空分装置简介
所谓空分装置，简单地说，就是将空气中主要气体成分实现分离的装置。它是通过将空气深度冷却至液态，由于液态空气各组分沸点各不相同，而逐步分离氧气、氮气和氩气的一套工业设备，当然此外空气还含有一些稀有气体，如氦、氖、氩、氪、氙、氡等；还存在一些杂质，如水分、二氧化碳、粉尘等，这些都是需要分离纯化处理的。对于绝大多数工厂而言，空分装置需要实现的是分离生产出干净的氧气、氮气、氩气等。
为了更好的理解空分装置的目的、原理、概况、工艺等知识，我们先了解下空气成份及其性质：
（备注：温度单位℃）
而要实现纯净气体的分离没那么简单，因为空气中还存在一些杂质需要去除，空气中的主要杂质如下：
空气中主要杂质含量
空分装置基本原理及流程介绍
了解以上知识后，我们再来学习空分装置分离出纯净气体的原理和工艺流程。
原理介绍
1. 空气中主要组成气体为氮气、氧气以及氩气，因此主要分离目的也是得到这三种纯气体。
2. 空气中主要杂质是水分、二氧化碳以及碳氢化合物。
3. 空气的分离，就是除去空气中的有害杂质，并将混合气分离成氮气、氧气以及氩气等“纯”气体。
4. 空分基本原理是由于空气中氮气、氧气以及氩气的泡点（露点、沸点）温度不同，从而通过精馏实现分离。
N2: -195.8℃ ；O2: -183.0℃； Ar: -185.7℃。
5. 精馏过程：在精馏的塔板上，将温度较高的饱和蒸汽和温度较低的饱和液体进行充分接触，则饱和蒸汽将放出热量给饱和液体，饱和蒸汽则部分冷凝，饱和液体吸热而部分蒸发。氧是高沸点组份，因而较多冷凝进入液相；氮是低沸点组份，较多蒸发进入气相。
工艺流程介绍
学习完空分的基本原理后，我们进一步学习空气分离装置的工艺流程。目前空分分离的工艺流程大致为：大气首先经过压缩系统进行初步压缩，接着进入预冷系统初步冷却，然后再进入纯化系统除去一部分水分、二氧化碳等杂质，再经换热系统进一步冷却，随后进入到分馏系统（主要包含膨胀机、冷箱等，而冷箱又含主塔、主冷、液体泵等设备，精馏过程即在该系统完成），最后进入产品气化、压缩、储存等后备系统。
（空气分离过程简图）
（空气分离的一种工艺流程简图）
空分装置系统（或设备）介绍
根据以上空分装置工艺流程介绍，我们可以将空分装置简单得分为以下几个系统：
我们按照空分系统流程对系统或设备进行一一介绍：
压缩系统
空气压缩系统初端有空气过滤器，过滤空气中的机械杂质，主要有自洁式空气过滤器；而压缩目的则是将空气进行预压缩，设备主要有汽轮机、空压机、增压机等。
（1）自洁式过滤器一般随着气量的增大，滤筒数增多，层数也越高，一般2.5万等级以上双层，6万等级以上三层布置；一般单台压缩机需要单独布置过滤器，同时布置在上风口。
（2）汽轮机是高压蒸汽进行膨胀做功，带动同轴叶轮转动，从而实现进行对工质做功的型式。汽轮机一般常用的有三种形式：全凝、全背压和抽凝，较为常用的是抽凝。
（3）空压机一般大型空分装置投资均为单轴等温型离心压缩机，进口较国产能耗低2%左右，投资高80%；空压机采用出口放空，不设置回流管路，一般有最小吸入流量防喘振要求，采用入口导叶进行流量调节，进口国产机组均是四级压缩三级冷却（末级不冷却）。主空压机配备一套水洗系统，用以冲洗各级叶轮和蜗壳表面沉积物。该系统随主机成套。
（4）增压机一般大型空分装置投资采用单轴等温型离心压缩机和齿轮式离心压缩机两种，其中齿轮式在能耗上占较大优势，尤其压比较大的工况。
预冷系统
预冷系统的作用是将空气初步冷却以便下一步纯化除去压缩空气中的水分和二氧化碳、粉尘等杂质。主要设备有空冷塔、水冷塔、冷却水和冷冻水泵等。
预冷系统空冷塔有两种形式：闭式循环（空冷塔分为上下两段，冷冻水在空冷塔上段和水冷塔之间循环）和开式循环（进循环水系统），闭式循环主要应用于水质不好的化工厂，需要补充新鲜水及药剂；开式循环应用较广，但是循环水系统同样也需要定期补充新鲜水，预冷系统还需要考虑夏天工况。
空冷塔一般设计为底部为1米φ76不锈钢鲍尔环（耐高温），3米φ76增强型聚丙烯鲍尔环（大通量），4米φ50增强型聚丙烯鲍尔环。
水冷塔也有两种：两段式（无外加冷源时，干燥污氮气的冷量回收充分，使之预冷系统有保障，但是阻力大一倍，（7米+7米φ50聚丙烯鲍尔环）和一段式（有外加冷源时，8米φ50聚丙烯鲍尔环）。
