空分设备原理与操作-.doc

目 录一、 前言二、 低温热力学基础三、 空气过滤预冷和净化四、 传热设备五、 空气压缩机六、 透平膨胀机七、 空气分离原理及精馏塔八、 空分设备流程九、 控制技术十、 空分设备部机操作一、前 言空分设备俗称制氧机是在低温工作的一种设备，它应用低温技术，使空气液化分离从而获得氧、氮和五种稀有气体，为获得低温，需要有相应的一套设备，它们由压缩机、膨胀机、或节流装置，以及各种换热设备、精馏设备、净化设备、贮运设备，检测和自检设备组成。空分设备发展概况：1880年，德国人卡尔林德利用焦耳-汤姆逊节流效应发明了气体液化技术，1903年，第一台工业性的10m3/h空分设备运行成功，1952年，我国试制成功30m3/h空分设备。近年来，随着国内经济的高速发展，为冶金、石化、化工和航天等工业领域配套的大中型空分设备得到迅猛发展和广泛应用，空分设备的制氧规模从十年前的1500m3/h等级扩展到5000m3/h等级，新技术在空分设备中被广泛应用，如规整填料塔、全精馏无氢制氩技术，新的内压缩流程技术，先进的高级控制技术，各种先进的配套部机应用，更完善了安全运行和操作技术。二、空分产品性质及其应用氧在自然界分布很广，在空气、水、空石中的氧分子占地壳总重量的一半。氧可通过电解水或分离空气等方法获得。氧在高温时很活泼。能与多种元素直接化合，是一种强烈的氧化助燃剂。氧与可燃气体（乙炔、氢、甲烷等）按一定比例混合后易引起爆炸。氧在加压和管道输送过程中，如有油脂、氧化铁屑或小粒可燃物（如煤粉、碳粒或有机纤维）存在，在气流运动与管壁或机体摩擦、撞击会产生大量热，当温度超过燃点时会导致管道机器着火、燃烧。被氧饱和的衣物以及其他纺织物与火种接触，会立即着火，当液氧浸湿的多孔有机物被引火或给以一定力量的撞击时会产生强烈的爆炸。氧是动物呼吸和可燃物燃烧所必须的气体。氧最先主要是用于医疗上的氧气疗法，输氧抢救病人以及机械工业上的金属焊接和切割，后来逐步应用于冶金、石化、化工、环保等部门。氮的化学性质不活泼，在一定浓度下回使人窒息。氮在冶金、化工、轻化、电子等部门作为原料气、保护气、置换气和密封气。氩不燃烧也不助燃，是惰性气体。作用于金属冶炼的保护气，以及不锈钢铝和其他合金焊接的保护气。其他稀有气体主要用于电子光源和激光技术。二、低温热力学基础1、气体的基础状态参数。描写物质每一聚集状态下特性的物理量称为物质的状态参数描写气体状态的基本参数是温度、压强和比容。温度：表示物体冷热的程度。在工程上常用的测温标尺有摄氏温标和热力学温标。摄氏温标应用得最早而且最广，分度的方法是规定标准大气压下纯水的冰点是0摄氏度、沸点为100摄氏度，将它平分100等份，每份为1度，用符号标记。热力学温标又称绝对温标或开尔文温标，它是依据热力学基础而为主的。绝对温标规定在标准大气压下纯水的三相点为273.16度，沸点与三相点间分为100格，毎格为1度，记做符号为K，把-273.16定为绝对零度，从绝对零度标起，绝对温标的刻度与摄氏温标的刻度相同。华氏温标：物理基础与摄氏温标的物理基础相同，华氏温标规定在标准大气压下纯水的冰点为32华氏度，沸点为212华氏度，将其平分为180等份，每一份为1度，用符号标记。各温标间的换算关系为：t=T-273.16t=5/9(F-32)T=t+273.16F=9/5t+32压强（压力）单位面积上所受的垂直作用力称为压强，工厂中习惯叫做“压力”。在法定计量单位中，压力的符号为P（p），单位名称“帕（斯卡）”，单位符号为Pa。压力常用单位有物理大气压，工程大气压mmH2O，mmHg等。物理大气压（at或atm）：是指温度为0度时，纬度为45度海平面上大气的平均压力，可以称为标准大气压。工程大气压：是工程技术上常用的压力单位，指每1cm2面积上作用1kg力而产生的压力，单位可用kgf/cm2表示。现在统一用国标单位Pa表示每1cm2面积上垂直作用1N的力而产生的压力。105Pa为1bar（巴），bar可以与国际单位并用。各单位的换算关系为：1at=1.013105Pa 1kgf/cm2=9.81104Pa 1mmH20=9.81Pa测量压力的仪表所指示的压力往往是被测压力的绝对值与大气压力之差，容器内气体对容器内壁的实际压力称为绝对压力，当容器内气体对容器壁的实际压力高于当时的大气压力时，其差值称为表压力，当容器内气体对容器的实际压力比大气压力低时，其差值称为真空度，三者关系：P绝=P表+P大气；P绝=P大气-P真空度。用压力表测出的只能是表压力和真空度，而实际计算时都用绝对压力。比体积又称比容，单位质量气体所居有的体积称为比体积，又称质量体积，俗称比容。用符号V表示，单位m3/kg；反之单位体积的气体质量称为气体密度，以p表示。在表明气体的比体积或密度时，必须注明气体所处的状态，因为同一气体在不同的温度或压力下，具有不同数值的比体积和密度。