空分装置

空分装置就是用来把空气中的各组分气体分离，分别生产空气组分的氧气、氮气，氩气等等气体的一套工业设备装置。

最常用的空气分离方法是低温精馏法分离。低温分离方法通过压缩循环深度冷冻的方法把空气变成液态，经过低温精馏根据不同沸点而从液态空气中逐步分离生产出氧气、氮气及氩气等惰性气体的设备，广泛应用于传统的冶金、新型煤化工、大型氮肥、专业气体供应等领域。

其它空气分离方法，如膜分离法、变压吸附法(PSA)和真空变压吸附法(VPSA)等，主要是应用于从空气中分离单一组分。而用于半导体器件制造的高纯氧、氮和氩需要低温精馏法。同样，稀有气体氖、氪和氙的可行来源是也使用低温精馏法。

因此低温精馏法是最重要的空气分离方法。

低温精馏法

低温精馏法方法是先将空气冷却至液化，然后在不同的沸腾温度下选择性地蒸馏成分。该工艺可以生产高纯度气体，能耗高。低温分离过程要求热交换器和分离塔紧密结合，以获得良好的效率，所有制冷能量都由装置入口的空气压缩机提供。

为了达到较低的精馏温度，空分设备需要利用节流装置获得制冷量即等温节流效应(林德液化循环)， 或利用膨胀机获取大的等熵膨胀制冷量(克劳特液化循环)，将空气液化，并且冷设备必须保持在一个绝缘的外壳内(通常称为“冷箱”)。

其它空气分离方法

膜技术可以为空气分离提供替代的、低能耗的方法。例如，在环境或温暖温度下操作的聚合膜可以产生富氧空气(25-50%氧气)。陶瓷膜可以提供高纯度的氧气(90%或更多)，但需要更高的温度(800-900℃)才能工作。这些陶瓷膜包括离子传输膜(ITM)和氧传输膜(OTM)。膜气体分离是用来提供贫氧和富氮气体，而不是空气，以填补燃料箱的喷气式客机，从而大大减少了意外火灾和爆炸的机会。相反，膜气体分离被用来为飞行员提供富氧空气在高空飞行的飞机上没有加压舱。

变压吸附提供从空气中分离氧或氮而不液化。该工艺在环境温度下运行;沸石(分子海绵)暴露于高压空气中，然后释放空气并释放所需气体的吸附膜。压缩机的尺寸比液化装置小得多，便携式制氧机就是这样制造的，为医疗目的提供富氧空气。真空变幅吸附也是一个类似的过程;产品气体是在亚大气压下从沸石中析出的。

一、空分装置特点

分离原理：空分装置基于不同气体的物理性质和化学性质的差异，通过特定的技术实现分离。最常用的空气分离方法是低温精馏法，它利用空气中各组分沸点的不同，通过压缩循环深度冷冻的方法把空气变成液态，再经过低温精馏逐步分离出氧气、氮气及氩气等惰性气体。此外，还有膜分离法、变压吸附法(PSA)和真空变压吸附法(VPSA)等，但这些方法主要适用于从空气中分离单一组分。

系统复杂：空分装置由多个系统组成，包括压缩系统、预冷系统、纯化系统、换热系统、精馏系统和产品送出系统等。每个系统都有其特定的功能和设备，共同协作完成空气的分离和纯化过程。

能耗较高：由于空分装置需要通过压缩、冷却和精馏等多个步骤才能实现空气的分离，因此其能耗相对较高。然而，随着技术的不断进步，现代空分装置已经采用了多种节能措施，如优化工艺流程、提高设备效率等，以降低能耗并提高生产效率。

二、空分装置用途

工业生产：空分装置在工业生产中有着广泛的应用，如冶金、煤化工、氮肥生产、专业气体供应等领域。这些行业需要大量的氧气、氮气和氩气等气体作为原料或辅助材料，空分装置正是提供这些气体的关键设备。

科学研究：在科学研究领域，空分装置可用于制造高纯度电子气体、半导体材料等，以支持电子工业的发展。同时，这些气体还被广泛应用于实验室研究、物理学研究、化学合成等领域。

