工业制氧原理及流程.docx
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工业制氧原理及流程
工业制氧原理及流程
空气中含氮气78%，氧气21%。
因为空气是取之不尽的免费原料，所以工业制氧/制氮往常是将空气中的氧气和氮气分别出来。
制氧氧气用来炼钢；氮气
用来搅拌钢水，氧气和氮气均是重要的冶金原料。
本专题将详尽介绍制氧/制氮的工艺流程，主要工艺设施的工作原理等信息。
【制氧/制氮目的】：
制氧氧气用来炼钢；氮气用来搅拌钢水，氧气和氮气均是重要的冶金原
料。
【制氮原理简介】：
以空气为原料，利用物理的方法,将此中的氧和氮分别而获取。
工业中有三种，即深冷空分法、分子筛空分法（PSA）和膜空分法。
Ａ：
深冷空分制氮
深冷空分制氮是一种传统的制氮方法，已有近几十年的历史。
它是以空气为原料，经过压缩、净化，再利用热互换使空气液化成为液空。
液空主假如液
氧和液氮的混淆物，利用液氧和液氮的沸点不一样（在1大气压下，前者的沸点为-183℃，后者的为-196℃），经过液空的精馏，使它们分别来获取氮气。
深冷空分
制氮设施复杂、占地面积大，基建花费较高，设施一次性投资许多，运行成本较高，产气慢（12～24h），安装要求高、周期较长。
综合设施、安装及基建诸要素，3500Nm3／h以下的设施，相同规格的PSA装置的投资规模要比深冷空分装置低20％～50％。
深冷空分制氮装置宜于大规模工业制氮，而中、小规模制氮就显得不经济。
Ｂ：
分子筛空分制氮
以空气为原料，以碳分子筛作为吸附剂，运用变压吸附原理，利用碳分子
筛对氧和氮的选择性吸附而使氮和氧分其余方法，通称PSA制氮。
此法是七十
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年月快速发展起来的一种新的制氮技术。
与传统制氮法对比，它拥有工艺流程简单、自动化程度高、产气快（15～30分钟）、能耗低，产品纯度可在较大范围内依据用户需要进行调理，操作保护方便、运行成本较低、装置适应性较强等特色，故在1000Nm3／h以下制氮设施中颇具竞争力，愈来愈获取中、小型氮气用户的欢迎，PSA制氮已成为中、小型氮气用户的首选方法。
Ｃ：
膜空分制氮
以空气为原料，在必定压力条件下，利用氧和氮等不一样性质的气体在膜中
拥有不一样的浸透速率来使氧和氮分别。
和其余制氮设施对比它拥有构造更加简
单、体积更小、无切换阀门、保护量更少、产气更快（≤3分钟）、增容方便等优
点，它特别适合于氮气纯度≤98％的中、小型氮气用户，有最正确功能价钱比。
而
氮气纯度在98%以上时，它与相同规格的PSA制氮机对比价钱要超出15%以上
【制氧原理简介】：
工业制氧是指制造大批氧气，着重成本，讲究大批制取，对纯度要求一般不会太高。
工业制氧大概可分为以下几种方法
㈠物理制氧
1、空气冷冻分别法
空气中的主要成分是氧气和氮气。
利用氧气和氮气的沸点不一样（氧气沸点
为-183℃，氮气沸点为-196℃），从空气中制备氧气称空气分别法。
第一把空气预冷、净化（去除空气中的少许水分、二氧化碳、乙炔、碳氢化合物等气体和尘埃等杂质）、而后进行压缩、冷却，使之成为液态空气。
而后，利用氧和氮的沸
点的不一样，在精馏塔中把液态空气多次蒸发和冷凝，将氧气和氮气分别开来，获取纯氧（能够达到
99．"6％的纯度）和纯氮（能够达到
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99．"9％的纯度）。
假如增添一些附带装置，还能够提拿出氩、氖、氦、氪、氙等在空气中含量极少的罕有惰性气体。
由空气分别装置产出的氧气，经过压缩机的压缩，最后将压缩氧气装入高压钢瓶储存，或经过管道直接输送到工厂、车间使用。
使用这种方法生产氧气，固然需要大型的成套设施和严格的安全操作技术，但是产量高，每小时能够产出数干、万立方米的氧气，并且所耗用的原料只是是不用买、不用运、不