气体除了T、P、V等基本状态参数外，比热容，热力学能，焓，熵等也是气体状态参数。2、获得低温的方法。获得低温的方法很多，通常有相变制冷（熔解、升华、汽化），气体绝热膨胀制冷，气体绝热放气制冷，涡流管制冷，半导体制冷，绝热退磁制冷，氦稀释制冷等。为使空气液化，先要获得低温，工业上常用空气通过节流阀或膨胀机的膨胀制冷获得低温，甚至液化。这两种方法是以气体膨胀为基础，已应用在气体的分离和液化技术以及气体制冷机中。节流膨胀效应。 通常把高压流体流经管道中的小孔后压力显著降低的过程称为节流，节流孔径越小，则局部阻力越大，节流前后的压力变化也越大，在实际工作中为了便于调节，通常用节流阀代替固定的节流孔。气体在节流时既无能量输出，也无能量输入，所以气体节流前后的能量保持不边，即节流前后的焓值相等；这是节流过程的基本特点，因此，节流过程可以看做近似的绝热过程。实际气体的焓值是温度和压力的函数，所以实际气体节流后的温度是发生变化的，这种现象称作节流效应，（焦耳-汤姆逊效应）空气经过节流虽可降温，但对外没热能交换，也没有做功，因此节流过程本身并没有产冷。气体的等熵膨胀。高压气体等熵膨胀时向外输出机械功，这样消耗了大量的气体内能（焓值减小），另外，由于膨胀气体体积增大，分子间距离增大，但是分子间没有吸引力，为了克服分子间的吸引力又要消耗气体分子的一些动能，这样气体分子的内能和动能在等熵膨胀时大量消耗，从而降低了气体温度，所以等熵膨胀后，气体温度总是降低的。气体在膨胀机中等熵膨胀，温度下降，并输出外功，因此工质具有向外界吸收热量的能力，此热量即膨胀机的制冷量。节流与等熵膨胀的比较。气体等熵膨胀，无论从温度效应及制冷量来看比节流有效地多。除此之外等熵膨胀可以回收膨胀功，因此提高了循环的经济性，而在实际应用方面，节流过程用节流阀，结构简单，便于调节，等熵膨胀则需要用膨胀机，结构复杂，且存在效率问题，这就使等熵膨胀过程的有所减弱，节流阀可以在气液两相区工作，即节流阀出口可以允许有很大的带液量；但带液的两相膨胀剂带液量不能太大，因此节流和等熵膨胀的两个过程，在空分设备中都有应用，它们的选择将依据具体条件而定。三、空气过滤、预冷和净化在应用低温精馏原理制氧的空分设备中，为了保证空气在低温区精馏分离的正常进行，必须在常温区对空气进行过滤、预冷和精华等预处理。原料气中除了尘埃外，还有水分，二氧化碳和乙炔等碳氢化合物，现代空分设备大多采用分子筛纯化系统来清除这些杂质，以提高进入冷箱空气的纯净度，防止水分和二氧化碳在低温设备中冻结而影响传热传质过程的正常进行，避免乙炔等碳氢化合物在液氧中积聚浓缩而威胁空分设备的安全运行，因此气体的过滤、预冷和净化是空分设备不可缺少的一个组成部分。1、除尘系统从气体和微粒混合物中分离粒子的操作称除尘。除尘机理共有一下五种惯性撞击布朗扩散直接拦挡重力沉降静电沉降。实际上过滤器捕集粒子的机理相当复杂，通常是一种或几种机理同时参与除尘。在“350”空分设备中使用了惯性撞击、布朗扩散和直接拦挡方法去除尘埃。原料空气在滤气室进行粗过滤，利用滤气海绵除去较大的尘埃和机械杂质，再经精细空气过滤器进行精过滤。二、空气预冷系统在空压机出口端设置空气预冷系统，用来降低进分子筛吸附器的空气温度与含水量，合理的使用空气预冷系统，有利于空分设备长期安全运转。应用在空分设备中的预冷系统有很多种，大体上分为氮水预冷系统，活塞式冷水机组，螺杆式冷水机组，氨冷机组，吸收式冷水机组和空气预冷机组。“350”空分设备中应用了较为简单的空气预冷机组（流程见图1），型号为GAYL-2250/7预冷机是根据水的饱和和蒸汽压力和温度之间的对应关系，利用制冷原理强制冷却压缩空气，使压缩空气中的水蒸气在低温下过饱和而冷凝结露，并分离出水分，正常状态下可将空气温度降至2-10，其基本原理可以从良方面描述：A、 压缩空气流程：湿热压缩空气直接进入蒸发器与制冷剂进行热交换，温度降低，其中水蒸气冷凝结成水滴，经气水分离器将空气与水分离，冷凝水排出，冷干空气由出口排出进入纯化器。B、 制冷系统流程：制冷剂（R22）经压缩机压缩后成为高温高压的过热R22蒸汽，经水冷却器降温，在蒸发器内吸热气化，制冷剂又变成低压低温的气态，进入压缩机完成制冷循环。3、分子筛纯化系统、分子筛吸附器的作用就是吸附清除原料空气中的水分、乙炔和二氧化碳以及一些碳氢化合物，以保证空分设备的正常运行。分子筛纯化系统电加热再生流程如图2所示。被压缩的空气经预冷系统冷却到一定温度后，自下向上通过MS1（或MS2）分子筛吸附器时，空气中所含的H2O、C2H2、CO2等杂质相继被吸附清除，净化后的空气进入冷箱中的主热交换器。吸附器成对交替使用，一只工作时，另一只再生。净化原理及过程本流程设有两只纯化器，它们轮换使用，一只再生，另一只使用，在每只纯化器吸附筒内装有1000kg，3-4mm球型UOP13X-APG分子筛，其分子式为Na80(A1O2)86(SIO2)106xH2O。