空分工艺、设备基础知识(图文示例)

1、1空分知识空分知识主要内容空气分离理论基础空分工艺流程与设备空分技术发展历程及应用23专利技术公司专利技术公司GE EnergyGE Energy技技 术术 名名 称称GEGE水煤浆加压气水煤浆加压气化技术化技术气化装置生产能气化装置生产能力力1,070,000Nm1,070,000Nm3 3/h/h(H(H2 2+CO)+CO)工艺指标：比氧工艺指标：比氧耗耗4094094（10700001000）409=437630Nm3/h(气化用氧量）乘以系数1.12 即空分装置设计O2：492000Nm492000Nm3 3/h/h产 品产量Nm3/h（正常工况）纯 度压力MPaG备注高压氧气82,

2、00082,00099.699.6 O O2 28.78.7内压缩内压缩高压氮气300030005ppm O5ppm O2 26.66.6低压氮气34,00034,0005ppm O5ppm O2 21.01.0液氧99.699.6 O O2 2能进能进贮槽贮槽液体工况时产量液体工况时产量2000 2000 Nm3/h液氮100010005ppm O5ppm O2 2能进能进贮槽贮槽液体工况时产量液体工况时产量3000 3000 Nm3/h5空分装置产品参数空分装置产品参数产 品产量Nm3/h（设计工况）纯 度压力MPaG备注高压氧气82,00082,00099.699.6 O O2 28.7

3、8.7高压氮pm O5ppm O2 26.66.6低压氮气30,00030,0005ppm O5ppm O2 21.01.06空分装置后备系统产品参数空分装置后备系统产品参数空分装置主要由空气过滤压缩系统、预冷系统、纯化系统、制冷系统、精馏系统、产品输送系统及仪表控制系统等组成。空分仪表控制系统由DCS控制系统及CCS控制系统组成。DCS系统实现装置的正常操作（包括开停车），CCS系统实现压缩机的防喘振控制、汽轮机调速控制及压缩机组的联锁控制。78910空分装置热电装置气化装置净化装置应用深度冷冻原理从空气中分离出氧气、氮气和氩气及氦气等稀有气体组分的过程称为空气分离

4、。采用深度冷冻法，通过液化、精馏将空气分离成纯组分，一般包括空气压缩、换热、净化、制冷、精馏五个基本单元。目前，国内外大型空分装置大部分采用全低压分子筛净化流程。11空气的分离：分离空气制取氧气、氮气的基本方法是在给定压力下使氧氮混合液在不同温度下达到平衡状态，以提高气相的氮浓度、液相中的氧浓度，当给定压力越低时，气相中氮浓度越高，液相中氧浓度越高。12空气精馏空气的精馏是利用组成空气的各种组分具有不同的挥发性，即在同一温度下各种组分的蒸汽压不同，将液空进行多次部分蒸发和部分冷凝，就能达到分离的目的。13深冷循环1、节流循环2、对外做功的绝热膨胀循环3、增压-透平膨胀机循环14制氧流程介绍空气

5、分离是利用液化空气中氧、氮等各组分沸点的不同，采用精馏的方法，将各组分分离开来。为达到目的，空分装置的工作包括下列几个过程：15（1）空气的压缩将经原料空气过滤器清除了灰尘和其他机械杂质的原料空气，在空气压缩机中被压缩到工艺流程所需的压力，其中一部分空气在纯化后再经与膨胀机同轴异端的匹配增压到更高压力。空气由于压缩而产生的热量由级间冷却器中的冷却水带走。16（2）空气中水分和二氧化碳的清除加工空气中的水分和二氧化碳由于凝固点较高，在进入空分装置低温设备后将会形成冰和干冰，堵塞低温设备的通道，而影响空分装置的正常工作。为此需要利用分子筛纯化器预先把空气中的水分和二氧化碳清除掉。进入分子筛纯化器的

6、空气温度约为8，出纯化器的空气温度由于分子筛吸附而产生的吸附热约上升到14左右。17固体吸附剂吸附原理吸附：当流体与多孔固体接触时, 流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄, 此现象称为吸附。吸附过程是非均相过程，一相为流体混合物，另一相为固体吸附剂。18吸附是由于吸附力的存在而产生的, 吸附力是分子间的作用力, 它与气体分子、吸附剂分子的本身性质有关。分子筛有晶格筛分的特性, 气体分子的平均直径必须小于其微孔的直径, 才能抵达吸附表面。利用这种筛分的特性, 可有效分离气体混合物。当吸附剂吸附饱和后, 就要在低压高温条件下进行再生。再生越完全, 再工作时吸附效果就越好。19经空冷塔冷却后

7、的空气一般在15 温度下进入分子筛吸附器内被吸附净化。水分、乙炔和二氧化碳都是极性或不饱和分子。分子筛对它们有很强的亲和力。分子筛共吸附性能使它可以在吸水的同时还可以吸附其他物质, 这种亲和力的顺序是: 水分 乙炔 二氧化碳。20(3)空气被冷却到液化温度空气的冷却是在主换热器中进行的，在主换热器中，空气被来自精馏后的返流产品气体和污氮气冷却到接近液化温度，产品气体及污氮气则被复热到接近常温。21（4）冷量的制取为了确保和维持装置正常生产运行所需的热量平衡，克服由于绝热跑冷、换热器复热不足及直接从冷箱中向外排放低温液体等引起的冷量损失，需要不断地向装置补充冷量，装置所需的补充冷量是由等温节流效

