空分设备课件

1、空分设备流程空分设备流程是一个复杂系统，由空气除尘、压缩、净化、制冷、换热、精馏、产品输送、液体贮存和控制等系统组成。换热 净化预冷加压除尘原料空气过滤器空压机预冷精馏控制系统膨胀机制冷纯化器液态产品热交换贮存气体产品产品压缩机一、 除尘空气中含有大量的尘埃，压缩机在长时间的高速运行中，粉尘会对机器造成磨损、腐蚀和结垢，缩短机器寿命。因此必须设置原料空气过滤器，以清除空气中的尘埃。除尘机理共有5种：（1）惯性撞击 （2）布朗扩散 （3）直接拦挡 （4）重力沉降 （5）静电沉降目前空分设备普遍使用的是自洁式过滤器。自洁式过滤器是由高效过滤筒、文氏管、自洁专用喷头、反吹系统、净气室和出风口、框架组

2、成。过滤过程：在压缩机吸气负压作用下，吸入周围的环境空气。当空气穿过高效过滤筒时，粉尘由于重力、静电和接触，被阻挡留在滤筒外表面，净化空气进入净气室然后经出风管进入压缩机。自洁过程：当电脑发出指令电磁阀启动，瞬间释放一股压力为0.40.6MPa的脉冲气流。经专用喷头整流喷出，文氏管卷吸、密封、膨胀从滤筒内部均匀地向外冲击，将积聚在滤筒外表面的粉尘吹落，自洁过程完成。清灰控制有3种方法：（1）定时定位，可任意设定间隔时间和自洁时间。（2）差压自洁。当压差超过指标时，进入自动自洁。（3）手动自洁。当电控箱故障或粉尘较多时，采用手动自洁。优点：（1）过滤阻力小（150800Pa）（2）过滤效高 比一

3、般的高5%-10%（3）适应性广 （4）耗气少（反吹） （5）结构简单 （6）日常维护工作量少二. 空气压缩 空分设备将空气经低温分离得到氧、氮等产品。从本质上来说是通过能量转换来完成的，能量主要是原料空气压缩机输入的。空气所需的总能耗中绝大部分是原料空气压缩的能耗。压缩机的分类：按结构分：容积型往复式回转式活塞式隔膜式滑片式螺杆式液环式速度型离心式轴流式混流式按压力分：有低压，中压，高压，超高压终端排气压力小于0.2MPa为鼓风机，大于0.2MPa的才称为压缩机。低压0.2-1MPa，中压1-10MPa，高压10-100MPa，大于100MPa为超高压。大型空分设备都选用离心式压缩机。优点：

4、（1）结构紧凑，排气量大，连续运转周期长（2）气缸内不需要油润滑，所以加工空气不带油（3）供气连续，稳定，无循环脉冲缺点：工作范围较窄，一旦偏离设计工况，效率降低甚至发生故障。离心式压缩机工作原理：工作轮在高速旋转过程中，由于离心力的作用及工作轮中的扩压流动，使气体的压力得到提高，速度也得到了提高。随后在扩压器中又进一步把速度能转化为压力能，所以温度提高压力提高。离心式压缩机运行时有两个特殊工况需注意避免发生。阻塞工况：当流量增大时，气流的轴向速度增大，冲角减小变成负值，易发生阻塞造成级间压缩比及效率下降，引起压力变化，但对设备本身不会造成损坏。喘振工况：喘振的危害性后果是严重的，能引起重大的

5、设备事故。所以运行中要特别注意，避免发生。喘振的主要原因：简单的讲是由于压力的升高造成流量的减少，气流流动方向与叶轮叶道方向发生偏离。气流轴向速度减少，冲角增大，造成叶道里的速度很不均匀。压力的突然下降造成压缩机后的高压气流倒灌，弥补流量的不足，然后又将倒灌进来的气体压出，这样周而复始的进行使压缩机产生一种低频高振幅的压力脉冲，流量波动，机器强烈振动并发出强烈噪声。管网容量越大，喘振频率越低，喘振能量越大，危害也越大。判断是否出现喘振，大致有几点：（1）侧听压缩机排气管的气流噪声。正常情况下噪声较低是连续稳 定的。当接近喘振工况时，排气管中气流声时高时低有周期性变化。进入喘振工况时，噪声明显增

