2022年6月26日
制冷与低温工程系
空分技术发展及展望
制冷与低温工程
叶恒扬
第2页 2022/6/26 制冷与低温工程系
一、空分行业发展进程
二、空分设备流程简述
三、空分设备流程技术简介
目 录
三、空分设备流程发展方向
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一、空分行业发展进程
第4页 2022/6/26 制冷与低温工程系
一、空分行业发展进程
深冷法空气分离的发展历程
-1902年，德国卡尔•林德博士设计制造了世界上第一台单级精馏制氧机，
1903年试制成功，开辟了低温精馏空气，工业制取氧气的工艺流程，
1905年设计试制成功320m3/h双级精馏的制氧机。
-1910年，法液空公司设计制造世界第一台活塞式膨胀机320m3/制氧机。
-1914年，林德公司发明了第一台制氩装置。
-1930年，林德公司首创用冻结法清除空气中的水分和二氧化碳。
-1932年，前苏联拉赫曼提出将部分膨胀空气直接送入上塔参与精馏，
人们将其称之“拉赫曼原理”或“拉赫曼气体”
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一、空分行业发展进程
-20世纪40年代，美国发明了切片式板式换热器。
-1952年，法液空公司开始用低温液体槽车来代替制氧瓶供氧给用户。
-1960年，法液空公司通过管道输送气体给用户。
-1968年，林德公司开发了常温下用分子筛吸附净化空气流程，改变可
逆式流程，延长板式换热器寿命。
-1976年，日本神钢3万m3/h空分设备上采用电子计算机控制。
-1978年，林德公司开发成功液氧泵内压缩流程。
-20世纪70年代末，苏尔寿公司将规整填料应用于空分塔，代替筛板塔
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一、空分行业发展进程
-1990年，林德公司开发了分子筛净化带增压透平膨胀机的空分流程。
-2002年，林德公司向阿拉伯提供一套世界最大的低温氧、氮分离装置，
3600t/d(即105000m3/h02)空分装置[1]。
空分流程的六代技术革命
50年来，我国大中型空分设备流程已经历了铝带蓄冷器冻结高低压
流程、石头蓄冷器冻结全低压流程、切换式换热器冻结全低压流程、常
温分子筛净化全低压流程、常温分子筛净化增压膨胀流程和常温分子筛
净化填料型广塔全精馏制氮流程等多次技术革命。每次大中型空分设备
流程的变革，都是空分技术不断发展和科研成果相继被采用的必然结果：
每次大中型字分设备流程的变革，都以其独具的技术闪光点将空分设备
的技术水准推上了一个又一个新的台阶[2] 。
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一、空分行业发展进程
项目 空分装置流程特点 开发时间
第一代 铝带蓄冷器高低压流程 20世纪50年代
第二代 石头蓄冷器全低压流程 20世纪60年代
第三代 石头蓄冷器全低压流程 20世纪70年代
第四代 常温分子筛净化全低压流程 20世纪80年代末
第五代
增压型常温分子筛净化、
增压透平膨胀机流程
20世纪80年代末
第六代
规整填料、全精馏制氩的
内压缩流程
20世纪90年代末
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二、空分设备流程简述
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O2 N2
Ar
Kr
XeNe
He
物性和用途
一、空分设备流程简述
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空气分离
变压吸附
膜分离
深冷精馏
一、空分设备流程简述
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一、空分设备流程简述
空分流程组织
空分设备是一个大型的复杂系统，主要由以下子系统组成：动力系统、
净化系统、制冷系统、热交换系统、精馏系统、产品输送系统、液体贮存
系统和控制系统等，如图[3]下所示。
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一、空分设备流程简述
动力系统：主要是指原料空气压缩机。空分设备将空气经低温分离得到
氧、氮等产品，从本质上说是通过能量转换来完成的。而装置的能量主要
是由原料空气压缩机输入的。相应地，空气分离所需的总能耗中绝大部分
是原料空气压缩机的能耗。
净化系统：由空气顶冷系统(空冷系统)和分子筛纯化系统(纯化系统)组
成。经压缩后的原料空气温度较高，空气预冷系统通过接触式换热降低空
气的温度，同时可以洗涤其中的酸性物质等有害杂质。分子筛纯化系统则
进一步除去空气中的水分、二氧化碳、乙炔、丙烯、丙烷、重烃和氧化亚
氮等对空分设备运行有害的物质。
制冷系统：空分设备是通过膨胀制冷的，整个空分设备的制冷严格遵循
经典的制冷循环。不过通常提到空分设备的制冷系统，主要是指膨胀机。
