某公司空分基础知识培训

制氧车间空分产品

空气分离的方法及原理

空分的含义：简单说就是利用物理方法将空气混合物各组份进行分离，获得高纯氧气和高纯氮气以及一些稀有气体的过程。

空气中的主要成分是氧和氮，它们分别以分子状态存在，均匀地混合在一起，通常要将它们分离出来比较困难，目前工业上主要有３种实现空气分离方法。

深冷法（也称低温法）：先将混合物空气通过压缩、膨胀和降温，直至空气液化，然后利用氧、氮汽化温度（沸点）的不同（在标准大气压下，氧的沸点为﹣１８３℃；氮的沸点为﹣１９６ ℃，沸点低的氮相对于氧要容易汽化这个特性，在精馏塔内让温度较高的蒸汽与温度较低的液体不断相互接触，低沸点组分氮较多的蒸发，高沸点组分氧较多的冷凝的原理，使上升蒸气氮含量不断提高，下流液体中的氧含量不断增大，从而实现氧、氮的分离。要将空气液化，需将空气冷却到﹣１７３ ℃以下的温度，这种制冷叫深度冷冻（深冷）；而利用沸点差将液态空气分离为氧、氮、氩的过程称之为精馏过程。深冷与精馏的组合是目前工业上应用最广泛的空气分离方法；

吸附法：利用多孔性物质分子筛对不同的气体分子具有选择性咐附的特点，对气体分子不同组分有选择性的进行吸附，达到单高纯度的产品。吸附法分离空气流程简单，操作方便运行成本较低，但不能获得高纯度的的双高产品。

膜分离法：利用一些有机聚合膜的潜在选择性，当空气通过薄膜或中空纤维膜时，氧气穿过膜的速度比氮快的多的特点，实现氧、氮的分离。这种分离方法得到的产品纯度不高，规模也较小，目前只适用于生产富氧产品。

目前大型空分设备基本上采用的是深冷法获得大气量的氧气氮气产品，以保证生产的需要。

低温法空气分离设备常见的流程
低温法分离空气设备均由以下四大部分组成：空气压缩、空气中水分杂质等净除；膨胀制冷；空气通过换热冷却、液化；空气精馏、分离；低温产品的冷量回收及压缩。各部分实现的方式和采用的设备不同，组成不同的流程。

根据制冷方式分类

按工作压力分为高压流程、中压流程和低压流程。高压流程的工作压力高达10.0～20.0MPa，制冷量全靠节流效应，不需膨胀机，操作简单，只适用于小型制氧机或液氮机。中压流程的工作压力在1.0～5.0MPa，对于小型空分装置由于单位冷损大，需要有较大的单位制冷量来平衡，所以要求工作压力较高，此时，制冷量主要靠膨胀机，但是节流效应制冷量也占较大的比例。低压流程的工作压力接近下塔压力，它是目前应用最广的流程，该装置具有较低的单位能耗。

按膨胀机的型式分为活塞式、透平式和增压透平式。活塞式膨胀量小，效率低，只用于一部分旧式小型装置。透平式由于效率高，得到最广泛的应用。对低压空分装置，由于膨胀后的空气进入上塔参与精馏，希望在满足制冷量要求的情况下膨胀量尽可能地小，以提高精馏分离效果。增压透平是利用膨胀机的输出功，带动增压机压缩来自空压机的膨胀空气，进一步提高压力后再供膨胀机膨胀，以增大单位制冷量，减少膨胀量。这在新的低压空分流程中得到越来越广泛的应用；本车间目前使用的就是增压透平膨胀机。

 按膨胀气体分为空气膨胀流程和氮膨胀流程。膨胀后空气进上塔会影响精馏；氮气膨胀使主冷中氮的冷凝量减少，即进入上塔的回流液减少，同样对上塔精馏有影响，二者各有优缺点。

按净化方式分类

冻结法净除水分和CO2。空气在冷却过程中，水分和CO2在换热器通道内析出、冻结；经一定时间后将通道切换，由返流污氮气体将冻结的杂质带走。根据换热器的型式不同，又分为蓄冷器和板翅式切换式换热器。这种方式切换动作频繁，启动操作较为复杂，技术要求高，运转周期为1年左右；

 分子筛吸附净化流程。空气在进入主换热器前，已由吸附器将杂质净除干净。吸附器的切换周期长，使操作大大简化，纯氮产品量不再受返流气量要求的限制，运转周期可达两年或两年以上，目前受到越来越广泛的应用。

随着空气质量的变化，N2O的脱除也收到越来越多的重视。

分离方式分类

低温法分离空气是靠精馏塔内的精馏过程。

根据产品的品种分为生产单高产品、双高产品、同时提取氩产品（全精馏无氢制氩）或全提取稀有气体等流程；    

根据精馏设备分为筛板塔和规整填料塔等。

按产品的压缩方式分类
可分为分离装置外压缩和装置内压缩两类。装置外压缩是单独设置产品气体压缩机，对装置的工作没直接影响。装置内压缩是用泵压缩液态产品，再经复热、气化后送至装置外。相对来说内压缩较为安全，但是，液体泵是否正常将直接影响到装置的运转。

空分-流程方块图

深冷法制氧的设备在安全上有何特点?