此外，预冷系统一般所有进水均要设置过滤器（一般6台：4台水泵，水冷塔进水，冷水机组蒸发侧进水），防止杂质带入系统。预冷系统的效果检测为：下段4米填料段出口气比进水低1℃；上段8米填料段出口气比水高1℃，一般在空冷塔中部设置测温计（伸入内部）。
纯化系统
纯化系统的作用是除去空气中的水分、一氧化碳、二氧化碳、氢气和碳氢化合物等杂质，确保空气产品氮气、氧气和氩气的纯度。
纯化系统采用的的吸附器有立式轴向流，卧式双层床和立式径向流三种。
立式轴向流主要用于1万等级（直径已经到4.6m）以下空分设备的配套，床层厚度1550∽2300mm，双层单层均可布置，立式轴向流吸附器的气流分布最好。
卧式双层床主要用于大中型空分设备的配套，床层厚度1150mm（分子筛）+350mm（铝胶）。
立式径向流吸附器可以有效利用容器内部空间，使得同直径吸附层面积扩大1.5倍左右，这样可以有效降低塔器高度，同时立置方式占地面积较小。由于气流分布均匀，不像卧式吸附器气流不均，使得分子筛用量减少20%，再生能耗也节省20%。
但是立式径向流缺点是气流中心集中（扇形区），使得其比卧式穿透时间要快（要求CO2＜0.5ppm）。床层厚度1000mm+200mm，立式径向流可以满足2万等级以上的空分设备的配置。
换热系统
换热系统的目的是将空气进一步冷却，以便进行下一步分馏操作，冷量来源为通过一部分空气经透平膨胀机蒸发而来。进行多股流之间的热交换结构：为多层板翅式，相邻通道间物流通过翅片进行良好的换热使用：对经分子筛吸附除去水和CO2的压缩空气进行冷却，各返流气（液）在此被加热至常温。
换热系统严格来说多股流混合介质设计在同一换热器里，让各介质传热自动平衡，能耗最低，但是这样对于内压缩流程会造成全部换热器均为高压换热器，会造成投资的积聚增加，所以2万等级以上内压缩换热器组织还是采用高低压分开的办法，更为经济些，2万等级以下采用全部高压换热器配置。
分馏系统
分馏系统的目的是将经净化及深度冷却的压缩空气逐级分馏出氧气、氮气、氩气等，主要设备为冷箱(内含主塔、主冷、过冷器、粗氩塔、液氧泵、液体泵等)。
冷箱为方形或圆形的金属结构，一般为空分车间的最高标志设备，冷箱内充填珠光砂以减少冷量损失。冷箱内通过在塔板和填料上发生的精馏作用实现对空气的分离。
馏塔塔体为圆筒型，下塔内装多层筛板筛板上设置溢流斗， 有一个溢流挡板， 并密布小孔， 上塔内装规整填料及液体分布器使用：下塔精馏过程中，液体自上往下逐一流过每块筛板，由于溢流堰的作用，使踏板上造成一定的液面高度，当气体由下而上穿过筛板小孔时与液体接触，产生了鼓泡，这样就增加了气液接触面积， 使热质交换过程高效的进行， 低沸点组份逐渐蒸发， 高沸点组份逐渐液化， 至塔顶就获得低沸点的纯氮， 在塔底就获得高沸点的富氧液空组份。
上塔精馏过程中，气体穿过分布器沿填料盘上升。液体自上往下通过部水器均匀地分布在填料盘上，在填料表面上气、液充分接触进行高效的热质交换， 上升气体中低沸点氧含量不断提高， 高沸点组份氧被大量的洗涤下来， 形成回流液最终在塔顶得到低沸点的纯氮、塔底得到了高沸点的液氧。
储存汽化后备系统
将分馏出的液氧、液氮、液氩进行贮存、汽化、灌充，主要设备有低温液体贮槽、汽化器、充瓶泵、灌充台等。
低压氧氮产品，设置产品调节阀与放空流路，放空进消音器（氮气内件为碳钢，氧气内件为不锈钢）。污氮气设置去水冷塔放空（起污氮气放空作用、调配再生气以及调整上塔压力的作用，要求水冷塔塔径能够满足泄放要求，尤其有氮气也通入的场合，不能使上塔压力憋高，水冷塔阻力6kPa(8米高填料)，管路及阀门4kPa，对大气放空压差2kPa，总共12kPa）。
高压氧气产品，放空采用两级节流，先是高压产品气节流至10barG，经过偏心异径管，中间设置蒙乃尔降噪板，再通过偏心异径管扩大管路直径，氧气介质流速控制在10m/s以下，再通入消声塔节流放空，消声元件不锈钢；高压氮产品，氮气产品先节流至10bar，通过不锈钢降噪板，再通入消声塔节流放空，消声元件碳钢；氧气阀门要求不得人去操作（调节阀禁带手轮，手动阀放置防爆墙内）。
