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空氣分離的低溫過程 

 空氣由多種氣體組成，其中氮氣（N2）和氧氣（O2）共占總樣本量的99.03%。干燥的空氣中大約有78.08%的氮氣，大約20.95%的氧氣和大約0.93%的氬氣，還有一些其他氣體的痕跡，如氫氣、氖氣、氦氣、氪氣、氙氣和二氧化碳。環(huán)境空氣可能包含不同數量的水蒸氣（取決于濕度）和其他由自然過程和人類活動產生的氣體。 氧氣和氮氣是通過空氣分離過程產生的，這需要將空氣分離成其成分。稀有氣體，例如氬氣、氪氣可以作為空氣分離過程的副產品被回收。

將空氣分離成其組成氣體是通過實施特定的空氣分離技術完成的。目前有不同的空氣分離技術，每一種技術都旨在利用空氣組成氣體之間物理性質的不同屬性。換句話說，空氣分離技術是基于這樣一個事實，即空氣中的每一種組成氣體都有不同的物理特性，因此，空氣分離是通過利用某種物理特性來實現的，如（i）區(qū)分組成氣體的分子大小，（ii）區(qū)分通過某些材料的擴散速度差異，（iii）特殊材料對某些氣體的吸附偏好，以及（iv）沸點溫度差異等。

今天使用的一些技術包括低溫、吸附、化學過程、聚合膜和離子傳輸膜（ITM）。在這些技術中，低溫空氣分離技術處于其生命周期的成熟階段，因此，它是目前可用的技術中唯一可行的手段，用于大規(guī)模生產氧氣、氮氣和氬氣等空氣產品。

空氣分離技術被用于生產氧氣和/或氮氣，有時也作為液體產品。一些工廠也生產氬氣，要么是氣體，要么是液體，要么是兩者都有。 所有空氣分離過程都是從壓縮空氣開始的。所有空氣分離廠都采用非低溫技術或低溫技術。 采用非低溫空氣分離技術的空氣分離廠使用接近環(huán)境溫度的分離過程生產氣態(tài)氧氣或氮氣產品。這些工廠生產的氧氣通常純度為90％至95.5％，或氮氣通常為95.5％至99.5％無氧?？諝夥蛛x設備可以生產比氧氣多三倍以上的氮氣，但通常保持1:1至1.5:1的氮氧產品比例。

低溫工藝是由卡爾-馮-林德在1895年首次開發(fā)的，并由喬治-克勞德在1900年代進行了改進，用于小規(guī)模生產氧氣，以滿足各種工業(yè)過程的要求，如焊接和切割，并作為醫(yī)療氣體。

工業(yè)規(guī)模的低溫空氣分離始于20世紀初，促進了冶金業(yè)和其他高度依賴氧氣、氮氣和最終氬氣的工業(yè)部門的發(fā)展。低溫空氣分離設備（ASP）的特點是產品質量好、容量大、可靠性高。盡管有其他新興的空氣分離技術，低溫空氣分離技術仍然是氧氣生產的基本技術。低溫空氣分離設備最常用于生產高純度的氣體產品。然而，對于需要大量氣體的應用來說，這種技術的使用受到限制，通常每天需要幾百噸以上的分離氣體。他們可以生產氣體或液體產品。

低溫空氣分離技術是利用氣體的沸點差異進行分離。它是基于這樣一個事實，即空氣的不同組成氣體具有不同的沸點，通過在溫度和壓力方面操縱直接環(huán)境，空氣可以被分離成其組成部分。氧氣在1個大氣壓和0攝氏度下的沸點是零下182.9攝氏度，在6個大氣壓和0攝氏度下的沸點是零下160.7攝氏度。氮氣的相應沸點是零下195.8攝氏度和零下176.6攝氏度，氬氣的沸點分別是零下185.8攝氏度和零下164.6攝氏度。

當需要滿足三個標準中的任何一個時，低溫分離是最有效的工藝，即（i）需要高純度的氧氣（高于99.5%），（ii）需要大量的氧氣（大于100噸氧氣/天），或者（iii）需要高壓氧氣。低溫空氣分離器需要一個多小時的時間來啟動。此外，由于低溫技術可以產生如此高純度的氧氣，廢氮流也具有可用的質量。這可以為與低溫空氣分離設備相結合的工藝增加相當大的經濟效益。