=利用深冷法制氧，首先要将空气液化，再根据氧、氮沸点不同将它们分离开来。空气液化必须将温度降到-140.6℃以下。一般空气分离是在-172～-194℃的温度范围进行的。

=低温换热器、精馏塔等低温容器及管道置于保冷箱内，并充填有热导率低的绝热材料珍珠岩保温砂，防止从周围传入热量，减少冷损，否则设备无法运行；

=用于制造低温设备的材料，要求在低温下有足够的强度和韧性，以及有良好的焊接、加工性能。常用铝合金、铜合金、不锈钢等材料；

=空气中高沸点的杂质，例如水分、二氧化碳等，应在常温时预先清除。否则会堵塞设备内的通道，使装置无法工作；

=空气中的乙炔和碳氢化合物进入空分塔内，积聚到一定程度，会影响安全运行，甚至发生爆炸事故。因此，必须设置净化设备将其清除；

=贮存低温液体的密闭容器，当外界有热量传入时，会有部分低温液体吸热而气化，压力会升高。为防止超压，必须设置可靠的安全装置；

=低温液体漏入基础，会将基础冻裂，设备倾斜。因此必须保证设备、管道和阀门的密封性，要考虑热胀冷缩可能产生的应力和变形；

=被液氧浸渍过的木材、焦炭等多孔有机物质，当接触火源或给以一定的冲击力时，会发生激烈的燃爆。因此，冷箱内不允许有多孔性的有机物质。对液氧的排放，应预先考虑有专门的液氧排放管路和容器，不能走地沟；

=低温液体长期冲击碳素钢板，会使钢板脆裂。因此，排放低温液体的管道及排放槽不能采用碳素钢制品；

= 氮气、氩气是窒息性气体，其液体排放管应引至室外。气体排放管应有一定的排放高度，排放口不能朝向平台楼梯；

 = 氧气是强烈的助燃剂，其排放管不能直接排在不通风的厂房内。

内压缩与外压缩比较

1）首先是投资成本,就是说如果上:一套空分设备,内压缩流程和外压缩流程哪一种花的钱多。大致上,投资成本存在差别的主要有以下几部分。

就是内压缩流程的液氧泵加上空气増压机与外压缩流程的氧压机相比。在国外,认为采用内压流程的投资要合算很多,那是国外的行情。因为国外的氧压机非常昂贵。举例来说,相同规格的氧气透平压缩机(透平氧压机),进口的价格是国产价格的3倍左右;而内压缩流程所需的空气增压机的价格是相应国产透平氧压机的1.5倍;液氧泵的成本相比较而言几乎可以忽略不计。这么大的成本差距,在国外当然是要选用内压缩流程的空分设备。而在国内,情况正好相反。首先,外压缩流程的透平氧压机完全可以采用同产产品,性能良好,价格低廉,且安全性能好。若采用内压缩流程,所需的空气增压机一般是要求进口机组,国产机组在性能等各方面还不能完全满足要求。这样,采用内压缩流程的空分设备的成本就高。事实上,内压缩流程比外缩流程高出的投资成本也主要在这个部分。

2）换热器部分

因为内压缩流程空分设备要用到中高压的板翅式换热器,会涉及到投资成本的变化。进的中高压换热器质量和可靠性相对而商更高一些,价格也同样要高一些,这部分也相应增加了一些成本。

3）膨胀机部分

内压缩流程空分设备要用到中压膨胀机,进口的膨胀机效率较高,可靠性史好。如果选用进口产品,通常的模式是配1台,并带1套机芯总成。而如果选用国产机组,出才运行可靠性的考虑,要采用一用一备的方式。按照这样的配置模式进行比较,配进口机组仍然比配国产机组成本要高一些。

4）阀门部分

内压缩流程空分设备有部分中高压的流路,相应对阀门的要求也比较高。所以在这部分也会有一些增加的成本，一般来说,一套内压缩流程空分设备的总价格会比同样规模的外压缩流程空分设备高10%左右。

5）运行费用主要由三部分构成:运行能耗、备件及维护费用和操作维护人员的开支。我们只比较前两个部分。虽然通常认为:“内压缩流程能耗略高。”不过还是要具体情况具体分析。空分设备中液体产品(液氧、液氮和液氩总量)占气氧产品的比例对能耗的影响很大。一般可以认为8%-10%左右的比例是一个分界点,低于这个比例外压缩流程能耗较低,若高于这个比例则内压缩流程在能耗上具有优势。科学的方法是做仔细的方案比较,然后再决定采用哪一种流程，与外压缩流程相比,内压縮流程空分设备由于进口的机组设备和其他部件较多,则相应的备件和维护费用也会高一些。

