（化学工程专业论文）陕西兴化集团空分技术改造项目设计研究.pdf

摘要 本文综述了国内铃空分技术的发展情况及发展方向，介绍了 陕两兴化集团4 群空分改造项目设计原则、琢理及有关设备的设 计计算、设备的选型、工艺管道的流量设计计算、工艺管遂的强 度设计计算等；论述了采用液氨预冷及高效分子筛净化空分流程 的优越性。 该改造项目建成投产阿年来，实际氧气产量达7 0 0 0n m ， 氮气产量为1 2 5 0 0n m 3 m ，超过了预期目标。氧气纯度达到 9 9 9 6 ，氮气纯度达到了9 9 9 9 液氩产餐7 5n m 弧，达到了 设计目标。 关键词：空分设备技术改造液氨预冷分子筛净纯 a b s t r a c t t h ep a p e rd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e t l tg e n e r a ls i t u a t i o na n dt h e d e v e i o p m e n td i r e c t i o no ft h ea i rs e p a i 甚t i o nt e c l l l l o j o g yi np r c s e n t 。 a n di i l t r o d u c e dt h ei t e mt od e s i 印t h ep r i n c i p l eo f4 # a i rs e p a r a t i o n r e f 砷ii ns h a n x i x i n g i l u a g u p sc o p r i n c i p l e a 1 1 d d e s i 印 c o n c e m i n ge q u i p m e n t sc a l c u l “o n ，c h o o s i n go fe q u i p m e n t st y p e ， c r a r i n gt h ep i p e sd i s c h a r g ed e s i 印c a i c u l a t i o n ，l h es t r e n 舀ho ft h e c r a m n gp i p ed e s i g nc a l c u 缸i o n d i s c u s s e dt h ea d o p t i o ni i q u i dt h e a i t l m o n i at o p r e p a r ec o l da i l de 蕊c i e n t l ym 0 1 e c u l a rs i e v e st h e d e c o n l a i l l i n a t i o na i r s 印a r a t i o n m ep r o c e s s s s u p e r i o r a n db o o s t p r o d u c t i o nt or e f o r mt h er e s u l t f i n a l i yp o m t i n go u tt h ef o r e g r o u n d o fi t sd p v e l o p m e n t s h o u l dr c 如r mt h ei 把mt os e tu pc i r c u l a t et w oi nt h el a s ty e a r s ， a c t u a io x y g e ny i e l da m o u n tt o7 0 0 0n m j h ，n i t r o g e ns p i r i ty i e i di s 1 2 5 0 0n m j h ，e x c e e d e dt oe x p e c tt h et a 唱e t 山ep u r ed e g r e eo f o x y g e n 砒诅i i l9 9 9 6 ，t l l ep u r ed e g r e eo fn i 订o g e ns p i r i tc o m et oa 9 9 9 9 ，i i q u i da r g o ny i e l d7 5n m h ，c o m e t oat od e s i g nt h et a 曜e t k e y w o r d s ：a i rs 印a r a t i o n u n i t t e c h n o l o g y r e f o m l t 1 1 e a d o p t i o n1 i q u i dt h e 锄m o n i at op r e p a r ec o l d t h c d e c o n t a m i n a t i o no f m o i e c l l l a rs i e v e s 西j 匕大学学位论文知识产权声明书 y8 9 3 8r 嚣 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期闻论文工作的知识产权单位属予西托大学。