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一、空分设备流程简述
热交换系统：空分设备的热平衡是通过制冷系统和热交换系统来完成
的。随着技术的发展，现在的换热据主要使用铝制板翅式换热器。
精馏系统：空分设备的核心，实现低温分离的重要设备。通常采用高、
低压两级精馏方式。主要由低压塔、中压塔和冷凝蒸发器组成。
产品输送系统：空分设备生产的氧气和氮气需要有一定的压力才能满
足后续系统的使用。主要由各种不同规倍的氧气压缩机和氮气压缩饥组成。
液体贮存系统：空分设备能生产一定的液氧和液氮等产品，进入液体
贮存系统，以备需要时使用。主要由各种小向规格的贮槽、低温液体器和
汽化器组成。
控制系统：大型空分设备都采用计算机集散控制系统，可以实现自动控
制。
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一、空分设备流程简述
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15
50年来，我国大中型空分流程已经历了多次技术革命[4]
铝带蓄冷器冻结高低压空分流程
石头蓄冷器冻结全低压空分流程
切换式换热器冻结全低压空分流程
常温分子筛净化全低压空分流程
常温分子筛净化增压膨胀空分流程
常温分子筛净化填料型上塔全精馏制氩流程等
一、空分设备流程简述
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高压换热器
低压换热器
气态氧
液体泵
分馏塔
内压缩
外压缩
冷箱
分馏塔
压缩机
冷箱
气态氮
液态氧
液态氮
一、空分设备流程简述
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一、空分设备流程简述
外压缩流程空分设备原理图[5]
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空压机 预冷系统 纯化系统
热交换器精馏系统
氧氮产品
制冷 膨胀机制氩系统
氩产品
一、空分设备流程简述
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一、空分设备流程简述
内压缩流程空分设备原理图
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空压机 预冷系统 纯化系统
热交换器精馏系统
氧氮产品
制冷 膨胀机制氩系统
氩产品
增压机
一、空分设备流程简述
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两种主要流程
•外压缩
– 生产低压氧气，由氧压机加压，以下。
•内压缩
– 液氧经泵加压气化，压力可以达到更高。
一、空分设备流程简述
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内压缩特点
– 内压缩流程取消了氧压机，因而无高温气氧，火险
隐患小。
– 主冷大量抽取液氧，保证碳氢化合物的积聚可能性
降到最低程度。
– 产品液氧在高压下蒸发，使烃类物质积累的可能性
大大降低。
一、空分设备流程简述
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1.压力、组分、温度的确定
2.物料及能量平衡
一、空分设备流程简述
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1.压力、组分、温度的确定
.空压机排压的确定
.确定空压机排压的方法和前提条件
– 确定空压机排压的重要方法是逆推法
– 根据用户当地气象台提供的大气压力是已知的
– 各种阻力都有相应的经验值
.原料空气经历的三种压力转换
– 压缩机压缩
– 主冷的压力映射
– 设备及管路、孔板和阀门的阻力
一、空分设备流程简述
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1.压力、组分、温度的确定
.空压机排压的确定
.空压机排压的数学描述
Pout＝ΔP1＋f(ΔP2)
其中ΔP1为空压机出口至下塔顶部的阻力
ΔP2为上塔底部至污氮气放空阀间的阻力
f(ΔP2)=3ΔP2＋P （P为一个较固定的数值）
一、空分设备流程简述
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1.压力、组分、温度的确定
.增压机排压的确定
入口压力为低压空气
二段排压（换热用），根据返流氧气的压力确定
一段排压（进膨胀机），根据膨胀机的膨胀比确定
所有上面的排压均需考虑增压机的机器情况后才能确定
一、空分设备流程简述
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1.压力、组分、温度的确定
.增压膨胀机组压力的确定
膨胀机的出口压力对应的是上塔中部（或下塔）的压力
膨胀机增压端的进口压力是对应的空气压力
膨胀机增压端到膨胀机进口的阻力根据经验是可知
