空分工艺及设备20141103

1、空分工艺及设备空分工艺及设备 黔希化工黔希化工 魏作峰魏作峰 2014年年11月月3日日空分工艺及设备 一、空分装置概述 二、空分工艺及设备 三、空分装置的安全空分发展简史 空分的发展到目前为止共经历了六代： 第一代：高低压循环，氨预冷，氮气透平膨胀，吸收法除杂质； 第二代：石头蓄冷除杂质，空气透平膨胀低压循环； 第三代：可逆式换热器； 第四代：分子筛纯化； 第五代：规整填料，增压透平膨胀机的低压循环； 第六代：内压缩流程，规整填料，全精馏无氢制氩；国外主要空分制造商 法国液化空气公司的108000m3/h O2； 德国林德公司的110000m3/h O2,335000m3/h N2(一处4台

2、)； 美国普莱克斯Praxair实用气体有限公司的2700Mt/D O2 英国氧气公司BOC的2400t/d O2；并入林德 美国空气制品与化学品公司AP的3500 MT/d O2； 德国梅塞尔集团MG的1700t/ d O2； 俄罗斯深冷机械公司(前苏联)的70000m3/ h O2（1978年）等。 投运的最大制氧站是南非煤-油-气公司，100万m3/h O2； 最大制氮站是墨西哥坎塔雷尔，134万m3/h N2。国内空分制造商 杭州杭氧股份有限公司（简称杭氧）在建项目有大唐多伦计划2009年投产4套60000Nm3 /h（4.0MPa）空分和神华包头4套60000Nm3 /h（4.0MP

3、a）空分。 开封空分集团有限公司（原开封空分设备厂，简称开空）永煤龙宇煤化工52000Nm3/h空分。2007年被永煤兼并 四川空分设备（集团）有限责任公司（简称川空） 贵州金赤桐梓煤化工43000Nm3/h空分空分的应用领域 钢铁：还原法炼铁或熔融法炼铁（喷煤富氧鼓风技术）； 煤气化：城市能源供应的趋势、煤气化能源联合发电； 化工：大化肥、大化工企业，电工、玻璃行业作保护气； 造纸：漂白剂； 国防工业：氢氧发动机、火箭燃料； 机械工业:一、空分装置概述 1.概述概述 黔希空分装置是一套带前置空气过滤、黔希空分装置是一套带前置空气过滤、预冷、纯化系统（采用分子筛和活性预冷、纯化系统（采用分子筛

4、和活性氧化铝双层净化）的无氢制氩、双泵氧化铝双层净化）的无氢制氩、双泵内压缩空气分离设备。内压缩空气分离设备。2 装置的性能 本套空分装置的生产能力为： 48000Nm3/h氧气 43600Nm3/h氮气 1450Nm3/h氩气。 主要产品有： 气体产品高压氧气、压力氮、高压氮气及仪表空气和压缩空气； 液体产品液氧、液氮、液氩；3 操作弹性 空分装置的负荷调节应在空压机流量变化范围内可以实现氧气产量从设计工况的75105%范围连续变化。4 操作特性 运行周期 本装置保证年运转8000小时，装置寿命20年。 运行时间 在正常运行情况下，装置到需要完全解冻时的操作周期为2年。5、设备配置 本套空分

5、装置的主要配套设备如下： a.1台自洁式空气过滤器 b.1台透平空气压缩机 1台透平空气增压机 1台汽轮机设备配置 c.预冷系统 1台空气冷却塔 1台水冷却塔 2台冷却水泵 2台冷冻水泵 1台冷水机组设备配置 d.纯化系统 2台双床层卧式分子筛吸附器 1台蒸汽加热器设备配置e.分馏塔系统1套O2/ N2/Ar分馏塔主要包括：1组低压换热器（6台）1组高压换热器（3台）1组过冷器(5台)2台增压透平膨胀机（一用一备）2台增压后冷却器（一用一备）2台高压液氧送出泵（一用一备）2台低压液氧送出泵（一用一备）2台高压液氮送出泵（一用一备）2台低压液氮送出泵（一用一备）2台液氩循环泵（一用一备）1台喷射