学校有权保鹫并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电孑舨。本人允许论文被 查阅和借阅。学校可以将本学健论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题苒撰写的文 章一律注明作者单位为瑟北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：z 绿兰么指导教师签名：莲墨型学位论文作者签名：z ! 霉兰么指导教师签名：瑶望三型 ，移年b 月j 日a 炉z 月乒日 两北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的磷究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特男帕以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得两北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 缈么年 第一章绪论 以取之不尽用之不绝的空气为原料，用分离的方法生产高纯度的 氧气、氮气和氨气等过程，叫空气分离，简称空分。航空航天、生物 牛命等高技术领域离不开空分产品。化工、冶金、电子等工业行业需 要大量空分产品。空分产品也大量应用于医疗、食品保鲜、机械制造 以及个人保健等方面。空分技术是现代工业的基础工业技术，它的发 展与国计民生息息相关。陕西兴化集团为大型氮肥生产企业，氮肥的 前驱产品一合成氨是以天然气为原料，采用部分氧化法造气生产的。 其造气部分需用大量的纯氧作氧化剂生产氢气，而合成j ：序需添加纯 氮生产合成氨。故空分装置是兴化集团生产过程的重要组成部分，它 直接影响全厂生产效率、效益。一直受到集团管理层的熏视。 一、空分技术的基本原理 空气是由约2 1 的氧和约7 9 的氮( 体积) 混合而成的，在人气 压力下，将空气冷却至1 9 2 时，可使其液化成液态空气，其液化温 度随液化压力的升高而升高。 在大气压下氧的沸点为1 8 2 8 ，而氮的沸点为1 9 5 8 。利用氧 氮的沸点温度差，采用多级精馏塔进行气液相热质交换的方法进行分 离，可将空气分离成氧气、氮气和氩气等。 二、空分技术的发展卟【2 0 】【4 7 】 空分技术发展至今已有一百年的历史了，而2 0 世纪9 0 年代。 j 划， 空分技术进行了又一次重大的技术改革，几项具有世界先进水平的新 技术得以在我国空分行业中广泛应用，即规整填料精馏塔；全精馏无 l 氢制氧：高效率高压增压透平膨胀机的设计与制造；液体压缩流程等。 这些关键新技术的应用，使国产空分技术水平人大提高，国产守分设 备己接近国际先进水平，在一些关键技术上已达到国际先进水平。近 年来，随着中国经济持续稳定地增长，l + i 国空分设备制造业也发展较快， 特别是大型空分项目上，国产设备的市场份额在逐年上升，以往外国大 公司在大型空分装置上一统天下的局面正在逐步改变。但足，我们应该 充分认识到，在大型空分设备项目上，我们的综合能力与水平同外国大 公司相比，还存在一定的差距。在世界空分设备市场，每年大部分份额 由国际名牌公司所瓜分。 中国的空分市场是世界空分市场的一部分。由于原来的基础落后， 与国外的差距还较大。改革开放后，我国引进许多大型成套装置，国际 各空分设备制造大公司大多数都向我国供过大中型空分设备，特别足 2 0 世纪9 0 年代后我国经济的持续增长，促进大型化工和钢铁企业的投 入增加，大型空分设备的引进进一步加快，从而促进国内空分企业从配 套能力到设计、制造安装、运行管理的整体水平进一步提商，逐步形成 以杭氧、开空、川空为核心企业的三足鼎立的局面。自在1 9 7 8 年引 进林德技术以后，特别是在上世纪8 0 年代开始，国内空分没备一家 紧跟国外先进的空分设备制造技术，工艺技术不断创新，如白行开发 了常温分子筛吸附及增压透平膨胀机的大中型空分设备，并把该项技 术推广应用1 5 0 0 0 m 3 m 以下各等级的空分设备上代表性工程项目有 吉化6 0 0 0 m 3 1 1 和湘钢1 4 0 0 0 m 3 h 等6 0 多套空分设各。 国家对重点的大型工程项目的投入逐步实施，冶金企业扩建，改造 淘汰低水平的生产装置，提高效率，降低能耗；大型石油化工( 化肥、炼 油、乙烯) 工程的扩建、增容；医疗、电子工业等的发展，引发了列氧、 氮、氩等气体的需求。 总之，2 0 年来大型卒分设备的发展，使流程简化，能耗降低，提高了 设备的安全性。从这条轨迹可见，大型空分设备实现了全低压流程后， 流程上的改进余地不大，近2 0 年来的改进主要集中在设备和由设备引 起的工艺变化，其中心是节能与安全。 新设备的出现永远是空分流程改革的推动力。回顾空分流程的变 化无一不是由新设备的出现引起的。透平膨胀机的产生，实现了大型卒 分设备的全低压流程。高效板翅式换热器的出现，使切换板翅式流程 取代了石头蓄冷器流程。