分子筛对H2O有较大的吸附容量，同时有共吸附性能可吸附H2O、C2H2和CO2等，当空气通过它时，几乎所有的H2O、C2H2和CO2均被其吸附，当达到饱和后即不气吸附作用，这时就需要对其进行再生，由于13X分子筛具有这样的特性，温度越高，吸附能力越小，当达到一定温度时，吸附能力就变为零，当温度降低后，又回复原有的吸附能力，所以再生过程，实际上就是对13X分子筛进行加热和冷却的过程。 本流程中纯化器使用周期设计为8小时，其再生气采用分子馏塔出来的污氮气，加热热源采用三组共42KW的电炉，加热器结构型式为管状电热元件，三层筒体结构，常温氮气在进口处首先在最外层预热，再经中间夹层预热，而进入置有管状电热之件筒内被加热，共有12支加热管，每支3.5KW。加热时间设定为240分钟，加热进口温度为160，冷却时间设定为220分钟，冷却温度为常温。 从压缩机出来的压缩空气在各级冷却器中除去一部分冷凝水后进入空气预冷机预冷再除去一部分冷凝水后从纯化器下部进入，经13X分子筛将残留的水分以及乙炔和CO2清除后从纯化器上部出来，进入下一阶段。纯化器的自动控制本流程采用可编程控制器和气动蝶阀，对纯化器的切换过程进行自动控制，它采用日本三菱公司小型可编程控制器FX2-48MR作为主单元，FX2-25DU-E作为显示单元，由通讯电缆将二者有机联系在一起，作为指挥系统，根据已编程序指挥气动蝶阀上的电磁阀得失电，从而改变动力气的通路，最后达到气动蝶阀的开或关。根据分子筛纯化器切换的工艺要求，将每8小时的一个循环分为16步，依次为1.1-1.8、2.1-2.8、每一步取上相应的名称，分别为1.1准备卸压，1.2卸压，1.3加热，1.4冷却，1.5准备升压，1.6升压，1.7准备切换，1.8切换，2.1准备卸压，2.2卸压，2.3加热，2.4冷却，2.5准备升压，2.7准备切换，2.8切换。系统一上电，程序开始运行，显示版本信息，按任意键进入主菜单，如不按5秒后自动进入主菜单，操作者开按菜单提示操作。各切换阀门的动作由时间程序控制器ESC1201控制。工作时的纯化器空气入口温度约为10左右，由于吸附热的关系，刚开始投入工作时，出口温度比入口温度高约20，工作周期末，要高6。吸附剂的活化纯化系统首次使用或该设备停车半年以上，必须对吸附剂作活化处理，活化效果如何，决定着纯化系统开车以后的运行状况。活化采用系统内再生的方法，由于加热气源其介质不同，其活动工艺流程不同，主要分为有无干燥氮气气源两种，活化步骤与正常再生相类似，分为加温、吹冷两个步骤，活化工艺参数如下：再生气量：500m3/h加热器功率：42KW再生气进口温度：200再生气出口温度：130纯化系统两只吸附器均活化完毕后方可投入正常运行。四、传热设备换热器分类：工业上将凡是热量由热流体传递给冷流体的设备称作热交换器，简称换热器。换热器分类有很多种方法，如按使用目的分，可分为冷却器、加热器、蒸发器、冷凝器等；按结构分，可分为管壳式和板载，还可以按材料分类。空分设备换热器按工作原理可分为：间壁式、蓄热式和混合式三类。低温换热器的特点：传热过程多数在小温差下进行，传热温差越小，过程的不可逆转损失也越小。要求流动阻力小。计算中，常用积分平均温差来计算传热量。所用材料要求有良好的机械性能。常用有机铝合金、铜合金和不锈钢。结构紧凑，体积小，质量小。大多采用有效的保冷措施。换热系统：换热系统事实现制冷循环的主要设备，在冷箱内的换热设备主要包括主热交换器、冷凝蒸发器、过冷器等，在冷箱外还有各种冷却器，空气预冷机等。换热系统的主要作用是：将空气冷却到所需状态，将返流气体的冷凉回收，使下塔顶部的氮气、上塔底部的液氧产生相变，且将冷量自上塔传递至下塔，将下塔送往上塔的液空、液氮过冷，以便减少液体节流后的汽化率等。主热交换器本流程采用的热交换器是铝合金结构的平直板翅式换热器，它由翅片、导流片、封条和隔板等部分钎焊成整体，采用逆流形式换热在相邻的两各班间放置翅片，导流片及封条，组成一个夹层称为通道，将各夹层进行不同的叠积或适当的排列，构成许多平行通道，形成一组板束，配上流体出入的封头(或称集合器)。冷热流体通过不同的通道。通过隔板(一次换热)和翅片(二次换热)进行热交换。本流程中的热交换器、其热流体通道即正流空气通道共有两个隔层，它们分别为压缩空气自纯化器来去空气节流阀(v1阀)通道；自增压机冷却器来去膨胀机进气管(V5、v6阀)通道。冷流体通道即返流气体通道共有四个隔层，它们分别是从分馏塔出来的氮气、氧气、污氮气和压力氮气。(2)冷凝蒸发器冷凝蒸发器是联系上、下塔的纽带，是精馏塔的心脏。冷凝蒸发器用于液氧和气氮之间进行热交换，它为下塔提供精馏所必须的回流液，为上塔提供精馏所必须的上升蒸汽。同其他换热器一样，冷凝蒸发器为板翅式换热器。