膨胀增压机组的各种效率，膨胀量、增压量已知
一、空分设备流程简述
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1.压力、组分、温度的确定
.制氩系统压力的确定
y 制氩系统的原料气（氩馏分）来自上塔的中下部
y 确定粗氩塔（包括粗氩冷凝器和粗氩液化器）的
工作压力
y 根据粗氩液化器与精氩塔中部的液位差,确定精氩
塔的工作压力
一、空分设备流程简述
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1.压力、组分、温度的确定
.各流体组分的确定
y 空气的组分是已知的
y 液氩的组分是空分装置设计时的一个目标值
y 根据的氧氮产品流量及制氩所需的粗氩量，由物料
平衡得到污氮的组分
一、空分设备流程简述
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2.物料及能量平衡
.空分装置的物料平衡
y进出装置的各种流体的总量保持平衡
y流体各自的组分保持平衡
.空分装置的能量平衡
.根据系统冷损量等于制冷量达到平衡
y各种冷损包括复热不足冷损、液体排放冷损、绝热冷
损等
y系统的冷量，包括膨胀机制冷量、焦汤效应制冷量以
及冷
冻机制冷量等
y冷损量等于制冷量时，系统达到平衡状态
一、空分设备流程简述
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首先关于流程的组织。内压缩流程比较复杂，
有空气循环和氮气循环之分，也有单泵和双（多）
泵之分。流程选择要考虑的因素比较多，不过对
于化工型内压缩空分装置来说，最终决定流程的
主要因素是氮产品的要求[6] 。
二、化工型空分设备流程应用
总结
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大型内压缩空分装置国产化的时间并不长，
国内空分行业也在不断的积累经验。
一方面是研发出来的新技术如何运用到装置
中去，另一方面是针对空分装置大型化和采用内
压缩流程而产生的新问题如何有一个优化的解决
方案。
二、化工型空分设备流程应用
总结
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三、空分设备流程技术简介
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三、空分设备流程技术简介
活塞式压缩机应用技术
-无油润滑压缩机技术
以往汽缸注油式的压纳机所提供的压缩气体是含油介质，这给生产工
艺带来一系列不良的后果：例如，空分行业使用的氧压爪缩机，为了安全
防爆而绝对不允许汽缸用油润滑；合成氨厂中的氮、氢混合气进入合成塔
时如果夹带有油，将会使触媒中毒，降低其使用寿命等[6] 。
-无油润滑压缩机特点
（1）可以取消注油式压缩机的注油器、油管路、油水分离器等辅助设备
由此可降低系统的阻力，提尚供气压力。如合成氨工艺流程中，合成塔的
入口压力提高，将增加合成氨的产量。
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三、空分设备流程技术简介
（2）由于被压缩的气体介质不含油，消除了热交换样管壁、器壁上油污
沉积的恶劣影响，不但减少气体阻力损失，而且大大地提高传热的效果。
（3）对原有的注油式压缩机进行政造，或选用同等参数的元油润滑压缩
机，可以节约大量的润滑油。例如： 一台高压循环机每年可省油3600Kg
（4）质量可靠的自润滑材质应用于无油润滑压缩机产品之后。还可以节
省有色金属材料、减少女安装检修的工作量(如繁重的研刮工作量)。
（4）提高了汽缸或汽缸套、活塞杆的使用寿命。一般运转一定时间后，
无油润滑压缩机的缸套镜面和活塞杆表面不但磨损甚微而且光洁度反而提
高。
由此可见，无油润滑压缩机技术在工业生产上的应用，具有十分重型
的经济原义。所以大力推广应用无油润滑压缩机，进一步研究开发油汕润
滑压缩机的新技术，体现了当的国内外压缩机发展的潮流和方向。
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三、空分设备流程技术简介
透平膨胀机应用技术
膨胀机分为活塞式和平式两大类。一般来说，活塞膨胀机多用于中
高压、小流量领域．而低中压、流量相对较大的领域则多用透平膨胀机。
随着透平技术的进一步发展、中高压、小流量和大膨胀比的透平膨胀机在
各领域也有越来越多的应用。与活塞膨胀机相比，透平膨胀机具行占地面
积小(体积小)、结构简单、气流无脉动。振动小、无机械磨损部件、连续
工作周期长、操作维护方便、工质不污染、调节性能好和效率高等特点[7]
。
随着科学技术的不断进步，现代空分设备对膨胀机提出了更高的要
求：更高的整机效率、更好的稳定及调节性能、更安全及可靠的保护系统、
更长的运行周期及使用寿命等等。持别是随着内压缩流程空分设备和液体、
液化设备答的广泛使用、中压其至高压等级透平膨胀机使用得越来越多：
这类产品膨胀机出口气体常带一部分液体、有的具有很大的膨胀比。