將空氣低溫分離成其組成氣體涉及各種工藝。在低溫空氣分離設備中需要將這些過程結合起來，其中最基本的是（i）空氣壓縮，（ii）空氣凈化，（iii）熱交換，（iv）蒸餾，和（v）產品壓縮。圖1顯示了這些過程。

圖1 涉及低溫空氣分離的基本過程

低溫空氣分離設備是以低溫空氣分離過程為基礎的。 自20世紀初商業(yè)化以來，該基本工藝作為一種工業(yè)工藝一直在不斷發(fā)展。由于希望在各種所需的純度和壓力水平下盡可能有效地生產特定的氣體產品和產品組合，已經出現了大量的工藝配置變化。這些空氣分離工藝循環(huán)與壓縮機械、熱交換器、蒸餾技術和氣體膨脹機技術的進步同步發(fā)展。

蒸餾過程是整個過程的核心，因為它將空氣實際分離成其成分。生產的空氣產品具有一定的純度，這被定義為100％純空氣產品的數量與輸出的空氣產品總量的比率。

在蒸餾過程中，使用了托盤。托盤的基本功能是使下降的液體和上升的氣體有效接觸。因此，托盤為（i）冷卻和部分冷凝上升的氣體，以及（ii）加熱和部分汽化下降的液體提供了舞臺。圖2顯示了一個帶有分餾盤的典型蒸餾塔。這個蒸餾塔只有一個汽化器和一個冷凝器。蒸餾是通過有效的液體-氣體接觸實現的，而這是通過下降的液體和上升的氣體之間的適當接觸實現的。最易揮發(fā)和較難揮發(fā)的元素的各自純度在每個托盤上都不同，蒸餾柱的下側和上側是兩個極端，這也是獲得純凈元素的地方。

圖2 用于生產氧氣和氮氣的帶有分餾盤的典型蒸餾塔

圖2顯示，托盤為上升的氣體提供了一定的阻力，因此產生了壓降。壓降要盡可能小，因為它對空氣壓縮機的能源消耗有很大影響，也是托盤技術發(fā)展的一個重要參數。蒸餾填料是正在使用的另一項技術，與部分蒸餾托盤相比，它能確保總壓降小得多，并改善液體-氣體接觸。

為了生產氧氣，需要氧氣和氮氣的液體混合物和一個底部裝有汽化器的柱子，而為了生產氮氣，需要氧氣和氮氣的氣體混合物和一個頂部裝有冷凝器的柱子，在這個過程中，也會產生一種富含氧氣的副產品。通過將這兩種類型的柱子堆疊在一起，并將在氮氣柱底部獲得的富氧液體輸送到氧氣柱的頂部，就有可能只用一個冷凝器來生產氧氣和氮氣。這在圖2中顯示。

富氧液體進入上部蒸餾塔的頂部，通過蒸餾，在同一塔的底部產生液態(tài)氧（LOX）。通過下層蒸餾塔頂部的氣態(tài)氮（GAN）和上層蒸餾塔底部的液態(tài)氧之間的熱交換，液態(tài)氧汽化為氣態(tài)氧（GOX）。在上層塔的頂部也會產生一種廢品，由氮氣和氧氣的混合氣體組成。

在實踐中，冷凝器的功能由一個熱交換器完成，它確保適當的熱量從GAN轉移到LOX，反之亦然，以便使LOX汽化和GAN冷凝，這是蒸餾塔連續(xù)運行所需要的。在這個模型中，蒸餾塔是相互堆疊的，但也有可能將它們并排放置，就像實踐中偶爾做的那樣。