6、大，有周期性吼叫或喘气声，甚至出现爆音。（2）观察压缩机出口压力和进口流量的变化。在稳定工况下运行时，压缩机的出口压力和进口流量变化不大，有规律数据在平均值附近小幅波动。当接近或进入喘振工况时，两者都发生周期性大幅脉动。（3）对于增压机，需观察增压机压缩比的变化是否正常。（4）观察壳体和轴承的振动情况，当接近或进入喘振工况时会发生强振动。（5）电机电流发生大幅波动。如何防止? 除在设计时加宽稳定工况区外，平时要保养好防喘振阀使之灵活。注意观察压力和流量的变化，调整时要考虑压力和流量的关系。三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。流程：压缩后的高温空气进入空气冷却塔下部，由下向上

7、穿过空气冷却塔中的传质传热单元，依次与常温水和冷却水（或冷冻水）进行逆流接触而进行传热传质，以达到冷却和洗涤空气的目的。主要设备：空气冷却塔（喷淋、穿流、溢流、填料），水冷却塔，冷水机组，高压水泵。目前较为先进的就是填料冷却塔。上部一般装有塑料鲍尔环填料，下部因空分温高装不锈钢与增强聚丙烯填料。优点为压力降小，能耗低，传热传质效果好，操作弹性大。四纯化系统：在现代空分设备中，广泛应用的是分子筛净化空气流程。优点：操作简便，产品提取量大，运转周期长。作用：吸附清除原料空气中的水分、乙炔、二氧化碳及一些碳氢化合物，保证空分设备安全运行。流程：出预冷系统的压缩空气，自下而上通过分子筛吸附器时，空气中

8、所含有的水、乙炔、二氧化碳等杂质相继被吸附清除，净化后的空气进入主换器。吸附器成交替使用，一只工作时，另一只再生。再生步骤分4步：（1）降压 （2）加热（用加热的干燥气体吹扫吸附剂）（3）吹冷（用未加热的干燥气体吹扫吸附剂）（4）升压吸附的基本原理：是利用一种多孔性固体表面（如分子筛）去吸附气体（或液体）混合物中的某种组分，使该组分从混合物中分离出来，吸附用的多孔性固体称为吸附剂，被吸附的组分称为吸附质。什么叫分子筛？分子筛是由人工合成的一种晶体硅酸盐（俗称泡沸石）。当加热到一定温度时，脱去结晶水，成为一种多孔洞、高选择、高效率的吸附剂。主要特性：（1）能将比分子筛孔径小的分子吸附在孔内，把大

9、于孔径的分子挡在孔外。对大小不同分子的混合物起到筛分子的作用。（2）有选择性吸附。对极性分子及不饱和分子等，具有优先吸附的能力。（3）干燥度高。能使湿空气干燥到更低的露点温度。（4）对相对湿度愈低的气体，吸附能力愈大。（5）对高速流动的气体也有良好的干燥能力。（6）在较高的温度下，仍具有较强的吸附能力。（7）对水分、乙炔、二氧化碳共吸附。顺序是水分、乙炔、二氧化碳。（8）具有较强的稳定性，使用寿命长。吸附过程是怎样进行的？气体（液体）通过吸附器内吸附层时，不是全部同时进行吸附，而是分层逐步进行的。气体（液体）刚通过吸附剂层吸附很快而且效率很高，以至于气体（液体）流出吸附层时被吸组分可以忽略不计