用库房储藏的空气，所以从1903年研制出第一台深冷空分制氧机以来，这种制氧方法向来获取最宽泛的应用。
2、分子筛制氧法（吸附法）
利用氮分子大于氧分子的特征，使用特制的分子筛把空气中的氧离分出来。
第一，用压缩机迫使干燥的空气经过分子筛进入抽成真空的吸附器中，空气中的氮分子即被分子筛所吸附，氧气进入吸附器内，当吸附器内氧气达到必定量（压力达到必定程度）时，即可翻开出氧阀门放出氧气。
经过一段时间，分子筛吸附的氮渐渐增加，吸附能力减弱，产出的氧气纯度降落，需要用真空泵抽出吸附在分子筛上边的氮，而后重复上述过程。
这种制取氧的方法亦称吸附法。
近来，利用吸附法制氧的小型制氧机已经开发出来，便于家庭使用。
3、"电解制氧法
把水放入电解槽中，加入氢氧化钠或氢氧化钾以提升水的电解度，而后通入直流电，水就分解为氧气和氢气。
每制取一立方米氧，同时获取两立方米
氢。
用电解法制取一立方米氧要耗电12—15千瓦小时，与上述两种方法的耗电量（
0．"55—
0．"60千瓦小时）对比，是很不经济的。
所以，电解法不合用于大批制
氧。
此外同时产生的氢气假如没有妥当的方法采集，在空气中齐集起来，如与氧气混淆，简单发生极其激烈的爆炸。
所以，电解法也不合用家庭制氧的方法。
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㈡化学制氧
工业和医用氧气均购自制氧厂。
工厂制氧的原料是空气，故价钱特别廉价。
但是，氧气的储存（高压氧气用钢瓶、液氧要用特别贮罐）、运输、使用不太方便。
所以远离氧气厂的偏僻山区运输困难，此外有些特别环境如病人家中、高空飞翔、水下航行的潜艇、潜水作业、矿井急救等携带巨大粗笨的钢瓶极为不便，小型钢瓶贮氧量小，使用时间短，所以就出现化学制氧法，在化合物中以无机过氧化物含氧量最多且易开释，目前化学制氧多采纳过氧化物来制氧。
对无机过氧化合物的科学研究开始于18世纪。
1798年德国自然科学家洪堡
（AlexandervonHumboldt）采纳在高温中把氧化钡氧化的方法，制取了过氧化钡。
1810年法国化学家盖一吕萨克（Joseph—LouisGay—Lussac）和泰纳尔（Louis—JacquesThenard）合作制取了过氧化钠和过氧化钾。
18年泰纳尔又用酸办理过氧化钡，再经蒸馏发现了过氧化氢。
200年来，化学家们不停地研究，发现大批无机过氧化合物。
这些过氧化物，在遇热或遇水或遇其余化学试剂的时候，很容
易析出氧气。
常用的过氧化物有以下几种：
液体过氧化物（液体产氧剂）—双氧水
双氧水的化学名称是过氧化氢（H2O2），为无色透明液体，有轻微的特别臭氧味，是很不稳固的物质，在遇热、遇碱、混入杂质等很多状况下都会加快分解。
温度每高升5℃，它的分解速度就要增添
1．"5倍。
即即是稀释后浓度为35％的双氧水，在pH值增添（比如储存在
含碱玻璃瓶里）超出6个小时就要发生急剧分解。
双氧水中混入少许杂质（如铁、铜、黄铜、青铜、铅、银、铬、锰等金属粉末或它们的盐类），即使在室温下，相同要惹起急剧的分解，产生氧气。
双氧水是过氧化物中最基本的物
质，也是各国科学家最早认识的化学产氧剂。
双氧水拥有产氧量较大（30％的稀释液中，有效氧含量为
14．"1％）和成本较低的利处。
但是，双氧水是强腐化剂，稍略不慎便会造
成人身损害，并且在很多状况下还可惹起爆炸或焚烧，不论在使用或储存、运输中都属于危险品。
比方：
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在常压下，双氧水的蒸汽浓度达到40%以上时，温度过高即有爆炸危险。
双氧水与有机物混淆，能生成敏感和激烈的高效炸药。
双氧水与醇类、甘油等有机物混淆，就形成极危险的爆炸性混淆物。