增压膨胀机的出现和分了筛口发附器的改进， 改变了分子筛流程能耗高的历史，使分子筛常温净化流程在8 0 年代中 后期替代了切换( 可逆) 式流程。规整填料在空分行业的应用使得精馏 塔压降显著降低。并实现了全精馏制氩。计算机的采用使大型空分设 备的自动控制、负荷跟踪和无人操作成为现实。高压板翅式换热器的 成功和低温泵的不断完善，促进了液体内压缩流程发展和逐步走向成 熟。 分子筛流程在大型空分设备上取代切换式流程是设备促进流程 变化的最好例子。早在上世纪6 0 年代末，分予筛吸附器已用于小型窄 分设各取代了碱洗塔和干燥器，但由于分子筛吸附与再生引起的能耗 增加( 高于切换式流程5 8 ) ，使它迟迟不能在大型空分设备上推，1 ， 只能使用在能源便宜的中东地区或氮产晶数量较大的特定用户。盲到 世纪8 0 年代中期，增压膨胀枫出现后，峦予膨磬长空气鲞减少，氧挺取 率提高，使分子筛流程的能耗略低于切换式流程，加之比切换式的冷损 失小，操作方便，系统安全稳定，氧、氩提取率高等明显优点两迅速取代 了切换式流程。由瑞士苏尔寿公司发明、生产的规整壤料( m e l l a p a k ) ， 早在上世纪3 0 年前就开始用于石油炼化系统，上世纪8 0 年代进入空 分领域后，由于它阻力小、持液量小、比表面大、空塔速度高而很快得 到了推广。难是由于它的出现才淘汰了常温加氢脱氧干燥一套复杂系 统，使全精馏制氩成为可能。 降低单位产晶能耗是空分设备发展的主线。不论是冶金还是亿1 j 企业，空分设备都是能耗大户，能源消耗占空分产品成奉的7 0 8 0 ， 所以如何降低单像制氧能耗一直是窑分行业关注的主要问题。根据空 气分离舶能耗组成，大型空分没餐节能的途径是：合理选择流程；通过降 低系统阻力来降低操作压力；提高空匿机和增压机的等温效率；降低分 子筛再生能耗；通过提简膨胀压力和绝热效率来减少膨胀空气量；减少 冷损( 包括主热交换器复热不足损失) ；增加提取率以减少空气耗量。 今后2 0 年，生产专门用途空分设备是空分发展的方向。生产低 纯度制氧机高炉鼓风、煤气化设备、co r ex 法熔融还原炼铁，这些 工艺仅需要较低纯度氧气，生产低纯度氧气不仅可降低设备投资而f ! ；i 可节省能耗。多年来，国际上的一些知名空分公司也生产过一些专用卒 分设备，如法液空和林德为南菲煤气化工程配套的1 2 套“六万” o 。n m 3 m 至“七万”0 2 n m 等级的大型空分设备，其氧气纯度定为 9 5 ：林德、法液空、目立、蒋苏联等设计的离炉专用空分没各，其氧 气纯度为6 0 9 5 ；apci 公司、法液卒用于煤气化联合循环发电 ( gcc ) 的空分设备，其氧气纯度多为9 0 9 5 。牛产卒分发备联合 型机组是指将空分设备的原料空气或产品纳入用户的联合循环，如煤 气化联合循环发电( gcc ) 制氧机，产品氧气用于煤气化或重油气化而 产生煤气，煤气进入燃烧器，通过汽轮机直接发电并由燃气透平空压机 提供部分或全部原料空气。产品氮气供给燃烧器来控制温度以减少一 氧化氮的产生，这样可做到原料空气、产品氮气和热量的综合利用，从 而减少投资和提高运行效率。此类设备，apcl 等主要空分厂商已 生产近2 0 套，最大能力达2 5 0 0 3 0 0 0t d 氧气。用corex 法熔融 还原炼铁是近几年发展起来的新工艺，与其配套的是纯度为9 0 9 5 的大型空分设备。产品氧进入熔融气化炉与煤和还原炉来的矿石 反应产生还原气体，经还原炉、洗涤器后送出，用于钢厂和发电。如煤 气用于发电则与gcc 相似，即corex 设备相当煤气化炉。应该指 出用于gcc 的空分设备，其技术参数和配套设备决不是千篇一律的， 它取决于环境、能源、燃气轮机的选择以及分期建设情况等。i 鲴此设 计必须量体裁衣，因地而宜。 发展中国家近期的快速发展，我国国内一些企业已有向这些国家 出口成套窄分设备的较好的业绩，他们的发展也给我们带来了扩大出 口的机会。只有这样，才能避免国内市场竟相压价，才能保护国内制造 业有足够的利润空间，作为促使全行业发展的经济动力，进一步开发超 大规模的装置，提高企业的国际竞争力和抗风险能力。同时在国家整顿 与规范经济秩序的宏观经济政策指导下，进一步规范行业内部市场行 为，使项目报价评估更加透明化，既避免高价暴利垄断，又可避免低价位 微利运营的恶性循环，以最终形成在稳定的行业利润指标上良性循环 的局词。 但是目前，国内气体分离设备企业与国外企业之间的差距也是明 显的，在设备的可靠性、稳定性方面还有待提高。特别是d c s 控制 埘空分设备的重要性越来越突出，已经成为与国外设备的差距之一。 应该承认，改革开放后我国的空分行业几经波折取得了巨大成就，与围 外空分行业的差距在逐步缩小。这是我们新老交替几代空分业者共同 奋斗的结果，也是值得我们自豪的。但是，我们应该看到仍然存在的差 距和问题。空分工作者应再接再厉以发展民族工业为己任，努力使中国 空分业在超大型装置上尽快迈上新台阶。 三、兴化空分技术改造的目的 陕西兴化集团公司是主要生产以硝酸铵为代表的化肥企业，空气 分离的氮气、氧气是合成氨的主要原料。