空气深冷液化分离学习教案

1、空气空气(kngq)深冷液化分离深冷液化分离第一页，共58页。第一节 概述(i sh)12空分装置发展空分装置发展(fzhn)(fzhn)简况简况空气空气(kngq)(kngq)分离的基本过程分离的基本过程34空分装置类型空分装置类型氧、氮的应用氧、氮的应用第1页/共58页第二页，共58页。表表1-1 1-1 空气中的主要成分空气中的主要成分(chng fn)(chng fn)及沸点及沸点组分分子式含量/%沸点/组分分子式含量/%沸点/氧O220.95-182.97氪Kr1.0810-4-153.4氮N278.09-195.79氙Xe8.010-6-108.11氩Ar0.932-185.86氢

2、H25.010-5-252.76氖Ne(1.51.8)10-3-246.08臭氧O3(12)10-6-111.90氦He(4.65.3)10-4-268.94二氧化碳CO20.03-78.44第2页/共58页第三页，共58页。1891年，德国林德公司在冷冻(lngdng)机械制造公司的实验室开始进行空气液化工作。1903年，林德公司制成第一台采用高压节流制冷循环的工业制氧机，生产能力为10Nm3O2/h。开辟了低温精馏空气，工业制取氧气的工艺流程。第3页/共58页第四页，共58页。1空气(kngq)的过滤和压缩2空气(kngq)中水分和二氧化碳的清除3空气(kngq)冷却4冷量的制取5精馏6危

3、险杂质的排放第4页/共58页第五页，共58页。根据冷冻循环压力的大小，空分装置(zhungzh)分为高压（720MPa），中压（1.52.5MPa）和低压（小于lMPa）三种基本类型。表表1-2 1-2 空分装置空分装置(zhungzh)(zhungzh)参数系列参数系列产氧量/（Nm3/h）82050150300800纯度/氧气99.299.5氮气99.599.99操作压力/MPa7201.52.51第5页/共58页第六页，共58页。1 1氧的应用氧的应用在炼钢过程中吹以高纯度氧气在炼钢过程中吹以高纯度氧气(yngq)(yngq)，氧便和碳及磷、，氧便和碳及磷、硫、硅等起氧化反应，这不但降低

4、了钢的含碳量，还有利硫、硅等起氧化反应，这不但降低了钢的含碳量，还有利于清除磷、硫、硅等杂质。于清除磷、硫、硅等杂质。第6页/共58页第七页，共58页。2 2氮的应用氮的应用氮气主要用于生产合成氨，另外还广泛氮气主要用于生产合成氨，另外还广泛(gungfn)(gungfn)地用于化工、地用于化工、冶金、原子能、电子、石油、玻璃、食品等工业部门作保护气。冶金、原子能、电子、石油、玻璃、食品等工业部门作保护气。第7页/共58页第八页，共58页。第二节 空气(kngq)的净化12机械机械(jxi)(jxi)杂质的脱除杂质的脱除水分、二氧化碳水分、二氧化碳(r yng hu tn)(r yng hu

5、tn)、乙炔的脱除、乙炔的脱除第8页/共58页第九页，共58页。空气净化的目的是脱除空气中所含的机械杂质(zzh)、水分、二氧化碳、碳氢化合物（主要为乙炔）等杂质(zzh)，以保证空分装置顺利进行和长期安全运转。这些杂质(zzh)在空气中的一般含量见表1-3。表表1-31-3空气空气(kngq)(kngq)中主要杂质的含量中主要杂质的含量机械杂质/（g/Nm3）水蒸汽/%二氧化碳/%乙炔/ppm0.0050.01230.030.0011第9页/共58页第十页，共58页。1.1.拉西环式过滤器拉西环式过滤器拉西环式过滤器由钢制外壳拉西环式过滤器由钢制外壳(wi k)(wi k)和装有拉西环的插入

