空分工藝分析儀表應用

空分是運用空分設備把空氣中的各組份進行氣體分離的過程。

1、空分工業制法

空氣分離三種技術方法：吸附法、膜分離法及低溫法。  

①吸附法：利用分子篩對不同分子的選擇吸附性能來達到最終分離目的，該技術流程簡單，操作方便，運行成本低，但獲得高純度產品較為困難，而且裝置容量有限，所以該技術有其局限的應用范圍。 

②膜分離法：利用膜滲透技術，利用氧、氮通過膜的速率的不同，實現兩種組分的粗分離。這種方法裝置更為簡單，操作方便，投資小但產品只能達到28% --35%的富氧空氣，且規模只宜中小型化，只適用于富氧燃燒及醫療保健領域應用。  

③低溫法：利用空氣中各組分沸點的不同，通過一系列的工藝過程，將空氣液化，并通過精餾來達到不同組分分離的方法。這種方法較前兩種方法可實現空氣組分的全分離、產品精純化、裝置大型化、狀態雙元化（液態及氣態），故在生產裝置工業化方面占據主導地位。和傳統的分離相比，這些氣體的分離需在100K（-173.5攝氏度）以下的低溫環境下才能實現，所以稱之為低溫法（或深冷法）。目前工業應用最為廣泛的就是低溫空氣分離技術。

低溫空氣分離技術的原理：

原料空氣在空氣吸入過濾器中去除去灰塵和機械雜質后，進入空氣透平壓縮機中，借助中間冷卻器進行中間冷卻，將空氣壓縮至約0.62MPa(A)左右，然后進入空氣冷卻塔中冷卻?？諝庠谥苯咏佑|式空氣冷卻塔中與水進行熱質交換，降溫至-10℃，然后進入交替使用的分子篩吸附器。出空冷塔空氣進入分子篩吸附器，分子篩吸附器為立式雙床層，用來清除空氣中的水份、二氧化碳和一些碳氫化合物，從而獲得干凈而又干燥的空氣。兩臺吸附器交替使用，即一臺吸附器吸附雜質，另一臺吸附器則由污氮氣進行再生。 

凈化后的加工空氣分成兩路:一路被稱作膨脹空氣，首先經過一個精細過濾器濾去機械雜質，而后進入膨脹機增壓端增壓，增壓后的空氣首先在增壓機后冷卻器中被冷凍水冷卻，然后進入主換熱器中的膨脹氣通道，被相鄰通道中的返流氣冷卻后，再從主換熱器中部抽出，進入透平膨脹機中膨脹，膨脹后的空氣進入上塔中部參加精餾；另一路空氣直接進入主換熱器被冷卻至露點溫度進入下塔。已冷卻的空氣進入下塔參加精餾。進入下塔的空氣通過塔板上的篩孔使塔板上的液體蒸發，由于氧、氮、氬的沸點間的差異，使更多的氮氣從液體中蒸發出來，同時經過塔板的空氣中更多的氧組分被冷凝下來。最終在下塔底部獲得含氧38%的富氧液空，而在下塔頂部獲得純氮。下塔頂部的氮氣經過冷凝蒸發器，與來自上塔底部的液氧進行熱交換，液氧被蒸發，而氮氣被冷凝，一部分冷凝液氮再回到下塔作回流液，另一部分液氮，在過冷器中進行過冷，然后送入上塔頂部作為上塔的回流液。從下塔底部抽出富氧液空，在過冷器中過冷，其中一部分富氧液空提供給粗氬塔冷凝器作為冷源，另一部分送入上塔中部參加精餾。 

以不同狀態進入上塔的各物料：液空、液氮、來自粗氬塔冷凝器的液空蒸汽和膨脹空氣，通過上塔的進一步分離，在上塔底部獲得純度為99.6%的液氧，可使用液氧泵提高壓力后，經主換熱器復熱至12℃后出冷箱轉換為不同壓力的氧氣產品送出。 

從上塔的上部抽出污氮氣，經過冷器、主換熱器復熱后部分去純化系統作再生氣，另一部分去水氮塔。從上塔頂部抽出的氮氣，經過冷器、主換熱器復熱后分成兩股，一股作為產品氮氣并入管網，另一部分送入預冷系統的水氮塔。 

從上塔的中部抽取一定量的氬餾份送入氬塔，氬塔在結構上分為兩段，兩段之間由液氬泵連接，第二氬塔底部的回流液經液氬泵送入第一氬塔頂部作為回流液，經過氬塔精餾，在塔上部獲含氮量極低的氬氣，并更換冷源進行進一步精餾，除去氬氣中的殘余氧同時進行液化得到液體純氬，分析合格后送入液氬貯存系統。