兴化集团公司一、二期j i ：程 原设计能力为年产合成氨1 0 万，后经不断的技扩技改和填平补齐， 至2 0 0 3 年已基本具备了年产1 3 万吨能力的规模，当时有空分装置- i 套，1 撑空分氧气产量为5 6 0 0 n m 3 m ，2 撑空分氧气产量为3 0 0 0 n m ， 4 群空分氧气产量为6 0 0 吣i m 3 m ，当时合成氨牛产需氧气为 1 2 0 0 0 n m 弧，开两套空分出氧量不足，开三套空分出氧量过剩，且能 耗太大。为与整体合成氨系统的匹配，必须对原4 # 空分装置进行改造。 原4 群空分装置是由吉化公司设计院于1 9 8 3 年设计的，技术水平较为 落后，能耗较大，已经远远不能适应目前高效、低耗的要求。 因此，对原4 撑空分装置进行改造，以取褥高效、低耗的酲麴。 四、本文： = 作豹主要内容 由予此次设计颂目属予技扩披改型设计，酋先，对现场各个原始 数据采集、比较。如大气条件、原料空气中杂质含量、及公用j i 稷条 件，现场设备情况、现场厂房情况、现场管架布置、管沟的布谶等技 术条件采集。对设计工作进行准备。 原兴化集团错空分装置产量为6 0 0 0 n m 氧气、6 6 0 孙 m 锄氮气。 对羼i 冷箱内精馏塔仅做部分改动，对原冷箱内主换热嚣改动。根攒现 在要求的氧气6 5 0 0 n m 、氮气产量1 2 0 0 0 n m 3 m ，液氮产量为 2 5 0 n m 3 m ，液氧产鬣为1 8 0 n m 3 m 。液氲产量为7 5 n m 3 h ，对增压规、 膨胀机漉量予以确定；对分子筛的流量计算，著量计算出吸附器中分 子筛煦装填量及瞅驸器中氧化锚的装填量。 由于分子筛吸附器中吸附剂_ 和氧化铝需再生，从而需要两个吸附 器，一开一备。以满足生产。 根摆空气的流量、压力、温度计算氨蒸发器中液氨的耗量；确定 空气压缩机的流堑为3 9 0 0 0 n m 3 m 。 对各个管径进行计算；制定初步工艺流稷图；确定各控制点；对 各专业提出条件；根据各专业反馈的条馋确定工艺流程蚓；利翻 a u t o c a d 制图；包括工艺流程闺、设备布要图、管道布置图、锊道支 架黼、管段材料表、综合材料表等。 组织有关单位对图纸会帑，进一步完善圈纸。并醚合现场施_ _ | i | + 直 至投产成功。 第二章兴化空分技术改造设计条件的采集 一、空分装置改造的基础条件 大气条件 大气压 7 3 3 6 m m h g ( 冬) 7 1 9 6 m m h 烈夏) 年平均温度1 3 ( 饱和蒸汽压1 1 1 6m m h g ) 月平均最商瀣度2 7 ( 饱和蒸汽压2 6 5 lm m h g ) 月平均最低温度一0 5 ( 饱和蒸汽舔4 2 6m m h g ) 极端湿度夏3 9 ( 饱和蒸汽压5 2 ，0 4m m h g ) 冬一1 3 ( 饱和蒸汽压1 。6 8m m h g ) 相对湿度6 0 7 2 大气含氧量2 0 9 5 0 2 原料空气杂质睛况 c 2 h 2 o 5 p p m n 0 x l 。0 p p m c 0 2 4 0 0p p m c n h m o 5 p p m h o x o 。0 6 m g 触3 0 3 o 1 p p m h 2 s 0 0 2 m 3 n 凰o ，0 2g ，m 3 s 0 2 正常 0 h c l 正常 公用工程条件 1 循环冷却水 温度：入口 压力：入口 出口 总碱度 c l 一 悬浮物：平均 总硬度 p h 值 污垢系数 年腐蚀率 2 蒸汽条件 中压蒸汽：界区输入压力 界区温度 3 2 o 3 m p a ( a ) o 1 5 m p a ( a ) o 1 5m g n 几 正常 2 6 m g l o 4 1 n g l 6 5 8 5 0 0 0 0 1 m 2 h k k c a l 正常 1 3 0 m p a ( a ) 1 9 4 3 电源条件 高压电源：6 0 0 0 v 5 三相三线制中心点不接地 低压电源：3 8 0 v 2 2 0 v 三相四线制中心点直接接地 短路容量；最大有效值 2 2 0m 、後 最小有效值 1 2 8m v a 频率：5 0 h z o 5 4 仪表空气 气量：2 5 0n m 3 m 压力：0 3 m p a ( a ) 露点：一4 0 灰尘：1 m m 3 二、原装置消耗情况 表l 原空分装置消耗情况 名称规格单位总消耗量每ln m 30 2 耗量 水o 4 m p a吨6 0 0o 0 5 吨 3 8 0 v 2 2 0 v 电千瓦 4 3 5 0o 3 6 2 千瓦 6 0 0 0 v 蒸汽 1 3 碍a吨1o 0 8 蚝 硅胶吨 o o o lo o o o l 7 蚝 珠光砂米3 o 0 2 5o 0 0 0 4 米3 润滑油公斤 o 5o o o 0 0 8 培 注：i 总耗量为氧、氮总耗量，除以6 0 0 0 为每标准立方米氧气耗量。 硅胶、珠光砂、机械润滑油为年消耗量除以8 0 0 0 小时所得。 三、气象条件 1 全年主导风向：夏季东风、西风；冬季西风、东风。最大风速 为1 6 i i 以。 2 年降雨量6 2 4 舢，日最大降雨量为9 2 哪。