低溫空氣分離過程是一個能源密集型的低溫過程，將空氣分離成其組成氣體。氧氣分離的能源消耗是氧氣純度的一個增加函數。電能成本是空氣分離廠發(fā)生的最大的單一運營成本。它通常在與生產氣體和液體產品有關的運營成本的三分之一或三分之二的范圍內。由于鋼鐵行業(yè)廣泛使用氧氣、氮氣和氬氣，這些氣體的價格影響到鋼鐵和鋼鐵產品的生產成本。ASP的能源效率在很大程度上受到氧氣和氮氣生產比例的影響，而氧氣和氮氣的生產比例可以根據需求而變化。

從空氣中分離氧氣的熱力學最小功等于53.1千瓦時/噸的氧氣。目前，最好的低溫ASP的特點是能源消耗超過了熱力學最小值的三倍左右。

低溫空氣分離過程的復雜性、設備的物理尺寸以及操作過程所需的能量隨著氣態(tài)和液態(tài)產品的數量、所需的產品純度和所需的輸送壓力而變化。只生產氮氣的工廠與只生產氧氣的工廠相比，復雜性較低，運行所需的能量也較少。兩種氣體的共同生產會增加資本成本和能源效率。 以液體形式生產這些氣體需要額外的設備，并且每單位輸送的氣體所需的功率增加一倍以上。

氬氣生產只有作為氧氣的副產品才是經濟的。 以高純度生產它，增加了空分設備的物理尺寸和復雜性。一個典型的低溫空氣分離廠的流程圖見圖3。流程圖顯示了工廠各組成部分之間的典型相互關系。然而，實際的關系取決于空氣分離廠的設計，它可以為滿足要求而變化。

圖3 一個典型的低溫空氣分離廠的流程圖

空氣分離的低溫過程中的步驟

在空氣分離的低溫過程中，有幾個步驟。第一步是對進入的空氣進行過濾、壓縮和冷卻。在大多數情況下，空氣被壓縮在5兆帕和8兆帕之間，這取決于產品結構和所需的產品壓力。在這一步驟中，壓縮空氣被冷卻，當空氣通過一系列的級間冷卻器和最后一級壓縮后的后冷卻器時，進入空氣中的大部分水蒸氣被冷凝和去除。

第二步包括去除雜質，特別是，但不限于，殘留的水蒸氣和二氧化碳（CO2）。這些成分被去除，以滿足產品質量規(guī)格，并在空氣進入工廠的蒸餾部分之前。有兩種去除水蒸氣和二氧化碳的基本方法。它們是（i）分子篩裝置（ii）反轉交換器。大多數新的空氣分離廠都采用分子篩預凈化裝置來去除進入的空氣中的水蒸氣和二氧化碳。用于去除水蒸氣和二氧化碳的換熱器對較小的工廠來說更具成本效益。在使用換向熱交換器的工廠中，壓縮空氣進料的冷卻是在兩套釬焊鋁制熱交換器中完成的。當使用逆轉式熱交換器時，安裝冷吸收裝置以去除任何碳氫化合物。

第三步是針對產品和廢氣流的額外傳熱，以使氣流達到低溫（- 185攝氏度）。這種冷卻是在釬焊鋁制熱交換器中進行的，它允許在進入的空氣進料和離開分離過程的冷產品和廢氣流之間進行熱交換。 在熱交換過程中，離開的氣體流被加熱到接近環(huán)境空氣溫度。 從氣態(tài)產品流和廢氣流中回收制冷，可以最大限度地減少工廠生產的制冷量。低溫蒸餾所需的非常低的溫度是由一個制冷過程產生的，其中包括一個或多個高壓過程流的膨脹。

第四步是蒸餾過程，將空氣分離成所需產品。為了制造氧氣，蒸餾系統使用兩個串聯的蒸餾柱，通常稱為高壓和低壓柱。 氮氣廠可以只有一個柱子，盡管許多有兩個。 氮氣從每個蒸餾柱的頂部離開，而氧氣則從底部離開。 在初始（高壓）塔中產生的不純氧在第二個低壓塔中進一步提純。氬氣的沸點與氧氣的沸點相似，并優(yōu)先與氧氣呆在一起。如果需要高純度的氧氣，那么就要去除氬氣。去除氬氣是在低壓柱中氬氣濃度最高的地方進行的。 被去除的氬氣，通常在一個額外的 "牽引 "粗氬蒸餾塔中處理，該蒸餾塔與低壓柱氬氣精煉設施相結合。冷氣態(tài)產品和粗氬可以被排放出去，在現場進一步處理，或作為液體收集，或汽化以產生氣態(tài)氬。

