空氣中的主要成分是氧氣和氮，它們分別以分子狀態(tài)存在。分子是保持它原有屬性的最小顆粒，直徑在10^-8cm,而分子的數(shù)目非常多，并且不停地在作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，因此，空氣中的氧、氮等分子是均勻地相互混合在一起的，要將它們分離開(kāi)始較困難的。目前主要有三種分離方法：（1）低溫法（2）吸附法（3）膜分離法

空氣分離的基本原理，是利用液化空氣中各組份沸點(diǎn)的不同而將各組份分離出來(lái)，要達(dá)到這個(gè)目的，空分裝置的工作包括下列過(guò)程：

? (1) 空氣的過(guò)濾和壓縮

? (2) 空氣中水份和二氧化碳的清除

? (3) 空氣被冷卻到液化溫度

? (4) 冷量的制取

? (5) 液化

? (6) 精餾

? (7) 危險(xiǎn)雜質(zhì)的排除

2.1.1 空氣的過(guò)濾和壓縮:

大氣中的空氣先經(jīng)過(guò)空氣自潔式過(guò)濾器過(guò)濾其灰塵等機(jī)械雜質(zhì)，然后在空氣透平壓縮機(jī)中被壓縮到所需的壓力。壓縮產(chǎn)生的熱量被冷卻水帶走。

2.1.2 空氣中水份和二氧化碳碳?xì)浠衔锏那宄?

加工空氣中的水份和二氧化碳若進(jìn)入空分設(shè)備的低溫區(qū)后，會(huì)形成冰和干冰，就會(huì)阻塞換熱器的通道和塔板上的小孔。因而配用分子篩吸附器來(lái)預(yù)先清除空氣中的水份和二氧化碳，進(jìn)入分子篩吸附器的空氣溫度約為～21℃。分子篩吸附器成對(duì)切換使用，一只工作時(shí)另一只在再生。

2.1.3 空氣被冷卻到液化溫度:

空氣的冷卻是在中壓換熱器I、中壓換熱器II中進(jìn)行的，在其中循環(huán)空氣被來(lái)自膨脹后的返流空氣和返流氣體冷卻、增壓空氣被來(lái)自膨脹后的返流空氣和返流氣體冷卻到超臨界狀態(tài)。與此同時(shí)，冷的返流氣體被復(fù)熱。

2.1.4 冷量的制取:

由于絕熱損失、換熱器的復(fù)熱不足損失和冷箱中向外直接排放低溫流體，分餾塔所需的冷量是由空氣在高、低溫膨脹機(jī)中等熵膨脹和等溫節(jié)流效應(yīng)而獲得的。

2.1.5 液化

在起動(dòng)階段，加工空氣在中壓換熱器I、中壓換熱器II和過(guò)冷器中與返流冷氣流換熱而被部分液化。在正常運(yùn)行中，氮?dú)夂鸵貉醯臒峤粨Q是在冷凝蒸發(fā)器中進(jìn)行的，由于兩種流體壓力的不同，氮?dú)獗灰夯貉醣徽舭l(fā)，氮?dú)夂鸵貉醴謩e由下塔和上塔供給，這是保證上、下塔精餾過(guò)程的進(jìn)行所必需具備的條件。(注:起動(dòng)時(shí)，大部分氣體也是在主冷中被冷卻至液化溫度而被液化的)。

2.1.6 精餾

空氣中主要組份的物理特性如下表1.1和表1.2

?表 1.1

?

表1.2

空氣中99.04%是氧氣和氮?dú)猓?.932%是氬氣,它們基本不變。氫、二氧化碳和碳?xì)浠衔镆暤貐^(qū)和環(huán)境在一定范圍內(nèi)變化?？諝庵械乃羝侩S著飽和溫度和地理環(huán)境條件影響而變化較大。水蒸汽和二氧化碳具有和空氣大不相同的性質(zhì)，在大氣壓力下,水蒸汽達(dá)到0℃和二氧化碳達(dá)到-79℃時(shí),就分別變成冰和干冰,就會(huì)阻塞板式換熱器的通道和篩板上的小孔。因此這些組份必須在空氣進(jìn)冷箱前除去?？諝庵械奈ｋU(xiǎn)雜質(zhì)是碳?xì)浠衔?，特別是乙炔。在精餾過(guò)程中如乙炔在液空和液氧中濃縮到一定程度就有發(fā)生爆炸的可能，因此乙炔在液氧中含量規(guī)定不得超過(guò)0.1PPm，這必須予以充分的注意。稀有氣體中的不凝性氣體如氖氦氣，由于其冷凝溫度很低，總以氣態(tài)集聚在冷凝蒸發(fā)器中，侵占了換熱面積，而影響換熱效果，因此也要經(jīng)常排放。

