空气中的主要成分是氧气和氮，它们分别以分子状态存在。分子是保持它原有属性的最小颗粒，直径在10^-8cm,而分子的数目非常多，并且不停地在作无规则运动，因此，空气中的氧、氮等分子是均匀地相互混合在一起的，要将它们分离开始较困难的。目前主要有三种分离方法：（1）低温法（2）吸附法（3）膜分离法

空气分离的基本原理，是利用液化空气中各组份沸点的不同而将各组份分离出来，要达到这个目的，空分装置的工作包括下列过程：

  (1) 空气的过滤和压缩

  (2) 空气中水份和二氧化碳的清除

  (3) 空气被冷却到液化温度

  (4) 冷量的制取

  (5) 液化

  (6) 精馏

  (7) 危险杂质的排除

2.1.1 空气的过滤和压缩:

大气中的空气先经过空气自洁式过滤器过滤其灰尘等机械杂质，然后在空气透平压缩机中被压缩到所需的压力。压缩产生的热量被冷却水带走。

2.1.2 空气中水份和二氧化碳碳氢化合物的清除:

加工空气中的水份和二氧化碳若进入空分设备的低温区后，会形成冰和干冰，就会阻塞换热器的通道和塔板上的小孔。因而配用分子筛吸附器来预先清除空气中的水份和二氧化碳，进入分子筛吸附器的空气温度约为～21℃。分子筛吸附器成对切换使用，一只工作时另一只在再生。

2.1.3 空气被冷却到液化温度:

空气的冷却是在中压换热器I、中压换热器II中进行的，在其中循环空气被来自膨胀后的返流空气和返流气体冷却、增压空气被来自膨胀后的返流空气和返流气体冷却到超临界状态。与此同时，冷的返流气体被复热。

2.1.4 冷量的制取:

由于绝热损失、换热器的复热不足损失和冷箱中向外直接排放低温流体，分馏塔所需的冷量是由空气在高、低温膨胀机中等熵膨胀和等温节流效应而获得的。

2.1.5 液化

在起动阶段，加工空气在中压换热器I、中压换热器II和过冷器中与返流冷气流换热而被部分液化。在正常运行中，氮气和液氧的热交换是在冷凝蒸发器中进行的，由于两种流体压力的不同，氮气被液化而液氧被蒸发，氮气和液氧分别由下塔和上塔供给，这是保证上、下塔精馏过程的进行所必需具备的条件。(注:起动时，大部分气体也是在主冷中被冷却至液化温度而被液化的)。

2.1.6 精馏

空气中主要组份的物理特性如下表1.1和表1.2

 表 1.1

 

表1.2

空气中99.04%是氧气和氮气，0.932%是氩气,它们基本不变。氢、二氧化碳和碳氢化合物视地区和环境在一定范围内变化。空气中的水蒸汽含量随着饱和温度和地理环境条件影响而变化较大。水蒸汽和二氧化碳具有和空气大不相同的性质，在大气压力下,水蒸汽达到0℃和二氧化碳达到-79℃时,就分别变成冰和干冰,就会阻塞板式换热器的通道和筛板上的小孔。因此这些组份必须在空气进冷箱前除去。空气中的危险杂质是碳氢化合物，特别是乙炔。在精馏过程中如乙炔在液空和液氧中浓缩到一定程度就有发生爆炸的可能，因此乙炔在液氧中含量规定不得超过0.1PPm，这必须予以充分的注意。稀有气体中的不凝性气体如氖氦气，由于其冷凝温度很低，总以气态集聚在冷凝蒸发器中，侵占了换热面积，而影响换热效果，因此也要经常排放。

分离过程可获得相当产量的高纯度产品。空气的精馏是在氧—氮混合物的气相与液相接触之间的热质交换过程中进行的，气体自下而上流动，而液体自上而下流动, 该过程由筛板(填料)来完成。由于氧、氮组份沸点的不同，氮比氧易蒸发，氧比氮易冷凝，气体逐(段)板通过时，氮浓度不断增加，只要有足够多的塔板(填料)，在下塔顶部可获得高纯的液氮，反之液体逐板(段)通过时,氧浓度不断增加，在下塔底部可获得富氧液空，在上塔底部可获得高纯度液氧。

上升气体和下流液体在塔板(填料)上的热质交换过程可从图1.1中理解：进入某一段塔板(填料)上的上升气体在A点的温度T2比在相同成份下的液体的B点的温度T1高，随后的平衡将发生在T1与T2间垂直线上的C点(温度T3)，但在T3温度下，只有具有比B点氧浓度更高的液体E点和比A点氧浓度更低的气体D点才能平衡，这样氧组份在下流液体中聚集，而氮组份在上升气体中富集，通过足够多塔板(填料)的分离，最后可得液体为纯氧，气体为纯氮。