它的气氮通道与下塔相通，工作压力约为0.05Mpa，气氮来自下塔上部，温度约为-177.3，在冷凝蒸发器冷凝侧放出热量而冷凝成液氮，作为上、下塔的回流液参与精馏过程。而液氧通道与上塔相通，工作压力约为0.0Mpa，液氧从上塔底部来，在相应工作压力下、液氧的温度约为-180.1 在冷凝蒸发器蒸发侧吸收热量而蒸发(汽化)。一部分氧气作为产品引出，大部分作为上塔的上升蒸汽参与上塔精馏过程。液氧与气氮间进行热交换时物态均发生变化，亦即产生相变传热，当液氧的蒸发压力和气氮的冷凝压力及浓度一定时，它们之间的温度几乎是不变的。冷凝器本流程中的过冷器也是板翅式逆流式换热器，它的作用是：正常生产过程中回收上塔出来的氮气（纯氮和污氮）冷量，使下塔来的液空、液氮过冷后节流额的气化率减少，使上塔有更多的回流液，改善上塔精馏工况；另一方面使纯氮、污氮温度提高，缩小主热冷端温差。它还可起到一部分调配上、下塔冷量的作用。在启动阶段，它还有产液的作用，也就是相当于液化器。本流程中的过冷冷流体通道有两个隔层，分别流过-193的纯氮气和-191的污氮气，热流体通道也有两个隔层，分别流过-172的液空和-177的液氮，本流程过冷器的过冷度约为7五、空气压缩机本流程配备的空压机为LGW-40/h空气压缩机，本压缩机的气体压缩量在机体的字型气缸内由两个平行配置，相互啮合的阴阳转子作反方向旋转，使处于转子齿槽之间的容积不断产生周期性的变化来完成的。在转子的旋转过程中，当转子齿槽容积扩大时，气体经过适当配置的进气口进入齿槽容积，然后随着转子继续旋转，已经充满气体的齿槽容积会自行封闭，由于阴阳转子的相互填嵌，而不断缩小容积，从而提高气体压力，最后经适当配置的排气口，将压缩气体排出，实现整个压缩过程。主要工作部件机体：用灰铸铁铸造，并经过必要的热处理，机体上一冷却水套，进、排气口分别在机体两侧。螺杆转子：在一对啮合的转子中，四个齿的是阳转子，六个齿的是阴转子，用碳素钢锻造。转子中心钻有通孔，工作时通冷却液，并且均匀转子温度的作用。增速齿轮：增速大小齿轮均为锻造后经调质处理，齿面进行渗碳淬火，再经精密加工而成。同步齿轮：锻造而成，该齿轮传递的功率仅为总功率的2左右。轴封：采用浮环密封结构，有三道浮动碳环封气，一道带波纹弹簧的浮动碳环封油，封气与封油之间有通气孔，由碳环来的微量泄露经通气孔直接进入大气，保证让气、油不相互渗漏。转子轴封处轴表面经表面硬化处理。轴承：增速齿轮箱中均采用滚动轴承，选用瑞典SKF公司产品。平衡活塞：在二级阳转子的排气轴端，设置了平衡活塞来分担推力轴承的负荷。箱罩：主要起隔音的作用，在吸入口和电机的排风口设置消音室，在压缩机的吸入口的消音室中设置了吸入过滤器，过滤器采用纸质滤芯。冷却器：一、二级均设置了冷却器。气体走管内，冷却水走管外，起着隔热、隔静的作用，冷却器内装有水、气分离器，气体冷却后产生的冷凝水经分离后，由疏水阀排出。管路系统：A、气路，大气经过消声室进入空气过滤器，去除了吸入空气中的尘埃，再经减压阀进入一级压缩机，气体被压缩到一定的压力，进入中间冷却器，冷却后气体中的冷凝水经气水分离器凝聚后，由疏水器自动排出，冷却后压力气体则进入二级压缩机再压缩，达到预定压力的气体经止逆阀消音器进入后冷却器，经过后冷却器冷却，并分离冷凝水后直接进入空气预冷机。气供气温度不高于40。在二级吸、排气管上安装有安全阀，压缩机组后的接管上配有补偿管，确保机组后的配管不对机组产生异常的力，为防止在机组减荷运行时，中冷后疏水阀内存有的冷凝水倒抽回二级压缩机，在中冷的疏水管道上装有逆止阀门，为降低机组噪音，在主管路上及旁通气管上都配有消音器。B、水路系统：机组的总进水管和总排水管在底盘上，总进水管后分为二个分支，一支经油冷却器、二级机体、一级机体后进入排水总管；另一支经中间冷却器进入排水总管。在寒冷季节机组停机后，务必及时放尽机组中的冷却水，在一级压缩机下部另安装有一放水阀门。用来排放一级压缩机体内的冷却水。冬季停机切勿忘记放水。C、油路系统：润滑油从粗过滤器进入油泵压出，经油冷却器和油精滤器后有一个分支通电磁阀，控制减荷阀的启闭。及去平衡活塞平衡二级阳转子的轴向力。主油路则经节流孔减压后进入配油管，然后分支去润滑冷却轴承、增速齿轮、同步齿轮及冷却螺杆转子内部，起润滑冷却作用后的润滑油又汇集到增速齿轮箱的底部（集油箱）。油箱的加油量约150升。油泵上备有安全阀，调节安全阀的回流压力，可以调整油压（配油管处油压应在0.2-0.25Mpa范围内，此时节流等油冷却处油压约为0.5-0.6MPa）调节方法如下:旋下油泵上的盖型螺母，并旋松调整螺母。旋转调节螺丝使油压在规定的范围内。拧紧调整螺母，然后将盖型螺母旋紧。D、仪控系统：LGW-40/h无油螺杆压缩机的操作仪控系统由可编程控制器（PLC）、可触摸屏（IMMI）、压力变送器、压差开关、热电偶等组成，它们和动力开关柜、减荷阀、电磁阀一起构成了一套完整的压缩机操作控制系统。