氧气生产方法、用途
氧气生产方法
(一)空气分离
空气分离制氧采用低温精馏法、常温变压吸附法、膜分离法和吸收法四种方法.
一 低温精馏法已有近 100 年的历史，此法工艺成熟，产品纯度高，在生产气态氧的同时，也能产液态氧，适于大规模生产。变压吸附（PSA）法生产氧始于 1970 年代初期，由于吸附剂和工艺流程的不断改进，在中小规模的生产中，已可与低温精馏法相竞争，但在大规模生产工艺中，在能耗和氧的纯度方面，都无法与低温精馏法抗衡。膜分离法是近年来发展起来的方法，远景看好，目前已有小型装置上市，欲使这种技术真正成熟，还要有一个较长的发展过程。吸收法制氧是 1980 年代以来开发出的一种新工艺，应当说这种方法也适合于大规模生产，但有些技术问题仍待解决。
1 低温精馏法
制取纯氧的单级精馏塔见。空气被压缩至 0.5～1.2MPa，并预先冷却到 133K后送入塔釜盘管，空气在盘管内冷却液化，同时管外的液氧蒸发，作为塔的上升蒸气，管内的压缩空气冷却液化后被导出塔外，节流0.15MPa，约 83K送入塔顶。液体自上而下与自下而上的蒸气接触，进行热质交换，如果塔板数足够多，在塔釜就可获得 98.5～99.5％的液态氧。由于塔顶是以液态空气喷淋的，在塔顶不可能获得纯氮。当液空中氮的浓度为 79％时，塔顶氮的浓度为 93％左右。实际上液空在节流后有一定的汽化率，液空中的氮浓度进一步降低，那么塔顶气相氮的浓度也随之降低。节流后的液空汽化率越大，氧的收率越低，制取纯氧的单级塔氧的收率只有 65％。单级精馏塔结构简单,操作方便,便于自动控制,但不能同时获得氧、氮两种产品，经济性能差。为了同时获得纯度较高的氮和氧产品，可采用双级精馏塔。
现代大型空气分离流程、空气经过滤器(1)滤除机械杂质，进入透平空压机(2)压缩到表压 0.56MPa左右，再经喷淋冷却塔(3)被冷却到 281K，在分子筛吸附器(8)中清除水分和二氧化碳后分成三路，一路供自动控制仪表用，数量很少；另一路经增压(膨胀)机(11)增压至 0.8～0.9MPa(表压),主换热器(13)冷却,( 增压) 膨胀机(11)膨胀制冷后进入上塔中
部；第三路空气在主换热器(13)冷却后进入空分塔(14)下塔进行初步精馏，在底部得到液态富氧空气，中部得到液态污氮，上部得到纯液氮。液态富氧空气经过冷器(15)被返流的污氮气、纯氮气过冷后节流进入空分塔(14)上塔，液态污氮节流后入上塔上部，纯液氮由下塔顶部抽出经过冷器(15)，节流进入上塔顶部。液态空气在上塔再次精馏，在上塔底部得到液氧，平衡气氧经主换热器(13)复热至常温作产品输出。在上塔顶部得纯氮气，经过冷器(15)和主换热器(13)复热至常温作产品输出。上塔上部抽出的污氮气经过冷器(15)和主换热器(13)复热至常温后供
分子筛吸附器(8)再生和冷吹用。
在生产气态氧的大型空分设备中，采用增加透平膨胀机空气量的操作可获得少量液氧，液氧量约占氧产量的 2％～5％。
2.常温变压吸附(PSA)法
其工艺原理及分离过程与变压吸附(PSA)制氮相似。制氧吸附剂
一般为沸石分子筛。沸石分子筛对氮具有选择吸附的特性，所以当原料空气经过分子筛吸附床时，氮被吸附，处于固定相，而氧则是流动相。吸附塔一般为 2～4 塔，可以采用加压吸附、常压解吸，也可以采用常压吸附、真空解吸的流程。
PSA法生产的氧纯度一般为 93％，理想状态也只能达到 95％，这主要是现在PSA装置中使用的吸附剂不能将氧和氩分开，空气中的氩浓缩后随氧一同排出所至。此外，采用PSA工艺制氧，氧回收率较低，一般在 60～70％范围内，当氧出口压力为 0.1MPa时，能量单耗为 0.42kWh/m3O2。为了提高制氧效能，将PSA制氮与制氧联合，应是一种经济可行的方案，即用碳分子筛制氮，放出的含富氧的空气再进入沸石分子筛吸附塔制氧，就可以制得比较纯净的氧。在 PSA 法制氧的工艺中还有一个十分重要的问题就是如何有效保存吸附热的问题。如所周知，吸附过程要放出热量，解吸过程要吸收热量，在实际工艺过程中，往往由于吸附热的流失使氧解吸所需的热量得不到有效保证，经多次循环，塔体由下而上温度逐步降低，使解吸变得十分困难。在工程设计中，可以采用塔体保温，缩短吸附周期等方法解决热平衡问题。要提高PSA制氧效能，吸附剂的选用至关重要。变压吸附制氧所需的吸附剂，要求氮的吸附量要大，氮氧分离系数要高，有较好的机械强度等。有关报道[27～29]表明，提高沸石分子筛的Na+离子交换度，或采用Li、Fe等不同金属离子进行离子交换，均可改善吸附剂的氮氧分离性能。