2、空分工藝流程

目前我國生產的空分設備的形式、種類繁多。有生產氣態氧、氮的裝置，也有生產液態氧、氮的裝置。但就基本流程而言，主要有四種，即高壓、中壓、高低壓和全低壓流程。

（1）工藝流程

①雜質的凈化系統

主要是通過空氣過濾器和分子篩吸收器等裝置，凈化空氣中混有的機械雜質、水分、二氧化碳、乙炔等。  

②空氣冷卻和液化系統  

主要由空氣壓縮機、熱交換器、膨脹機和空氣節流閥等組成，起到使空氣深度冷凍的作用。  

③空氣精餾系統  

主要部件為精餾塔（上塔、下塔）、冷凝蒸發器、過冷器、液空和液氮節流閥。起到將空氣中各種組分分離的作用。  

④加溫吹除系統   

用加溫吹除的方法使凈化系統再生。  

⑤儀表控制系統   

空分工藝框架圖

3、空分工藝檢測點、測量組份及量程

檢測點分析儀表具體分析

（1）出分子篩空氣中的CO?分析

在空分設備的生產中, 空氣是制取O? , N? , Ar 的原料?？諝庵写蠹s有0. 03% 的CO?。由于CO?在低溫下會凝結為固體, 引起管路堵塞影響操作, 必須除去, 故分子篩器出口設置CO? 分析儀, 控制其含量在1×10- 6V/V 以下。一般可選用我公司Vaisaia。

（2）微量水分析

污氮中微量水分析

分子篩吸附劑吸附水分和CO?達到一定程度后,必須用加溫后的污氮氣進行再生。對于蒸汽加溫,水的泄漏會嚴重影響分子篩的再生,故在蒸汽加熱器的污氮出口設置微量水分析儀器,監視蒸汽加熱器是否泄漏。一般選用電容式微量水分析儀?？蛇x用我司的產品DCFX5000A5。

（3）污氮中氧分析

污氮是空分裝置大量排放的氣體,其中氧含量高低不但體現了空分裝置氧提取率,同時也是空分裝置操作好壞的重要指標。污氮中含氧一般控制在1%以下。一般設置分析點如下: 上塔污氮純度O?約1%；出冷箱污氮純度O?約1%；采用燃料電池式氧分析儀?？蛇x用我司的DCFX5000A1。

（4）產品氧純度分析

出冷箱的產品氧一般要求純度≥99.6% O? , 因為純度很高, 若選用0～100% O? 量程顯然不合理,一般選用零點抑制型,由于易受大氣壓力變化的影響,需要壓力補償。一般采用磁壓式或磁熱式?？蛇x用我公司產品DCFX5000A1。

（5）產品氮氣中含微量氧分析

產品氮純度一般要求≥99. 999% N?。由于不容易直接分析如此高純度的N?,所以分析其雜質含量來確定N?的純度。產品N? 中的雜質主要是O?、H?O、微量的H?和烴類等, 在線分析一般只分析O?雜質, 減去O?的含量, 即認為是N?純度, 產品氧控制在< 10×10- 6 O?。除了分析產品N?氣中的微量O?外, 有時工藝需要分析下塔純液N?中微量O?。采用燃料電池式或氧化鋯式。我公司產品是DCFX5000A1。

（6）氬餾分中氬分析

氬餾分是制造粗氬的原料氣, 掌握氬餾分的成分組成, 對調整粗氬塔的正常工作, 指導氬塔和主塔的操作十分重要。氬餾分由Ar, O?和N?三種氣體組成。氬餾分中的氬并不是含量越高越好, 在氬餾分中氬含量增高的同時, 氮含量也會提高; 而氮含量的增高會破壞氬塔的正常工作, 嚴重時會引起氮塞, 所以必須控制好其成分組成。根據工藝計算, 氬餾分的最佳組成是Ar: 9%～10%; O?:約90%；N?< 100×10- 6V/V。氬、氧、氮的相對導熱系數分別為0.685、1.015、0. 998。氧和氮的相對導熱系數非常接近,并且氮的含量很小, 可以忽略。所以從分析原理上也可把氬餾分看作是( Ar + O? ) 的二組分氣體。而氬和氧的相對導熱系數有較大的差別。熱導式氣體分析儀不受大氣壓力變化的影響, 所以分析氬餾分中氬的含量, 可采取熱導式原理的氬分析器。我公司產品是DCFX5000-AR。

（7）粗氬塔出口粗氬中微量O?分析

粗氬塔出口的氣體成分組成是: Ar≥98.5%, N?≤1.5%, 產品氬含氧量是重要的工藝控制指標, 一般控制在O?≤2×10- 6V/V。采用燃料電池式或氧化鋯式分析儀?？蛇x用我公司產品DCFX5000A1。

（8）精氬中微量氧、微量氮分析

高純氬( Ar ≥99. 999% )中的雜質主要有O?, N?,H? , CnHm, H?O 等,其中H?,CnHm,H?O 工藝本身決定了它們的含量極低,且非常穩定,可以對產品抽檢,而不做在線分析；而O?, N? 的含量則與工藝操作關系很大,必須在線分析監控。高純氬中的O? , N?一般控制在2×10- 6V/V 以下。氬中微量氧分析采用燃料電池式分析儀, 氬中微量氮分析采用電感耦合等離子激發光譜原理分析儀?？蛇x用我司產品DCFX5000A1。

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