空氣分離最常用的方法是深度冷凍法。此方法可制得氧、氮與稀有氣體,所得氣體產(chǎn)品的純度可達(dá)98.0%~99.9%。此外,還采用分子篩吸附法分離空氣(見
變壓吸附),后者用于制取含氧70%~80%的富氧空氣。近年來,有些國家還開發(fā)了固體膜分離空氣的技術(shù)。氧氣、氮?dú)饧皻鍤狻⒑獾认∮袣怏w用途很廣,所以空氣分離裝置廣泛用于冶金、化工、石油、機(jī)械、采礦、食品、軍事等工業(yè)部門。
1895年,德國人C.林德研究成功了一次節(jié)流循環(huán)液化空氣的方法,這是最簡單的
深度冷凍循環(huán)。它采用節(jié)流膨脹和逆流換熱,稱為林德循環(huán)。1902年,德國林德公司制成了第一套林德循環(huán)單級(jí)精餾工業(yè)裝置。同年,法國人G.克勞德研究成功了帶往復(fù)式膨脹機(jī)的中壓冷凍循環(huán)液化空氣的方法,可減少冷凍消耗,稱為克勞德循環(huán)。1939年,蘇聯(lián)人∏.Л.卡皮查將離心式膨脹機(jī)用于低壓空分裝置,稱為卡皮查循環(huán),使能耗進(jìn)一步下降。目前,各國都趨向發(fā)展大型化板翅式換熱器的全低壓空分裝置,使單機(jī)制氧能力不斷提高,能耗不斷降低。中國于1953年開始制造每小時(shí)生產(chǎn)30m3的制氧裝置,1958年制造了每小時(shí)生產(chǎn)3350m3的制氧成套設(shè)備,1970年設(shè)計(jì)了板翅式換熱器的大型全低壓空分裝置,每小時(shí)制氧能力為10000m3。深度冷凍法 分為兩步,先行制冷,再加之精餾即可得到不同的氣體產(chǎn)品。
空氣分離
制冷
為了使空氣液化,可采用不同的深度冷凍循環(huán)裝置,主要以林德循環(huán)和克勞德循環(huán)為基礎(chǔ)。前者是通過節(jié)流膨脹制冷;后者除仍有節(jié)流膨脹外,還有一部分氣體在膨脹機(jī)中作等熵膨脹。氣體進(jìn)行等熵膨脹時(shí),溫度的降低要比節(jié)流膨脹大,而且能回收一部分壓縮功,所以比節(jié)流膨脹經(jīng)濟(jì)。其他各種改進(jìn)的深度冷凍循環(huán),有雙壓節(jié)流循環(huán)、帶氨預(yù)冷節(jié)流循環(huán)、逐級(jí)重疊循環(huán)等。
在深度冷凍法的各種循環(huán)中,典型的流程(見圖)是先使空氣在過濾器中濾去塵埃等雜質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī),再經(jīng)
分子篩凈化器除去空氣中在低溫下易凝固氣體,如水蒸氣和二氧化碳等,已凈化的空氣在第一換熱器中由產(chǎn)品氮?dú)夂脱鯕饨禍?。出第一換熱器后,空氣分成兩路:一路經(jīng)第二換熱器繼續(xù)冷卻后,再經(jīng)節(jié)流閥降壓;另一路經(jīng)膨脹機(jī)降壓。兩路膨脹后的空氣溫度均降至103K左右,進(jìn)入雙級(jí)精餾塔的下塔底部。
精餾
在深度冷凍法中,主要的分離過程是在雙級(jí)精餾塔中進(jìn)行的。該塔由上、下兩塔和塔間的冷凝蒸發(fā)器組成。進(jìn)入下塔底部的空氣在該處的溫度和壓力條件下,已部分液化。由于液氮沸點(diǎn)比液氧沸點(diǎn)低,因而下塔底部的液化氣體是富氧液態(tài)空氣,含氧量一般為30%~40%。下塔操作壓力應(yīng)高于上塔才能使下塔頂部氮的冷凝溫度高于上塔底部液態(tài)氧的沸騰溫度(見p-V-T關(guān)系)。從而使冷凝蒸發(fā)器內(nèi)熱量由管內(nèi)傳向管間,并具有一定的傳熱溫差。冷凝蒸發(fā)器同時(shí)起到了下塔塔頂冷凝和上塔塔底加熱的作用??諝庠谙滤上露辖?jīng)過多層塔板
精餾,使易揮發(fā)組分氮的濃度逐漸提高,并在冷凝蒸發(fā)器管內(nèi)冷凝成液氮。一部分液氮在下塔作回流液;一部分收集于液氮槽,經(jīng)減壓后作為上塔塔頂回流液。下塔底部的富氧液態(tài)空氣,經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入上塔中部,與冷凝蒸發(fā)器蒸發(fā)出來的氣體逆流接觸。由此使下流液體中的含氧量由上至下不斷增加,最后積聚在冷凝蒸發(fā)器管間,含氧量可達(dá)99%以上,并不斷在此蒸發(fā)出產(chǎn)品氧而引出塔外。上塔塔頂引出的則是產(chǎn)品氮,濃度亦可達(dá)98%以上。出精餾塔的產(chǎn)品氧和產(chǎn)品氮的溫度都很低,可通過換熱器使輸入空氣降溫。
由于氬的沸點(diǎn)介于氮、氧沸點(diǎn)之間,利用雙級(jí)精餾塔還不能同時(shí)得到純氮和純氧。若在上塔中部適當(dāng)部位抽出富氬氣體作為提氬原料,則產(chǎn)品氮、氧的濃度可提高。沸點(diǎn)較低的氖和氦氣積聚在液氮上面,可抽出作為提氖、氦的原料。沸點(diǎn)比較高的氪、氙則積累在上塔底部液態(tài)氧和氣體氧中,可抽出作為提氪、氙的原料。
空氣分離
分子篩吸附法 基于分子篩對(duì)氮和氧的不同吸附力,空氣通過分子篩床層后,吸附相和氣相中的組成將發(fā)生變化從而達(dá)到分離的目的,由于吸附相含氮量較高,故流出氣體中含氧量較高。吸附柱足夠長時(shí),可制得一定純度的氧氣,分子篩可采用減壓脫附的方法再生。
參考資料