双氧水是激烈氧化剂，对有机物、特别对纺织物和纸张有腐化性，与大部分可燃物接触都能自行焚烧。
【制氧/制氮工艺流程】
[工艺流程]供氮方式的选择
高纯氮源从氮气质量上来讲，均可知足用气要求，但在氮气成本上差别较大，用肚量愈大，差别愈明显。
公司选择何种供氮方式，应在充足认识各供气方式特色的基础上，依据本公司的产品、生产工艺、生产规模、用气设施种类、数目、资本状况、发展规划等综合考虑供氮方式和供氮规模。
1NdFeB生产线
NdFeB生产线主要用氮设施为“气流磨”，依据生产规模来决定“气流磨”的种类和数目，氮气用量就依此而定了下来，目前国内生产公司除极少量生产规模
很小，而采纳瓶装氮外，其余各公司有的采纳液氮，有的采纳PSA现场制氮。
2MnZn铁氧体生产线
2.1真空氛围炉
以真空氛围炉为烧结设施的，因真空氛围炉是间歇式作业，一般以24h为一世产周期，单台用肚量不大，且非连续平衡用气而是相对集中，短时内用气
量许多，这种公司常常生产规模都不大，几乎全都采纳瓶装氮气，使用灵巧、方便。
固然氮气单价在各样供氮方式中是最高的，但因总用肚量有限，故经济上尚能蒙受。
2.2氮窑
以氮窑为烧结设施的，因氮窑是连续作业的设施，用肚量许多，并且从趋向来看，各公司新置氮窑正向长窑和长双板窑方向发展，单台用肚量一般在
30～50Nm3／h。
氮窑的烧结的工艺特色决定了供气的连续性，氮气的高纯性，氮量的般配性和氮气纯度、流量、压力的稳固性和用氮气要低成本，这是氮窑
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供气的基本要求，明显使用瓶装氮气已不适合。
目前国内公司采纳的供氮方式主要有两种，即液氮和现场制氮。
⑴液氮。
使用液氮者，在公司成立之时，一般生产规模都不大，往常只有一两条窑，固然知道现场制氮的成本最低，但因为资本或是考虑到此后的发展等原由，多半决定是先采纳液氮，此后视公司状况而定。
一旦公司扩能或资本状况同意，从降低生产成本着眼，多半会改用现场制氮方式，但公司若资本允
许而近两年内又无扩能计划，笔者以为单台窑用肚量超出30Nm3／h，仍是自购PSA制氮设施制氮为佳。
因与使用液氮对比，30Nm3／h制氮机组年氮费可节俭
约24万元，设施总投入在40万元左右，一年半左右可回收设施投资，PSA制氮机寿命可达10年，10年内可省氮费200万元。
⑵现场制氮。
自购设施现场制取高纯氮，固然一次性投资较大，但运行成本较低（
0．"7元／m3之内）。
它与采纳液氮对比，相同的用肚量，每年节俭的花费可在一年半之内回收设施所有投资。
现场制氮的三种技术——深冷空分制氮、PSA制氮和膜分别制氮各有特色，且在不一样产氮量及氮气纯度范围各有优势，已有文章〔2〕特意对三者进行了投资价值剖析，结论是氮气纯度为
99．"99％以上，产氮量在500Nm3／h之内，PSA制氮（加纯化）能够与深冷空分竞争。
目前国内磁性资料（MnZn铁氧体）生产公司采纳现场制氮又有两种方式即深冷空分制氮和PSA制氮（加纯化）。
①深冷空分制氮。
这种公司成立于90年月前，成即刻就有相当规模，从经济角度来看不宜采纳液氮，而当时深冷空分制氮又是国内独一的工业化制氮技术，加之资本条件能同意，故采纳了深冷空分制氮。
限于当时的生产规模，制氮设施的产氮量均在200Nm3／h以下。
设施能耗高，故障率高，要按期大修。
进入90年月中期，因为新的制氮技术——PSA制氮在国内快速发展和推行应用，它显示了很多独到的长处，故愈来愈遇到中小型氮气用户的欢迎。
②PSA制氮。
PSA制氮和氮气纯化相组合制取高纯氮采纳的是下边的工艺流程和设施配置：
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液氮贮罐是任何磁性资料公司现场制氮都一定装备的，它的作用是在设施正常保护（如空压机换油和空气净化设施的滤芯冲洗或改换）时的短时停机或设施偶发故障的停机维修时保证供气的连续性的备用举措。