6、盒构成和装有拉西环的插入盒构成（见图（见图1-11-1），拉西环上涂有低凝固点的过滤油。），拉西环上涂有低凝固点的过滤油。第10页/共58页第十一页，共58页。2.2.油浸式过滤器油浸式过滤器油浸式过滤器由许多油浸式过滤器由许多(xdu)(xdu)片状链组成，链借链轮的作用以片状链组成，链借链轮的作用以2mm2mmminmin的速度移动或间歇移动（见图的速度移动或间歇移动（见图1-21-2）。）。第11页/共58页第十二页，共58页。3.3.袋式过滤器袋式过滤器袋式过滤器一般由滤袋、清灰装置、清灰控制袋式过滤器一般由滤袋、清灰装置、清灰控制(kngzh)(kngzh)装置装置等组成（见图等组成

7、（见图1-31-3）。）。第12页/共58页第十三页，共58页。4.4.干带式过滤器干带式过滤器干带式过滤器所用的干带，是一种尼龙丝组成的长毛绒状干带式过滤器所用的干带，是一种尼龙丝组成的长毛绒状制品制品(zhpn)(zhpn)或毛质滤带。或毛质滤带。第13页/共58页第十四页，共58页。5.5.自洁自洁(z ji)(z ji)式空气过滤器式空气过滤器（1 1）过滤过程）过滤过程（2 2）自洁）自洁(z ji)(z ji)过程过程 （3 3）维护工作量低）维护工作量低第14页/共58页第十五页，共58页。（一）空气预冷系统（一）空气预冷系统(xtng)(xtng)空气预冷系统空气预冷系统(xt

8、ng)(xtng)是空气分离设备的一个重要组成是空气分离设备的一个重要组成部分，它位于空气压缩机和分子筛吸附系统部分，它位于空气压缩机和分子筛吸附系统(xtng)(xtng)之之间，用来降低进分子筛吸附系统间，用来降低进分子筛吸附系统(xtng)(xtng)空气的温度及空气的温度及H2OH2O（g g）、）、CO2CO2含量，合理利用空气预冷系统含量，合理利用空气预冷系统(xtng)(xtng)的冷量。的冷量。第15页/共58页第十六页，共58页。（二）分子筛吸附法（二）分子筛吸附法1 1吸附剂吸附剂2 2吸附原理吸附原理(yunl)(yunl)3 3吸附剂的吸附容量吸附剂的吸附容量4 4大气

9、中有害杂质的吸附及其影响大气中有害杂质的吸附及其影响5 5吸附剂的再生吸附剂的再生第16页/共58页第十七页，共58页。再生气中含有的微量氧，可与被分子筛吸附的硫化氢、二氧化硫和氧化氮发生化学反应(huxu fnyng)，生成硫酸和硝酸。其化学反应(huxu fnyng)如下：第17页/共58页第十八页，共58页。第三节 空气(kngq)的液化12制冷制冷(zhlng)(zhlng)的热力学基础的热力学基础空气空气(kngq)(kngq)液化时的制冷原理液化时的制冷原理3空气的液化循环空气的液化循环第18页/共58页第十九页，共58页。1 1空气的一些热力学参数空气的一些热力学参数(cnsh)

10、(cnsh)（1 1）内能）内能 （2 2）焓）焓 H HU Up pV V（3 3）可逆过程和不可逆过程）可逆过程和不可逆过程（4 4）熵）熵第19页/共58页第二十页，共58页。2 2空气的温空气的温- -熵图熵图fefe：egeg气体气体(qt)(qt)量：液体量。量：液体量。第20页/共58页第二十一页，共58页。1节流(ji li)膨胀2膨胀机的绝热膨胀第21页/共58页第二十二页，共58页。1 1以节流膨胀以节流膨胀(png zhng)(png zhng)为基础的循环为基础的循环节流膨胀节流膨胀(png zhng)(png zhng)循环，由德国的林德首先研究成功，循环，由德国的林

11、德首先研究成功，故亦称简单林德循环。故亦称简单林德循环。第22页/共58页第二十三页，共58页。2 2以等熵膨胀与节流以等熵膨胀与节流(ji li)(ji li)相结合的液化循环相结合的液化循环（1 1）克劳特循环）克劳特循环 第23页/共58页第二十四页，共58页。（2）卡皮查循环(xnhun)第24页/共58页第二十五页，共58页。第四节 空气(kngq)的分离12单级精馏单级精馏(jn li)(jn li)双级精馏双级精馏(jn li)(jn li)34空分塔的种类空分塔的种类空分塔中稀有气体的分布空分塔中稀有气体的分布5纯氩的制取纯氩的制取第25页/共58页第二十六页，共58页。单级精