6、蒸发器设备配置精馏塔包括：1台下塔（含1台主冷凝蒸发器）1台上塔2台粗氩塔1台精氩塔设备配置 f.液体后备系统 3台储槽 3台充车泵（液氧、液氮、液氩各一台） 1台高压事故液氮泵 1台水浴式汽化器（1台空浴汽化器）二、空分工艺及设备 流程说明： 本套空分装置是一套带前置空气过滤、预冷、纯化系统（采用分子筛和活性氧化铝双层净化）的无氢制氩、双泵内压缩空气分离设备。整套空分设备包括： 空气过滤系统、 空气压缩系统、 空气预冷系统、 分子筛纯化系统、 分馏塔系统、 全精馏无氢制氩系统、 液体贮存系统、 仪控系统、 电控系统等。黔希化工空分流程简述 黔希化工空分装置为： KDONAr-48000/43

7、600/1350Y大型空分装置。 KDONAr-48000/43600/1350Y型 K:空气分离设备 D：低压 ONAr：主要产品介质化学元素符号 48000/43600/1350：主要产品的产量 Y：带液化装置 空分流程方块图1、空气过滤 空气中含有灰尘、水蒸气、二氧化碳和乙炔等物质。 在空气液化分离过程中，灰尘能磨损压缩机，堵塞管道；水蒸气、二氧化碳在低温下会凝固成冰和干冰，堵塞管道和设备； 乙炔在含氧介质中受到摩擦、冲击或静电作用，会引起爆炸。 为了保证空气分离过程顺利进行和装置长期安全运转。首先必须将这些物质彻底清除。ZKG-11000型自洁式空气过滤器 ZKG-11000型自洁式空

8、气过滤器由无锡市安活气动成套有限公司制造 过滤是在自洁式空气过滤器FT-7001中完成的。自洁式空气过滤器FT-7001由585只滤筒组成，由117个电磁阀控制，设计过滤能力为66万m3/h空气，过滤效率为99.99%。反吹压力0.45-0.8MPa，过滤粒度2um，耗气量0.2m3/min。 自洁式空气过滤器由程序控制，当过滤器阻力升至高限800Pa时系统自动反吹自洁， 阻力下降至初始阻力约150Pa时，自洁系统停止工作。 结构特点 ZKG系列自动自洁式空气过滤器是机电一体化设备。阻力损失较小，自洁式空气过滤器初阻力小于150Pa，适用空气湿度范围广。自耗压缩空气量极少，仅为0.2 m3/m

9、in（吸入状态）。 采用积木组装式多层结构，占地面积小。过滤元件的使用寿命长，更换周期为1824个月。 ZKG型气动自洁式空气过滤器由钢结构框架、过滤箱体、出口风管、微机控制系统、自洁气源系统五部分组成。过滤箱体的上部为净气室，下半部分为高效过滤筒，包括：文氏管、自洁专用喷头、反吹系统（含电磁阀等）、控制系统等。特别注意事项： 1严禁高效过滤筒外包装（尼龙袋）未拆开就开机。 2将净气室内擦拭干净后，再用面粉进一步清洁除尘。分别由操作人员和检查人员确认净气室内无任何灰尘和杂物后方能开车运行。 3本空气过滤器结构设计压差为3Kpa，如果超过该压差使用将会造成设备损坏，当压差接近2Kpa 时,应及时

10、处理或更换滤筒。 4自洁反吹气体应是清洁、干燥、无油的。否则电磁阀可能不能正常工作并降低设备的使用寿命。 5控制仪通电后，需将控制仪内的空气开关合上。 6在一般情况下，12年左右应更换一次过滤筒。 7当检修过滤器或更换过滤筒时，应暂时中断控制器电源。如只更换某一个过滤筒，其它过滤筒照常运行时，可采用手动控制的方法，使更换的阀门不动作。空气过滤设备：2、空气的压缩 空气首先进入自洁式空气过滤器，在空气过滤器中除去灰尘和其它颗粒杂质后进入空压机。空压机为透平压缩机并配有中间冷却器。空气经过多级压缩后进入空冷塔，压缩机级间的热量被中间冷却器中的冷却水带走。空压机组 空压机组主要由空压机、增压机、汽轮