在下塔中空气被初次分离成富氧液空和氮气，液空由下塔底部抽出后经节流送入和液空组份相近的上塔某段上，一部分液氮由下塔顶部抽出后经节流送入上塔顶部，液空和液氮在节流前一般先在过冷器中过冷。空气的最终分离是在上塔进行。产品液氧是由上塔底部抽出，同时，另一部分液氧经液氧泵压缩送入换热器汽化后,以产品高压氧气输出，氮气由上塔顶部抽出。而产品液氮由下塔顶部抽出，并通过过冷器过冷后送出。

低温全精馏制氩(无氢制氩)的所有设备均置于空分设备的保冷箱内，粗氩塔Ⅰ、粗氩塔Ⅱ(因粗氩塔太高故分成两段)、纯氩塔均为填料塔。在粗氩塔Ⅰ内，气态氩馏份沿填料盘上升，由于氧的沸点比氩高，故高沸点组分氧被大量地洗涤下来，形成回流液返回上塔。粗氩塔Ⅱ底部粗液氩返回粗氩塔I上部作回流液。因此上升气体中的低沸点组份(氩)含量不断提高，最后在粗氩塔Ⅱ顶部得到含氧≤2PPM,含氩98～99%的粗氩气，粗氩气在粗氩冷凝器中被液空冷凝成粗液氩。

由于氮的沸点(-195.78℃)与氩的沸点(-185.7℃)相差较大，因此含氮量约为1～1.5%的粗液氩在纯氩塔中得到进一步分离，最后在纯氩塔蒸发器底部得到99.999%Ar以上的纯氩产品。

    2.1.7 危险杂质的排放:

空气中的危险杂质是碳氢化合物，特别是乙炔。在精馏过程中如乙炔在液空和液氧中浓缩到一定程度就有发生爆炸的可能，因此乙炔在液氧中含量规定不得超过0.1PPm，这必须引起充分的注意。

在冷凝蒸发器中，由于液氧的不断蒸发，将会有使碳氢化合物浓缩的危险，但是只要从冷凝蒸发器中连续排放部分液氧就可防止浓缩。

现场核对为准确

2.3.1 液氧和液氮的生产

原料空气从空气吸入塔入口吸入，经自洁式空气过滤器AF除去灰尘及其它机械杂质，空气经过滤后在离心式空压机（原料、循环一体机）TC中的原料段经压缩至0.51Mpa左右。经空气冷却塔AC预冷，冷却水分段进入冷却塔内，下段为循环冷却水，上段为经水冷塔WC冷却后的水，空气自下而上穿过空气冷却塔，在冷却的同时，又得到清洗。空气经空气冷却塔冷却后，温度降至～21℃，然后进入切换使用的分子筛纯化器MS1201（或MS1202），空气中的二氧化碳、碳水化合物及残留的水蒸气被吸附。分子筛纯化器为两只切换使用，其中一只工作时，另一只再生。纯化器的切换周期约为240分钟，定时自动切换。

空气经净化后，由于分子筛的吸附热，温度升至26℃～28℃。这股空气与膨胀后通过中压换热器Ⅰ（E1）、中压换热器Ⅱ（E2）复热的空气混合，经离心式空压机TC中的循环段压至2.75 Mpa，再分成两股。其中一股经高、低温膨胀机的增压机增至4.687 Mpa进入冷箱，经中压换热器Ⅰ冷却至-173℃后，再次分成两股。一股进入低温膨胀机膨胀后进入下塔，另一股继续在中压换热器Ⅱ中被返流气体冷却液化节流后进入下塔。而另外一股压力为2.75 Mpa的中压空气，经中压换热器Ⅰ冷却至-23℃，进入高温膨胀机膨胀，膨胀后的空气与从下塔返抽经中压换热器II的空气在中压换热器I中汇合,再复热后出冷箱，进入离心式空压机TC中的循环段作为循环空气。

在下塔中，空气被初步分离成氮和富氧液体空气，顶部气氮在主冷凝器K1中液化, 同时主冷的低压侧液氧被气化。部分液氮作为下塔回流液，另一部分液氮从下塔顶部引出，经过冷器E4被纯氮气和污氮气过冷并节流后送入上塔C2顶部。污液氮（含氧量为19.45% O₂）经过冷器E4过冷后，再经节流送入上塔C2上部。液空在过冷器E4中过冷后经节流送入上塔C2中部作回流液。