E、供气系统：本机组的供气控制通过压力变送器、可编程控制器（PLC），四通电磁阀、控制减荷阀的开闭来实现。压力变送器将气体转换成电讯号发送给PLC，一方面通过触摸屏显示排气压力，另一方面可将开关讯号发送给三位四通电磁阀，即当排气压力上升（或下降）到设定值时，使电磁阀电路断开（或闭合）控制压力设定值上限应不大于机组公称压力值+0.01Mpa，设定的下限值可根据工况要求而定，但与上限值应有一定的差距（差值不得小于0.05MPa），一般差值为0.1Mpa，差距过小会使减荷阀动作过于频繁，对机组不利。电磁阀电路的闭合与断开，可控制压力油的流向，达到控制减荷阀开启或闭合的目的。减荷阀是气量调节的直接元件。压缩机启动以前，四通电磁阀是常开的，压力油经电磁阀进入减荷阀油缸右边，使活塞、齿条杆及放空阀左移，排气放空。同时，齿条杆带动齿轮使阀杆旋转，关闭压缩机的进气口（仅从间隙中进气），起到减荷作用。主电机启动15-25秒后，电磁阀电路自行闭合，压力油从电磁阀进入减荷阀，油缸左边，使活塞、齿条杆、放空阀右行，关闭放空阀，同时，通过齿条杆、齿轮使进气阀打开，压缩机开始带负荷运行，向外供气。当用气量减少使，排气管内压力上升，达到预定压力值（压力开关设定的上限值）使，压力表接点断开，使电磁阀电路断开，电磁阀动作又使压力油进入减荷阀右边，从而关闭进气阀与打开放空阀，机组停止向外供气。当管网压力下降至预定值（开关下限值）使，又使电磁阀电路闭合，机组恢复向外供气，达到减荷及气量控制目的。压缩机运行前的检查与准备：1、检查螺钉固定情况，检查机组确认无损坏零件、仪表。2、由油面视镜确认加油量。3、接通冷水，打开给排水阀，关放空阀。4、接通控制电源及油泵电机电源。5、电气检查，包括确认各项设定值。6、单独启动油泵，确认转向，确认各处没有漏油，并校接油泵出口处及仪控箱上压力表油压。7、接通主电机电源，判断检查电机转向，试运行后检查联轴器安装螺栓是否松动。压缩机的常运行及保养：1、确认机组各部分正常完好，机组符合待机（备机）状态下，方可启动机组。2、运行过程中定时巡检，记录运行情况。3、检查中除检测、记录各运行参数外，还应检查:润滑油量、疏水阀工作情况。发现异常须及时检修或更换。4、在运行中熟悉机组声音、震动情况，根据声音、震动及长期运行记录，掌握机器性能。5、机组不宜长时间停机不用，至少每周启动运行10-20分钟，备用机组每二周正式投入运行一次。6、电气、仪表须制定专人负责，做好日常维护保养工作。7、定时检修。六、透平膨胀机绝热等熵膨胀是获得低温的重要途径之一，也是对外做功的一个重要热力过程而作为用来使气体膨胀输出做功以产生冷量的气体膨胀机，则是能够实现接近绝热等熵膨胀过程的一种有效机械。透平膨胀机具有占地面积小、结构简单、气流无脉动、振动小、无机械磨损件、连续工作周期长、操作维护方便、工质不污染、调节性能好和效率高等特点。低温精馏装置冷量损失及时补充，产品产量的有效调节等，都使得为其提供充足冷量的膨胀机显得尤为重要，可以说，它是空分设备的心脏部件之一。透平膨胀机是利用工质在流道中流动时速度的变化来进行能量转换，也称为速度型膨胀机。工质在透平膨胀机的通流部分中膨胀获得动能，并由工作能端输出外功，因而降低膨胀机出口工质的内能和速度。根据透平膨胀机所使用轴承的不同可分为油轴承透平膨胀机、气体轴承透平膨胀机和磁轴承透平膨胀机。本流程采用了TPZ-5静压气体轴承透平膨胀机，它由膨胀机通流部分、制动器及机体三部分组成，主要由蜗壳、导流器(或喷嘴)、叶轮、扩压器、转轴、轴承等组成。轴承的另一端装有增压机叶轮，用来消耗膨胀机在产冷过程中向外输出的能量。膨胀工质由进气管进入蜗壳，被均匀的分配进入喷嘴，经过喷嘴膨胀，降低了压力和温度后进入工作轮，在工作轮中工质进一步膨胀做功，然后经由扩压器排入膨胀机的出口管道，而膨胀功则由工作轮相连的主轴向外输出，如输出的能量较小，可用风机或油制动器来平衡能量，以使透平膨胀机有一个稳定的运行条件。透平膨胀机的制冷量取决于膨胀空气量和膨胀比，膨胀量越大，制冷量越大，而当膨胀量大使，表现为转速高。本流程TPZ-5膨胀机制冷量约占总制冷量的85。透平膨胀机的运行、维护和故障处理：开车前准备：1、检查是否一异物进入透平机组，可盘车。2、气体轴承供气量是否正确。3、膨胀机和增压机各进口管中的过滤器是否完好。4、各仪、电控制线路与装置是否正确联接。5、各阀门是否在正确的“开”或“关”位置上。6、密封气连接是否正确。7、检查紧急切断阀工作的正确性（应能在2秒内快速关闭）。TPZ-5膨胀机的启动：1、启动前应检查的内容有：关加温阀、紧急切断阀、进出口阀、全开增压机回流。2、接通气体轴承供气，并调整到0.55-0.65MPa范围内。3、接通密封气、工艺气供应。4、接通仪电控电源。5、开膨胀机出口阀。6、开膨胀机紧急切断阀。