【摘要】：作为空气的重要组成成分，氧气是人类生存、工业生产中必不可缺的气体。在工业生产中，为了提高产品质量以及生产效率，大量氧气被用在生产当中，所以为了满足所需的氧气使用量，如何制备氧气至关重要。本文首先对深冷空气分离法以及其在制氧中的特点进行分析，然后详细分析其在制氧系统中的应用。
【关键词】：深冷空气分离法；制氧特点；制氧系统
引言
空气成分中，氧气含量大概为21%，是空气成分含量的第二位，仅次于氮气。氧气关乎着地球上所有生物的生存问题，在工业时代，氧气也推动了工业的发展。所以，如何制备氧气，获取高浓度的氧气，成为科学领域内的重要课题。
1、深冷分离技术
深冷分离技术是一种利用混合气中各气体的相对挥发度(沸点)的不同，依靠气体透平膨胀制冷并通过精馏、分凝等手段达到气体分离目的低温分离工艺。通常把常规的深冷分离工艺和深冷分凝分离工艺都归类为深冷分离法。常规深冷分离工艺是将气体压缩冷却液化后，依据原料气中不同气体的相对挥发度的差异，进行低温精馏使气体得到分离，其最早由林德教授于1902年率先提出。深冷分离技术的缺点在于气体压缩的功耗和冷却的能耗很大，为克服深冷分离高能耗的缺点，国内外相关研究机构做了大量研究，成功开发了深冷分凝器分离工艺及ARS分离工艺。其中美国的Stone&Webster公司于20世纪90年代初开发了分凝分馏器-ARS技术(Advanced Recovery System)。这种工艺与常规的深冷分离相比可节约能耗15.0-25.0%，用于分离催化裂化干气中的烃类组分时回收率可达96.0%~98.0%，乙烯回收率可达90.0%~98.0 %。其后，Mobil联合Stone-Webster工程公司共同开发了ARS工艺，将分凝器与涡轮膨胀机相结合，新装置实现传热、传质同时进行，降低20.0%左右能耗，并且具有预处理简单、提纯效果好等优点。在一代ARS技术的基础上，Stone&Webster公司成功 开发了改进装置——HRS(热集成精馏系统)，推出了第二代ARS技术，进一步提高了传热效率，节约了设备投入、降低了能耗。
对于低碳烯烃及氢气的分离，通常需在-100℃情况下才能实现深冷分离，因此制冷耗能巨大。而且这一技术动力设备繁多，流程复杂，设备投资大。适用于大规模的乙烯生产，原料中的乙烯含量至少大于30.0%，对于乙烯含量少的催化裂化干气回收，采用该技术的可能性很小。从经济性角度考虑，此技术适用于干气来源充足的地区，如炼厂较为集中的地区和炼油-化工一体化地区。
2、深冷空气分离制氧的特点
氧气的沸点为-183℃，氮气的沸点为-196℃，在深冷分离法制氧中，首先对空气压缩使其液化，然后利用两种气体沸点的差异，进行氧气与氮气的分离，深冷法制氧具有以下特点：
2.1对材料要求高
在空气的液化中，主要利用体积的压缩和热交换的方式。所以，要求低温设备材料具有较高的耐压能力，同时为了避免焊缝出现裂缝造成安全事故，对设备的接口焊接质量有较高的要求，一般设备的材料多选择合金材料。另一方面，为了避免外部热源进入，设备选择的材料应该安装保冷箱，且保冷箱的填充物要选择热传导比较差的材料，管道要使用热绝缘性好的材料包裹。另外，在设备及管道材料的选择上，应该避开碳钢，由于碳钢属于脆性材料，承压能力弱，当容器或者管道内部压力大的时候，可能出现脆性破坏，造成安全事故。
2.2 杂质组分易产生问题
空气成分复杂，除了氧气和氮气之外，还有二氧化碳、水蒸气以及尘埃颗粒等，对深冷分离有一定的影响，特别是CO2和气态水，凝点高，在氧气液化之前，就已经凝固，容易引发管道及阀门的阻塞，造成精馏阶段液态氧不能顺利流出。
2.3设备工艺标准高
使用深冷法制氧，不同工艺阶段温差大，所以，对设备要求较高，要求有较高的承压能力，且具有较好的热胀冷缩性能，特别是接口、阀门的位置，合理进行焊接，并保证焊缝质量。另外，为了避免设备及管道内部压力急速上升造成爆炸，应该提前做好预防措施，并制定应急预案，做好安全防护，避免造成人员伤亡。
2.4 安全要求高
氧气是良好的助燃剂，所以制氧车间不能有易燃易爆物质，比如木材、焦炭或其他易燃物质等等在被液氧浸润过之后，只要外界有明火、火星或者发生撞击，这些物质就有可能被引燃，然后迅速发展成火灾，甚至引发爆炸事故。最后。对制氧系统的废气排放口，要按照规范规定合理设置，不能正对厂房、人员或者有杂物堆放的位置。
3、深冷空气分离法在制氧系统中的应用
空气深冷液化分离法如图1所示。
图1 深冷液化分离法制氧流程简图
按图1，将空气原料导入空气过滤器进行净化，经过压缩机，将净化后的空气加压至0.8 MPa，然后再导入空气分离装置，产生氧气。由于空气中氧气含量一定，所以利用深冷空气分离法制氧，也只能与导入空气量成比例的制氧。
根据图1，在深冷法制氧中，利用鼓风机对空气原料进行加压处理，然后导入氧气分离膜装置。氧气分离膜装置由氧气穿透膜及其两侧，也就是第1室和第2室组成。氧气穿透膜的材料组成是醋酸纤维素和硅胶，具有较强的渗透性。在氧气分离中，氧气通过氧气穿透膜，并在其两侧施加分压差，氧气从压力高的一侧渗透到压力较低的一侧。如此循环，利用鼓风机可以将大量的空气进行处理，得到含氧量较高的空气。由于氧气穿透膜对空气流起着反作用，在时候，在氧气穿透膜的第1室，送入更多的空气量，是为了限制空气流量。这样得到的富氧空气与以往相同，然后利用压缩机，将这部分空气加压到0.8MPa左右，将加压处理的空气导入空气分离装置，就可以完成整个深冷分离过程。
按照以上工序进行制氧，利用样器分离膜对原料空气进行处理，得到氧气含量较高的空气，然后将这部分空气作为原料气导入空气分离装置，用于氧气的制备，能够提高制氧产量，提高制氧效率。在该工艺中，由于有富氧空气可供给变压吸附空气分离装置，大大提高了制氧产量，氧气制取率也会提高。另一方面上述装置的氮气吸附塔的吸附时间会延长，吸附塔的净化再生时间会缩短，因而吸附塔实现了小型化。
结语
综上，使用气体分离膜对原料空气进行处理，可以提高氧气浓度，同时将其送入分离工序，大大提高了氧气提取率，还能够适当降低生产成本。在气体分离膜分离中，实现了分离装置的小型化，降低设备成本。由于气体分离膜本身具有过滤作用，减少了空气过滤工序，提高了分离效率。
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