深冷技术在空气分离设备设计中的应用

　　空气分离技术起源于1985年与1903年德国卡尔·林德教授创造的第一套空气液化设备及10 m3/h（氧）空气分离设备，在其100多年的发展历程中，随着新型技术的不断发展，空气分离设备及技术得到了极大的发展，深冷分离技术在空气分离出现最早的一种技术，经人们的不断研究及革新，在工业生产实践及设备更新中愈加成熟，在国民经济发展中的应用范围也随之更加广泛。

　　1 深冷技术的概念

　　深冷技术是指采用冷媒介质作为冷却介质，把淬火后的金属材料的冷却过程继续下去，达到远低于室温的某一温度（-196 ℃），进而实现金属材料性能发送的目的。近年来，随着空气分离设备设计的不断发展，作为金属工件性能发送的新型工艺技术，深冷技术是现阶段最有效、最经济实用的技术。

　　在深冷加工中，金属里残余的大量奥体转化为马氏体的形式，尤其是从-196 ℃到室温的过程中过饱和的亚稳定马氏体的过饱和度会下降，析出弥散，超微细碳化物其与基体保持共格关系，电流只有20～60 A，这种现象的产生可以减少马氏体晶格畸变，降低微观应力，在材料塑性变形中细小弥散的碳化物可以对位错运动造成阻碍，进而起到基体组织强化的作用。与此同时，析出超微细碳化物颗粒后要在马氏体基体上进行均匀分布，对晶界脆化作用进行有效减弱，细化基体组织不仅可以对杂质元素在晶界的偏聚程度进行有效减弱，还可以充分发挥晶界强化的作用，进而对工模具性能进行极大改善，提高其硬度、抗冲击韧性及耐磨性。深冷技术的应用不仅体现于工作表面，还在工件内部进行渗入，展现的是整体性效果，基于此，可以对工件进行重模，多次使用。在工件方面，深冷技术的应用还可以对淬火应力进行有效降低及起到尺寸稳定性增强的作用。

　　2 空气分离设备的含义

　　随着社会经济的迅速发展及科学技术的不断进步，在空气分离研究等行业的发展中，其装备发展已呈现出大型化的趋势，对空气分离设备配套的要求也越来越高。现阶段，在空气分离设备自主化发展中我国的水平等级已达6万等级，与世界先进水平十分接近。2002年，杭氧的3万等级国产空气分离设备在宝钢集团成功运转，使得我国空气分离设备的竞争力得到了极大的提升，促使国产大型空气分离设备成功对国内市场进行了大范围地占领。

　　3 深冷技术在空气分离设备设计中的应用

　　空气深冷分离工艺是采用多塔低温精馏的方式，从压缩空气中制取高纯度的氧、氮等产品。目前在空气分离设备设计中主要有两种存在形式，第一种是常温空气分离设备，这种设备主要是在常温及非低温的状态下进行的，这种常温空气分离设备又可以分为两种不同的形式：变压吸附分离与膜分离。这里要进行分析的就是另一种空气分离设备设计形式，深冷空气分离，这种设备主要应用于温度非常低的情况下。在20世纪50年代，为提升我国国防力量，满足国防需求，我们的深冷空气分离技术及设备都是从苏联引进和仿制，当时仿制的企业为杭州铁工厂。在1953年左右时，我国才成功仿制出了属于自己的深冷空气分离设备。直至今日，我国的空气分离技术及设备制造水平已经得到了极大的发展，并为国民经济的增长贡献着自己的一份力量。目前，深冷空气分离技术主要应用于以下几方面。

　　3.1 压缩空气净化组件

　　压缩空气净化组件主要的组成成份有高效除油器、冷冻式干燥机、精密过滤器及活动性过滤器。首先空气要在空气压缩机里进行压缩，再在空气缓冲罐中进行作业，然后经过高效除油器将大部分的杂质进行有效去除，杂质主要包括油、水及尘等，在水分进一步去除中可以采用冷冻式干燥机进行，再次进行去油、去尘时可以选用精密过滤器实施操作，最后选用活性炭过滤器进行更深层次地去油工作。

　　3.2 空气缓冲罐

　　空气缓冲罐组件主要的构成成份有空气缓冲罐与附属阀门仪表。空气缓冲罐在空气分离设备设计中起到的主要作用就是缓冲，对气流脉动起到有效降低。进而使系统压力波动得到降低，使压缩空气能够顺利在压缩空气净化组件中通过，最大限度地将尤、水等杂物进行有效排除。与此同时，在进行吸附塔工作切换过程中，还可以帮助氧氮分离系统在极少时间中得到大量所需的压缩空气，这种技术的应用，可以可以帮助吸附塔中的压力进行迅速上升并达到工作压力，还可以确保机械设备运行的可靠性与稳定性。

　　3.3 氧氮分离系统

　　构成氧氮分离系统组件主要的成份有吸附塔、压紧装置、附属阀门与仪表电器。选用复合床结构设计中的吸附塔，主要分为两种塔：A塔与B塔，将进口碳分子筛填装进塔内（为提高碳分子筛装填的均匀性可以选用伸展扭转式振动填充方式进行操作）。清洁的压缩空气要先从A塔入口端在碳分子筛的作用下流向出口端，这个时候被其吸附的主要成分有氧气、二氧化碳及水，在吸附塔出口端流出的只有产品氮气。经过时间的不断推移，当A塔内的碳分子筛吸附达到饱和前将会出现自动吸附停止的现象，在B塔中流入清洁压缩空气在进行吸氧产氮，并进行A塔分子筛的再生。通过将吸附塔快速降低到常压脱附的氧气、二氧化碳就水来实现分子筛的再生。在进行A、B塔交替吸附塔再生时，不仅可以促使氧氮分离的完成，还可以不断产生氮气。

　　3.4 氧氮缓冲系统

　　氧氮缓冲系统组件主要的构成成份有氮气缓冲罐、精密过滤器、流量计、调压阀、放空部件等，氮气缓冲罐主要是将氮氧分离系统中分离出来的氮气压力及纯度进行均衡作用，确保氮气的稳定性并保障连续供给。与此同时，在进行吸附塔切换工作之后，将自身的一些气体进行吸附塔回充作业，这种方式可以有效起到提升吸附塔压力的作用，还能起到对床层的有效保护，在空气分离设备工作时还能起到极大的保护作用。最后进行再次过滤，主要采用精密过滤器进行工作，这样可以最大限度地确保氮气的质量。

　　作为一种传统的制氮方式，深冷空气分离制氮已经有几十年的发展历程。这种方式主要以空气作为原料，为使空气液化变为液体空气，必须进行严格的压缩、净化，并进行热交换。液体空气主要构成的混合物分两部分组成：液态氧气与液态氮气，通过两者不同的沸点进行液态空气的精馏，将两者进行有效分离并获取氮气。在整个工作操作中深冷空气分离制氮设备及过程十分繁杂，需要占用大范围的土地面积，基础建设成本很高，气体产生的速度很慢，在安装过程中，具有较高要求及较长工作周期。对深冷空气分离设备、安装与基层建筑等方面的因素进行综合分析，当设备低于3 500 N m3/h时，规格一样的PSA装置与深冷空气分离装置在成本投资方面相比，要低出20%～50%之间。在经济适应方面，深冷空气分离制氮装置并不适应中、小规模的工业制氮，主要适应于规模较大的工业制氮。