7、缓慢打开进气阀，使膨胀机转速逐渐上升，在上升过程中应密切注意运转情况（运转是否平稳，静音是否正常）。8、启动期间随着进气温度的下降，转速也会下降，所以要经常开大膨胀机进气阀和关小增压机回流阀来调整，直到达预定工况。9、启动期间要随时检查间隙压力及整机运行情况是否正常。10、启动期间，短暂打开机器和仪表管线的吹除阀，然后关紧。11、当两台膨胀机同时启动时，一定要注意运转的同步性。运行中的检查：1、每小时检查膨胀机进出口温度，增压机出口温度。2、检查膨胀机进出口压力与间隙压力，增压机进出口压力。3、轴承气压力、密封气压力、4、关注所有管道的严密性。5、开机前、停机后检查紧急切断阀，查看开启是否自如，2秒内应迅速关闭，同时回流阀应自动全开。6、应特别关注间隙压力，间隙压力与出口压力之间的压差与止推轴承与的负荷有直接关系。膨胀机停车：1、全开增压机回流阀。2、关闭紧急切断阀。3、关膨胀机进口阀。4、关膨胀机出口阀。停车后处理：1、如临时停车，应保持密封气、轴承气供应，保持仪电系统为工作状态，准备重新启动。2、如长期停车，要求对膨胀机进行加温解冻，操作如下： 保持密封气、轴承气，保持仪电系统工作状态开紧急切断阀开膨胀机上所有吹除阀检查膨胀机进出口阀是否关严开膨胀机加温出口阀缓慢开加温气体阀，以转速不超过5000r/min为宜，且加温气体温度不高于60，当加热出口和进口温度大致一样时，加温结束，加温露点应低于-40。关各吹除阀。停加温，关加温进、出口阀关紧急切断阀。待膨胀机转速降至零时（紧急切断阀关闭后约5分钟），方可停止轴承气供给。切断密封气。应注意的事膨胀机的进、出口阀必须关严，使得加温后透平膨胀机在长期停车间避免因冷气漏入而使轴承在下次开车时产生过冷，还要注意的事一定要先开紧急切断阀后，方可通入加温气体，以免损坏机器。七、空气分离原理及精馏塔气体分离方法大体上有以下几种：1、精馏：先将气体混合物冷凝为液体，然后在按各组分蒸发温度的不同，将它们分离，精馏方法使用于被分离组成沸点相近的场合，如氧和氮的分离。2、分凝：它是利用各组分沸点的差异进行气体分离，氮和精馏不同的事不需要将全部组分冷凝。3、吸收法：用一种液态的吸附剂在适当的温度、压力下吸附气体混合物中的某些组分，以达到气体分离的目的，可以分为物理吸收和化学吸收。4、吸附法：用多孔性固件吸附剂处理气体混合物，使其中所含的一种或数种组分被吸附于固体表面，以达到气体分离的目的。5、落膜渗透法：利用高分子聚合物落膜的渗透选择性从气体混合物中将某种组分分离出来的一种方法。这种方法分离不发生相变，不需要低温，设备简单，操作方便。空气分离目前主要采用低温精馏分离法，原因是该法不仅生产成本低，技术成熟，而且适合大规模生产。从原理上讲，深冷法分离空气可分为两个步骤，即先把空气液化，然后利用空气的组分具有不同的挥发性，即在同一温度下各组分的蒸汽压力不同，将液态同时并多次进行蒸发和冷凝使之分离。概括的说：所谓精馏就是把液体混合物同时并多次的运用部分汽化和部分冷凝的过程，使低沸点组分（氮）不断的从液相蒸发到气相中去，同时使高沸点组分（氧）不断的从气相冷凝到液相中，最后实现两组分的分离。精馏过程的特点：蒸汽不断上升，液体不断下流，使处于平衡的两相物分开，被分开的两相物又与不平衡的物流接触，进行热、质交换，再达到新的平衡。如此循环，气液相浓度发生变化 下部进料的饱和空气温度最高，起加热作用，顶部进入的饱和液体温度最低，起冷却作用，气液相需连续进料，只有这样才能保证热质交换过程连续的、稳定的进行，同时不断的获得产品。精馏设备精馏过程一般是通过专门的设备即精馏塔（又称空分塔）来实现的。本流程所用的精馏塔为筛板塔，该塔为一直立的圆柱形筒，其中设置许多水平放置的筛板，筛板上布满直径为0.7-1.3mm的小孔，孔间距为2.1-3.25mm。液体由上一块塔板经溢流斗流到下块塔板，蒸汽通过小孔由下往上流动时与筛板上的液体相遇发生热、质交换，在两块塔板之间的空间产生鼓泡、泡沫、雾沫（溅沫）达到气液充分而出，在雾沫层上空（又称分离空间）气、液分离。筛板的主要作用：A、使不平衡的蒸汽与液体在板上进行热质交换，并趋于平衡。 B、使趋于平衡的蒸汽继续上升，液体继续下流，即把趋于平衡的两相物分开，然后在相邻的板上再进行新的接触。 双级精馏塔主要有三部分组成：A、下塔又叫中压塔，工作压力一般为0.5-0.6 MPa (绝压)。在下塔原料空气初步分离，获得纯液氮和富氧液空。B、上塔又叫低压塔，工作压力一般为0.12-0.14 Mpa（绝压），以富氧液空为原料进行分离，取得高纯度氧和氮产品。C、冷凝蒸发器（主冷），介于上、下塔之间，上塔通过主冷从下塔取得热量，使液氧蒸发。下塔通过主冷，从上塔取得冷量，使但其冷凝。空气的精馏过程本流程从纯化器来的常温干燥空气经热交换器冷却或接近饱和状态，然后经V1阀以下塔的工作压力进入下塔釜，空气在下塔自下向上经过每块塔板参与精馏，在下塔顶得到纯度为99.999的氮气。