6）安全性与可靠性

理论上内压缩流程空分设备的安全性高一些。相对而言外压缩空分设备的性高些，外压缩的安全隐患主要在于冷凝蒸发器内液氧中碳氢化合物的积聚和氧气透平式及活塞式压缩机。

制冷量

制冷就是要从比环境温度低的装置内取走热量，以平衡由外部传入的热量，使装置保持低温状态，或使内部温度不断降低，直至不断积累起低温液体。

热量只能从高温物体传给低温物体，要从低温物体取走热，首先要用人工的方法，造成一个更低温度的状态，使它具有吸收、并带走热量的能力。理论上讲，制冷量就是指这个带走热量能力的大小。根据制冷造成低温的方式不同，制冷量可分为以下三种：

节流效应制冷量：进入空分装置压力较高的空气，在装置内经过节流阀及管路、设备等压力降低而膨胀。通常，节流过程将造成温度降低，气体所具有的带走热量的能力，就是低压气体在离开装置时恢复到进口温度相同时所能带走的热量。这说明，在同样的温度下，压力高的气体具有的能量(焓)比低压时要小，二者能量(焓)的差值就是所能吸收的热量，即叫做节流效应制冷量。

膨胀机制冷量：压力较高的气体经过膨胀机膨胀时，由于气体推动叶轮旋转，对外输出功，因而气体本身的能量(焓)减小，温度显著降低。它所具有的带走热量的能力，就是吸热后恢复到膨胀前的能量。因此，膨胀机膨胀前后的能量(焓)之差就是膨胀机制冷量。

冷冻机提供的制冷量：采用分子筛净化的空分设备，往往用冷冻机的低温工质来预冷空气，以提高吸附净化效果。这是由空分设备外部提供的制冷量，就是指冷冻水从空气带走的热量，它可使所需的节流效应和膨胀机制冷量减少。

什么叫节流，节流后流体温度为什么会降低

·当气体或液体在管道内流过一个缩孔或一个阀门时，流动受到阻碍，流体在阀门处产生漩涡、碰撞、摩擦。流体要流过阀门，必须克服这些阻力，表现在阀门后的压力比阀门前的压力低得多。这种由于流动遇到局部阻力而造成压力有较大降落的过程，通常称为“节流过程”。

·实际上，当流体在管路及设备中流动时，也存在流动阻力而使压力有所降低。但是，它的压力降低相对较小，并且是逐渐变化的。而节流阀的节流过程压降较大，并是突然变化的。例如，空气流经主热交换器的压降约在0.01MPa左右，而液空从下塔通过节流阀节流到上塔时，节流前后的压降可达0.45MPa。

·在节流过程中，流体既未对外输出功，又可看成是与外界没有热量交换的绝热过程，根据能量守恒定律，节流前后的流体内部的总能量(焓)应保持不变。但是，组成焓的三部分能量：分子运动的动能、分子相互作用的位能、流动能的每一部分是可能变化的。节流后压力降低，质量比容积增大，分子之间的距离增加，分子相互作用的位能增大。而流动能一般变化不大，所以，只能靠减小分子运动的动能来转换成位能。分子的运动速度减慢，体现在温度降低。在空分设备中，遇到的节流均是这种情况，这也是节流降温制冷要达到的目的。

膨胀机膨胀的温降效果与节流温降比较

·空气从0.6MPa节流到0.1MPa的温降只有1℃左右，而通过膨胀机膨胀，理论上温降可达80～90℃，温降效果要比节流好得多。其原因是节流过程不对外输出功，温度降低是靠分子位能增加而引起的。气体在膨胀机内膨胀时，气体要推动叶轮旋转，或推动活塞对外作功，而且膨胀过程进行很快，外界没有能量输入，理想情况下可以看成是一个绝热过程。根据能量守恒定律，输出的功只有靠减少气体的能量(焓)来维持平衡，使得气体分子运动的动能急剧减少，反映在温度大幅度下降。因此，膨胀机膨胀时，气体的温度降低不仅是因为压力降低，造成分子的位能增加，而使分子运动的动能减少引起的，更主要是由于对外作功造成的，所以温降的效果要比节流时大得多。

空气中有哪些杂质，在空气分离过程中为什么要清除杂质？

空气中除氧、氮外，还有少量的水蒸气、二氧化碳、乙炔和其他碳氢化合物等气体，以及少量的灰尘等固体杂质。每立方米空气中的水蒸气含量约为4～40g/m3(随地区和气候而异)，二氧化碳的含量约为0.6～0.9g/m3，乙炔含量约为0.01～0.1cm3/m3(在乙炔站和化工厂附近含量可达0.05～1cm3/m3)，灰尘等固体杂质的含量一般为0.005～0.15g/m3，冶金厂附近可高达0.6～0.9g/m3。这些杂质在每立方米空气中的含量虽然不大，但由于大型空分设备每小时加工空气量都在几万甚至十几万立方米，因此，每小时带入空分设备的总量还是可观的。以60000m3/h制氧机为例，每小时随空气带入空压机的水分量约11t，经空气冷却器和氮水预冷器后有很大一部分水分将析出。即使如此，每小时带入空分设备的水分还有2000kg。每天随空气吸入的灰尘达50～100kg，甚至更多。而这些杂质对空分设备都是有害的。随空气冷却，被冻结下来的水分和二氧化碳沉积在低温换热器、透平膨胀机或精馏塔里，就会堵塞通道、管路和阀门；乙炔集聚在液氧中有爆炸的危险；灰尘会磨损运转机械。为了保证空分设备长期安全可靠地运行，必须设置专门的净化设备，清除这些杂质。