冻土深度为- o 4 5m ， 地震基本烈度7 级，地下水埋深在4 5 5 5m 。 3 年平均气温1 2 9 ，月平均最高气温2 7 3 ，月平均最低气温 1 0 o 5 ，极端最高气温3 9 ，极端最低气温1 3 。 四、原装置占地面积1 1 5 9 咿，原设计标高采取与相邻压缩厂房相同 o o o ，绝对标高为4 1 2 米。 五、新空分设备的性能和数据 根据合同兴化集团4 群空分技术改造合同 合同号：h y k f ( 2 0 0 2 ) - 4 0 7 号 、产品性能 1 出冷箱产品及纯度 表2 改造后出冷箱产品情况 产量 产品纯度备注 ( n m 3 1 1 ) 氧气6 5 0 0 9 9 6 o ， 氮气1 2 0 0 09 9 6 n 2 液氧 1 8 0 9 9 6 0 2 液氮2 5 01 0 0 p p m 、9 9 6 0 2 液氩 7 5 3 p p m n 2 、2 p p m 0 2 、 注：n m 为o 1 0 3m p a ( a ) 、0 的体积流量。 2 出冷箱产品压力和温度 m p a ( a ) 氧气 氮气 液氧 液氮 o 1 2 9 7 1 8 0 ，1 0 6 1 8 o 1 6 3 3 1 8 0 0 2 7 9 19 3 液氩 1 8 2 3 运转周期( 二次大加温问隔时闻)2 年 4 装置办e 温对闻3 6 小对 5 装教启动对闼( 从膨胀机启动至氧气纯度达到设计指标) 4 0 小时 、水电和其它消耗情况 1 电耗情况 表3 改造后各电耗情况 序 电压频率颧定功率 号 设备名称相数备注 ( v )( h z )( k w ) l 空压枫电机 6 0 0 035 04 0 0 0 2 油泵电机 3 8 035 01 5 2一开一备 3排烟风机3 8 035 0o 7 5 4 油箱摭热器2 2 0 盟 5 08 2扇动蓠使用 膨 油箱加热器2 2 0 盥 5 03 5胀 机 油泵电机 3 8 035 02 2 0 2一开一备 2 水耗情况 表4 改造后冷却水耗情况 霉 耗水设备流量m 3 m温度压力m p a ( a ) 备注 i ， 空压桃冷却水 5 0 03 2o 3 5 2 增鹾机冷却水 8 x 23 2 ，o 3 5 一开一备 3油冷却器冷却水2 x 23 2o - 3 5一开一备 3 蒸汽耗量 表5 改造后蒸汽消耗情况 1 2 r 一一厂t l o o ol1 9 4l 3 4 。液氨耗量 表6 改造后液氨消耗情况 耗曩蚝h温度压力m p a ( a ) 1 1 0 02 21 3 5 润滑油贮备量 ( 1 ) 润滑油牌号：l t s a 3 2 汽轮机油 ( 2 ) 主油箱容量：4m 3 ( 3 ) 高技油箱容量：lm 3 ( 4 ) 一次充罐量：4m 3 、各枫缀主要参数 1 空压机参数： ( 1 ) + 空压机排蹙 ( 2 ) 空压机排压 ( 3 ) ，空压机进，出口温度 ( 4 ) 空压机级数 2 空气预冷系统参数： ( 1 ) 空气进出口温度 ( 2 ) 空气进出口压力 ( 3 ) 空气阻力 ( 4 ) 冷却水进嗣温度 ( 5 ) 液氨进出髓温度 3 9 0 0 0 n m 3 a l o 6 6 5 m 啤a ( a ) 大气温度1 0 0 五级 l o o 1 2 o 6 5 2 m 口a ( a ) o 6 3 6 m p a ( a ) 2 0 6 0 k p a 3 2 2 2 ，3 4 1 3 ( 6 ) 液氨进出口压力 3 + 空气纯化系统参数： ( 1 ) 空气量 ( 2 ) 空气迸出口湿度 ( 3 ) 空气阻力 ( 4 ) 空气出吸附器后含c 0 2 ( 5 ) 污氮量 ( 6 ) 污氮进，出口温度加温 o 4 3 m p a ( a ) o 2 5 m p a ( a ) 冷却 4 空气纯化增压膨胀梳系统参数： ( 1 ) 流量 ( 2 ) 流量调节范围 ( 3 ) 迸出目温度 “) 进出口压力 ( 5 ) 转速 ( 6 ) 增压机流量 ( 7 ) 增压机进出口压力 ( 8 ) 增压机冷却后温度 5 分馏塔 ( 1 ) 温度 空气进抉热器温度 增压空气迸换热器温度 l 3 9 0 0 0 n m l l 1 9 1 3 8 0 k p a 1 p p m 3 9 0 0 0 n m 1 1 1 6 5 3 8 1 7 2 0 6 4 3 0 n m 3 l l 7 5 1 l o 1 6 0 ，3 0 3 5 l k o 8 4 5 6 o 】3 7 】a l p a ( a ) 3 1 2 0 0 r p m m i n 6 4 9 0 n m 3 h 0 6 0 4 0 8 7 0 6 瞳a ( a ) 3 1 3 k 2 0 4 0 氧气出换热器温度 氮气出换热器温度 污氮出换热器温度 增压空气出换热器中部温度 空气出换热器冷端温度 氧气进换热器冷端温度 氮气进换热器冷端温度 污氮进换热器冷端温度 液空进出过冷器温度 污氮进出过冷器温度 纯液氮进出过冷器温度 氮气进，出过冷器温度 ( 2 ) 压力 空气进分馏塔压力 增压空气进出增压换热器压力 氧气出分馏塔压力 氮气出分馏塔压力 污氮出分馏塔压力 下塔底部压力 上塔底部压力 ( 3 ) 流量 空气进下塔流量 5 2 5 2 5 2 5 1 1 3 一1 7 2 3 4 1 7 8 9 0 一1 7 5 2 4 一1 7 5 2 4 1 7 3 1 8 0 1 7 6 7 9 1 8 8 1 7 7 1 5 1 8 8 一1 9 3 7 4 _ l7 5 2 4 o 5 l m p a ( a ) 0 5 0 8 0 7 7 4 7 m p a ( a ) o 。