空氣低溫分離技術(shù)發(fā)展的

1、空氣低溫分離技術(shù)發(fā)展的歷程內(nèi)容摘要：自人們發(fā)現(xiàn)空氣以來(lái)，通過(guò)人們的努力探討和科學(xué)實(shí)踐已達(dá)到最新的現(xiàn)代技術(shù)，現(xiàn)將主要?dú)v程作一回顧，展示現(xiàn)代空分技術(shù)的核心，為今后發(fā)展再努力。關(guān)鍵詞：空氣成分、制冷、液化、精餾，中國(guó)空分發(fā)展，現(xiàn)代空分核心技術(shù)。一、空氣成分的發(fā)現(xiàn)1、1756 年我國(guó)唐朝煉丹家馬和最早提出空氣主要有“陽(yáng)氣”（氧氣）組成。1769 年瑞士科學(xué)家杜勒稱它為“火空氣”。1779 年法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫建議命名為“氧”。2、1772 年，英國(guó)天科學(xué)家拉瑟福特發(fā)現(xiàn)氮。3、1868 年，英國(guó)天文學(xué)家洛克耶在允測(cè)日全食黃色譜線時(shí)發(fā)現(xiàn)氮。4、1894 年，英國(guó)物理學(xué)家萊列和英國(guó)化學(xué)家拉姆塞發(fā)現(xiàn)氬。5、18

2、98 年，英國(guó)化學(xué)家拉姆塞發(fā)現(xiàn)氖、氪、氙氣。二、制冷和氣體液化1、1823 年，英國(guó)科學(xué)家法拉弟用加壓和冷卻的方法得到液氯、液氨、液態(tài)二氧化碳等，成為世界上第一個(gè)沖破低溫禁區(qū)的人。2、1852 年，英國(guó)科學(xué)家焦耳和湯姆遜在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)氣體節(jié)流后溫度降低，產(chǎn)生了著名的“焦耳湯姆遜效應(yīng)，奠定了氣體液化的重要基礎(chǔ)，人們稱之謂低溫技術(shù)發(fā)展的第一個(gè)里程碑。3、1877 年，法國(guó)凱利代特和瑞士皮克代特用壓縮與預(yù)冷單級(jí)絕熱膨脹液化了氧。4、1880 年，德國(guó)卡爾·林德博士開(kāi)發(fā)了世界第一套林德技術(shù)的制冷裝置。5、1885 年，波蘭羅勃萊金和奧斯捷爾斯基液化了空氣和氮?dú)狻?、1895 年，德國(guó)卡爾&

3、#183;林德博士利用“焦耳”湯姆遜效應(yīng)制成世界上第一臺(tái)3t/d 空氣液化裝置，建立了“林德節(jié)流液化循環(huán)”。7、1920 年，法國(guó)工程師克勞特發(fā)明了活塞式膨脹機(jī)，建立了“克勞特液化循環(huán)”改善了林德的高壓節(jié)流液化循環(huán)。人們稱之一謂低溫技術(shù)發(fā)展的第二個(gè)里程碑，并建立了“法國(guó)液化空氣公司。8、1928 年，德國(guó)工程師法蘭克爾發(fā)明了蓄冷器，并在中型制氧機(jī)中應(yīng)用為大規(guī)模氣體液化和分離打下基礎(chǔ)。9、1939 年，前蘇聯(lián)科學(xué)家卡皮查發(fā)明高效率徑向流向心反擊式透平膨脹機(jī)是近代各國(guó)膨脹機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是卡皮查低壓液化循環(huán)“空分設(shè)備”發(fā)展的基礎(chǔ)，人們稱之謂低溫技術(shù)發(fā)展的第三個(gè)里程碑。三、深冷法空氣分離的發(fā)展歷程1

4、、1902 年，德國(guó)卡爾·林德博士采用“高壓節(jié)流循環(huán)”設(shè)計(jì)制造世界上第一臺(tái)10m3/h 單級(jí)精餾的制氧機(jī)，1903 年試制成功，開(kāi)辟了低溫精餾空氣，工業(yè)制取氧氣的工藝流程。1905 年設(shè)計(jì)試制成功320m3/h 雙級(jí)精餾的制氧機(jī)。2、1910 年，法國(guó)液化空氣公司設(shè)計(jì)制造成功世界第一臺(tái)采用“克勞特液化循環(huán)”的中壓帶活塞式膨脹機(jī)50m3/h 制氧機(jī)。3、1914 年，林德公司發(fā)明了第一臺(tái)制氬裝置。4、1930 年，林德首創(chuàng)用凍結(jié)法清除空氣中的水分和二氧化碳。5、1932 年，前蘇聯(lián)拉赫曼提出將部分膨脹空氣直接送入上塔參與精餾，潛上塔潛力，人們將其稱之“拉赫曼原理”或“拉赫曼氣體”。6、

