空气分离

从空气中分离出其组分的过程

空气分离，简称空分。是指应用低温冷冻原理从空气中分离出其组分（氧、氮和氩、氦等稀有气体）的过程。一般先将空气压缩，并冷至很低温度，或用膨胀方法使空气液化，再在精馏塔中进行分离。例如当液态空气沸腾时，比较容易挥发的氮（沸点一196℃）先气化，氧则后气化（沸点一183℃）。

简介

简称空分，利用空气中各组分物理性质不同（见表），采用深度冷冻、吸附、膜分离等方法从空气中分离出氧气、氮气，或同时提取氦气、氩气等稀有气体的过程。

空气分离最常用的方法是深度冷冻法。此方法可制得氧、氮与稀有气体,所得气体产品的纯度可达98.0%～99.9%。此外,还采用分子筛吸附法分离空气(见变压吸附),后者用于制取含氧70%～80%的富氧空气。近年来，有些国家还开发了固体膜分离空气的技术。氧气、氮气及氩气、氦气等稀有气体用途很广，所以空气分离装置广泛用于冶金、化工、石油、机械、采矿、食品、军事等工业部门。

沿革

1895年，德国人C.林德研究成功了一次节流循环液化空气的方法，这是最简单的深度冷冻循环。它采用节流膨胀和逆流换热，称为林德循环。1902年，德国林德公司制成了第一套林德循环单级精馏工业装置。同年，法国人G.克劳德研究成功了带往复式膨胀机的中压冷冻循环液化空气的方法，可减少冷冻消耗，称为克劳德循环。1939年，苏联人∏.Л.卡皮查将离心式膨胀机用于低压空分装置,称为卡皮查循环,使能耗进一步下降。目前，各国都趋向发展大型化板翅式换热器的全低压空分装置，使单机制氧能力不断提高，能耗不断降低。中国于1953年开始制造每小时生产30m3的制氧装置，1958年制造了每小时生产3350m3的制氧成套设备，1970年设计了板翅式换热器的大型全低压空分装置，每小时制氧能力为10000m3。深度冷冻法　分为两步，先行制冷，再加之精馏即可得到不同的气体产品。

制冷

为了使空气液化，可采用不同的深度冷冻循环装置，主要以林德循环和克劳德循环为基础。前者是通过节流膨胀制冷;后者除仍有节流膨胀外,还有一部分气体在膨胀机中作等熵膨胀。气体进行等熵膨胀时，温度的降低要比节流膨胀大,而且能回收一部分压缩功,所以比节流膨胀经济。其他各种改进的深度冷冻循环，有双压节流循环、带氨预冷节流循环、逐级重叠循环等。

在深度冷冻法的各种循环中，典型的流程（见图）是先使空气在过滤器中滤去尘埃等杂质进入压缩机，再经分子筛净化器除去空气中在低温下易凝固气体，如水蒸气和二氧化碳等，已净化的空气在第一换热器中由产品氮气和氧气降温。出第一换热器后，空气分成两路：一路经第二换热器继续冷却后，再经节流阀降压；另一路经膨胀机降压。两路膨胀后的空气温度均降至103K左右，进入双级精馏塔的下塔底部。

精馏

在深度冷冻法中，主要的分离过程是在双级精馏塔中进行的。该塔由上、下两塔和塔间的冷凝蒸发器组成。进入下塔底部的空气在该处的温度和压力条件下,已部分液化。由于液氮沸点比液氧沸点低,因而下塔底部的液化气体是富氧液态空气，含氧量一般为30%～40%。下塔操作压力应高于上塔才能使下塔顶部氮的冷凝温度高于上塔底部液态氧的沸腾温度(见p－V－T关系)。从而使冷凝蒸发器内热量由管内传向管间，并具有一定的传热温差。冷凝蒸发器同时起到了下塔塔顶冷凝和上塔塔底加热的作用。空气在下塔由下而上经过多层塔板精馏，使易挥发组分氮的浓度逐渐提高，并在冷凝蒸发器管内冷凝成液氮。一部分液氮在下塔作回流液；一部分收集于液氮槽，经减压后作为上塔塔顶回流液。下塔底部的富氧液态空气,经节流阀进入上塔中部,与冷凝蒸发器蒸发出来的气体逆流接触。由此使下流液体中的含氧量由上至下不断增加,最后积聚在冷凝蒸发器管间,含氧量可达99%以上，并不断在此蒸发出产品氧而引出塔外。上塔塔顶引出的则是产品氮，浓度亦可达98%以上。出精馏塔的产品氧和产品氮的温度都很低，可通过换热器使输入空气降温。

由于氩的沸点介于氮、氧沸点之间，利用双级精馏塔还不能同时得到纯氮和纯氧。若在上塔中部适当部位抽出富氩气体作为提氩原料，则产品氮、氧的浓度可提高。沸点较低的氖和氦气积聚在液氮上面，可抽出作为提氖、氦的原料。沸点比较高的氪、氙则积累在上塔底部液态氧和气体氧中，可抽出作为提氪、氙的原料。

分子筛吸附法　基于分子筛对氮和氧的不同吸附力，空气通过分子筛床层后，吸附相和气相中的组成将发生变化从而达到分离的目的，由于吸附相含氮量较高，故流出气体中含氧量较高。吸附柱足够长时，可制得一定纯度的氧气，分子筛可采用减压脱附的方法再生。

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