此工艺制取的高纯氮气质量完整可与液氮对比。
装备了液氮贮罐，用户已无供气的后顾之忧，实
践也充足证了然这点。
江阴市长江气体分别设施有限公司自1997年以来已有四套PSA高纯制氮机组向来在浙江、江西、山东等四家MnZn铁氧体生产公司使用，设施运行优秀，技术成熟，质量稳固，完整可知足高档磁芯的生产要求；
这四家公司中原有三家是使用液氮，一家是使用深冷空分，因故障频发，难以修复，而改用了长江制氮设施都获得了明显的效益。
公司一旦决定采纳现场制氮，应明确技术要求，对供应商进行观察和全面评估，择优而廉者选之。
[工艺流程]压缩空气的用途以及原理
经空气压缩机做机械功使自己体积减小、压力提升后的空气叫压缩空气。
压缩空气是一种重要的动力源。
与其余能源比，它拥有以下明显的特色：
清楚透明，输送方便，没有特别的有害性能，没有起火危险，不怕超负荷，能在很多不利环境下工作，空气在地面上各处都有，取之不尽。
缩空气是仅次于电力的第二大动力能源，又是拥有多种用途的工艺气源，其应用范围遍布石油、化工、冶金、电力、机械、轻工、纺织、汽车制造、电子、食品、医药、生化、国防、科研等行业和部门。
一、压缩空气的定义特色；
1.经空气压缩机做机械功使自己体积减小、压力提升后的空气叫压缩空气。
压缩空气是一种重要的动力源。
与其余能源比，它拥有以下明显的特色：
清楚透明，输送方便，没有特别的有害性能，没有起火危险，不怕超负荷，能在很多不利环境下工作，空气在地面上各处都有，取之不尽。
2.缩空气是仅次于电力的第二大动力能源，又是拥有多种用途的工艺气源，
其应用范围遍布石油、化工、冶金、电力、机械、轻工、纺织、汽车制造、电子、食品、医药、生化、国防、科研等行业和部门。
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二、压缩空气的作用
1、而在粉末状香料的生产中，压缩空气有着特别重要的意义，它又一定是干燥、洁净且几近无菌的。
这是对压缩空气办理的一个特其余挑战。
2、气动压缩机，切纸机，发掘机等等一系列动力机械
3、空调制冷和加热离不开它
4、各样轮胎获取了弹性
5、注射器应用
6、压缩空气作为能量载体
7、空气悬架工作原理就是用空气压缩机形成压缩空气，并将压缩空气送到弹簧和减振器的空气室中，以此来改变车辆的高度。
8、压缩空气自动排水器
9、多功能组合式压缩空气净化器
10、"利用压缩空气使铝液发泡是目前最初进最低价的大规模连续生产泡沫铝材的制造技术。
11、"压缩空气净化冷干机、吸干机、精细过滤器、精细滤芯，气液分别器等一系列仪器设施
12、"下水道简略通堵设施
13压缩空气一般是作为一种动力源，应用很广。
驱动气缸，产生直线运动；驱动气动马达，产生旋转运动；驱动射流元件，进行运算和控制。
利用其携带某些物质，达成工作。
比如喷砂清理；喷药；喷水冲洗；喷
漆。
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利用其可压缩特征，起缓冲，弹簧作用。
气体弹簧；缓冲垫等。
14军事上的应用
有一种鱼雷是由压缩空气为动力驱动的。
除此还有气枪。
还有美国初期的无人侦探机，其运算控制系统是由射流元件构成的，原由可能是当时计算机还不可以或抗电磁扰乱。
海上作用：
打捞沉船用的浮囊、浮箱，浅潜用气瓶。
三、螺杆空压机的工作原理
1、螺杆式空气压缩机的概括
螺杆式空气压缩机是喷油单级双螺杆压缩机，采纳高效带轮（或轴器）传动，带动主机转动进行空气压缩，经过喷油对主机压缩腔进行冷却和润滑，压缩腔
排出的空气和油混淆气体经过粗、精两道分别，将压缩空气中的油分别出来，最后获取干净的压缩空气。
双螺杆空气压缩机拥有优秀的靠谱性能，机组重量轻、震动小、噪声低、操作方便、易损件少、运行效率高是其最大的长处。
2、压缩机主机工作原理