11、机组成 原料空气压缩机和增压空气压缩机均采用离心式压缩机，由透平蒸汽轮机驱动（俗称一拖二机组）。 汽轮机为杭汽制造。 空压机及增压机为陕鼓制造 透平通过增速箱和增压机相连，增速箱为德国马格（MAAG）制造原料空气压缩机 一台 作用是为装置提供带压原料气 多级透平压缩机，汽轮机驱动，带中间冷却器，疏水装置。 型式：离心式 设计参数： 正常值 流量(干燥)266000Nm3/h 进口压力 0.084MPa(A) 进口温度 27 相对湿度 85% 排气压力（止回阀后）0.60MPa(A) 排气温度 100 冷却水温度30 冷却水温升10原料空气压缩机 经过滤达标后的空气在空压机入口负压作用下进入空气

12、压机，首先在空气压缩机中经四级等温压缩后压力升至 0.6MPa，部分（6000 Nm3/h）经70FV011阀控制送至锅炉装置，绝大部分（266000 Nm3/h）进入空气预冷系统进行空气预冷。空气增压机 一台空气增压机的作用是为装置提供膨胀及液氧气化的气源。空气增压机为多级透平压缩机，汽轮机驱动，带中间冷却器。型式：离心式设计参数： 正常值进口流量143000Nm3/h进口温度25进口压力0.57MPa(A)相对湿度0%中抽1流量13500Nm3/h中抽1压力1.2MPa(A)中抽2流量55000Nm3/h中抽2压力2.7MPa(A)出口流量74500Nm3/h排气压力（止回阀后）5.9MP

13、a(A)排气温度40冷却水温度30冷却水温升10空气增压机 出空气净化器V-7201A/B后部分气体 （143000 Nm3/h）送空气增压机继续压缩。 经增压机一段压缩至1.31MPa(A)冷却后抽出仪表气、压缩空气13500 Nm3/h， 其余空气继续压缩至2.7MPa(A)并经冷却后抽出膨胀空气55000 Nm3/h， 剩余空气75000 Nm3/h继续压缩至5.9MPa(A)，并经高换E-7302A/C换热节流后送入精馏塔下塔C-7301。汽轮机 一台 一台蒸汽轮机用于同时驱动空压机和增压机。 型 式： 抽凝式汽轮机 机组位置： 根据汽轮机布置图，汽轮机安装在机房内标高10.5m的基础

14、平台上，机组运转层标高12.75m 汽轮机转子与压缩机转子之间用压缩机厂家提供的 膜片式联轴器相连。汽轮机额定工况： 汽轮机进气参数为： 压力8.8mpa（a），温度530，进气流量222.4t/h 抽气流量80t/h 排汽压力0.012mpa（a） 机组额定转速4291r/min 汽轮机额定输出功率44103.4kw 循环水用量：9563t/h等温内冷离心压缩机+单轴离心增压机的三维布置图空压机的叶轮冲洗系统 空压机的长周期安全稳定的运行是空分装置可靠的首要保证。为了消除经过空气过滤器后仍存在的少量极微小尘埃颗粒在流道中沉积，引起空压机效率下降和出现不平衡而造成轴振动过高等现象，空压机配置了

15、叶轮水冲洗装置。 叶轮的冲洗时间则通过计算机自动控制或人为设置间隔时间。这种空压机不停机而对叶轮进行清洗的技术可大大延长空压机不停车检修而连续运转的时间。这是冲洗不好的叶轮叶轮水清洗及疏水系统对叶轮进行自动在线清对叶轮进行自动在线清洗，并自动排放。洗，并自动排放。3、预冷系统 进入空气冷却塔C-7101的压缩空气，由下至上与从上至下的水直接接触通过空气冷却塔下段和上段两个填料层进行换热和洗涤，溶解腐蚀性的气体NH3、H2S、SO2、SO3、NO2等并降温至10，然后通过空气冷却塔顶部除沫器除沫后送入分子筛V-7201A/B系统。预冷系统主要设备：空冷塔、水冷塔 空气冷却塔 作用：把空压机出来的