5、20 世紀(jì)40 年代，美國(guó)發(fā)明了切換式板翅式換熱器。7、1952 年法液空開(kāi)始用低溫液體槽車來(lái)替代氧氣瓶代氧給用戶。8、1960 年，法液空通過(guò)管道輸送氣體給用戶。9、1968 年，德國(guó)林德公司開(kāi)發(fā)了常溫下用分子篩吸附凈化空氣流程，改變可逆式流程，延長(zhǎng)板翅式換熱壽命。10、1976 年，日本神鋼3 萬(wàn)m3/h 空分設(shè)備上采用電子計(jì)算機(jī)控制。11、1978 年，林德公司開(kāi)發(fā)成功液氧泵內(nèi)壓縮流程。12、20 世紀(jì)70 年代末，蘇爾壽公司將規(guī)整填應(yīng)用于空分塔，替代了篩板塔。13、1980 年，林德公司開(kāi)發(fā)了分子篩凈化帶增壓透平膨脹機(jī)的空分流程。14、1990 年，林德公司制氬裝置采用規(guī)整填料塔，全精

6、餾制氬技術(shù)。15、2002 年林德公司向沙特阿拉伯提供一套世界上是大的低溫氧、氮分離設(shè)備，3600t/d（即105000m3/hO2）空分裝置。16、目前已投運(yùn)的最大空分設(shè)備是法液空生產(chǎn)裝于南非的3550t/d·O2（相當(dāng)于10.35 萬(wàn)m3/h·O2）的空分設(shè)備。17、世界上目前投運(yùn)的最大制習(xí)站是南非一油一煤一氣公司，有15 臺(tái)2300m3/h·O2以上法液空生產(chǎn)的空分設(shè)備，生產(chǎn)能力100 萬(wàn)m3/h·O2。18、世界上目前投運(yùn)的最大制氮站墨西哥坎塔雷爾，產(chǎn)量達(dá)134 萬(wàn)m3/h·O2。四、中國(guó)空分行業(yè)的發(fā)展歷程1、解放初期全國(guó)只有進(jìn)口的20

7、200m3/h 空分設(shè)備89 套，總?cè)萘?415m3/h。2、1953 年，哈爾濱試制30m3/h 制氧機(jī)。3、1956 年，杭氧試制成功12L/h 液氧設(shè)備和30m3/h 空分設(shè)備4、1958 年，杭氧試制成功3350m3/h 空分設(shè)備。（第一代用鋁制填料蓄冷器）5、1959 年，杭氧研制成功第一臺(tái)31L/h 氧液化設(shè)備。7、1966 年，杭氧研制成功鋁釬焊板翅式換熱器。8、1968 年，杭氧試制成功6000m3/h 低溫循環(huán)空分設(shè)備。（第二代頭蓄冷器）9、1971 年，杭氧研制成功第一套切換式板翅式蓄冷器全低壓凍結(jié)流程（第3 代）的1 萬(wàn)m3/h 空分設(shè)備在鞍鋼投入運(yùn)行。10、1979 年

8、，杭氧將生產(chǎn)板翅式換熱器翅片技術(shù)轉(zhuǎn)讓給林德公司。這是我國(guó)第一次向西方發(fā)達(dá)國(guó)家輸出技術(shù)。11、1979 年，西安交與江西制氧機(jī)廠聯(lián)合研制成功氣體軸承透平膨脹機(jī)。12、1982 年，林德公司和杭氧合作生產(chǎn)1 萬(wàn)m3/h 空分設(shè)備。杭氧研制成功我國(guó)第一套分子篩凈化流程的6000m3/h 空分設(shè)備（第4 代）在上海石化二廠投產(chǎn)。13、1983 年，林德公司向鎮(zhèn)海煉廠提供2。8m3/h 空分設(shè)備。14、1985 年，林德公司向轉(zhuǎn)讓10000m3/h 等級(jí)的空分設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)，包括制氬技術(shù)。15、1988 年，杭氧自主開(kāi)發(fā)成功我國(guó)第一套帶增壓膨脹機(jī)的常溫分子篩凈化流程的6000m3/h 空分設(shè)備（第五代）在