脉冲式反吹自洁式空气过滤器

·国产的脉冲式反吹自洁式空气过滤器对2μm粒子过滤效率大于98%；初始阻力小于150Pa，正常状态阻力为400～600Pa，报警阻力为800Pa，最大安全阻力为1500Pa；反吹压缩空气压力600～800kPa，流量小于0.15m3/min。每个滤筒的有效过滤面积为21.4m3。

·脉冲式反吹自洁空气过滤器的优点有：

·滤筒的过滤效率高，阻力低，使用寿命长，且能抗水雾；

·自动反吹清扫灰尘，达到自洁。可保证空压机连续2年以上不间断运行。实验证明，连续运行5～10年的离心式空压机内部无明显结垢，叶片毫无粉尘磨损的痕迹；

·设备检修维护方便，费用低。滤筒寿命长，更换方便，且可以不停机更换。滤料为优质防水纸料，价格便宜；

· 脉冲反吹自洁式空气过滤器为干式空气过滤器，与湿式空气过滤器相比，加工空气不带油，没有危及空分装置安全的问题。

清除空气中的水分、二氧化碳和乙炔常用方法

·清除空气中的水分、二氧化碳和乙炔的方法最常用的是吸附法和冻结法。

·吸附法就是用硅胶或分子筛等作吸附剂，把空气中所含的水分、二氧化碳和乙炔，以及液空、液氧中的乙炔等杂质分离出来，浓聚在吸附剂的表面上(没有化学反应)，加温再生时再把它们赶掉，从而达到净化的目的。例如设置干燥器、二氧化碳吸附器、液空吸附器、液氧吸附器。

 ·冻结法就是空气流经蓄冷器或切换式换热器时把其中所含的水分和二氧化碳冻结下来(乙炔不能冻结)，然后被干燥的返流气体带出装置，即自清除。

·在高压、中压、高低压制氧系统上，曾用碱洗法清除二氧化碳，即用氢氧化钠(Na0H)的水溶液吸收空气中的二氧化碳。由于操作不便，目前已被淘汰。

·采用分子筛净化流程可用分子筛同时吸附清除空气中的水分、二氧化碳和乙炔，使流程简化，已在制氧机上普遍地被采用。

压缩系统

1）从空气室滤筒出来的大气空气被去除了尘埃和其他机械杂质后，过滤后的空气被装备用来调整空气量和防喘振设备的空压机压缩。在空压机内部，空气压缩分三段执行，每一段都有内部冷却器。压缩后，空气压力5.2Bar（A），温度是80 ℃，然后空气被送入空气预冷系统（空冷塔）进行洗涤降温。

预冷系统

1）主要作用

  对空压机增压后的湿空气进行冷却，并进一步的洗涤空气中的微颗粒灰尘、部分水溶性物质（NH3、SO2等）等杂质。经空冷塔冷却后的空气近似饱和湿空气，根据纯化系统的工作特性，湿空气出空冷塔温度越低含水量越低，也越有利于降低纯化系统的吸附负荷。

2）工作原理及流程

      空冷塔分为上下两段，下段用循环水降温，上段用冷冻水降温，直接利用冷却水和冷冻水在散堆填料上与湿空气接触换热来降低湿空气的温度。冷却水从空冷塔下部引入，冷冻水从空冷塔上部引入。冷却水来源于工厂冷却水供水管网水池，经冷却水泵加压后引入，换热后在空冷塔底部收集并回到冷却水回水管网。冷冻水来源于循环水池，在水冷塔内与干燥污氮接触，利用水的汽化潜热实现降温，再经氨冷冻机进一步的降低温度，后经冷冻水泵加压引入。在空冷塔顶部设置有收水器，可将空气中夹带的游离水分离出来。

空气纯化系统的任务

纯化系统的目的是通过分子筛清除空气中的水分、二氧化碳及碳氢化合物等杂质,保障空分装置的安全运行。经分子筛吸附器纯化后的空气中的水含量≤5PPm 、CO2≤1PPm。

分子筛吸附器

·分子筛主要成分是碱性硅铝酸盐,有一定的晶型和连接结构,能使一些特定的分子通过的物质。

·液化设备通常都有用于净化流程空气的前置净化装置，2台分子筛吸附器（1台吸附，1台再生）交替使用，保证了其工作的连续性。其目的是脱除空气中的水分和二氧化碳及C、H化合物（CO2在空气中的平均含量约500ppm）。