10、（基本上全部被吸附）。大部分的吸附是在最上面（沿气流方向）比较薄得一层吸附剂上进行的，被吸组分浓度变化很快，称为“吸附区域”（传质区），上面这一层吸附剂达到饱和，气体通过时浓度不再发生变化（称吸附平衡区）。平衡区以下正在吸附是传质区，传质区以下是未吸附区。吸附器中传质区（吸附区域）逐渐下移，平衡区慢慢扩大，未吸附区相应缩小。当吸附区域（传质区）接近吸附剂底层时，由于上部吸附剂已完全饱和，流出气体中被吸组分的浓度开始增加，仍不大。传质区刚刚到达吸附剂底层流出气体中被吸附组分浓度显著增加，即达到“转效点”。继续下去，传质区完全离开吸附剂层，吸附层不再有效。234转效点转效曲线吸附床层高与容器直径之

11、比在68，空筒的气体线速度（空塔速度）一般小于0.05M/s吸附容量的大小受几种因素影响：（1） 吸附过程的温度和被吸附组分的分压力（或浓度）、吸附容量随吸附质分压力增加而增大。但增大一定程度以后，吸附容量大体上与分压力无关，吸附容量随吸附温度的降低而增大。所以应尽量降低吸附温度。同时，温度降低，饱和水分含量也相应减少。（2） 气体流速。流速越高，吸附效果越差，吸附剂的动吸附容量越小。（3） 吸附剂再生完善程度。吸附剂解吸再生越彻底，吸附容量就越大，反之越小。（4） 气体温度。分子筛对相对湿度较低的气体干燥能力较大。（5） 与吸附剂厚度有关。因为是分层吸附，故吸附层不能过薄。五制冷系统空分设备

12、是通过膨胀和节流制冷的，主要设备是膨胀机。 什么叫制冷？通过一定的代价，消耗功对气体进行压缩再进行膨胀，获得低温（-100C以下的低温叫“深冷”）。它是靠消耗外功来获得低温的过程。膨胀机是用来对压缩气体进行膨胀，输出外功，产生冷量的低温设备。是空分设备产生冷量的来源。现在空分设备都选用透平式膨胀机。透平膨胀机按气体在叶轮流道中是否继续膨胀分为两种类型。气体在叶轮流道中继续膨胀的称反击式。气体完全在喷咀中膨胀，在叶轮中不膨胀的称为冲击式。现在广泛采用的是卧式，单级，径流，向心，反击式透平膨胀机。特点：具有速度搞，流量大，冷损小，效率高，体积小，结构简单，连续运转时间长的特点。基本工作原理：简单的

13、讲，压缩空气通过喷咀和膨胀机工作轮时进行膨胀。推动工作轮高速旋转输出外功而消耗本身的内能，产生冷量，使温度降低。透平膨胀机的主机结构：由膨胀机蜗壳，喷咀环，转子，出口扩压器，内外轴承，密封系统和制动系统组成。六换热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。现在空分设备换热器为铝制板翅式换热器（包括过冷器，液化器，冷凝蒸发器）。优点：（1）传热效率高。传热系数比管壳式高几十倍。传热面积可达15002500M2/M3 .（2）结构紧凑，轻巧，牢固（3）适应性大，可适应多种介质热交换缺点：流道易堵塞，维修困难。换热基本原理：根据热力学第二定律，热量传递是具有方向性的，是由高温物体传给低

14、温物体。两种物质只要存在温差，不论是直接或间接接触都会发生热量传递，温差愈大传递的热量愈多。空分设备热交换器是高温气体放出热量，传递给管壁内表面，再通过管壁外表面传递给低温气体。七精馏系统 是实现低温分离的重要设备。有单级和双极精馏，由上塔，下塔，冷凝蒸发器组成。什么叫精馏？简单的讲精馏是利用两种物质的沸点不同多次的进行混合蒸汽的部分冷凝和混合液体的部分蒸发过程，来实现分离的目的。单级精馏塔是将空气一次精馏，分离成氧气或氮气。对空气分离不完善，提取率低，不能同时获取氧和氮。双极精馏塔是由上塔，下塔和冷凝蒸发器所组成。首先空气在下塔进行初步分离，得到液氮和副氧液空（3840%），然后将副氧液空和