12、馏塔有两类：一类(y li)是制取高纯度液氮（或气氮）；一类(y li)是制取高纯度液氧（或气氧）。第26页/共58页第二十七页，共58页。双级精馏塔如图1-13所示，双级精馏塔由下塔、上塔和上、下塔之间的冷凝(lngnng)蒸发器组成。第27页/共58页第二十八页，共58页。1筛板塔2泡罩塔3填料(tinlio)塔4规整填料(tinlio)塔第28页/共58页第二十九页，共58页。第29页/共58页第三十页，共58页。氖、氦、氪、氙和氧、氮的沸点不同，它们在空气中的数量不同，因此在空分塔中它们汇集的部位(bwi)也不同。图1-16表示它们在空分塔内汇集的部位(bwi)。第30页/共58页第三

13、十一页，共58页。1 1传统传统(chuntng)(chuntng)提氩的流程提氩的流程第31页/共58页第三十二页，共58页。2 2全精馏无氢制氩全精馏无氢制氩全精馏无氢制氩指粗氩塔和精氩塔全部采用规整填料塔，在低全精馏无氢制氩指粗氩塔和精氩塔全部采用规整填料塔，在低温下精馏直接获得精氩。其技术的实现得益于规整填料塔的应温下精馏直接获得精氩。其技术的实现得益于规整填料塔的应用，由于规整填料塔的阻力小，在粗氩塔内安装的填料相当的用，由于规整填料塔的阻力小，在粗氩塔内安装的填料相当的理论塔板数更多，提高理论塔板数更多，提高(t go)(t go)了粗氩塔的精馏效果，使出粗了粗氩塔的精馏效果，使出

14、粗氩塔的粗氩气中氧含量直接降至要求指标（氩塔的粗氩气中氧含量直接降至要求指标（2ppm2ppm）以下。）以下。第32页/共58页第三十三页，共58页。第五节 空分流程(lichng)12空分流程空分流程(lichng)(lichng)的演变的演变空分流程空分流程(lichng)(lichng)的演变的演变第33页/共58页第三十四页，共58页。1 1铝带蓄冷器冻结铝带蓄冷器冻结(dngji)(dngji)高低压空分流程高低压空分流程流程主要由空气过滤压缩、高压空气压缩、流程主要由空气过滤压缩、高压空气压缩、CO2CO2碱洗、碱洗、氨预冷、膨胀制冷、换热精馏等系统组成。氨预冷、膨胀制冷、换热精馏

15、等系统组成。第34页/共58页第三十五页，共58页。2 2石头蓄冷冻结全低压空分流程石头蓄冷冻结全低压空分流程随着透平膨胀机技术的开发、蛇管式石头蓄冷器的出现随着透平膨胀机技术的开发、蛇管式石头蓄冷器的出现(chxin)(chxin)及其自清除技术的改进等，及其自清除技术的改进等，1968196819691969年出现年出现(chxin)(chxin)了石头蓄冷器冻结全低压空分流程。了石头蓄冷器冻结全低压空分流程。第35页/共58页第三十六页，共58页。3 3切换切换(qi hun)(qi hun)式换热器冻结全低压空分流程式换热器冻结全低压空分流程随着高效率板翅式换热器的研制成功和反动式透平

16、膨胀机技术的随着高效率板翅式换热器的研制成功和反动式透平膨胀机技术的进一步发展，空分流程水平又大大向前推进了一步，出现了切换进一步发展，空分流程水平又大大向前推进了一步，出现了切换(qi hun)(qi hun)式换热器冻结全低压空分流程。式换热器冻结全低压空分流程。第36页/共58页第三十七页，共58页。4 4常温分子筛净化全低压空分流程常温分子筛净化全低压空分流程常温分子筛净化全低压空分流程和切换式换热器冻结全低压空常温分子筛净化全低压空分流程和切换式换热器冻结全低压空分流程之根本区别在于：将切换式换热器的传质和换热两种功分流程之根本区别在于：将切换式换热器的传质和换热两种功能分开能分开(