分子筛吸附器结构图

吸附器内装填的氧化铝和分子筛的吸附容量有限，吸附饱和后需要进行解析再生操作。为了持续的运行，设置了两个吸附器，一个处于吸附状态另一个则处于再生状态。根据吸附剂低温高压吸附、高温低压解析的特性，将吸附饱和的吸附器泄压吹除，然后利用蒸汽加热器或者电加热器（特殊再生）加热从低压塔复热的低压污氮至一定温度对床层进行加热解析再生，污氮加热后的温度足够高到解析床层内被吸附的水分和二氧化碳。加热完成后再利用复热的污氮对床层进行冷吹，带走床层内热量。冷吹流量和时间需要保证冷吹完成时床层内的残留热量在一定范围内，否则再生完的吸附器投用后出口温度会波动对后续工段造成影响。再生完成的吸附器均压后与当前运行的吸附器并行一段时间后投入吸附。

分子筛吸附过程

·吸附原理：吸附是一种把气态和液态物质（吸附质）固定在固体表面（吸附剂）上的物理现象，这种固体（吸附剂）具有大量微孔的活性表面，吸附质的·分子受到吸附剂表面引力的作用，从而固定在上面。

·引力的大小取决于：

—吸附剂表面的构造（微孔率）

—吸附质的分压

—温度

·吸附伴随着放热，是一种可逆的现象，类似于凝结：

—如果增加压力，吸附能力增加

—降低温度，吸附能力增加

·因此，在吸附时，要使压力升到最高，温度降到最低。解吸时，则要使压力降到最低，温度升到最高。

什么叫精馏

·对两种沸点不同的物质(例如氧与氮)组成的混合液体，在吸收热量而部分蒸发时，易挥发组分氮将较多地蒸发；而混合蒸气在放出热量而部分冷凝时，难挥发组分氧将较多地冷凝。如果将温度较高的饱和蒸气与温度较低的饱和液体接触，则蒸气将放出热量给饱和液体。蒸气放出热量将部分冷凝，液体将吸收热量而部分蒸发。蒸气在部分冷凝时，由于氧冷凝得较多，所以蒸气中的低沸点组分(氮)的浓度有所提高。液体在部分蒸发过程中，由于氮较多的蒸发，液体中高沸点组分(氧)的浓度有所提高。如果进行了一次部分蒸发和部分冷凝后，氮浓度较高的蒸气及氧浓度较高的液体，再分别与温度不同的液体及蒸气进行接触，再次发生部分冷凝及部分蒸发，使得蒸气中的氮浓度及液体中的氧浓度将进一步提高，这样的过程进行多次，蒸气中的氮浓度越来越高，液体中的氧浓度越来越高，最终达到氧、氮的分离。这个过程就叫精馏。

·概括地说，精馏是利用两种物质的沸点不同，多次地进行混合蒸气的部分冷凝和混合液体的部分蒸发的过程，以达到分离的目的。

精馏塔内的空气是怎样被分离成氧和氮的

·精馏塔是设有多层塔板(对筛板塔，填料塔的工作原理相同)的设备。在塔板上有一定厚度的液体层。精馏塔一般多为双级精馏塔。

·压缩空气经清除水分、二氧化碳，并在热交换器中被冷却及膨胀(对中压流程)后送入下塔的下部，作为下塔的上升气。因为它含氧21%，在0.6MPa下，对应的饱和温度为100.05K。在冷凝蒸发器中冷凝的液氮从下塔的顶部下流，作为回流液体。因其含氧为0.01%～1%，在0.6MPa下的饱和温度约为96.3K。由此可见，精馏塔下部的上升蒸气温度高，从塔顶下流的液体温度较低。下塔的上升气每经过一块塔板就遇到比它温度低的液体，气体本身的温度就要降低，并不断有部分蒸气冷凝成液体。由于氧是难挥发组分，氮是易挥发组分，在冷凝过程中，氧要比氮较多地冷凝下来，于是剩下的蒸气中含氮浓度就有所提高。就这样一次、一次地进行下去，到塔顶后，蒸气中的氧绝大部分已被冷凝到液体中去了，其含氮浓度高达99%以上。这部分氮气被引到冷凝蒸发器中，放出热量后全部冷凝成液氮，其中一部分作为下塔的回流液从上往下流动。液体在下流的过程中，每经过一块塔板遇到下面上升的温度较高的蒸气，吸热后有一部分液体就要气化。在气化过程中，由于氮是易挥发组分，氧是难挥发组分，因此氮比氧较多地蒸发出来，剩下的液体中氧浓度就有所提高。这样一次、一次地进行下去，到达塔底就可得到氧含量为38%～40%的液空。因此，经过下塔的精馏，可将空气初步分离成含氧38%～40%的富氧液空和含氮99%以上的液氮。 