15、液氮减压后，导入上塔进行二次蒸馏，得到高纯度的氧和氮产品。上塔液空进料口以上部分，是用来提高气体中氮的浓度，称为精馏段或浓缩段。进料口以下部分是用来将液体中氮分离出来，提高液氧中氧的浓度，称为提馏段或蒸馏段。在运行中需注意的几点：（1） 物量平衡：即入塔的空气量应等于出塔的分离产品之和。（2） 组分平衡：空气分离后所得的各气体中某一组分的量的总和必须等于加工空气量中该组分的量。（3） 能量平衡：即进入塔内的热量（包括冷损）总和应等于出塔产品的热量之和。回流比的调整什么叫回流比？指塔内下流液体量与上升蒸汽量之比，又称液气比。从操作运行角度讲，塔板数已定。产品的纯度及提取率取决于对回流比的调整。精

16、馏段回流液增多（回流比增大），氮纯度提高。提馏段上升气量增加（回流比减少），氧纯度提高。回流比决定了塔板上气、液浓度的变化规律，也就影响到精馏塔中分离出产品的纯度。在操作中应注意提高氮纯度。从物料平衡来分析，氮纯度低说明氮气中带走的氧多，则氧产量减少。空分设备常用的精馏塔，筛板塔和填料塔。筛板塔：在塔内设置一定数量的筛板，筛孔0.91.3mm，孔距34mm，正三角排列，边上有溢流斗。气体自下而上穿过小孔与液体互相接触，进行传热、传质。气体与液体浓度沿塔高呈阶梯型变化。填料塔：塔内装置一定高度的填料层，液体从塔顶沿填料表面呈薄膜状向下流动，气体则呈连续相由下向上同液膜逆流接触，发生传热传质过程。

17、气体与液体沿塔高连续变化。八产品输送系主要由各种不同规格氧压机和氮压机组成。九液体贮存系统由不同规格的贮槽，低温液体泵和汽化器组成。十控制系统采用计算机集散控制系统，可以实现自动控制。空分设备的操作空分设备的操作要点是：1. 保证净化效果和精馏工况的稳定2. 充分发挥透平膨胀机的制冷能力3. 注意各参数的内在联系，相互配合进行调整空分装置的操作分为启动操作，正常操作，加温操作三大部分。其中启动操作尤为重要。一启动过程是指自膨胀机启动起至整个空分设备转入正常生产，各种参数稳定时为止。在启动过程中，系统中的物流温度和压力发生着剧烈的变化。能否掌握这种变化将关系到能否进行正常生产以及产品产量多少，产

18、品质量的好坏，生产周期的长短等方面。所以启动操作是空分生产中的重要环节。从传热角度来说，正常生产为稳定热传导过程，启动为不稳定的热传导过程。从传质角度来说，启动初期精馏工况尚建立，没有产品输出。加工空气只作为冷冻介质，而没有得到分离。总之，启动过程也就是积累冷量建立正常的物料平衡和热平衡的过程，正常生产是维持正常的物料平衡及热平衡的过程。1. 启动过程一般分为三个阶段：（1） 冷却装置阶段：是启动过程的基础。任务：将设备由常温迅速的均匀的冷却到正常生产时的低温，尽快产生液空。依据：主热交换器冷端温度-172（液化温度）要领：保证压缩机出口压力恒定。膨胀机出口温度尽可能低，但不得带液。注意各流路

19、通过的流量，使温度均匀下降，不能出现大的温差。随着温度的降低，逐渐加大进塔空气量。（2） 积累液体阶段：是建立精馏工况的基础。任务：尽快生产液氧，并使液面迅速上升。依据：主热交换器冷端温度-172，中部空气温度-108，主冷液面。要领：根据主冷液氧上涨情况，逐渐开大液氮回流阀。V1调节液空液位。V3调节液氮送入上塔，加速精馏过程的建立和下塔液氮纯度的调节。主冷液面不得下跌。（3） 调整纯度阶段：是将启动过程调整到正常生产过程上去，并使装置内各参数达到正常生产时稳定的传质和传热工况。任务：提高产品纯度和产量，保持液氧面稳定。依据：主冷液面，上下塔压力、阻力。要领：V2调节下塔污氮，V3调节下塔纯