17、fn ki)(fn ki)，在冷箱外用分子筛吸附器清除空气中水分，在冷箱外用分子筛吸附器清除空气中水分和和CO2CO2，在冷箱内的主换热器仅起换热作用。，在冷箱内的主换热器仅起换热作用。第37页/共58页第三十八页，共58页。5 5常温分子筛净化增压膨胀空分流程常温分子筛净化增压膨胀空分流程该流程是在常温分子筛净化全低压空分流程的基础上，将膨胀该流程是在常温分子筛净化全低压空分流程的基础上，将膨胀机的制动发电机改成了增压机。增压机的作用是将膨胀空气在机的制动发电机改成了增压机。增压机的作用是将膨胀空气在膨胀过程中产生的功，直接用来使进膨胀机的空气增压，膨胀膨胀过程中产生的功，直接用来使进膨胀机

18、的空气增压，膨胀机前压力的提高，就增加了单位膨胀空气的制冷量，在空分设机前压力的提高，就增加了单位膨胀空气的制冷量，在空分设备所需冷量一定的情况下，膨胀量就可减少下来，总的加工空备所需冷量一定的情况下，膨胀量就可减少下来，总的加工空气量也就相应降低，这就是气量也就相应降低，这就是(jish)(jish)常温分子筛净化增压膨胀常温分子筛净化增压膨胀空分流程氧提取率能进一步提高，能耗得以下降的原因。空分流程氧提取率能进一步提高，能耗得以下降的原因。第38页/共58页第三十九页，共58页。6 6常温分子筛净化规整填料精馏空分流程常温分子筛净化规整填料精馏空分流程为了进一步提高装置效率，降低能耗，国外

19、在常温分子筛净化增为了进一步提高装置效率，降低能耗，国外在常温分子筛净化增压膨胀空分流程的基础上，对其配套的单元设备部机的设计技术压膨胀空分流程的基础上，对其配套的单元设备部机的设计技术采用了采用了“各个击破各个击破”的战略，进行了深入的战略，进行了深入(shnr)(shnr)的研究和开发，的研究和开发，并取得了使空分设备获得大幅度增效减耗的整体效应。并取得了使空分设备获得大幅度增效减耗的整体效应。第39页/共58页第四十页，共58页。7 7外压缩与内压缩流程外压缩与内压缩流程外压缩流程是在冷箱外设氧气压缩机，将空分设备生产的外压缩流程是在冷箱外设氧气压缩机，将空分设备生产的低压氧气加压至用户

20、所需压力；内压缩流程的供氧压力是低压氧气加压至用户所需压力；内压缩流程的供氧压力是由冷箱内（原理上）的液氧泵加压实现的。目前，内压缩由冷箱内（原理上）的液氧泵加压实现的。目前，内压缩流程较广泛地应用于液体流程较广泛地应用于液体(yt)(yt)需求量大、产品终压高和需求量大、产品终压高和容量大的空分设备中。容量大的空分设备中。第40页/共58页第四十一页，共58页。1 1工艺流程工艺流程(n y li chn)(n y li chn)第41页/共58页第四十二页，共58页。2 2流程特点流程特点此装置是目前大型煤化工项目常用的，适用于氧压力高、产量此装置是目前大型煤化工项目常用的，适用于氧压力高

21、、产量(chnling)(chnling)大要求的内压缩空分装置。大要求的内压缩空分装置。第42页/共58页第四十三页，共58页。3 3主要配套机组及设备特点主要配套机组及设备特点（1 1）原料空压机和空气增压机）原料空压机和空气增压机（2 2）空气预冷系统）空气预冷系统(xtng)(xtng)（3 3）分子筛纯化系统）分子筛纯化系统(xtng)(xtng)（4 4）精馏塔系统）精馏塔系统(xtng) (xtng) 第43页/共58页第四十四页，共58页。第六节 空气(kngq)深冷分离的操作控制12空分系统的的主要开车空分系统的的主要开车(ki ch)(ki ch)步骤步骤空分的正常操作空分

