深冷技术在空气分离设备设计中的应用

日期:2018/12/13类型:技术文章

  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。

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