20、液氮。先调下塔后调上塔，先调氧气后调氮气。在保证纯度的前提下逐渐开大产品送出阀。 各阶段无明显的界限，但有一定的顺序而又互相穿插的进行。二正常工况操作：要注意控制热端温差和热端温度，冷端温差和冷端温度1. 进入空分装置的压缩空气热端温度高，空气带入的水分含量就大。不同温度下的饱和含水量：空气温度101214161820253040水分含量g/m39.2810.6812.0513.6315.3617.32343.650.9可见空气温度由20升高至40水分含量增加近两倍。由于主换热器的热负荷一定，当进口空气温度高到一定程度时，空气就难以冷却下来。冷端温度升高，使冷端温差扩大并破坏了空分塔的热平衡。

21、因此，在操作中主要注意热端温度的控制，尽量降低。（1） 热端温差：是正流气体温度与返流气体温度平均值之差。热端温差控制的越小越好，扩大意味着返流气体出热端的温度降低了，说明冷量回收不完全的冷损增大了，就要增加膨胀量才能补偿。热端温差是空分装置冷损的重要标志之一，操作中不容许忽视。（2） 冷端温度：是指正流空气出换热器冷端温度。这一温度取决于精馏塔热平衡的要求，一般控制在高于该压力下空气液化温度0.5-1。温度过高过低都会破坏精馏工况。温度升高会使下塔上升的蒸汽量太大，回流比小，液氮纯度变坏，易造成下塔液悬。温度高，二氧化碳带入塔内的量也增加。温度低在热交换器冷端出现液体，影响返流气体的复热效果

22、，热端温差扩大。对于精馏来讲，进塔空气中含湿量过大，上升蒸汽量减少，回流比增大，液空纯度变坏。2. 液面的调节液体的多少反映了装置冷量的多少。液态是焓值较低的状态。冷量不足必然先表现出液体的大量汽化，液面下降。液面高低的实质反映了装置的热平衡状况，液面的调节是冷量调节。由于液体存在于下塔，上塔及冷凝蒸发器，所以除冷量调节外还有冷量分配的调节。从精馏原理中得知塔内的物料平衡及热量平衡是互相联系的，塔板上的传质与传热是同时进行的，因此塔内液面的调节也直接关系到产品纯度的好坏。下塔液面的调节（主要是液空节流阀的调节）下塔液空是进塔空气上升到主冷，被冷凝部分回流下塔。这部分下塔回流液下流时逐层塔板参加

23、精馏后，最后流到下塔底（38%-40%的副氧液空）。如果下塔液面过低，通过液空节流阀打入上塔的气液混合物，不仅使液体量减少，而且副氧液空中混有空气，纯度下降而影响上塔的精馏工况。如果下塔液面过高，有可能使下塔塔板失去作用，影响下塔工况，而且造成加工空气入塔阻力增大上升气量少，下流液体多，产生下塔液悬。在规定范围内最好保证在上限留有调节余量，以确保通过液空节流阀的液体为全液状态。液空节流阀的开度：即液空取出量等于下塔液空的生成量，液空液面稳定开度过大，下塔液面下降，主冷液面升高。因提馏段回流比增加，而使氧纯度下降。开度过小，下塔液面升高，主冷液面下降因提馏段回流比减小，而氧纯度暂时提高。当主冷液

24、面继续下降，因其传热面积不能充分利用，上塔上升的蒸汽量减少，氧纯度很快又会变坏。调节时要注意的是要缓慢进行，防止液体瞬间波动太大而造成液悬或液漏。3. 主冷液面主冷凝蒸发器是联系上下塔的纽带，它把下塔顶部的氮气冷凝成液氮，分别提供给下塔和上塔作为回流液，并将上塔液氧蒸发为气氧，大部分（70-80%）作为上塔上升蒸汽，其余作产品引出。主冷的热负荷是由塔内的热平衡所决定的，而主冷液面的高低在一定程度上可以反映出主冷的热负荷的大小。（1）主冷液面过高：一方面由于氧侧平均压力升高，其沸腾温度也升高，而氮侧冷凝温度不变，主冷温差减小。另一方面从传热原理得知，传热系数与热交换过程的激烈程度有关。主冷的传热