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三、空分设备流程发展方向
低温液体泵应用技术
低温液体泵(以下简称低温泵)是在石油、空分和化工装置中用来输送
低温液体(如液氧、液氮、液氢、液态烃和液化天然气等)的特殊泵，它的
用途是将低温液体从压力低的场所输送到压力高的场所。随着空分技术的
发展，低温液体泵得到了广泛的应用及发展。其在空分设备中的主要作用
为：用于液体循环；或是从贮槽抽取液体并将其压入汽化器，汽化后送给
用户[8] 。
由于低温液体泵输送的介质都为低温液体，在输送介质过程中应保持
低温，如果一旦从泵体周围吸收了较多热量，则泵内低温液体会大量汽化，
产生气体，从而影响泵的工作。所以低温泵在结构、材料、安装和运行等
方面都有它的特殊要求．以达到低温液体输送要求。
按照工作原理的不同，低温泵主要分为往复式低温泵和离心式低温泵
两类。
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三、空分设备流程发展方向
全精馏无氢制氩应用技术
全精馏无氢制祖工艺流程如图所示。从精馏塔上塔的适当部位抽取
气相氩馏分，进入粗氩塔进行精馏。由于全精馏无氢制氩的粗氩塔塔板
数较多，塔高不利于安装和保持垂直度，因而把粗氩塔分成粗氩I塔和粗
氩Ⅱ塔两段。在粗氩Ⅱ塔顶部是粗氩冷凝器，冷源是来自液空过冷器后
的液空，从粗氩Ⅱ塔上升的粗氩气大部分被粗氩冷凝器冷凝下来作为回
流液。在粗氩Ⅱ塔底部的液体通过循环液氩泵增压后被送入粗氩I顶。作
为粗氮l塔的回流液。粗氮I塔底部的液体靠位差和自重回到上塔的相应
部位。在粗级冷凝器中未被冷凝的粗氩气被引入粗氩液化器，在液化器
中校液化，粗液氩再被送入精氩塔的中上部，并在精氩塔中进行氩、氮
分离。在精氩塔底部是精氩蒸发器，热源是来自下塔顶部的压力氮。在
精氩塔顶部是精氩冷凝器。粗液氮在精氩塔内精馏，最后在塔釜得到高
纯度的产品氩。通常在精氩塔的底部设置启动管线，当精氩塔底部的液
氩纯度未达到要求时，把液氩节流通人粗氩Ⅱ塔底部作为粗氩I塔的回流
液，这样可以缩短调整制氩系统工况的时间[9] 。
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三、空分设备流程技术简介
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三、空分设备流程技术简介
控制技术
空分设备仪控系统的仪表有:
检测仪表、显示仪表、控制仪表及执行器
四大类，如图所示。
仪控系统通常由现场仪表、机旁柜
(含二次仪表)、分析仪柜、配电柜、UPS
、DCS(或PLC+IPC或PCS)及ESD构成
[10]。
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三、空分设备流程技术简介
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四、空分设备流程发展方向
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市场需求 技术进步
推动
四、空分设备流程发展方向
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三、空分设备流程发展方向
1.空分设备单级规模进一步增大
2.关键核心部位的效率进一步提高
3.用液体膨胀机代替高压节流阀
4.自动变负荷技术将推广应用
5.稀有气体提取
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四、空分设备流程发展方向
1.空分设备单级规模进一步增大
近年来,随着冶金、化工(石化)工业的迅速发展,空分设备
的需求量越来越大,而且呈大型化发展趋势[11]。为实现特大型空
分设备的国产化,打破国外企业在特大型空分设备制造领域的垄
断局面, 通过对引进技术的消化吸收,适时跟踪世界前沿空分技
术,自主研发顶尖空分流程,不断更新配套部机;已系统地掌握了
大型和特大型空分设备的流程设计计算技术、单元设备设计、
计算及制造技术以及大型空分设备的成套集成技术[12]。
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四、空分设备流程发展方向
2.关键核心部位的效率进一步提高
规整填料下塔逐步得到应用
目前筛板下塔的阻力一般在16～ 20kPa左右,如采用规
整填料塔,下塔阻力一般在4～ 5kPa,可以减小11～ 15kPa左右
,相当于空压机背压减小11～ 15kPa。据此估算,20000m3/h空
分设备每小时可节电75～ 110kW,按每年8000小时运行时间和
元/(kW·h)的电价计算,每年可节约费用30万～ 40万元[13],这
样因下塔由筛板塔改成规整填料塔而增加的成本在4～ 5年内
就能收回[14]。
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规整填料下塔.