22、的正常操作(cozu)(cozu)管理管理34停车和升温停车和升温故障及排除方法故障及排除方法第44页/共58页第四十五页，共58页。1.1.启动准备启动准备启动准备指在供电、供水、供汽正常启动准备指在供电、供水、供汽正常(zhngchng)(zhngchng)，空分系统的，空分系统的各设备、仪表、控制程序具备了启动条件后，启动空分系统的空各设备、仪表、控制程序具备了启动条件后，启动空分系统的空气输送及净化系统，产生洁净的空气，对冷箱内的设备、管道、气输送及净化系统，产生洁净的空气，对冷箱内的设备、管道、阀门等进行吹刷，降低冷箱内装置中的水蒸汽及灰尘含量。阀门等进行吹刷，降低冷箱内装置中的水蒸

23、汽及灰尘含量。第45页/共58页第四十六页，共58页。2.2.冷却阶段冷却阶段冷却空分塔的目的，是将正常生产时的低温部分冷却空分塔的目的，是将正常生产时的低温部分(b fen)(b fen)设备设备从常温冷却到接近空气液化温度，为积累液体及氧和氮分离准从常温冷却到接近空气液化温度，为积累液体及氧和氮分离准备低温条件。备低温条件。第46页/共58页第四十七页，共58页。3.3.积液和调整积液和调整(tiozhng)(tiozhng)阶段阶段此阶段的主要任务为逐步建立各精馏设备的液位，调整此阶段的主要任务为逐步建立各精馏设备的液位，调整(tiozhng)(tiozhng)各精馏装置至正常操作状态。

24、各精馏装置至正常操作状态。第47页/共58页第四十八页，共58页。（一）正常（一）正常(zhngchng)(zhngchng)操作操作1 1主冷凝蒸发器的液位的调节主冷凝蒸发器的液位的调节2 2精馏控制精馏控制3 3达到规定指标的调节达到规定指标的调节第48页/共58页第四十九页，共58页。（二）维护（二）维护(wih)(wih)1 1热交换器维护热交换器维护(wih)(wih)2 2主冷凝蒸发器维护主冷凝蒸发器维护(wih)(wih)3 3空分塔空分塔4 4分予筛吸附器分予筛吸附器第49页/共58页第五十页，共58页。（三）变工况操作（三）变工况操作1 1减少氧气产量的变负荷减少氧气产量的变

25、负荷(fh)(fh)操作操作2 2增加氧气产量的变负荷增加氧气产量的变负荷(fh)(fh)操作操作3 3增加液氧产量的变负荷增加液氧产量的变负荷(fh)(fh)操作操作4 4手动变负荷手动变负荷(fh)(fh)操作中应注意的问题操作中应注意的问题5 5变负荷变负荷(fh)(fh)范围的技术限制范围的技术限制第50页/共58页第五十一页，共58页。（一）正常停车（一）正常停车（1 1）停止供产品气；）停止供产品气； （2 2）开启产品管线上的放空阀；）开启产品管线上的放空阀；（3 3）把仪表空气系统切换到备用仪表空气管线上；）把仪表空气系统切换到备用仪表空气管线上；（4 4）停运透平）停运透平(

26、tu pn)(tu pn)膨胀机；膨胀机； （5 5）开启空压机空气管路放空阀；）开启空压机空气管路放空阀； （6 6）停运空气压缩机；）停运空气压缩机；（7 7）停运空冷系统的水泵；）停运空冷系统的水泵；第51页/共58页第五十二页，共58页。（8）停运分子筛纯化系统的切换系统；（9）关闭空气和产品管线，打开冷箱内管线上的排气阀（视压力情况而定）；（10）停运液氧、液氮泵； （11）如停车(tng ch)时间超过48小时，应排放液体； （12）关闭所有的阀门（不包括上面提到的阀门）；（13）对各装置进行升温。第52页/共58页第五十三页，共58页。（二）临时（二）临时(ln sh)(ln sh)停车停车由于发生故障，需短时间停车处理时，可对精馏塔进行保