25、系数受液氧的沸腾状态影响很大。目前，主冷采用的是管内沸腾式。液氧在管内沸腾，分为预热区，沸腾区和蒸汽区。预热区气液层流传热，传热系数小。沸腾区内中心部分是气流，在管壁上有液体薄膜层，蒸汽向上流动诱导液体向上，使所有的传热面积都参入激烈的热交换，传热系数较大。如果液面过高，沸腾段缩短，传热系数下降。由传热方程式 Q主 =KFt主 得：因主冷温差t主缩小及传热系数K的下降，主冷热负荷Q主将减少。F为传热面积。（2）主冷液面过低：对主冷的平均温差影响较小，当液面低于0.2管长时，会使管子上方全变成了饱和蒸汽（蒸汽区过大）。气体的传热系数较液体小的多，造成管子的传热面积不能充分利用。从传热方程式可以看

26、出，主冷的热负荷将随之减少。主冷液面过高和过低都将引起主冷热负荷的减少，而主冷热负荷的减少又将会造成塔内上升蒸汽量及回流液体量减少，下塔压力升高，进塔空气量减少，氧产量降低的恶果。在冷量分配合理的情况下，主冷液面的高低是装置冷量的标志。主冷液面的调节：分为液量分配调节，膨胀机制冷量调节。a 液量分配调节：指的是下塔与主冷液体量的分配。主冷液面不正常时，应先查下塔。如主冷液面下降，而下塔液面升高，说明下塔打入上塔液空过少，应开大液空节流阀。反之应关小。b 膨胀机制冷量的调节：当下塔液面稳定，仅主冷液面下降，说明装置冷损过大，冷量不足，需增加膨胀机的制冷量。反之应减少。4纯度的调节实质是对精馏工况

27、的调节，就是对塔内物流量的分配，即回流比及热平衡的调节。调整的好坏直接影响产品的产量与质量。在调节过程中，调纯度与调产量是同时进行互相制约的。调节的顺序是先下塔后上塔，先调氧后调氮。（1） 下塔纯度的调整下塔的调节任务有两条，一是保证液空和液氮的纯度，二是保证向上塔输送适量的液空和液氮。液空节流阀一般只起调节液空液位的作用，对下塔的纯度影响不大，因其取出量不影响下塔的回流比。液氮节流阀是下塔纯度调节的关键。其开大或关小（液氮取量的多少）直接影响下塔的回流比，液氮节流阀的开度是否合适要通过液氮纯度与气氮纯度差来判断。开度恰当则液氮和出上塔的气氮纯度相等或稍低，允许液氮纯度低于气氮纯度0.25-2

28、%.气氮纯度越低，允许差额越大。如果出现气氮纯度比液氮纯度低的现象，说明下塔液氮取出量太少，即液氮节流阀开度过小而使上塔精馏段回流比太小，氮气纯度无法提高。对设有纯液氮和污液氮两个节流阀的空分装置，调节的要点是用污液氮节流阀先调节好液空纯度，再用纯液氮节流阀调节纯液氮与污液氮的纯度。（2） 上塔的调整上塔的调节就是对氧、氮产品纯度及产量的调节，必须在下塔调好的基础上进行。产品的纯度及产量取决于热量平衡及物料平衡，受到各种物流量及纯度的影响。 分析一下影响氧纯度及产量的因素： 取氧量过大，氧纯度变坏。这可由氧产量公式表现出来。 K=（YA-YB）/（YA-YK） B 当空气量B,平均氮纯度YA不变时，氧取出量K增大，氧纯度YK下降。 取氮量过小，氧纯度变坏。从塔的物料平衡可得B=A+K当加工空气量B达到一定的情况下，取