0 3 3 8 3 m p a ( a ) o 0 1 0 5 0 a ( a ) o 0 1 8 1 4 m p a ( a ) o 4 9 2 5 田a ( a ) 0 0 7 6 3 9 m p a ( a ) 31 5 7 0 n m 饥1 氧气出分馏塔流量 氮气出分馏塔流量 污氮出分馏塔流量 膨胀空气进上塔流量 ( 4 ) 阻力 主换热器空气通道阻力 主换热器增压空气通道阻力 上塔阻力 下塔阻力 ( 5 ) 液面 主冷液氧液位 辅冷液氧液位 下塔液空液位 、辅助材料 1 珠光砂( 按标准要求) 2 矿渣棉 6 5 0 0 n m h l2 0 0 0 n m l l 18 9 8 5 n m 1 1 6 4 3 0 n m 。1 1 1 6 o k p a 0 7 k p a 1 8 o k p a 1 0 4 k p a 2 3 7 0 m m 2 0 0 0 m m 6 0 0 m m 1 3 6 5 m 3 ( 用户自定) 第三章兴化空分技术改造工艺设计 一、概述 根据合同h y k f ( 2 0 0 2 ) 4 0 7 及陕西兴化集团公司关于4 挣空分设 计精神，本设计范国包括空气透平压缩机厂房，配电问，控制室厂房 和露天空分装置等。因属设备更新设计，又受总图位置限制，故空气 透平压缩机厂房及露天空分装置均不留扩建余地。因设备已基本到 货，从两不做大的改动，按制造厂供货设计。 二、生产流弦 l ，生产原理 空气是由约2 1 的氧和约7 9 的氮( 体积) 混合两成的，在大气 压力下，将空气冷却至1 9 2 时，可使其液化成液态空气，其液化温 度随液化压力的升高而升高。 在大气压下氧的沸点为1 8 2 8 ，而氮的沸点为1 9 5 8 。利用氧 氮的沸点温度差，采用多级精馏塔进行气液相热质交换的方法进行分 离，可将空气分离成氧气和氮气。 在全低压空分设各的流程中，空气压缩至约o 6 6 m p a ( 表压) 作为原 料空气，采用高效率的透平膨j l 费机，将部分源料空气进行膨胀丽产生 冷量以维持空分设各的冷量平衡，采用高效率热交换器和利用精馏系 统的精馏潜力，通过蛤当的流程组织，以满足产品的量和纯度要求， 弗通过采用拉赫曼原理( 膨胀空气直接进入上塔) 把产冷系统和精馏 系统有机地结合起来，使流程具有低压、低能耗的特点。 l 杂质的清除主要采用自清除方法。郾在流程中采用了可逆式热交 换器，在进行热交换的同时可以清除原料空气中的水分和二氧化碳两 使空分设备长期连续运行。 2 工艺流程 空分原料空气( 也称加工空气) 自大气吸入，经空气过滤器滤 去机械杂质后，进入空气透平压缩机，经五级压缩，压缩至0 6 6 5 m p a ( 表压) ，排气温度l o o 送入空冷塔、氨蒸发器，对空气进行预 冷到1 2 1 3 ，入空气分离器，分离空气中冷凝的水分，自下而 上的通过分子筛吸附器，进一步脱除空气中残余的水分、二氧化碳、 以及部分乙炔等烃类，使二戴亿碳的含量降到l p p m 。 脱除杂质的加工空气分两潞分嗣进入分馏塔的二缎可逆式换热 器的热段和冷段。每一组可逆式换热器的热段共有十个单元分为二 层。它有四个滚道。即纯氧、纯氮、污氮或空气流道。而污氮或空 气流道经过约1 7 分钟要切换次。每一组可逆式换热器冷段共有五 个单元，它有五种流道即环流空气、纯氧、纯氮、污氮或空气流道， 分别同可逆式换热器的热段的纯氧、纯氮、污氮或空气流道串联。 纯氧、纯氮级可逆式换热器冷段和热段复热后，通往分馏塔外，它 们不会被空气所玷污，每一组可逆式换热器的污氮或空气流道，当 空气由热段至冷段通过其中之一流道时，则另一流道污氮由冷段至 热段从而进行熟交换。当空气进入可逆式换热器盼热段和冷段的各 个空气流道时，被反流气体纯氧、纯氮和污氮冷却至1 7 2 左右看 进入下塔，所夹带的水分和= 氧化碳分别固纯在可逆式换热器的热 段和冷段的空气( 或污氮) 的流道上。丽当下一次切换后，污氮通 过使水分和二氧化碳由于分压豹变化而被升华随同污氮带出分馏塔 外。 为了解决可逆式换热器长期连续运转，保 芷其不冻结性，在可逆 式换热器冷段增设了一股环流空气的流道，来自下塔经分离器的1 2 加工空气量的环流空气，经可逆式换热器冷段自下而上通过，复 热后通往膨胀机。这可促使可逆式换热嚣冷段的冷端温差缩小，从 而保证了可逆式换热器的不冻结。 自下塔底部接出一部分洗涤过的空气，经液化器上部的分离器 去掉液滚，一部分在液化器与废氮进行热交换， i 葡放液化回流至下 塔底部。经过液化的污氮经复热后缩小了可逆式换热器冷段的冷端 温差，为了调节这个温差与液化器并联有污氮旁通管道，以手动蝶 阀控制调节。