氮气在主冷中全部被冷凝，一部分作为下塔的回流液经过V1阀回到下塔，自上而下沿塔板下流，与气体进行热质交换，最后在塔釜中得到含氧量40左右的富氧液空。另一部分液氮经V1阀节流降压后，送入上塔顶部作为上塔回流液。下塔釜中的液空，经V1阀节流降压后送入上塔中部，节流后液空中的氧纯度约为41以上，与其平衡的气相中氧浓度为16，液空进料口以上的上塔部分，主要用来氧、氮分离，称精馏段或浓缩段。液空从上塔中部进料后，沿踏板逐块下流，与上升蒸汽在塔板上进行热质交换，这样可在上塔底得到纯度为99.6的液氧。液氧在主冷中蒸发后，部分作为产品引出，另一部分作为上升蒸汽参与精馏。在上升中氮浓度不管提高，在上塔顶部得到99.99的氮气，液空进料口以下的这部分上塔，主要气着氧、氩分离作用，通常称提馏段或蒸馏段。为提高氧的提取率，本流程中将膨胀后部分空气引入上塔中部参与精馏，其引入量要视膨胀过热度而定，一般为300m3/h左右。6、产品输送系统氧气的输送从分馏塔出来的氧气，如是氧化需用低压氧压机（ZW-6/8）直接接在氧气送出管上，将压力升至0.3 Mpa左右后，送有机供乙醛氧化，如是充瓶用氧，则氧气送入高压氧压机将压力升至14 Mpa左右，送至充瓶台充瓶，多余的氧气通过管道送入50m3低压湿式气柜（氧浮柜或称氧气钟罩）。气柜贮压4Kpa，依靠钟罩位置的升降，改变贮气容积，当贮存满50m3后多余的气体通过放空管自动排放。氮气的输送从分馏塔出来的氮气，送至氮气压缩机加压，压缩至0.65 Mpa左右，通过产品分配阀门调压后，送给不同的用户，多余的压缩氮气充入400m3中压球型罐，或1000m3中压球型罐。从塔内出来多余的氮气由输气管送至400m3低压湿式气柜。八、空分设备流程空分设备是一个大型的复杂系统，主要由以下几个子系统组成：1、动力系统：主要指原料空气压缩机。将空气经低温分离得到氧、氮等产品，从本质上说是通过能量转换来完成的。而装置的能量主要是由原料空气压缩机输入的。2、净化系统：由空气预冷系统和分子筛纯化系统组成，经压缩后的原料空气温度较高，含湿量较大，空气预冷系统通过换热降低空气湿度，除去一部分水分杂质。分子筛纯化系统则进一步除去空气中的水分、二氧化碳、乙炔等对空分设备运行有害的物质。3、制冷系统：通过空气膨胀机制冷。整个空分设备的制冷严格遵循经典的制冷循环。4、热交换系统：空分设备的热平衡是通过制冷系统和热交换系统来完成的。5、精馏系统：空分设备的核心，是实现低温分离的主要设备，通常采用高、低压两级精馏方式。主要由低压塔、中压塔和冷凝蒸发器组成。6、产品输送系统：空分产品氧、氮要有一定的压力才能满足后续系统的使用。主要由各种不同规格的氧气、氮气压缩机等组成。7、液体贮存系统：空分设备能生产一定的液氧和液氮产品，进入液体贮藏系统，以备需要时使用。主要由各种不同规格的贮槽、低温液体泵和汽化器组成。8、控制系统：现大中型空分设备都采用计算机集散控制系统，以实现自动控制。空分设备从液化循环上可分为一次节流循环（简称林德循环）;等焓膨胀和等熵膨胀的组合循环（简称克劳特循环）；带高压膨胀机的气体液化循环（海兰德循环）；透平膨胀机的低压液化循环（卡皮查循环）。空分设备从流程形式又分为六代：第一代为铝带式蓄冷器；第二代为石头蓄冷器；第三代为切换式板翅式换热器；第四代为切换式、板翅式，常温分子筛吸附；第五代为常温分子筛吸附，增压透平膨胀机；第六代为填料上塔，全精馏无氢制氩。在六代空分设备中由分为内压缩和外压缩流程。九、控制技术空分仪控系统的构成 空分设备仪控系统的仪表有：检测仪表、显示仪表、控制仪表和执行器四大类。控制系统通常由现场仪表、机旁柜（含二次仪表），分析仪柜、配电柜、UPS、PCS（或PLC+IPC+FCS）及ESD构成。 常用仪表字母代号说明： P 压力 T 温度 F 流量 A 分析PLC 可编程控制器 IPC 工业控制机GO 阀开GC 阀关E 元件I 指示A 报警S 联锁R 记录T 变送元单元ESC 时间程序控制器IAS 指示报警联锁AL 低限报警SL 超限联锁DCS 分散型控制系统FCS 现场总线控制系统1、检测仪表：利用检测仪表去查明某一时刻物理量大小，检测或变送出该物理量的瞬时连续变化值，这个数值称为测量值。测量值分为直接测量和间接测量两种方式。直接与被测介质接触的测量叫直接测量。进行直接测量的仪表有变送器、铂电阻和分析仪等。反之为间接测量。进行间接测量的仪表有转速探头、振动和位移探头等。直接测量一般利用电磁感应进行测量。2、在空分设备中，主要检测的过程变量有：流量、压力、温度、压差、液位、转速、振动位移及气体组分。流量测量仪表：主要采用的测量元件有*、低温液体流量计、电磁流量计、玻璃管转子流量计和金属管转子流量计等。压力测量仪表：主要用于压力变送器、弹簧管压力表和压力控制器等。