1.运行工况
变化频繁
3.运行能耗
要求低
4.工况负荷
变化大
2.运输条件
苛刻
四、空分设备流程发展方向
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——全浸式
——降膜式
全浸式主冷
目前国际上公认全浸式更安全
三、空分设备流程发展方向
开发3、4层等多层浴式主冷
膜式主冷由于没有液位,其温差很 小,但
膜式主冷的安全性目前还无法得到有效的保证。
所以开发3、4层甚至更多层的浴式主冷,使主冷
蒸发侧液氧柱的高度降低,从而缩小主冷温差以
达到节能的目的[15], 。这是今后一个时期的研究
方向。
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节能发展方向
主冷液氧液位2米，空压机排压
主冷液氧液位～1米，空压机排压
能耗相差%
单层 双层 三层 多层
浴式主冷节能原理 .
——降低液氧液位 .
——降低空压机排压
四、空分设备流程发展方向
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四、空分设备流程发展方向
3.用液体膨胀机代替高压节流阀
用液体膨胀机代替传统的高压节流阀来降低能耗。在大
型内压缩流程空分设备中,有一股从高压板翅式换热器冷端出
来的高压液空,这股液空需要被送入下塔参与精馏。传统的做
法是这股高压液空通过一个节流阀被节流到下塔压力后再进入
下塔[16], 。
而现在用液体膨胀机代替高压液空节流阀,产生的优势为
:
(1)利用液体膨胀机制冷和膨胀功发电达到节能的目的。
(2)液体膨胀机在膨胀过程中,膨胀后的液体焓值会降低。
采用液体膨胀机膨胀与高压液体节流相比,膨胀后的气体温度
更低,汽化率更小,也更有利于下塔的精馏,提高装置的氧提取率。
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四、空分设备流程发展方向
4.自动变负荷技术将推广应用
由于钢铁企业存在着用氧不均衡的状况,而空分设备生
产又必须连续运行,因此就出现了钢厂用氧量减少时大量氧
气被放空的现象,造成能源的巨大浪费[17], 。特别是随着空分
设备超大型化,空分设备的设计能力与需求量之间的矛盾更
加突出[18], 。同时,随着市场竞争日益激烈,企业对成本的控
制越来越严格,降低氧气放散率成为降低制氧成本的关键,而
自动变负荷系统能够满足用户在75%～ 105%负荷之间的各
个用氧量要求,同时也降低了氧气放散率,使得企业效益显著
提高。用户对自动变负荷技术的需求会增加,该项技术将会
被推广应用[19], 。
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主冷凝器主冷凝器
液氧储槽液氧储槽
贫氪塔精馏 加压汽化加温加压汽化加温
催化脱甲烷催化脱甲烷
分子筛脱水脱碳分子筛脱水脱碳粗氪塔精馏粗氪塔精馏
液氧源（含贫氪氙）
粗氪氙
4、稀有气体提取系统流程
四、空分设备流程发展方向
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空分发展总结
截至目前，现代空分装置工艺流程具有以下基本特点: 分子筛吸
附净化，规整填料塔，液氧内压缩工艺，全精馏无氢制氩，集散控制系
统调控[20], 。
国产空分设备的氧气、氮气产品纯度以及氧气、氩气提取率等项工
艺指标均达到国际同行的水平，但在能耗方面仍存在差距，以杭氧60
000m3/ h 空分装置为例，其制造 1 m3O2的电耗为0. 38 k W · h，而
国际先进技术能耗水平为 0. 28～ 0. 30 k W · h [21], 。国产设备的
优势在于成本相对较低，且拥有自主知识产权，有效地突破了国外的技
术垄断与封锁，具有一定的市场竞争力。
四、空分设备流程发展方向
第54页 2022/6/26 制冷与低温工程系
参考文献
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参考文献
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制冷与低温工程系
叶恒扬