·然后将液空经节流降压后送到上塔中部，作为进一步精馏的原料。与下塔精馏的原理相同，液体下流时，经多次部分蒸发，氮较多地蒸发出来，于是下流液体中的含氧浓度不断提高，到达上塔底部可得到含氧99.2%～99.6%的液氧。从液空进料口至上塔底部塔板上的精馏是提高难挥发组分的浓度，叫提馏段。这部分液氧在冷凝蒸发器中吸热而蒸发成气氧，在0.14MPa下它的温度为93.7K左右。一部分气氧作为产品引出，大部分作为上塔的上升气。在上升过程中，部分蒸气冷凝，蒸气中的氮含量不断增加。由于上塔中部液空入口处的上升气中还有较多的氧组分，如果将它放掉，氧的损失太大，所以应再进行精馏。从冷凝蒸发器中引出部分含氮99%以上的液氮节流后送至上塔顶部，作为回流液，蒸气再进行多次部分冷凝，同时回流液多次部分蒸发。其中氧较多地留在液相里，氮较多地蒸发到气相中，到了上塔顶，便可得到含氮99%以上的氮气。从液氮进料口到液空进料口是为了进一步提高蒸气中低沸点组分(氮)的浓度，叫精馏段。如果需要纯氮产品还需要再次精馏，才能得到含氮99.99%的纯氮产品。这就是精馏塔内将空气分离成氧、氮的过程。

下塔压力为什么比上塔高

·为了实现上、下塔的精馏过程，必须使下塔顶部的气氮冷凝为液氮，使上塔底部的液氧蒸发为气氧。这个过程是通过冷凝蒸发器，用下塔的气氮来加热上塔的液氧，使其蒸发成气氧，而气氮本身因放出热量而冷凝成液氮来实现的。为此，要求冷凝蒸发器的冷凝侧(即氮侧)的温度高于蒸发侧(即氧侧的温度)，并保持一定的温差(一般在1.0～2.5℃)。

·我们知道，在同样压力下，氧的沸点比氮高，无法达到上述目的。但是，气体的液化温度和液体的气化温度与压力有关，而且随压力的增加而升高。例如在0.14MPa下，液氧的蒸发温度是93.2K，气氮的冷凝温度是80K；而在0.58MPa下，气氮的冷凝温度是95.6K。为实现用气氮来加热液氧的目的，就必须把氮侧的压力提高，使氮的冷凝温度高于氧的蒸发温度，并保证一定的传热温差才行。因为冷凝蒸发器的氧侧与上塔底部相连。它与上塔底部具有相同的压力；其氮侧与下塔顶部相连，它与下塔顶部具有相同的压力。所以，下塔压力比上塔高就是要保证主冷的正常工作，以实现上、下塔的精馏过程。

精馏系统流程

空气经空冷塔和分子筛纯化器净化后的空气分为两部分：

1）一部分净化后的空气主气流直接进入冷箱的主换热器（E1)(E2)内，并在主换热器(E01)中与返流产品进行热交换而冷却至-173℃，这股气流然后进入下塔(K01)底部首次参加精馏分离。上升气体和下降液体接触后氮的含量升高。

2）另一部分净化空气送入增压透平膨胀机的增压端增压后送入冷箱，在冷箱的主换热器(E01)中与氧、氮换热，或旁通至。

3）剩余部分增压空气在主换热器(E01)中冷却至适当温度抽出（部分做仪表气），然后经透平膨胀机膨胀端 (ET01) 膨胀后送入中压塔 (K01)。

注：1开氏度（K）= -272.15摄氏度（℃）

氩系统流程

·为了提取氩，从低压塔(K02)中间位置抽出的氩馏份（氧含量为8%～10%）被送入粗氩塔(K10)中，在此去除氧。该塔的回流液所需的冷量由粗氩塔冷凝器(E10)中的富氧液空的蒸发而产生。

·然后粗液氩流入精氩塔(K11)中分离去除氮，产品液氩送至储槽。

·精氩塔(K11)底部的蒸发热量由精氩塔蒸发器(E15)冷凝来自中压塔的少量中压氮气而产生。被冷凝的液氮进入精氩塔冷凝器(E16)中和来自过冷器(E03)后的液氮同时被蒸发用于冷凝上升蒸气，从而向精氩塔(K11)提供回流液。

·当不生产液氩时，来自粗氩塔(K10)顶部的粗液氩回流至低压塔(K02)，通过提纯的粗液氩进入低压塔(K02)顶部，保证氧提取率不变。此时精氩塔(K11)停车冷备。

液氧后备及储槽

·液氧贮槽和后备系统

·来自低压塔(K02)的液氧产品经过过冷器后送入1个1200m3的液氧贮槽(V40)。

·当需要启动中压液氧后备系统时，贮槽中的液氧产品可以由中压液氧后备泵(P41)升压至所需压力后，在水浴式蒸发器(E41)中汽化作为紧急情况时的后备中压氧气产品输出。