分離過(guò)程可獲得相當(dāng)產(chǎn)量的高純度產(chǎn)品。空氣的精餾是在氧—氮混合物的氣相與液相接觸之間的熱質(zhì)交換過(guò)程中進(jìn)行的，氣體自下而上流動(dòng)，而液體自上而下流動(dòng), 該過(guò)程由篩板(填料)來(lái)完成。由于氧、氮組份沸點(diǎn)的不同，氮比氧易蒸發(fā)，氧比氮易冷凝，氣體逐(段)板通過(guò)時(shí)，氮濃度不斷增加，只要有足夠多的塔板(填料)，在下塔頂部可獲得高純的液氮，反之液體逐板(段)通過(guò)時(shí),氧濃度不斷增加，在下塔底部可獲得富氧液空，在上塔底部可獲得高純度液氧。

上升氣體和下流液體在塔板(填料)上的熱質(zhì)交換過(guò)程可從圖1.1中理解：進(jìn)入某一段塔板(填料)上的上升氣體在A(yíng)點(diǎn)的溫度T2比在相同成份下的液體的B點(diǎn)的溫度T1高，隨后的平衡將發(fā)生在T1與T2間垂直線(xiàn)上的C點(diǎn)(溫度T3)，但在T3溫度下，只有具有比B點(diǎn)氧濃度更高的液體E點(diǎn)和比A點(diǎn)氧濃度更低的氣體D點(diǎn)才能平衡，這樣氧組份在下流液體中聚集，而氮組份在上升氣體中富集，通過(guò)足夠多塔板(填料)的分離，最后可得液體為純氧，氣體為純氮。

在下塔中空氣被初次分離成富氧液空和氮?dú)?，液空由下塔底部抽出后?jīng)節(jié)流送入和液空組份相近的上塔某段上，一部分液氮由下塔頂部抽出后經(jīng)節(jié)流送入上塔頂部，液空和液氮在節(jié)流前一般先在過(guò)冷器中過(guò)冷?？諝獾淖罱K分離是在上塔進(jìn)行。產(chǎn)品液氧是由上塔底部抽出，同時(shí)，另一部分液氧經(jīng)液氧泵壓縮送入換熱器汽化后,以產(chǎn)品高壓氧氣輸出，氮?dú)庥缮纤敳砍槌?。而產(chǎn)品液氮由下塔頂部抽出，并通過(guò)過(guò)冷器過(guò)冷后送出。

低溫全精餾制氬(無(wú)氫制氬)的所有設(shè)備均置于空分設(shè)備的保冷箱內(nèi)，粗氬塔Ⅰ、粗氬塔Ⅱ(因粗氬塔太高故分成兩段)、純氬塔均為填料塔。在粗氬塔Ⅰ內(nèi)，氣態(tài)氬餾份沿填料盤(pán)上升，由于氧的沸點(diǎn)比氬高，故高沸點(diǎn)組分氧被大量地洗滌下來(lái)，形成回流液返回上塔。粗氬塔Ⅱ底部粗液氬返回粗氬塔I上部作回流液。因此上升氣體中的低沸點(diǎn)組份(氬)含量不斷提高，最后在粗氬塔Ⅱ頂部得到含氧≤2PPM,含氬98～99%的粗氬氣，粗氬氣在粗氬冷凝器中被液空冷凝成粗液氬。

由于氮的沸點(diǎn)(-195.78℃)與氬的沸點(diǎn)(-185.7℃)相差較大，因此含氮量約為1～1.5%的粗液氬在純氬塔中得到進(jìn)一步分離，最后在純氬塔蒸發(fā)器底部得到99.999%Ar以上的純氬產(chǎn)品。