医疗领域：氧气是一种重要的治疗性气体，在医疗领域有着广泛的应用。空分装置可以为医疗机构提供大量的医用氧气，满足急救、手术、氧疗等需求。此外，氮气也被用于医疗领域，如作为麻醉剂或用于冷冻治疗等。

环保领域：空分装置还可以将二氧化碳等有害气体分离出来，从而减少对环境的污染。这对于推动可持续发展和应对气候变化具有重要意义。

一、空分装置维修保养的内容

1、清洁

空分装置在运行过程中会产生大量的灰尘和杂质，这些物质会附着在设备表面和内部零部件上，影响设备的散热效果和运行效率。因此，定期对设备进行清洁是非常必要的。

清洁过程中应使用专业的清洁剂和工具，避免对设备造成损伤。

2、检查

检查是发现设备潜在问题的重要手段。通过对设备的外观、声音、振动等方面进行检查，可以及时发现设备的异常情况。

还应定期对设备的内部零部件进行检查，如轴承、密封件等易损件的磨损情况，以及电气元件的接线是否牢固等。

对于发现的问题应及时进行修复或更换零部件。

3、润滑

良好的润滑能够减少设备内部的摩擦和磨损，延长设备的使用寿命。

在润滑过程中，应根据设备的使用情况和制造商的建议选择合适的润滑油或脂，并按照规定的时间间隔进行添加或更换。

同时，还应注意保持润滑油的清洁和干燥，避免杂质和水分的混入。

4、更换滤芯

滤芯是空分设备的重要组成部分，定期更换滤芯会帮助防止污垢、水和杂质进入设备，从而保证设备正常运行。

二、空分装置维修保养的注意事项

1、制定详细的维修保养计划

根据设备的使用情况和制造商的建议，制定详细的维修保养计划，并严格执行。

2、采用专业的工具和材料进行维修保养作业

使用专业的工具和材料可以确保维修保养的质量和效率。

3、遵循制造商的建议和指导进行操作

在维修保养过程中，应遵循制造商的建议和指导进行操作，避免误操作导致设备损坏或安全事故。

4、做好维修保养记录

每次维修保养后，应做好记录，以便跟踪设备的运行状态和维护历史。

三、空分装置维修保养的常见故障及处理方法

1、设备停机

如果空分装置长期停机，可能是因为系统压力下降。此时应检查压缩机和气缸是否正常运行，并检查空过滤器是否需要维护或更换。

2、系统噪音增加

如果空分装置运行过程中发出异常噪音，可能是因为气缸和控制器等配件出现问题。此时应及时检查和更换配件。

3、低气压

如果空分装置提供的气压低于要求值，可能是因为压缩机出现故障或气缸损坏。此时应检查并维修相应部件。

四、空分装置维修保养的周期性

空分装置的维修保养通常分为日常保养、一级保养、二级保养和三级保养。

1、日常保养

主要包括设备的日常点检、清扫、加油、消耗品的更换及简易零件的修理。

2、一级保养

完成日常保养的全部内容，并检查各部位的运行状况，紧固松动部位，清洗油路管线、滤油器等。

3、二级保养

完成一级保养的全部内容，并检查设备的动态技术状况与主要运行指标，调整安装水平，更换或修复零部件等。

4、三级保养

由专业机构或生产厂商进行性能恢复检查或保养修理。

1、空气的过滤和压缩

空气首先通过自洁式空气过滤器，除去灰尘及其它机械杂质。

过滤后的空气进入离心式空压机，经压缩后进入空气冷却塔进行初步冷却。

2、空气的预冷和纯化

冷却后的空气进入分子筛纯化器，通过吸附作用去除空气中的二氧化碳、碳氢化合物和水分等杂质。

分子筛纯化器通常有两只切换使用，一只工作时，另一只进行再生纯化，切换周期约为4小时。

3、空气的换热

纯化后的空气分为两股，一股进入板式换热器与返流的气体进行换热，以降低温度并回收冷量。

另一股空气进入增压透平膨胀机进行增压和膨胀，进一步降低温度并产生冷量。

4、空气的液化和精馏