螺杆式空气压缩机的中心零件是压缩机主机，是容积式压缩机中的一种，空气的压缩是靠装置于机壳内相互平行啮合的阴阳转子的齿槽之容积变化而达到。
转子副在与它精细配合的机壳内转动使转子齿槽之间的气体不停地产生周
期性的容积变化而沿着转子轴线，由吸入侧推向排出侧,达成吸入、压缩、排气三个工作过程。
所以，双螺杆转子的型线技术决定着螺杆式空气压缩机产品定
位的品位。
3、双螺杆空压机的工作流程
空气经过进气过滤器将大气中的尘埃或杂质滤除后，由进气控制阀进入压缩机主机，在压缩过程中与喷入的冷却润滑油混淆，经压缩后的混淆气体从压缩腔排入油气分别罐，此时压缩排出的含油气体经过碰撞、拦截、重力作用，
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绝大部份的油介质被分别下来，而后进入油气精分别器进行二次分别，获取含油量极少的压缩空气，当空气被压缩到规定的压力值时，最小压力阀开启，排出压缩空气到冷却器进行冷却，最后送入使用系统。
[工艺流程]工业冷水机组的冷却原理
工业冷水机组系统的运作是经过三个相互联系的系统：
制冷剂循环系统、水循环系统、电器自控系统。
制冷剂循环系统：
蒸发器中的液态制冷剂汲取水中的热量并开始蒸发，最后制冷剂与水之间形成必定的温度差，液态制冷剂亦完整蒸发变为气态，后被压缩机吸入并压缩
（压力和温度增添）,气态制冷剂经过冷凝器（风冷/水冷）汲取热量，凝固成液体。
经过膨胀阀（或毛细管）节流后变为低温低压制冷剂进入蒸发器，达成制冷剂循环过程。
水循环系统：
水泵负责将水从水箱抽出泵到用户需冷却的设施，冷冻水将热量带走后温度高升，再回到冷冻水箱中。
电器自控系统：
包含电源部分和自动控制部分。
电源部分是经过接触器，对压缩机、电扇、水泵等供应电源。
自动控制部分包含温控器、压力保护、延时器、继电器、过载保护等相互组合达到根椐水温自动启停，保护等功能。
【制氧/制氮主要工艺设施介绍】
[制氧/制氨设施]空气过滤器
空气过滤器是指空气过滤装置，一般用于干净车间，干净厂房，实验室及干净手术室。
空气过滤器依据其工作原理能够分为初效过滤器，中效过滤器，高效过滤器及亚高效等型号。
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高效空气过滤器：
■合用于常温、常湿，同意含有微量酸、碱有机溶剂的空气过滤，该产品效率高，阻力低，容尘量大，宽泛应用于航天、航空、电子、制药、生物工程等领域。
■可依据用户需求制作
0."3～
0."1μm捕集效率≥
99."999%的超高效过滤器；各样非标过滤器和亚高效过滤器（95%≤效率≤
99."90%）。
V型密褶式过滤器
用于一般通风系统，拥有过滤面积大，阻力低，使用寿命长等特色。
它可做为高效过滤器的预过滤器使用，进而有效延伸高效过滤器的使用寿命。
DC、DZ型粗中效袋式过滤器
采纳初、中效无纺布做滤料，冷板喷塑做框架，作为
一、"二级过滤，该产品拥有容尘量大，阻力小及可冲洗等长处，依据使用环境和选材不一样，其过滤器效率等级分为F
5、"F
6、"F
7、"F
8。
"
[制氧/制氮设施]空分设施
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空分设施就是以空气为原料，经过压缩循环深度冷冻的方法把空气变为液态，再经过精馏而从液态空气中逐渐分别生产出氧气、氮气及氩气等惰性气体的设施。
目前我国生产的空分设施的形式、种类众多。
有生产气态氧、氮的装置，
也有生产液态氧、氮的装置。
但就基本流程而言，主要有四种，即高压、中压、高低压和全低压流程。
我国空分设施的生产规模已经从初期只好生产
20m3/h（氧）的制氧机，发展到此刻拥有生产200m3/h、300m3/h和500m3/h（氧）的特大型空分设施的能力。
空分设施的基本系统：
空分设施从工艺流程来说能够分为5个基本系统：