??? 2.1.7 危險(xiǎn)雜質(zhì)的排放:

空氣中的危險(xiǎn)雜質(zhì)是碳?xì)浠衔?，特別是乙炔。在精餾過(guò)程中如乙炔在液空和液氧中濃縮到一定程度就有發(fā)生爆炸的可能，因此乙炔在液氧中含量規(guī)定不得超過(guò)0.1PPm，這必須引起充分的注意。

在冷凝蒸發(fā)器中，由于液氧的不斷蒸發(fā)，將會(huì)有使碳?xì)浠衔餄饪s的危險(xiǎn)，但是只要從冷凝蒸發(fā)器中連續(xù)排放部分液氧就可防止?jié)饪s。

現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)為準(zhǔn)確

2.3.1 液氧和液氮的生產(chǎn)

原料空氣從空氣吸入塔入口吸入，經(jīng)自潔式空氣過(guò)濾器AF除去灰塵及其它機(jī)械雜質(zhì)，空氣經(jīng)過(guò)濾后在離心式空壓機(jī)（原料、循環(huán)一體機(jī)）TC中的原料段經(jīng)壓縮至0.51Mpa左右。經(jīng)空氣冷卻塔AC預(yù)冷，冷卻水分段進(jìn)入冷卻塔內(nèi)，下段為循環(huán)冷卻水，上段為經(jīng)水冷塔WC冷卻后的水，空氣自下而上穿過(guò)空氣冷卻塔，在冷卻的同時(shí)，又得到清洗?？諝饨?jīng)空氣冷卻塔冷卻后，溫度降至～21℃，然后進(jìn)入切換使用的分子篩純化器MS1201（或MS1202），空氣中的二氧化碳、碳水化合物及殘留的水蒸氣被吸附。分子篩純化器為兩只切換使用，其中一只工作時(shí)，另一只再生。純化器的切換周期約為240分鐘，定時(shí)自動(dòng)切換。

空氣經(jīng)凈化后，由于分子篩的吸附熱，溫度升至26℃～28℃。這股空氣與膨脹后通過(guò)中壓換熱器Ⅰ（E1）、中壓換熱器Ⅱ（E2）復(fù)熱的空氣混合，經(jīng)離心式空壓機(jī)TC中的循環(huán)段壓至2.75 Mpa，再分成兩股。其中一股經(jīng)高、低溫膨脹機(jī)的增壓機(jī)增至4.687 Mpa進(jìn)入冷箱，經(jīng)中壓換熱器Ⅰ冷卻至-173℃后，再次分成兩股。一股進(jìn)入低溫膨脹機(jī)膨脹后進(jìn)入下塔，另一股繼續(xù)在中壓換熱器Ⅱ中被返流氣體冷卻液化節(jié)流后進(jìn)入下塔。而另外一股壓力為2.75 Mpa的中壓空氣，經(jīng)中壓換熱器Ⅰ冷卻至-23℃，進(jìn)入高溫膨脹機(jī)膨脹，膨脹后的空氣與從下塔返抽經(jīng)中壓換熱器II的空氣在中壓換熱器I中匯合,再?gòu)?fù)熱后出冷箱，進(jìn)入離心式空壓機(jī)TC中的循環(huán)段作為循環(huán)空氣。

在下塔中，空氣被初步分離成氮和富氧液體空氣，頂部氣氮在主冷凝器K1中液化, 同時(shí)主冷的低壓側(cè)液氧被氣化。部分液氮作為下塔回流液，另一部分液氮從下塔頂部引出，經(jīng)過(guò)冷器E4被純氮?dú)夂臀鄣獨(dú)膺^(guò)冷并節(jié)流后送入上塔C2頂部。污液氮（含氧量為19.45% O₂）經(jīng)過(guò)冷器E4過(guò)冷后，再經(jīng)節(jié)流送入上塔C2上部。液空在過(guò)冷器E4中過(guò)冷后經(jīng)節(jié)流送入上塔C2中部作回流液。