物位及阻力测量仪表：主要采用元件为法兰液位变送器、压差变送器、翻板液位计和浮球控制器等。温度测量仪表：主要采用的元件有铂电阻、温度变送器和双金属温度计等。转速测量仪表：采用了磁电转速测量。振动位移测量仪表：采用涡电流位感器。气体分析仪表：主要有CO2含量分析仪、含水分析仪、微量氧分析仪，氩含量分析仪、碳氢化合物分析仪、氩纯度色谱仪等。显示仪表：把检测仪表传送过来的信号输入主显示仪表，通过数字、光柱或指针指示，以工程单位的方式显示过程的测量值。空分设备上用到的显示仪表主要有数字显示仪，监控器两类。数字显示仪在空分设备上主要用于温度及转速的二次显示。由于温度数显仪相对稳定性和可靠性不高，在空分设备仪控系统中主要用于机旁显示，其信号不参与任何控制及联锁。控制仪表：对过程检测的被控参数进行运算以后，输出控制值去控制执行器，从而实现对过程操纵量的调节。在以前的设备中，通常用规模拟仪表来实现控制功能，现在常用DCS或PLC来完成PID控制、逻辑运算和顺序控制等功能，具有显示和控制仪表的双重功能。执行器：空分设备最常用的终端控制元件是控制阀，还有如压缩机导叶、膨胀机喷嘴等。十、空分设备操作1、空压机的操作启动前的准备工作a、确认滤气室粗空滤打开。b、接通冷却水进出水，待水压升至0.2(0.12 Mpa)以上。c、确认放空阀打开。d、检查油面在2/3以上或max与min之间。e、若长时间停机后启动，应转动联轴器数转。f、检查各疏水阀是否打开。g、初次启动或电机检修后启动，还应确认电机转向。h、确认仪控箱内控制点正确。i、确认紧急停机旋钮位置正确。j、接通高、低压电源。压缩机启动a、确认机组处于待机状态后，按启动按钮（或按下触摸屏上的启动按钮1S以上）。油泵启动，通风扇运转。b、油泵运行约15S左右后，主电机启动，压缩机进入卸载运行状态。c、约30S后，机组减荷阀自动打开，机组进入加载状态，向外供气。压缩机的切换a、正确启动（或启用）备用压缩机。b、备用压缩机升至供气压力，并保持平衡。c、开备V1001阀同时关V1001阀开V1002阀。d、开、关各阀门时协调一致，避免压力产生大的波动。螺杆式压缩机的常见故障及处理：故障现象可能原因措施1、油泵不能启动a、冷却水未通或水压低a、增大水压b、电机或电气故障b、检查电机电气c、未复位c、复位2、主电机不能启动a、设定在油泵检测状态a、正常b、油压高或低b、调整油压c、间隔时间内c、等待20分钟d、电气故障d、检查电气线路3、油压过低a、油面太低a、加油b、油滤堵b、清洗或更换油滤c、溢流阀开得过大c、检查调整溢流阀d、油泵或仪表故障d、检查油泵、仪表4、一、二级排温高a、冷却水量不足a、增大水量b、冷却水温高b、降低水温c、空滤堵c、清洗或更换空滤d、二级吸温高d、降低二级吸温5、二级吸温高a、冷却水问题a、解决冷却水问题b、中间冷却器脏b、清洗中冷6、二级吸压低a、空滤堵a、清洗或更换b、一至二级间管道漏b、排除漏点c、一级疏水阀漏c、检修或更换油缸密封圈d、减荷阀未全开旁通放空未关严d、调整相应的阀门7、运行时冷凝水未从疏水阀排出a、排放管堵或安装不当a、修理b、疏水阀故障b、清洗修理或更换c、环境湿度低d、冷却器效果差d、清洗冷却器2、GAYL-2250/7空气预冷机的操作开机前的检查：a、检查冷却水是否正常。b、检查仪表板及控制板上所有指示是否在正常范围内。开机a、开主电源空气开关b、按下启动按钮，压缩机启动、运转。c、机组运转3分钟后，开空气出口阀，开空气进口阀。d、检查自动（或手动）排水系统状况是否正常。停机a、按停止按钮。b、当机组遇有异常情况(如蒸发器堵等)时，需紧急停车。c、当机组因故障跳脱时，属非正常停机，此时，应先排除故障，才能再开机。预冷机常见故障及处理：故障现象可能原因措施1、空气压降大a、空气处理量过大a、减少空气流量b、蒸发器内冻结b、检查压力开关、旁通阀、热气旁通阀2、冷媒高压高a、入口温度高a、调整膨胀阀等b、露点温度高b、降低入口空气温度c、冷却水量小c、加大水量3、冷媒低压高a、冷却水温高或量小a、调整冷却水b、入口空气温度高b、降低进气温度c、膨胀阀或热气阀故障c、检修或更换阀门d、冷凝器结垢d、清洗冷凝器e、空气处理量大e、减少加工空气量4、冷媒低压低a、入水口温低a、b、水量大b、减小水量c、膨胀阀或热气阀故障c、调整或检修阀门d、冷凝器漏d、补漏e、制冷剂堵塞e、换干燥机3、纯化器系统的启动运行操作：接通备用仪用气。接通程序程序控制器。选择工作筒号，并将程序调至目的步后，按F4键。确认各阀门状态。纯化系统的切换工作是由时间程序控制器ESC1201自动控制执行的。4、透平膨胀机的启动操作启动前的准备：a、接通仪表气、轴承气、密封气并调整至规定值。b、接通增压机冷却器冷却水。c、检查转子是否转动，加热以及其他相关阀门是否关闭。d、检查回流阀工作情况。e、检查紧急切断阀是否灵敏。f、转速仪接至ON位置