1 深冷空分工艺流程

原料空气首先被空气压缩机加压至0.7至0.85MPa的高压状态，随后这股高压空气进入预冷机组，经历降温至5至10℃，有效脱除了其中大部分水分。接着，空气流转至深冷纯化器，通过吸附作用进一步清除残余的水份、二氧化碳及碳氢化合物，确保气体纯度。之后，空气进入膨胀机，利用膨胀制冷原理为整个系统提供必要的冷量。

在分馏塔的主换热器中，这股已冷却的空气与回流的氧气、氮气及污氮气进行热交换，空气被进一步冷却至接近液化点，同时回流气体则被加热至环境温度。为提升分离效率，氮气还会在过冷器中预先冷却即将进行节流的液态空气与液氮。最终，空气进入精馏塔进行精细分离，上塔顶部产出高纯度的氮气产品，而上塔底部则收集到纯净的氧气产品。整个过程实现了从原料空气到高纯度氮氧产品的有效转化。

1.1  动力系统

空分设备的核心在于原料空气压缩机，它作为整个系统的能量输入源头，驱动着氧、氮等产品的低温分离过程。这一过程实质上是一个能量转换的典范，即将电能或机械能转化为分离空气所需的能量。尤为显著的是，在空气分离所消耗的总能量中，原料空气压缩机的能耗占据了压倒性的比例，凸显了其在整个空分工艺中的关键地位与重要性。简而言之，原料空气压缩机不仅是空分设备的动力心脏，也是实现高效能量转换与气体分离的关键环节。

1.2  净化系统

空气预冷系统（简称空冷系统）与分子筛纯化系统（纯化系统）共同构成了空分设备的关键预处理环节。面对压缩后温度升高的原料空气，空冷系统采用高效的接触式换热技术，有效降低了空气温度，并在此过程中清除了其中的酸性物质及其他有害杂质，为后续的纯化过程奠定了良好基础。紧接着，分子筛纯化系统接过接力棒，利用其独特的吸附性能，进一步深度清除空气中的水分、二氧化碳、乙炔、丙烯、丙烷、重烃以及氧化亚氮等潜在的有害成分，确保进入空分主体设备的空气纯净无虞，从而保护并优化了空分设备的整体运行效能。

1.3  制冷系统

深冷空分设备的核心制冷机制在于膨胀制冷，其整体运行严格遵循经典的制冷循环原理。然而，在探讨空分设备的制冷系统时，我们通常聚焦于膨胀机这一关键组件，它不仅是制冷过程的主要执行者，也是实现低温分离效果的决定性因素。因此，可以说膨胀机是空分设备制冷系统中最为核心且常被提及的组成部分。

1.4  热交换系统

深冷空分设备巧妙地平衡热量，这一过程由制冷系统与热交换系统协同完成。随着科技进步，热交换器的设计也迈上了新台阶，当前主流采用铝制板翅式结构，这一创新不仅提升了换热效率，还增强了设备的整体性能。

1.5  精馏系统

深冷空分设备的精髓，即实现低温高效分离的关键，在于其独特的精馏系统。该系统普遍采用先进的高低压两级精馏技术，其核心构成包括低压塔、中压塔以及精密的冷凝蒸发器。这些组件协同工作，共同确保了空气成分的精确分离与提纯。

2 深冷空分正流膨胀制氮

图1 深冷空分正流膨胀制氮

空气正流膨胀流程特别适用于氮产品需求压力相对较低（例如不高于0.2MPa）的场合。此流程设计精妙，原料空气经过除尘、压缩、预冷及净化等预处理后，被巧妙地一分为二。一股空气进入主换热器，利用返回的污氮气进行热交换，降温至适宜温度后，从中间抽出进行膨胀处理，膨胀后的空气随即进入氮塔底部，参与精馏过程。而另一股空气则继续在主换热器中冷却至饱和点，随后直接通过节流阀进入氮塔，同样参与精馏。如图1所示。

在氮塔顶部，高纯度的氮气被成功分离出来，而底部富含氧气的液态空气则经过节流后流入冷凝蒸发器的蒸发区，其作用是冷凝来自氮塔顶部的氮气蒸汽。与此同时，冷凝蒸发器顶部排出的富氧空气直接进入主换热器的冷端，与正向流动的空气进行热交换，回温至常温后离开冷箱系统。这部分富氧空气中，一部分被用于分子筛吸附器的再生操作，以维持其净化效能，剩余部分则直接排放至大气中。

至于从氮塔顶部收集的产品氮气，它会在主换热器中进一步复热至常温状态，随后离开冷箱系统，直接供给用户使用。整个流程设计紧凑高效，既满足了低压力氮气的生产需求，又实现了能量的最大化利用。

3 反流膨胀制氮

图2 反流膨胀制氮

深冷空分返流膨胀流程专为那些对氮产品压力有特定要求（如高于0.2MPa）的用户而设计。此流程中，原料空气首先经过严格的去尘、压缩、预冷及净化处理，随后进入主换热器。在主换热器中，空气被来自冷凝蒸发器并回流的污氮气冷却至饱和状态，并携带一定量的湿气，之后这股冷却后的空气流入氮塔底部，参与精馏过程。如图2所示。

在氮塔顶部，工艺实现了液氮与氮气的双重产出。与此同时，氮塔底部的富氧液态空气则通过节流阀进入冷凝蒸发器的蒸发区域，用于冷凝氮塔顶部产生的氮气蒸汽。

接下来，从冷凝蒸发器顶部排出的富含氧气的空气，其大部分直接进入主换热器的冷端区域，进行初步复热。当达到一定温度后，这部分空气从中间位置抽出，进入透平膨胀机进行膨胀，此过程为整个纯氮生产系统提供了宝贵的冷量。膨胀后的富氧空气随后与另一股经过节流处理的富氧空气混合，再次进入主换热器的冷端，与正向流动的空气进行深度热交换，最终复热至常温并离开冷箱系统。在此过程中，部分复热后的富氧空气被用于分子筛吸附器的再生，以确保其持续高效的净化能力，而剩余部分则直接排放至大气。

至于氮塔顶部引出的氮气产品，它同样经过主换热器的复热处理，升温至常温后离开冷箱，最终供给用户使用。

航烨能源致力于低温制冷系统和深冷空分设备的研发，拥有多项相关专利认证。公司不仅提供高效的制冷解决方案，还针对不同工业需求，设计并优化了深冷空分装置，包括采用先进的氮气压缩制冷和混合冷剂压缩制冷技术，提高了设备的能效和稳定性。