16、高温气体（116）冷却到10 结构：填料塔 使用方式：空气从空冷塔下部进入，在填料表面与自上而下流过的冷却水和常温水直接接触进行热质交换，使空气冷却并洗除空气中的一些有害杂质，冷却水来自水冷塔。水冷塔水冷塔 空冷塔空冷塔预冷系统简易流程图4、 纯化系统分子筛纯化系统的任务：吸附空气中水分、乙炔、CO2及一些碳氢化合物。流程叙述：被压缩的空气经预冷系统冷却至10,自下而上通过分子筛吸附器V-7201A或V-7201B时,空气中所含的H2O、C2H2、CO2、C3H6、C4H8等杂质相继被吸附清除，从而避免了这些杂质在设备和管路局部聚结、堵塞，保证了空分设备的正常运行。空气经净化后，因分子筛的吸附

17、热，温度升至16，然后分两路：一路空气（113000 Nm3/h）在低压主换热器E-7303A-F中与返流气体(纯氮、污氮等)换热达到接近空气液化温度约-171进入精馏塔下塔C-7301。另一路空气（143000 Nm3/h）进入空气增压机K-7002进行增压。双层卧式吸附器（V-7201A/B） 两台 空气纯化器的结构：卧式圆筒体，内设支承栅架。两台卧式双床层吸附器，由碳钢外壳和内件（不锈钢筛网和铆钉，碳钢格栅板）组成。 空气纯化器的作用：吸附空气中的水份、二氧化碳及乙炔等碳氢化合物，使进入冷箱的空气纯净。卧式空气纯化器（我们的纯化器是这样的）鹤壁空分的立式空气纯化器蒸汽加热器（ E-720

18、1 ） 一台 蒸汽加热器用于正常再生污氮气加热。 设计参数： 介 质： 污氮 流 量： 52000Nm3/h 进口压力： 0.01MPa(G) 进口温度： 18 出口温度： 175 蒸汽加热器的泄露是影响空分装置稳定运行的重大隐患。 5 5、膨胀机系统 膨胀机膨胀机 作用：膨胀机是空分设备的心脏部机之一，由气体在膨胀机中等熵膨胀而制取冷量，补充系统冷损，膨胀膨胀空气温度，压力降低空气温度，压力降低。 膨胀机组工艺流程简述： 空压机高压缸二段55500Nm3/h的中压膨胀空气进入膨胀机组增压端后，膨胀空气压力从27bar增压至38bar后进入高压板式换热器 ，在换热器被返流的液氧、液氮及污氮气冷

19、却至118后，进入膨胀机做功（焓降）制冷至171，通过汽液分离器 将液相和气相分离，气相直接进入下塔，液相通过调节阀控制进入上塔。国产增压透平膨胀机（开空制造） PLPK-925/3.830.465型透平膨胀机组是为气体分离装置配套的机组之一。 利用空气膨胀产生的冷量，满足气体分离装置对冷量的需要以及补偿装置中的冷量损失。机组由透平膨胀机、油站、底座、冷箱、部分油、水、气管路等组成。透平膨胀机所产生的膨胀功由主轴另一端的增压叶轮所吸收利用，使增压机气体的出口压力升高。国产增压透平膨胀机技术参数 型号：PLPK-925/3.830.465型 型式： 膨胀机：卧式，单级，向心，径轴流反作用式 增压

20、机：单级，离心式进口增压膨胀机 进口增压膨胀机是由CRYOSTAR （林德集团） 制造。 机组采用撬装式结构, 公用钢制地盘。主要包含主机、润滑油系统、密封气系统及控制装置 型号：TC200； 转速：22300RPM； 流量：55500Nm3/h； 膨胀端：进出口压力：4.06Mpa（A）/0.56Mpa（A）； 进/出口温度：167K/99.9K； 增压端：进出口压力：2.68Mpa（A）/4.1Mpa（A）； 进出口温度：313K/362.8K。作用：回收冷量及通过回收的冷量降低进回收冷量及通过回收的冷量降低进精馏塔的空气温度，使其接近饱和温度。精馏塔的空气温度，使其接近饱和温度。结构：为