從空氣分離柱出來的廢物流通過前端的熱交換器被送回。 當它們被加熱到接近環(huán)境溫度時，它們會對進入的空氣進行冷卻。 進料和產品流之間的熱交換使工廠的凈制冷負荷最小化，從而使能源消耗最小化。

制冷是在低溫水平下產生的，以補償進入冷設備的熱量泄漏和進出氣體流之間不完善的熱交換。在空分廠的制冷循環(huán)中，一個或多個高壓氣流（可以是進氣、氮氣、廢氣、進料氣體或產品氣體，這取決于工廠的類型）被降低壓力，從而冷卻氣流。為了最大限度地提高冷卻和工廠的能源效率，減壓（或膨脹）是在膨脹機（一種形式的渦輪機）內進行的。 從氣流中去除能量，使其溫度比通過閥門的簡單膨脹更低。 膨脹機產生的能量被用來驅動工藝壓縮機、發(fā)電機或任何其他能源消耗設備。

氣態(tài)產品通常在相對較低的壓力下離開冷箱（包含蒸餾塔和其他在非常低的溫度下運行的設備的絕緣容器），經常剛剛超過一個大氣壓（絕對值）。 一般來說，輸送壓力越低，分離和凈化過程的效率就越高。然后，產品氣體在壓縮機中被壓縮到產品氣體所需的壓力，以供其使用。

低溫空氣分離過程中在非常低的溫度下運行的部分（例如蒸餾塔、熱交換器和冷互連管道）要有良好的絕緣性。 這些項目位于密封（和氮氣吹掃）的 "冷箱 "內，冷箱是相對較高的結構，截面為矩形或圓形。冷箱內裝有巖棉，以提供絕緣并盡量減少對流。根據工廠的類型和能力，冷箱的邊長可以達到2米到4米，高度為15米到60米。

氬氣的生產

純凈的氬氣通常是通過多步驟工藝從粗氬中生產出來的。傳統的方法是在 "脫氧 "裝置中去除粗氬中存在的2%至3%的氧氣。 這些小型裝置在一個含有催化劑的容器中把氧氣和氫氣化學地結合起來。由此產生的水在分子篩干燥器中很容易被去除（冷卻后）。然后，無氧氬氣流在 "純氬 "蒸餾塔中被處理，以去除殘留的氮和未反應的氫。

填料柱蒸餾技術的進步創(chuàng)造了第二種氬氣生產方式，即完全低溫氬氣回收，它使用非常高（但直徑?。┑恼麴s柱來進行困難的氬氣/氧氣分離。一個工廠所能生產的氬氣量受到蒸餾系統中處理的氧氣量的限制，再加上其他一些影響回收率的變量。這些變量包括作為液體生產的氧氣量和工廠運行條件的穩(wěn)定性。由于空氣中自然形成的氣體比例，氬氣產量按體積計算不能超過氧氣進料率的4.4%，或按重量計算不能超過5.5%。

液體產品的生產 

當在低溫空分設備中生產液體產品時，通常會在基本的空分設備中加入（或集成）一個補充的制冷裝置。這個裝置被稱為液化器，使用氮氣作為主要工作液體。 液化器的容量可以從空分設備容量的一小部分到空分設備的氧氣加氮氣和氬氣的最大生產能力。

液化器中使用的基本工藝循環(huán)幾十年來一直沒有改變。一個典型的液化器吸入接近環(huán)境溫度和壓力的氮氣，將其壓縮，冷卻，然后將高壓氣流膨脹以產生制冷。較新和較舊的液化器之間的基本區(qū)別是，隨著低溫熱交換器制造技術的改進，低溫熱交換器的最大工作壓力等級已經提高。如果一個典型的新液化器采用了更高的峰值循環(huán)壓力和更高效率的膨脹器，那么它的能源效率可能比三十年前的液化器更高。