9、吉林化肥廠一次一車成功。16、1989 年，杭氧向美國(guó)購(gòu)買了大型真空釬接設(shè)備生產(chǎn)線。17、1990 年，美國(guó)空氣制品公司和開(kāi)封空分設(shè)備廠合作生產(chǎn)3 萬(wàn)m3/h 和3。5m3/h 空分設(shè)備。18、1993 年，杭氧在河南舞陽(yáng)鋼廠1500m3/h 空分改造中應(yīng)用規(guī)整填料于精氬塔中獲得成功。19、1994 年，杭氧和法液空組建合資公司。20、1995 年，法液空為陜西謂河化肥廠建造4 萬(wàn)m3/h 空分設(shè)備。21、1995 年，美國(guó)普萊克斯公司與四川空分設(shè)備廠聯(lián)合設(shè)計(jì)制造空分設(shè)備。22、1998 年，杭氧自主開(kāi)發(fā)的我國(guó)第一批規(guī)整填料塔和全精餾制氬的空分設(shè)備（第6 代）在巨化6 千/h 邢鋼6 千/h、

10、上鋼五廠1。2 萬(wàn)/h 空分設(shè)備開(kāi)車成功。23、2000 年，我國(guó)第一臺(tái)2 萬(wàn)m3/h 空分設(shè)備杭氧與濟(jì)鋼簽約2002 年投產(chǎn)。24、2002 年，我國(guó)第一臺(tái)3 萬(wàn)m3/h 空分設(shè)備在寶鋼考核完成。目前為止是在國(guó)內(nèi)運(yùn)行最大的國(guó)產(chǎn)空分設(shè)備。25、2002 年，開(kāi)封空分設(shè)備公司與德州恒升化工集團(tuán)簽訂國(guó)產(chǎn)第一臺(tái)4 萬(wàn)m3/h 空分液氧內(nèi)增壓到8.5MPa 的合同。26、2003 年，杭氧與遼寧北臺(tái)鋼鐵集團(tuán)簽訂了第一套5 萬(wàn)m3/h 空分設(shè)備，為目前為止國(guó)產(chǎn)在生產(chǎn)的最大的空分設(shè)備。27、國(guó)內(nèi)目前運(yùn)行最大的空分設(shè)備是美國(guó)空氣產(chǎn)品公司（APCI）提供寶鋼的7.2m3/h 空分設(shè)備。五、現(xiàn)代空分設(shè)備（第6

11、代）的核心技術(shù)現(xiàn)代空分設(shè)備的核心技術(shù)是體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1、采用規(guī)整填料塔，現(xiàn)整填料塔與篩板塔相比具有以下的優(yōu)點(diǎn): 填料塔阻力小，采用填料塔上塔阻力只有篩板塔的1/41/6，填料塔比篩板塔的阻力降低0。02MPa，其軸功率可降5%7%。這主要填料塔填料表面的液膜連續(xù)熱質(zhì)交換，阻力小。 分離效率高：O2、Ar、N2分離是利用沸點(diǎn)差進(jìn)行的，沸點(diǎn)差隨壓力降低而增大。填料塔操作壓力下降15%20%的條件下氧的提取率可以增加13%，氬提取率提高510%。 操作彈性大，變工況迅速：篩板塔負(fù)荷變動(dòng)一般在70105%，而填料塔可達(dá)40%120%。塔板上要有液層，而填料上只有液膜。 塔徑可縮小，只有篩板塔60

12、%左右，對(duì)大型空分運(yùn)輸創(chuàng)造了條件。2、無(wú)氫制氬，即全精餾制氬。傳統(tǒng)的空分制氬工藝流程是：從上塔抽取氬餾份，在粗氬塔中進(jìn)行精餾，獲得粗氬；粗氬中的氧氣采用氫除氧，需要?dú)錃饣蛑茪湎到y(tǒng);除氧后需要干燥，要加干燥設(shè)備；為了克服管道阻力要增加增壓設(shè)備；通過(guò)除氧系統(tǒng)后獲得工業(yè)氬。二業(yè)氬經(jīng)冷卻液化送入去氮塔除氮，在去氮塔下冷凝蒸發(fā)順獲得液氬。全精餾制氬就是從上塔提取氬餾分進(jìn)入氬塔精餾，在塔底獲得液氬。在篩板塔實(shí)行全精餾制氬很難表現(xiàn)，由于氬與氧沸點(diǎn)差只有3，經(jīng)計(jì)算要180 塊理論分離級(jí)。規(guī)整填料塔的出現(xiàn)成為可能，相當(dāng)于40 塊塔板阻力可達(dá)180 塊理論塔板的效果。使含氧（12）×10-6·