罚一部分洗涤空气，除有一部分经可逆式换热器冷段 作为环流空气外，一部分旁通，汇合后去膨胀机前调整膨胀机空气 入翻温度至一1 4 0 一1 4 5 送往透平膨胀机由o 4 5 猢p a ( a ) 膨胀至 o 0 3 5m p a ( a ) ，同时降低了温度送入上塔中部。 空气在下塔经初步精馏，在下塔下部得到含氯3 7 4 0 的液态 富氧空气，上升气体经过一定的精馏，含氮量逐渐增加，到其顶部 可达9 9 9 9 的纯氮进入冷凝蒸发器被蒸发侧的液氧所冷凝，凝成液 氮。 液态富氧空气从下塔下部抽出，通过液空吸附器，液空中绝大 部分乙炔被球形谴胶所吸附，并经液空过冷嚣中上塔来盼污氮过冷 后，节流降压送入上塔中部。 液氮引出一部分后回流入下塔，用作下塔塔板的回流液，另一 部分液氮引至液氮过冷器过冷后，节流降压送入付塔顶部。为使下 塔能生产出高纯度液氮，由下塔中部抽出部分馏分液氮，经液氮过 冷器被上塔顶出来的纯气氮过冷后，节流降压送入上塔上部。 空气在上塔中进行第二次精馏，而使上塔下部得到含氧9 9 6 的纯氧，付塔顶部得到含氮9 9 9 9 的纯氮气，在上塔的上部将得到 含氮9 4 7 的污氮。 下塔精馏的结果得到液体空气和液氮，液体空气自下塔底部引 出，节流以后送到上塔的中部，液氮自下塔底部引出，经主换热器 换热，送到上塔顶部作回流液。大约有2 5 0 n m 3 i l 液氮从上塔顶部引 出，温度为1 9 3 ，送入液氮贮槽。 上塔精馏的结果得到氧气、纯氧和污氮，氧气自上塔下部引出， 经主换热器复热后导出，作为氧产品，产量为6 5 0 0 n m ，温度为1 8 。液氧从上塔下部引出，经主换热器换热，得到1 8 0n m 3 m ，温度 为1 8 0 的液氧送到液氧贮槽。 纯氮气从上塔的付塔顶部引出，经主换热器复热，得到 1 2 0 0 0 n m 3 1 1 ，温度为1 8 的纯氮气送到氮气柜。 大量的污氮自上塔上部引出再经主换热器复热，并将热周期所固 化的二氧化碳和水分一起带出分馏塔外，最后，一部分直接放入大气， 一部分送到蒸汽加热器，供分子筛吸附器再生后放空。 在经过一个较长运转周期后，分馏塔中积聚了冰和干冰，主要是 积聚在可逆换热器中，而引起操作压力上升还有碳氢化合物其也可 能积聚而影响分馏塔的安全运转，故必须停车进行全系统的加漏，以 摊除积聚物。或在整套空分设备安装好葶鹾裰冷运转结染后或长期停产 熏新运行前积必须进行全系统的加湿，为此设鲞解冻干燥系统。盎空 气过滤器、蒸汽加热器、消音器及援应管遂、阀门、仪表组成。可提 供加热空气秘氮气。大致可分为四种漉程： i 来自空气透平压缩机昀空气加热； 空气透平压缩机一空气冷却塔一蒸汽舰热器一加温主管一分馏 塔各设备一吹出 2 来自分馏塔的空气加热； 分馏塔一蒸汽加热器一加湓主管一分馏塔各设备一吹出 3 来自大气的空气加热； 大气一空气过滤器一鼓风祝一蒸汽鸯玎热器一加温主管一分馏塔 各设备一吹出 4 来自分馏塔的纯氮气热热； 氮气主管一鼓风机一蒸汽加热器一加滠主管一分馏塔各设备一 吹出 为满足仪表空气用清洁干燥的压缩空气，设鼍了仪表用压缩空气 系统。由仪表空气压缩机、加热器、避：滤器和压缩空气容器等组成。 在分馏塔启动期间加压空气经干燥器吸附水分后，再经过滤器过滤后 送往仪表控制系统。当分馏塔正常运转后，自可逆换热器冷段空气出 口总管抽高豹1 2 0 n l 珏3 m 已清除水分和二氧化碳的冷空气，在加热后 与空气透平压缩机出来的空气进行热交换。复热后再经过滤器送往仪 表控制系统。此系统中压缕空气容器系供贮气稳压之阁。 三、主要设备计算及选择 、压缩机能力验算 1 空气透乎眶缩机条件，空气透平压缩机型号：k d o n 4 0 0 0 6 6 5 由杭州制氧股份有限公司生产。 给定条件： 迸气压力 出气压力 遴气瀚度 饱和蒸汽压 相对湿度 能力 系统阻力 电机允许超负荷 p 俨o 0 9 1 5m p a p = o 6 6 5 m p a 1 3 0 3 1 5 5 m m h g x o _ 8 5 q l = 3 9 0 0 0 n m 3 ，h ( 2 0 7 6 0m m 科g 干气) pm = 3 0 0m m h 2 0 l o 2 。实际操作条件 年平均漏度1 3 ( 饱和蒸汽压1 1 1 6m m h g ) 月平均最高温度2 7 ( 饱和蒸汽压2 6 5 lm m h g ) 月平均最低温度- 0 5 ( 饱和蒸汽压4 2 6m m h g ) 极端温度夏3 9 ( 饱和蒸汽愿5 2 。