经过换热的空气进入下塔进行初步精馏，获得液空和液氮。

液空和液氮经过冷器过冷后节流进入上塔，在上塔中进一步精馏，最终在上塔底部获得液氧，上部获得纯氮气和污氮气。

5、产品的送出和储存

从主冷凝蒸发器抽取液氧送入液氧贮存系统。

从下塔顶部获得纯液氮，送入液氮贮存系统。

用户从上塔顶部抽取低压纯氮气，经过冷器回收冷量并经板式换热器复热后送入用户管网。

一、操作人员要求

培训与资质：空分装置操作人员应接受全面的安全技术和操作技能教育培训，并经过严格考核，合格后持证上岗。操作人员应熟悉并严格遵守本岗位的操作规程。

个人防护：在操作空分装置时，操作人员必须穿戴符合要求的个人防护装备，如安全帽、工作服、手套、防护眼镜等，以防止意外伤害。

二、空气吸入口安全

风向标设置：空分装置应在空气吸入口附近设置风向标，以监视风向变化带来的空气质量变化。

空气分析：每周至少应对吸入口空气进行一次分析，周围空气质量发生变化时，应随时进行分析。当吸气条件超标时，应及时查清原因并采取措施。

应急联系：加强与周围装置的联系，当出现大量碳氢化合物排放或紧急放空时，应及时通报并立即采取防范应急措施。

三、防止碳氢化合物积聚

分子筛吸附：确保装入的分子筛质量可靠，空气温度控制准确，分子筛再生彻底，再生切换周期按操作规程准时进行，特殊情况下应缩短切换周期。

液面与工况控制：分离装置液面和工况应保持稳定，禁止大幅度波动。分子筛流程的主冷凝蒸发器应采取全浸式操作，以减少乙炔等碳氢化合物在换热翅片等部位的积聚。

液氧排放：保持主冷凝蒸发器液氧的连续排放，不能连续排放时要求每班排液氧一次，排放量等于或大于1%的气氧产量。当液氧中碳氢化合物超标时，应增加排放量，严重超标时应及时采取措施直至停车。

四、严格忌油和油脂

部件清洗：所有与氧接触的部件和零件应进行脱脂法清洗，确保绝对无油和油脂。

机组密封：空压机、膨胀机等机组密封应完好、不漏油，空气冷却塔的冷却水应严防带油，宜单独使用循环水。

五、在线监测与分析

在线监测：1000m³/h及以上的大中型空分设备必须安装在线气相色谱分析仪，连续监测液氧中的总烃及碳氢化合物单组分的含量。液氧系统的在线监测色谱分析仪应完好投用，并确保分析准确。

定期分析：大中型空分设备应采用浓缩气相色谱法分析液氧中乙炔及其他碳氢化合物的含量，每天至少分析一次，遇有特殊情况增加分析次数。1000m³/h以下的小型空分设备及纯氮空分设备采用比色法或浓缩气相色谱法分析液氧中乙炔及总烃含量，同样每天至少分析一次，遇有特殊情况增加分析次数。

六、排放液氧安全

排放位置：液氧应排入氧蒸发器，不得在室内排放。

排放速度：严格控制液氧排放速度，避免发生燃烧爆炸事故。

劳动保护：液氧分析采样和处理液态气体时，应做好劳动保护，防止液态气体冻伤。

七、用火安全管理

用火规定：空分装置用火属一级动火，应按《用火作业安全管理规定》执行，严禁在泄漏氧气的设备周围动火。

八、空分装置停车安全

停车次数：空分装置应减少开停车次数，短期停车应分析主冷凝蒸发器液氧中有害物质的含量，如超标或液位过低，应将流体排放干净。

应急处理：当发生净化系统堵塞、板式换热器或精馏塔阻力增大等不正常现象时，应及时安排系统冷吹或加热吹除。

检修安全：检修冷箱时，应对冷箱中氧含量进行分析，打开人孔自然升温，待氧含量下降后再扒珠光砂，并应注意防止珠光砂快速下塌发生空间爆炸。

九、人员安全

浓度增高区域：人员应避免在氧气、氮气浓度增高区域停留。进入氧气、氮气容器或管道前，应严格执行《进入受限空间作业安全管理规定》，液氧应排放干净，经取样分析确认氧含量正常后才能进入，以防止氧气伤害和氮气窒息事故。