13、O2。該項(xiàng)技術(shù)的核心是分布的設(shè)計(jì)；填料塔型式與性能的確定。全精的制氬與有氫制相比具有以下的優(yōu)點(diǎn)： 工藝流程簡(jiǎn)化。省去氫氣和氫氣生產(chǎn)設(shè)備，省去除氧系統(tǒng)，省去了很多設(shè)備。 能耗低。有氬制氬要用氬氣壓縮機(jī)，水電介氫設(shè)備，干燥加溫設(shè)備等要耗能，無(wú)氫制氬只有用液氬循環(huán)泵小量的電。 安全性提高，氫是可燃易爆性氧、氣體，一般氫氣耗量是粗氬產(chǎn)量的7。5%，省去氫氣省錢又安全。 節(jié)省場(chǎng)地的投資。 節(jié)省了操作人員。3、采用類環(huán)狀流（膜式）冷凝蒸發(fā)器。冷凝蒸發(fā)器是上下塔的紐帶，它的工作原理是周圍液氧溫度低于氣氮，使氣氮冷凝成液氮作下塔回流液，同時(shí)液氧蒸發(fā)作為上塔的上升蒸氣。是空分設(shè)備關(guān)鍵機(jī)之一。傳統(tǒng)的主冷是浸浴式，

14、主冷單元（板翅換熱器或管束）是被液氧所浸沒(méi)的，有一定的液氧液面高度，因此主冷的上、下壓力、溫度、液氧密度是不同的，液氧液面越高，這種差異就越大。由于主冷底部液氧密度小會(huì)產(chǎn)生上浮，形成液氧自循環(huán)，叫做熱虹吸效應(yīng)。循環(huán)量與蒸發(fā)量的比值叫主冷循環(huán)倍率，一般都大于10。若液氧面降低到一定程度，主冷上下壓力、溫度、液氧密度小到一定時(shí)候，自循環(huán)就會(huì)被破壞，形成“干蒸發(fā)”濃縮二氧化碳、氧化亞氮等堵塞氧通道，進(jìn)而造成“死端沸騰”威脅主冷安全。采取全浸式或保持一定液氧面是可以避免“干蒸發(fā)”和“死端沸騰”的，安全是有保證的。膜式主冷又稱類環(huán)狀流主冷，雙沸騰主冷或溢流或主冷。膜式主冷的液氧在頂部分配器溢流，靠自重自

15、上而下的流動(dòng)，在冷氧通道形液氧膜，受主冷氮通道加熱而汽化，氧氣蒸發(fā)，氮?dú)饫淠?。浴式與膜的根本區(qū)別在于有否液氧液面，由于膜式主冷不存在液氧液面，因而膜式主冷與浴式主冷相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： 傳熱溫差小。浴式主冷一般傳熱溫差為（1。11。3）K，而膜式主冷無(wú)液氧面可達(dá)（0。60。7）K，主冷溫差每降0。5K，下塔操作壓力約可降22Kpa，能耗可降2。46%，一套1 萬(wàn)m3/h 空分設(shè)備一年可省電90 萬(wàn)度。 傳熱效率高，在相同傳熱面積的情況下，其重量和體積可下降3040%，這對(duì)設(shè)備大型化創(chuàng)造了運(yùn)輸條件。 變工況適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)液氧液面高低的影響與敏感性下降。設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間和停車再啟動(dòng)大縮短。浴式主冷需2 小時(shí)，而膜式僅需20 分鐘。 投資省，由于傳熱效率高，板翅式單元可縮小，成本下降。缺點(diǎn)是浴式主冷安全較可靠，而膜式主冷的安全性有爭(zhēng)議。通過(guò)科學(xué)工作者的近年研究，已提出確保膜式主冷安全的措施： 合理選用蒸發(fā)側(cè)翅片，具有翅片高度和翅片節(jié)