21、多层板翅式为多层板翅式，各通道中的冷热气流通过翅片和隔板进行良好的热交换。 高压主换热器高压主换热器3 3台；低压主换热器台；低压主换热器6 6台台主热交换器主热交换器6、换热系统板翅式换热器 空气的精馏过程： 利用氧（利用氧（-183-183）、氮（）、氮（-195.8-195.8）的沸点）的沸点不同不同，混合液体吸收蒸汽的热量而部分蒸发，沸点低的氮较多的蒸发，而蒸汽在放出热量后部分冷凝，沸点高的氧较多的冷凝。这样蒸气中的氮浓度越来超高，液体中的氧浓度也越来越高。 这样通过多次的部分蒸发与部分冷凝来完成整个精馏过程，从而将空气中的氧和氮分离开来。7、精馏系统精馏塔上塔从上到下产生以下产品：1

22、、顶部氮气：从上塔顶部抽出后经过冷器和主换热器复热至设计温度出冷箱，一股氮气作为产品送出，其余部分送到水冷塔对水进行冷却。2、上部污氮气：从上塔上部抽出后经过冷器和主换热器复热至设计温度出冷箱：一股污氮用于分子筛吸附器的再生, 另一股送到水冷塔对水进行冷却，还有一小部分进入冷箱，对冷箱充气。3、中部抽取氩馏份：氩馏份从上塔中部抽出，经粗氩塔精馏在顶部产生工艺氩。4、底部产生液氧：从上塔底部抽出，在液氧泵中被压缩至所需压力，然后送到高压换热器中通过与高压空气进行热交换而得到高压氧气。一部分液氧抽出后作为液体产品送出。 精馏塔下塔从上到下产生以下产品： 1、 纯液氮：一部分液氮从下塔顶部抽出后，经

23、液氮泵加压到用户所需压力，经高压主换热器复热后送往用户。 一部分液氮在过冷器中过冷后送入上塔顶部作回流液。 一部分纯液氮过冷后作为液体产品送出。 一部分液氮作为下塔回流液。 2、污液氮：污液氮在过冷器中过冷后送入上塔作回流液。 3、贫液空：贫液空经过冷器过冷后 一部分节流后进入上塔，作为其回流液。 一部分进入精氩塔冷凝器做冷源，被蒸发后送入上塔。 4、富氧液空：富氧液空经过冷器过冷后 一部分节流进入上塔，作为其回流液。 一部分进入精氩塔蒸发器做热源，过冷后再进入粗氩塔冷凝器做冷源，被蒸发后送入上塔。精馏系统模型8、液体贮存系统：贮存空分装置生产的液体。 液氧贮存系统： 液氧贮槽系统主要是在空分

24、装置在液氧有富余时，为增加效益，向贮槽储存液氧，并且通过所配的氧槽车泵向槽车送液氧。主要包括液氧储槽T7801和液氧充车泵P7801。 低温液氧储槽T7801主要性能参数： 形式 立式真空 容积 100m3 最高工作压力 0.2MPa 工作温度 -196液氧充车泵(P7801) 型号 BP-24/60 形式单级、卧式、离心泵 输送流量24m3/h 扬程 60m 进口压力 0.1MPa(G) 设计转速2930rpm 电机功率11KW液氮贮存系统 液氮贮存系统主要是用来贮存空分装置生产的液氮，并将其升压、蒸发成气态产品，同时通过所配的氧槽车泵向槽车送液氧。 主要包括液氮储槽T7802、事故氮泵P7

25、804、水浴式汽化器E7801、空浴式汽化器E7802和液氮充车泵P7802。 液氮储槽T7802主要性能参数： 形式 立式平底 有效容积 1500m3 设计液位 14195mm 最高工作压力 0.02MPa 工作温度 -196 液氩贮存系统 液氩贮槽系统主要贮存空分生产的液氩，并且通过所配的氩充车泵向槽车送液氩。 主要包括液氧储槽T7803和液氧充车泵P7803。 液氩贮槽系统主要性能参数： 形式 立式平底 有效容积 500m3 设计液位 14195mm 最高工作压力 0.02MPa 工作温度 -196三、空分装置的安全说明空分装置作为低温装置，它的特殊危险性包括：冷态；工艺气体；在空气中的