一、主冷液位长不高

现象：主冷液位长时间无法达到预期高度。

原因：

主换热器热交换不完全，导致冷量损失增大。

膨胀机温差小、效率低、膨胀量少。

空气进主换热器温度高。

设备存在泄漏，跑冷损失增大。

液体产品取出量过多。

排除方法：

合理分配冷量，若换热器堵塞，则进行全面加温吹除。

检查并处理膨胀机问题。

检查空冷系统及分子筛吸附器，确保其正常工作。

检查保冷材料并查漏，及时处理泄漏问题。

减少液体产品取出量。

二、气动薄膜调节阀不动作

现象：气动薄膜调节阀无法正常开启或关闭。

原因：

膜片泄露。

仪表气失压。

阀门处于手动位置。

阀杆冰冻或变形。

电磁阀故障或失电。

排除方法：

更换泄露的膜片。

调整仪表气压力至正常范围。

将阀门切换至自动位置。

加温解冻阀杆，检修变形部分。

检修或更换故障的电磁阀。

三、低温液体泵振动大

现象：低温液体泵在运行过程中振动过大。

原因：

泵内有气蚀现象。

泵在最低允许流量以下运行。

叶轮堵塞或不平衡。

泵固定或基础刚性不稳定。

机械部分磨损。

排除方法：

改善入口条件，避免气蚀现象发生。

提高流量至最小推荐值以上。

对转动部件进行清理和平衡。

改进固定方式或基础结构，增强刚性。

更换磨损的机械部分。

四、低温液体泵额定功率和压力无法达到

现象：低温液体泵无法达到其额定功率和压力。

原因：

泵发生气蚀或气缚现象。

叶轮或蜗壳阻塞。

启动泵前加温不合格，泵内有水分。

密封环损坏，叶轮损坏。

排出系统后压力比额定值高。

排除方法：

改善入口条件，清理入口过滤器，确保排气完全。

清理被阻塞的叶轮或蜗壳部分。

通过干燥的加温气体清除泵内水分。

更换损坏的密封环和叶轮。

检查泵和排出系统特性曲线，改善系统管道以降低压力。

五、膨胀机故障

常见故障：

膨胀机轴承温度过高。

膨胀机制冷量不足。

排除方法：

轴承温度过高：调整轴承间隙，调整动静平衡，增加油量以降低油温，或检查并处理转子震动问题。

制冷量不足：检查膨胀机的工作状态，确保其正常运行;检查热交换器是否堵塞或结冰;检查保冷材料是否完好;如有需要，对膨胀机进行加温吹除操作以消除内部结冰。

六、设备泄漏

现象：设备密封不良或管道漏气。

排除方法：

检查设备的密封性能，如有需要更换密封件。

检查设备的管道连接处是否漏气，及时修复泄漏点。

七、其他常见故障及排除方法

1、主冷泄漏：严重泄漏时会导致上塔压力升高、下塔压力下降、氧产品纯度明显降低。轻微泄漏时上下塔压力及氧纯度无明显变化，但气氧与液氧纯度差较大。可通过检查管子是否因震动相互磨损、管内是否因加温不彻底积水冻裂或主冷局部是否轻微爆炸等原因来判断泄漏原因，并采取相应的修复措施。

2、分子筛出口CO2超标：可能是分子筛长期使用吸附能力下降、再生不完善、蒸汽加热器泄露或分子筛吸附水分负荷过大等原因造成的。可通过更换分子筛、提高蒸汽加热器温度、消除蒸汽加热器漏点、降低进气温度或减少进气量等方法来解决问题。

3、氧气产量低：可能是流量计管路泄漏、膨胀气量过少或冷量不足、跑冷损失过大、空气量过少或主换热器温差过大等原因造成的。可通过检查流量计管路、膨胀机喷嘴和进出口温度、保冷材料是否受潮或漏气等问题，并采取相应的修复措施来提高氧气产量。