⑴杂质的净化系统：
主假如经过空气过滤器和分子筛汲取器等装置，净化空气中混有的机械杂质、水分、二氧化碳、乙炔等。
⑵空气冷却和液化系统：
主要由空气压缩机、热互换器、膨胀机和空时令流阀等构成，起到使空气深度冷冻的作用。
⑶空气精馏系统：
主要零件为精馏塔（上塔、下塔）、冷凝蒸发器、过冷器、液空和液氮节流阀。
起到将空气中各样组分分其余作用
⑷加温吹除系统：
用加温吹除的方法使净化系统重生。
⑸仪表控制系统：
经过各样仪表对整个工艺进行控制。
[制氧/制氮设施]冷水机组
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因为空气压缩会产生热量，在对压缩空气进前进一步办理的前，需要经过冷水机组对压缩空气降温。
冷水机组种类：
溴化锂冷水机组、水冷式冷水机组、风冷式冷水机组。
冷水机组种类：
1、溴化锂冷水机组：
A、直燃型汲取式冷（温）水机组B蒸汽型汲取式冷水机组
C、温水型汲取式冷水机组
2、水冷式冷水机组：
A、离心式冷水机组
B、螺杆式冷水机且
C、螺杆式水--水热泵机组
D、活塞式冷水机组
3、风冷式冷水机组：
A、活塞式冷水机组
B、螺杆式冷水机组
说明：
风冷式----表示冷凝器的冷凝方式为电扇吹冷的。
水冷式----表示冷凝器的冷凝方式为用水来冷却的。
活塞式----压缩机为活塞式
螺杆式----压缩机为螺杆式
[制氧/制氮设施]空气冷却器
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用空气冷却热流体的换热器。
管内的热流体经过管壁和翅片与管外空气进
行换热，所用的空气往常由通风机供应。
空气冷却器可用于冷却或冷凝,宽泛应用于:
炼油、石油化工塔顶蒸气的冷凝；回流油、塔底油的冷却；各样反响生成
物的冷却；循环气体的冷却和电站汽轮机排气的冷凝。
工作压力可达69兆帕。
但耗电量、噪声和占地面积均大，冷却成效受天气变化影响较大。
构造空气冷却器主要由管制、通风机和构架3部分构成。
管制包含传热管、管箱、侧梁和横梁等。
它可按卧式、立式和斜顶式（人字式）3种基本形式部署。
此中,卧式部署传热面积大,空气散布均匀，传热成效好；斜顶部署时,通风机安装在人字中央空间,占地面积小，构造紧凑。
为抵消空气侧的给热系数较低的
影响，往常采纳光管外壁装翅片的管子。
翅片管作为传热管,能够扩大传热面
积。
翅片管分层摆列,其两头用焊接或胀接方法连结在管箱上。
排管一般为3～8排。
管制系列尺寸最长达12米。
光管外径常为25毫米和38毫米,翅片高度一般
取12～15毫米,管制宽为100～3000毫米。
翅片管是空气冷却器的中心元件，其形式和资料直接影响设施性能。
管子可用碳钢、铜、铝和不锈钢等制成；翅
片资料依据使用环境和制造工艺来确立，大多用工业纯铝，在防腐化要求很高或在制造工艺条件特别的状况下也采纳铜或不锈钢。
翅片可按横向或纵向摆列。
翅片管的基本形式有：
绕片式、镶片式、轧片式、套片式、焊片式、椭圆管式、紊流式（包含轮辐式、开槽形和涟漪形等）。
管箱的构造主要有法兰式、管堵式和会合管式。
一般前者用于中低压，后二者用于高压。
为适应管制的热膨胀，一端管箱不固定，允许沿管长方向位移。
通风机往常采纳轴流通风机。
通风方式通风有鼓风和引风两种方式。
①鼓风式：
空气先流经通风机后流入管制。
②引风式：
空气先流经管制后流入通风机。
前者操作花费较经济，产生的湍流对传热有益，使用许多。
后者气流散布均匀，有益于温度精准控制，噪声小，是发展的方向。
热流体出口温度主要靠调理经过管制的风量来控制，即调理叶片的倾
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角、通风
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