0 4m m g ) 冬1 3 ( 饱和蒸汽压1 6 8m m h 黛) 冬季5 f 均相对滋度： 6 8 夏季平均相对湿度：7 0 年平均气压7 2 8m m h g 大气压 7 3 3 6 m m h g ( 冬) 7 19 6 m m h 甙夏) 3 实际供气能力验算 按以下计算公式： q 实= q t 计掉x t p 设计x ( p 蜜- p 蒜n p 阻) t 设计t 实际p 设计( p 实- p 燕设n 设一p 阻) q l 殪= q t t 设计 上式中：q 安一实际吸气能力n m q 一理论吸气能力n m 3 h q 暖一设计吸气能力n m 3 m t 计瑚气温度k t 最h 一设计温度k t 实目一实际温度 k t 一绝对温度0 p 计一设计压力 m m h g p 实一实际压力 m m h g p 藤一饱和蒸汽压m m h g p 燕证一设计饱和蒸汽压 m m h g p 阻一系统阻力m m h 2 0 n 一相对湿度 n 一设计相对湿度 ( 1 ) 、按平均温度1 3 t 气压7 2 8 m m h g ，饱和蒸汽压1 1 1 6 m m h g ，相 对湿度7 0 验算： q 女= _ 3 9 0 0 0 ( 2 7 3 + 3 0 ) 2 7 3 7 6 0 ( 7 2 8 1 1 1 6 0 7 3 0 0 1 3 6 ) ( 2 7 3 + 2 0 ) ( 2 7 3 + 1 3 ) 7 6 0 ( 0 9 1 5 7 6 0 o 8 5 3 1 5 5 3 0 0 1 3 6 ) = 3 9 0 0 0 1 0 6 6 = 4 1 5 7 0 n m q = 3 9 0 0 0 2 7 3 ( 2 7 3 + 2 0 ) = 3 6 3 3 8n m q 蛮q 嗳= 4 1 5 7 0 3 6 3 3 8 = 1 1 4 4 ( 2 ) 、棼月平均最高温度2 7 ，气压7 1 9 i 姗h g ，饱和蒸汽压2 6 5 l m m h g ，相对湿度7 0 验算： q 实= 3 9 0 0 0 7 3 + 3 0 ) 2 7 3 7 6 0 ( 7 1 + 2 6 5 l o 7 3 0 0 1 3 6 ) ( 2 7 3 + 2 0 ) ( 2 7 3 + 2 7 ) 7 6 0 ( 0 9 1 5 7 6 0 o 8 5 3 1 5 5 3 0 0 1 3 6 ) = 3 9 0 0 0 0 9 8 7 = 3 8 4 9 3 n m 3 m q = 3 9 0 0 0 2 7 3 ( 2 7 3 + 2 0 ) = 3 6 3 3 8 n m q q 嗳= 3 8 4 9 3 3 6 3 3 8 = 1 0 5 9 ( 3 ) 、按平均最低温度一o 5 ，气压7 3 3 6 m m h g ，饱和蒸汽压4 2 6 3 m m h g ，相对湿度6 8 验算： q 霉2 3 9 0 0 0 ( 2 7 3 + 3 0 ) 2 7 3 7 6 0 ( 7 3 3 6 4 2 6 3 o 6 8 3 0 0 1 3 6 ) ( 2 7 3 + 2 0 ) ( 2 7 3 一o 5 ) 7 6 0 ( o 9 15 7 6 0 - o 8 5 3 1 5 5 - 3 0 0 1 3 6 ) = 3 9 0 0 0x1 1 。7 l = 4 5 6 6 9 n m 3 h q 嗳= 3 9 0 0 0 2 7 3 ( 2 7 3 + 2 0 ) = 3 6 3 3 8 n m 3 l l q 女q = 4 5 6 6 9 3 6 3 3 8 2 1 2 5 7 ( 4 ) 、按年最高温度3 9 ，气压7 1 9 姗h g ，饱和蒸汽压5 2 0 4m m h g ， 相对湿度7 0 验算： q 女= 3 9 0 0 0 ( 2 7 3 + 3 0 ) 2 7 3 7 6 0 ( 7 1 9 - 5 2 0 4 o 7 3 0 0 1 3 6 ) ( 2 7 3 + 2 0 ) ( 2 7 3 + 3 9 ) 7 6 0 ( o 9 1 5 7 6 0 o 8 5 3 1 5 5 3 0 0 1 3 6 ) = 3 9 0 0 0 o 9 2 4 = 3 6 0 4 5 n m q 哦= 3 9 0 0 0 2 7 3 ( 2 7 3 + 2 0 ) = 3 6 3 3 8n m 3 l l q 实，q 嗳= 3 6 0 4 5 3 6 3 3 8 = 9 9 2 ( 5 ) 、按年最低温度一1 3 ，气压7 3 3 6 m m h g ，饱和蒸汽压1 6 8m m h g ， 相对湿度6 8 验算： q 实= 3 9 0 0 0 ( 2 7 3 + 3 0 ) 2 7 3 7 6 0 ( 7 3 3 6 - 1 6 8 o 6 8 3 0 0 1 3 6 ) ( 2 7 3 + 2 0 ) ( 2 7 3 1 3 ) 7 6 0 ( 0 9 1 5 7 6 0 0 8 5 3 1 5 5 3 0 0 1 3 6 ) = 3 9 0 0 0 1 1 9 3 = 4 6 5 3 8 n m 3 h o 吸= 3 9 0 0 0 2 7 3 ( 2 7 3 + 2 0 ) = 3 6 3 3 8n m l q q = 4 6 5 3 8 3 6 3 3 8 = 1 2 8 1 由以上计算得知：该压缩机在实际操作条件下供气能力在 3 6 0 4 5 n m 3 m 4 6 5 3 8 n m 3 m ，最大超过负荷为2 8 1 ，按全年平均操作 条件亦超过1 4 4 ，超过电机允许超负荷1 0 的要求，故应在压缩机 前增设一电动蝶阀，以控制冬季压缩机的进气量。 、压缩机