3．膜分离法 膜分离法主要用于制取含氧量 25～45％的富氧空气。以空气为原料制富氧
的膜材料多采用高分子聚合膜（参看膜分离法制氮一节）。近年来也有用碳分子筛或沸石分子筛制成的无机膜，无机膜用多孔陶瓷做支撑体，制备工艺复杂，发展很慢。高分子有机膜利用中
空纤维做支撑体，具有有效表面积大，分离效率高等优点。
空气膜分离法制富氧的单位氧产量能耗，视不同的氧含量而变化。含氧量 37％时，能耗为
0.3Kwh/m3O2；含氧量 44％时，能耗为 0.43kwh/m3O2。膜分离法制取的富氧空气主要用于助燃、废水生化处理和医疗呼吸用气等方面。作为助燃或废水生化处理用气，富氧空气含氧量通常为25～30％，流量根据需要，可达数百上千m3/h；作为医用呼吸气，其含氧量为 40％左右，流量约 4～8L/min。
二 水电解制氧
水电解法可以同时得到氧气和氢气
用水电解法制氧时，如先用氢气鼓泡反吹软水原料，以除去溶解于水中的氮和其它气体杂质，再将电解氧脱氢，很容易得到纯度为 99.995～99.999％的高纯氧
水电解制氧是一种较为方便的方法。在充满氢氧化钾或氢氧化钠的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。其化学反应式如下 ：
阴 极：2H2O+2e H2↑ +2OH
阳 极： 2OH—2e H2O+1/2O2↑
总反应式：2H2O 2 H2↑+ O2↑
根据库仑定律，气体产量与电流成正比，与其它因素无关。氢氧化钾的作用在于增加水的电导，本身不参加电解反应，理论上是不消耗的。电解液中加入五氧化二矾的作用是在于降低电解电压。单位气体产量的电耗，取决于电解电压，电解槽的工作温度越高，电解电压越低，同时也增加了对电解槽材料，主要是隔膜材料的腐蚀。石棉在碱液中长期使用温度不能超过100℃，因此操作温度选择在80~85℃为宜。电解压力的选择主要根据用氢的需要。气体纯度决定于制氧机结构和操作情况。在设备完好（主要是电解槽隔膜无损坏）操作压力正常（主要是压差控制正常）的条件下，纯度是稳定的。
工艺流程简介
工业软水经纯水装置制取纯水，并送入原料水箱，经补水泵输入碱液系统，补充被电解消耗的水。电解槽中的水，在直流电的作用下被分解成H2与O2，并与循环电解液一起分别进入框架中的氢、氧分离洗涤器后进行气液分离、洗涤、冷却。分离后的电解液与补充的纯水混合后，经碱液冷却器、碱液循环泵、过滤器送回电解槽循环，电解。调节碱液冷却器冷却水流量，控制回流碱液的温度，来控制电解槽的工作温度，使系统安全运行。分离后的氧气由调节阀控制输出，经氧气纯化装置纯化后，送入氧气储罐，再经缓冲减压后，供用户使用。
氧气用途
氧气顶吹转炉炼钢又称 L.D.炼钢，氧气转炉炼钢不仅有顶吹，还有底吹、顶底吹、侧吹等。底吹是从转炉底部吹氧，其优点是吹炼平稳，金属收得率高，适用于低碳钢和超低碳钢的精炼。顶底吹是从转炉顶、底部同时吹氧，其优点是可提高成品率，钢液均匀性好，减少锰、铝合金材料的消耗，提高吹炼率。平炉炼钢也可通过埋入式风口往平炉中吹氧，以改进氧化及能量传递，能耗降低一半，
许多化学工艺过程利用空气中的氧作氧化剂与燃料或其它物质进行化学反应，但也可采用纯氧，其优点是反应快，反应气体的处理量大，尾气排放量小，回收率提高，环境污染减少。
化肥工业中，氨合成气的生产可以采用三种方法：①用煤、氧和水蒸气在气化炉中生产；②用重油、氧和水蒸气在气化炉中生产；③用天然气、氧和水蒸气在转化炉中生产。合成气为氢和一氧化碳的混合气，其中的一氧化碳经变换后可生成更多的氢和二氧化碳。除去二氧化碳后的氢可用于制造氨、脂肪加氢和石油氢化裂解等化学反应。
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