深冷技术在空气分离设备设计中的应用

　　1 深冷技术的概念

　　深冷技术又称超低温技术，是指温度在-130℃～-196℃的低温技术，是利用冷媒介质作为冷却介质，将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℃），从而达到发送金属材料性能的目的。深冷处理能够有效提高金属材料的机械性能和使用寿命、稳定尺寸、改善均匀性、减小变形[1]，此外，还能改善金属材料的导电性、导热性等物理性能。深冷技术是近年来兴起的一种发送金属工件性能的新工艺技术，是目前最有效、最经济的技术手段。在深冷加工过程中，金属中大量残余奥体转变为马氏体，特别是过饱和的亚稳定马氏体在从-196℃至室温的过程中会降低过饱和度，析出弥散、尺寸仅为20～60A并与基体保持共格关系的超微细碳化物，可以使马氏体晶格畸变减少，微观应力降低，而细小弥散的碳化物在材料塑性变形时可以阻碍位错运动，从而强化基体组织。同时由于超微细碳化物颗粒析出后均匀分布在马氏体基体上，减弱了晶界脆化作用，而基体组织的细化既减弱了杂质元素在晶界的偏聚程度，又发挥了晶界强化作用，从而改善了工模具的性能，使硬度、抗冲击韧性和耐磨性都显著提高。深冷技术的改进效果不仅限于工作表面，它渗入工件内部，体现的是整体效应，所以可对工件进行重磨，反复使用，而且对工件还有减少淬火应力和增强尺寸稳定性的作用。

　　2 空气分离设备的分类及含义

　　空气分离设备是由多种机械和设备组成的成套设备，常按空气压力来分类。常用的有高压、中压和低压3种.选择设备类型时应考虑产品种类、容量和纯度的要求，以及电耗、安全连续运转周期等因素。低压设备由于电耗低、连续运转周期长、经济效益高，被广泛采用。

　　到50年代，由于吹氧炼钢和高炉鼓风工艺的推广应用以及氮肥工业的迅速发展，空气分离设备向大型化发展，并应用了近代的科研成果，如采用透平压缩机、透平膨胀机、板翅式换热器、微型计算机和分子筛吸附器等设备之后，空气分离设备不断得到改进和完善，设备中的空气压力从高压（20兆帕）降到低压（小于1兆帕），单位产品的电耗也逐渐下降（每立方米氧的电耗从1.5降至0.6千瓦·小时）。现代空气分离设备能生产各种容量、不同纯度的气态或液态产品，也能制造超高纯度的氧和氮空气分离设备还能根据用户的需要，通过电子计算机的控制，随时增减产品的数量，达到经济用氧的目的。到80年代，大型空气分离设备的氧气生产能力已达到70000米（/时；空气压力下降到0.36兆帕；连续运转周期可达2年以上。

　　经济的发展带动了工业化的进程。我国在近年来高速发展的经济也让相关的产业发展的脚步速度加快。相比而言，国内的很多行业也走向了大型化道路。现阶段，我国的空气分离设备已经处于世界领先水平。而深冷技术基体组织细化也发挥了晶界强化的作用。此外，在国内市场上，我国的大型空气分离设备在市场中的占有率同样非常高，无论是出口还是内销的金额数量都是非常大的。

　　3 深冷技术在空气分离设备设计中的应用

　　空气分离设备设计主要分为两种，一种是在常温或者说是非低温的情况下进行的，通常叫做“常温空分”，而“常温空分”又分为“变压吸附分离”和“膜分离”两种。另外一种是在非常低的温度下进行的，通常叫做“深冷空分”。深冷空分设备的构成如下。

　　3.1 氧氮分离系统

　　由吸附塔、压紧装置、附属阀门及仪表电器组成。采用复合床结构设计的吸附塔分A、B两塔，塔内填装进口碳分子筛（采用伸展扭转式振动填充法使碳分子筛装填更加均以）。洁净的压缩空气首先从A塔入口端经碳分子筛向出口端流动，此时O2、CO2、H2O被其吸附，产品氮气由吸附塔出口端流出。经一段时间后，A塔内的碳分子筛吸附达到饱和前自动停止吸附，洁净的压缩空气流入B塔进行吸氧产氮，并对A塔分子筛进行再生。分子筛的再生是通过将吸附塔迅速下降至常压脱附的O2、CO2、H2O来实现的。两塔交替进行吸附塔再生，即完成氧氮分离，连续产出氮气。

　　3.2 氧氮缓冲系统

　　氧氮缓冲体系包括过滤器、流量计、压力调节阀、氮气缓冲罐几个部分组成。氮气缓冲罐的作用在于，当分离系统能够产出氮气时，氮气缓冲罐可以起到连续供给和稳定氮气质量的作用。而当吸收塔在运行时，也可以让其中的一部分气体回到吸收塔内，不仅可以起到一定程度上的保护作用，也可以提升塔内压力，目的都在于维持氮气的质量。这些所有的技术与工艺融合后，就成为了一种非常有效的氮气制作方式。在长期的发展过程中利用空气作为材料，然后经过净化和压缩的过程，并获得氮气。这种工艺有效，且优势明显，比如工作效率非常高、设备的使用周期比较长。采用气流控制技术和分子筛装填技术，最大限度地减小了气流对分子筛的冲击，降低了分子筛的磨损，寿命更长。但与此同时，也存在着一些局限性：制氮设备所需要的成本相对较高，因为需要占用非常广阔的面积来容纳运行的设备；在安装和配备的要求上也相对困难。因此，这种设备的投资规模一般也比较大，适合于一些大型的企业。针对于一些小型的企业而言，这种方式会显得成本消耗过高，不利于企业自身的可持续发展。

　　3.3 空气缓冲罐

　　缓冲罐主要由于各种系统中缓冲系统的压力波动，主要目的在于让系统的工作能更加平稳。缓冲罐的介质在空气分离设备中是气体，按照结构可以分为隔膜式和气囊式两种。这一设备主要用于中央空调、锅炉、供水设备等大型设备当中。當系统内的压力变化，缓冲罐的气囊也会同样变化。在这一过程中，压缩空气可以利用净化设备减少内部存在的油、水等杂质，并提供必要的压缩空气，进一步保证设备的稳定性。

　　3.4 压缩空气净化组件

　　由高效除油器、冷冻式干燥机、精密过滤器和活动性过滤器组成。空气经空压机压缩机后，首先进入空气缓冲罐进行缓冲，然后进入高效除油器除去大部分的油、水、尘等杂质，再经冷冻式干燥机进一步除水，经精密过滤器除油、除尘，最后进入活性炭过滤器进一步除油。