·空分后备系统配置高压氧气缓冲罐（V45）用于空分跳车时后备系统启动达到满负荷前短暂时间内的下游气量供应。

另外，配置液氧充车泵(P40)用于液体充车。

液氮储槽及后备

·来自中压塔(K01)的液氮产品经过过冷器后送入1个2000m3的液氮贮槽(V50)。

·当需要启动低压液氮后备系统时，贮槽中的液氮产品可以由低压液氮后备泵(P51)升压至所需压力后，在水浴式蒸发器(E51)中气化，作为后备低压氮气产品输出，其中一部分相当于常压氮气产品经过节流后作为常压氮气产品输出。

·当需要启动中压液氮后备系统时，贮槽中的液氮产品可以由中压液氮后备泵(P52)升压至所需压力后，在水浴式蒸发器(E52)中气化作为紧急情况时的后备中压氮气产品输出。

·当需要启动高压液氮后备系统时，贮槽中的液氮产品可以由高压液氮后备活塞泵(P54)升压至所需压力后，在空浴式蒸发器(E54)中气化作为紧急情况时的后备高压氮气产品输出。

·当空分和下游装置均停车或全厂断水断电的情况下，液氮真空罐（V51）引出的液氮经过空浴式蒸发器（E53）汽化，一部分作为全厂紧急用气，另一部分节流至0.4MpaG送去用户下游装置。

·空分后备系统配置高压氮气缓冲罐（V55）用于空分跳车时后备系统启动达到满负荷前短暂时间内的下游气量供应。

·另外，配置液氮充车泵(P50)用于液体充车。

液氩储槽及后备

·来自精氩塔(K11)的液氩产品送入500m3液氩贮槽V30。

·配置液氩充车泵(P30)用于液体充车

制氧机哪些部位最容易发生爆炸?

·制氧机爆炸的部位在某种程度上与空分设备的型式有关。在高、中压、双压流程中，发生爆炸的可能性相对较多；生产液氧的装置，主冷未发生过爆炸，而气氧装置的主冷却是爆炸的中心部位。爆炸破坏的程度与爆炸力有关，微弱的爆炸可能只破坏个别的管子，甚至未被操作人员所察觉。

·冷凝蒸发器的爆炸部位，随其结构型式不同而有所不同。一般易发生在液氧面分界处，以及个别液氧流动不畅的通道，也有发生在下部管板处或上顶盖处。对辅助冷凝蒸发器，爆炸易发生在液氧接近蒸发完毕的下部。

·据统计，除冷凝蒸发器外，在其他部位也发生过爆炸。计有：下塔液空进口下部；液空吸附器；上塔液空进口处的塔板；液氧排放管；液氧泵；切换式换热器冷端的氧通道；辅助冷凝蒸发器后的乙炔分离器等。

·安全措施不论在哪个部位爆炸，其原因均有液氧(或富氧液空)的存在，并在蒸发过程中造成危险物的浓缩、积聚或沉淀，组成了爆炸性混合物，在一定条件下促使发生爆炸

安全措施

碳氢化合物的防范

设备的安全运行问题不仅需要在设计时特别注意，而且在操作时需要很好地监视。下面内容解释了如何防范碳氢化合物侵入冷箱及如何防范碳氢化合物在主冷凝蒸发器中的积聚。

空压机的进气口

设备布置应考虑：

风向和风速

空气吸风口与污氮排风口的水平距离不小于10m

附近污染源的距离和方向以及潜在排放气体的气量和成份

进气塔的设计及其在装置现场的具体位置应尽最大限度降低主空压机吸入杂质的可能性。

通过在主空压机入口前设置过滤器来保证在装置运行寿命内能将空气中的颗粒和浮质杂质去除。

切记一定要关注进入空分装置的原料空气中的杂质含量，尤其是可能发生的空气污染情况的变化。

空气净化系统

·采用变温吸附系统，所有流程空气通过氧化铝去除水分，然后在分子筛层吸附CO2，同时还有乙炔、异丁烷和更重的烃类。

·多数烃类如异丁烷和重质烃几乎全被去除，而丙烷、乙烷和乙烯只能被部分去除。

·为确保空气净化装置的正常运行，从而减少碳氢化合物进入主冷凝蒸发器的可能性，安装一只CO2分析仪以不间断地测得空气纯化装置出口的CO2含量。任何偶尔的或非偶然的CO2超标情况都应查明原因，并根除隐患。应时常检查CO2分析仪的准确性以确保进入冷箱前的空气中的CO2含量能及时检测。

·双层床纯化器的设计采用固定的吸附床层并有一个自清洁系统，把分子筛的磨蚀和酸蚀的风险降至最低程度。同时，尘埃进入的可能性也降至最低限度，因为尘埃一旦进入冷箱，最终将进入主冷凝蒸发器，引起设备堵塞。