26、碳氢化合物；在绝热单元设备内操作。低温装置排放或生产的液化气体（氧气、氮气、氩）。在常压下： 液氧：-183 液氮：-196 液氩：-186三、空分装置的安全说明 低温装置排放或生产的气体（氧、氮、一氧化碳、氩、水煤汽）会对生命造成危害。 这些气体的有害程度取决于它们的种类： 中毒性气体 快速燃烧或爆炸的气体 缺氧性气体安全知识 低温的危害极低温的危害 皮肤即使碰到液化的气体或在液化气体的温度范围内的物体都会引起严重的冻伤，就象被 火烧一样，会有粘到物体上的感觉。皮肤可被处于极低温度的大气损伤肺会因吸入极低温度的空气而遭伤害温度越低，接触或停留的时间越长，其后果越严重最为严重的后果是体温过低

27、（体温下降）引起死亡。安全知识 低温的危害 预防措施保护处理低温液体的工作人员必须配带:防护手套（皮革）防护眼镜安全靴防喷淋的特制工作服安全知识 低温的危害安全规则不要触碰低温物体或易于变冷的物品（容器、管道和液体本身）；不要待在低温大气中（装置冷态试验，大量低温液体倒在地上后的蒸发）； 不要在低温液体流经的地面区域行走 (指产生烟雾的低温液体排放坑)。当心：液体会结冰，而使该区域地面变滑。不要随意地向地面倾到低温液体注意湿的衣服、口袋、靴子（裤子长过脚）、手套，都有可能已灌入喷射出的低温液体下列区域可认为是危险的区域:由于出口太小(如人孔)或出口位置不当(如较高)而造成的通行困难(以至难以逃

28、生)。即使有通风设施的密闭区域，由于有害气体聚积在各个角落，如分析操作盘、小盒子、小孔、下水道、地坑 ( 有害气体比空气重时 )或聚积于顶部 (有害气体比空气轻时)。盲管部位(下水井、坑、槽、容器)在开放大气中，气源（再生氮气出口）附近的大气很容易污染认为没有危险，但通过管道（下水道）与危险区域相联的地方。 安全规则三、空分装置的安全说明 主冷安全是空分装置的安全重点 主冷液氧液位不能长期处于低液位，尽可能避免低液位，低液位易造成乙炔等CH化合物增浓，造成危险。 在正常生产时，冷凝蒸发器液氧中的乙炔、碳氢化合物是空分装置的主要引爆源，必须对其严格控制。 液氧的安全排放是冷凝蒸发器防爆的一个有力

29、措施，不能忽视。 乙炔、碳氢化合物在液氧中的含量极限值规定如下:化合物名称正常 值报 警 值停 车 值乙 炔0.01PPm0.1PPm1PPm碳氢化合物30PPm以下50PPm100PPm空分设备的爆炸 空分设备爆炸的原因多种多样，但是一般来说：u 主冷中碳氢化合物含量超标会引起剧烈爆炸u 氧气管道设计和操作不当会引起燃烧爆炸u 高压氧气瓶猛烈碰撞会引起氧气瓶爆炸u 珠光砂排放不当也会引起爆炸空分塔爆炸的主因空分塔爆炸的主因 国内发生过几次破坏国内发生过几次破坏力很强的空分塔爆炸，力很强的空分塔爆炸，多数为主冷爆炸，主多数为主冷爆炸，主因就是碳氢化合物堆因就是碳氢化合物堆积，被多种引燃机制积，

30、被多种引燃机制点燃；点燃； 低温富氧液体排放在地沟，通风不良低温富氧液体排放在地沟，通风不良N2O堆积，导致换热器堵塞，堆积，导致换热器堵塞，碳氢化合物不能顺利排出碳氢化合物不能顺利排出主冷液氧未及时排出主冷液氧未及时排出珠光砂进入管道，导致换热器堵塞珠光砂进入管道，导致换热器堵塞空气污染严重，未分析空气成分空气污染严重，未分析空气成分一些空分装置的事故案例 空分装置主冷乙炔、碳氢化合物超标后，引发的主冷凝主冷凝蒸发器蒸发器爆炸。冷箱爆炸爆炸后的管道事故案例 2000年8月21日，江西萍乡钢铁公司制氧厂1500m3h空分装置检修现场发生燃爆事故，造成22人死亡、7人重伤、17人轻伤。 2003年8月22日，马鞍山钢铁公司氧气厂