氮，并經過冷器過冷后節流進入高壓塔。經高壓塔進一步精餾后，在高壓塔底部獲得液氧，一部分液氧作為液體產品進入液氧儲罐，一部分經液氧泵加壓后進入主換熱器，復熱后出冷箱，進入氧氣管網。

在低壓塔頂部得到產品液氮，一部分經液氮泵加壓后進入主換熱器，復熱后出冷箱，進入氮氣管網；一部分經過冷器過冷后分成兩股，其中一股作為液體產品送入液氮儲罐，另一股節流后送入高壓塔。正常工況不取出液氮。

從高壓塔上部引出污氮氣和氮氣經過冷器、主換熱器復熱后送出冷箱，一部分污氮氣去分子篩純化系統作為分子篩再生氣源，余下的污氮氣和氮氣去氮水塔冷卻循環水。

（3）氬的精餾和提取　從低壓塔中部抽取一定量的氬餾分送入粗氬塔。粗氬塔在結構上分為兩段，第二段粗氬塔底部的回流液經液氬泵加壓后送入第一段頂部作為回流液；氬餾分經粗氬塔精餾得到粗氬，并送入精氬塔中部，經精氬塔精餾后在塔底得到99.999%精液氬。

（4）冷量的獲得　空分所需的大部分冷量是通過透平膨脹機膨脹低溫增壓空氣而獲得。

（5）儲槽和后備系統

①液氧儲槽和后備系統　來自高壓塔底部的液氧進入液氧儲槽。液氧經過液氧泵升壓至4.2MPa（G），并在水浴式蒸發器中氣化后，作為4.2MPa（G）后備氧氣輸出。

②液氮儲槽和后備系統　來自低壓塔頂部的液氮進入液氮儲槽。液氮經過液氮后備泵升壓至3.0MPa（G），在水浴式蒸發器中氣化后，作為后備氮氣輸出。

③液氬儲槽　來自精氬塔的液氬進入液氬儲槽。儲槽中的液氬由充車泵送入液氬槽車。

可靠的液體儲存和后備系統能夠在新建空分裝置停車時，保證全區氧氣供應72小時、氮氣供應96小時。

內壓縮流程特點如下。

（a）采用全低壓分子篩凈化吸附、空氣增壓循環、增壓透平膨脹機制冷、全精餾無氫制氬、產品氧氣和氮氣內壓縮工藝流程。此流程設備配置合理、操作及維修方便，安全，低耗。

（b）可靠的液體儲存及后備系統能夠保證一段時間內的氧、氮供應。

（c）超凈空氣過濾器、全浸式主冷、在線碳氫化合物分析儀、低壓塔底部銅填料和液氧泵流程可以最大限度地確保空分裝置安全運行。

（d）用管殼式空冷器取代空冷塔，杜絕了吸附系統和冷箱進水的可能性。

（e）采用立式吸附器，占地面積小，吸附劑使用壽命長，可達15年以上。

（f）除鋁制板式換熱器及相連管線外，冷箱內所有塔、閥門和除與主換熱器連接的部分管道外，全部采用奧氏體不銹鋼，焊接質量容易保證，剛性強、耐腐蝕，對焊接場地無特殊要求，施工工期短，并能有效地減少由于內漏導致更換絕熱材料的可能性。

（g）高壓塔、低壓塔及氬精餾塔全部采用規整填料，運行變負荷范圍大（單塔為55%～110%），負荷調整速度快（約每3min變1%產量）。可針對不同的用氣情況，迅速調整負荷，保證最佳運行狀況。

（h）壓縮機采用電驅動，盡量減少裝置中轉動機械數量，與汽輪機驅動壓縮機相比，機械故障率較低。

（i）裝置可以做到自動變負荷（約每3min變1%產量）。借助后備系統，變負荷速度可達每分鐘3%，能滿足用戶不同階段的需求。