冷凝蒸发器主动预防

·第一道预防是通过正确地操作前端净化吸附装置，从而尽可能避免碳氢化合物进入主冷凝蒸发器：除了去除流程空气中的水份，净化吸附装置必须能非常有效地去除CO2。监测净化后的空气中的CO2的含量不仅有助于正确操作净化吸附装置以去除CO2和碳氢化合物，而且减少了固态CO2 引起主冷凝蒸发器通道阻塞的可能性。若有CO2穿透纯化吸附装置现象发生，则应相应降低两只纯化器切换运行的周期。

·第二道预防碳氢化合物在主冷凝蒸发器中的富集手段是从冷凝蒸发器浴液中不断地排放液体。本装置采用液氧泵内压缩流程，产品氧以液态形式出精馏塔，因此碳氢化合物集聚的可能性极小。尽管有这些预防措施，但一段时间以后，一些杂质仍可能沉积在主冷凝蒸发器的波纹片上。作为一项附加措施，主·冷凝蒸发器必须在为装置专门确定的加温周期内通过彻底解冻加以清洁。为确保有效解冻，应监视主冷凝蒸发器出口的解冻气体温度和水分，只有当达到所需的干燥度和温度后才可停止解冻。

主冷的顶部（低压塔底部）采用了一段先进的铜填料，来替代传统的铝填料。铜填料能更有效的隔离主冷与易燃烧的铝填料。增加安全性。

冷凝蒸发器被动预防

·分析仪用于监察主动预防措施是否运行正常、有效。用一台分析仪关注主冷凝蒸发器液氧侧的碳氢化合物含量。若液氧中碳氢化合物的含量超过警戒值时，则整套装置应停车处理。

·为使测得数据可信，分析仪以及CO2分析仪(纯化吸附装置空气出口)必须定期校准(每两周一次)。

主冷凝蒸发器

·虽然液空是第一家获得膜式主冷凝蒸发器专利的公司，但我们还是选用了更传统的浴式主冷，因为浴式主冷的历史更长、经验更多。

·主冷凝蒸发器积聚了大气中的碳氢化合物，它的安全运行非常关键。为避免碳氢化合物含量在液氧中增加，和保证换热器中液体正常循环，有必要使浴液蒸发时确保换热器的换热区域在全浸的状态下操作。

·除了检查液位计的准确性以外，必须在高于板束顶端50mm处设置液位计取样口，当该处有液体出现时检查操作液位设定点。

·内压缩流程的选用，使液氧得到有效的且不断的排放，因而使主冷凝蒸发器得到良好的保护。

色谱分析仪

·用色谱分析仪对冷箱的不同部份巡回地和有选择性地对碳氢化合物进行监测，当发现某含量超过界限时，会发出警报，警告操作者根据操作手册的指导采取措施。

·测量的不同部位是：

吸附器的出口

主冷凝蒸发器的液氧浴槽

液体排放

·冷箱内液体排放管道的设计将考虑能将容器及管道内的液体尽快排尽。

装置启动前的准备工作

·如果装置要加温至环境温度，则必须按解冻程序做。

·在装置起动之前，冷箱必须加以彻底干燥(无CO2和水分)，以便在冷却过程中避免由CO2和水分存在所引起的通道阻塞。应特别关注冷凝蒸发器的解冻。在主冷凝蒸发器中的CO2阻塞会引起局部浓度升高。所以在装置起动之前，建议检查空气纯化吸附装置(校准气体)后的CO2分析仪运行是否正常，并用一湿度分析仪（增压机后冷却器出口和膨胀机增压端后冷却器出口的露点分析仪）检查冷箱内通道是否干燥。

怎样判明氧气瓶内是否有油脂?

·油脂是可燃物质，与压力大于3MPa的压缩氧气接触时会引起自燃。如果氧气瓶阀上粘有油脂，在氧气瓶充装和使用过程中，氧气高速流过瓶阀时，就能引起瓶阀着火，甚至使氧气瓶爆炸。所以，氧气瓶是严禁沾上油脂的。

·瓶阀上的油脂都是由于忽视安全，严重违反安全操作规程造成的。在充装、使用过程中由操作者有油污的手、手套、工作服和工具沾上去的；也可能在检验、更换瓶阀时未作严格的脱脂处理。

·瓶内的油脂可能是气瓶曾装过含有油脂的气体。在作气瓶的定期检验时，为了判别气瓶内壁是否有油脂，可采用下列方法：

·将涮洗气瓶的水倒在杯中，静置一段时间后，在水面上放一张香烟纸，停留片刻后取出烘干。若在纸上留有油污痕迹，则表明瓶内含有油脂；

·将涮洗气瓶的水倒在杯中，用小勺取少许纯樟脑粉洒于杯内水面。若樟脑粉在水面发生强烈旋转，则表明瓶内含有油脂。这是因为樟脑粉不溶于水，但能溶于油脂。在溶解时产生溶解热而使水局部汽化，造成樟脑粉产生旋转。