8、应和压缩空气在膨胀机中绝热膨胀对外做功而制取的。2223节流阀节流阀膨胀机在空分装置中的作用就是在空分启动阶段制取液化空气和建立正常工况所需要的冷量，正常生产中补偿装置在运行中的各种冷损，保证生产正常连续进行。对一般空分装置而言，加工每1kg空气需冷量2kcal.24（5）空气的液化空气的液化是进行氧、氮分离的首要条件，空气在主热交换器中被返流气冷却到接近液化温度，并在下塔实现空气的液化。氧气和液氮的热交换是在冷凝蒸发器中进行的。由于氮气和液氮两种流体所处的压力不同，所以在氮气和液氧的热交换过程中，氮气被液化而液氧被蒸发。25（6）精馏空气的精馏是在精馏塔(上、下塔）中进行的。在下塔中空气被初

9、次分离成富氧液空和氮气，在上塔实现空气的最终分离。产品氧由上塔底部抽出，产品氮由冷凝蒸发器中液氮回流管线抽出或下塔顶部抽出，并通过主换热器与进塔的加工空气进行热交换，复热到常温后送出冷箱。26(7)危险杂质的清除采用分子筛纯化流程，大部分碳氢化合物等危险杂质已在纯化器内清除掉，残留部分仍要进入塔内，并积储在冷凝蒸发器中。期间由于液氧的不断蒸发，将会有使碳氢化合物浓缩的危险，但只要从冷凝蒸发器中连续排放液氧就可以防止碳氢化合物的浓缩。27空气及其组成气体的性质空气是一种多组分混合气体，其主要组成是氧、氮、氩、二氧化碳，还有微量的稀有气体、甲烷及其他碳氢化合物等。此外，空气中还有少量而不定的水蒸气

10、及灰尘等。28O O2 2N N2 2ArArKrKrNeNeHeHe空气的组成组分氧氮氩二氧化碳其它分子式O2N2ArCO2HeNeKrXe NOXH20体积含量20.9578.090.9320.02重量含量23.1475.531.2860.046气体密度1.429 1.250 1.734 .沸点182.97195.79185.8678.4429空分产品的性质、规格及用途1、氧气的物理性质常温常压下使无色无味的气体。氧气有较强的助燃性。液氧和固态氧的淡蓝色是由于含有少量的氧聚合物O4而引起的。302、氧气的化学性质及用途氧气的化学性质非常活泼，是一种强氧化剂，它跟许多物质发生化学反应，同时放

11、出热量；因此液氧必须严格避免同各种油脂、润滑油等物品接触。氧气广泛应用与炼钢生产中，也是煤气化、重油气化常用的气化剂和氧化剂。313、氮气的物理性质氮气在常温下使一种无色无味的气体。氮气为惰性气体，对人有窒息性。324、氮气的化学性质及用途氮气的化学性质不活泼，在通常情况很难跟其他元素直接化合，故可用作保护气体。氮气广泛应用于合成氨的原料气，还用于化工生产的保护气；液氮在火箭技术中应用于压送氧化剂等。33热力学基本定律1、热力学第一定律功和热量能相互转化。理想绝热条件下，空分装置透平膨胀机对外做功等于进、出口的焓差。L0=i1-i2 L0: 对外做功 i1/i2:出口焓值/进口焓值34热力学第

12、二定律热不可能自发的、不付代价的从一个物体传给另一个高温物体。熵可以用来度量不可逆过程前后两个状态的不等价性。对空分节流过程来说，是绝热的不可逆过程，熵是增大的，其差值说明不可逆的程度。35空气的液化工业上常用两种方法获得低温，即空气的节流及膨胀机的绝热膨胀制冷。1、气体的节流362、压缩气体对外做功的等熵绝热膨胀（1）膨胀机降温 L0=i1-i2=h理（kJ/kmol)H理-理论焓降实际上，膨胀机所进行的过程不可能是理想的绝热过程，出于膨胀机中存在各种摩擦损失，膨胀机实际对外作出的机械功比理想条件下要小。37L0实=i1-i2=h实（kJ/kmol)h实-实际焓降我们把实际焓降和理论焓降的比

13、值称为膨胀机的绝热效率，表示实际过程接近理想绝热过程的程度，一般膨胀机的效率为80% 。膨胀机的绝热效率 = h实 / h理3839膨胀后膨胀后H-SH-S膨胀机制冷膨胀机制冷膨胀前膨胀前膨胀机与节流温降效果的比较从实际结果看，膨胀机的温降由两部分组成，即：T膨=节流温降+膨胀机对外做功产生的温降4041空气液化的实质空气液化的实质就是用有效的方法转移气体分子的能量，即减少它的动能和位能，直至达到液化。421）等温压缩时的能量转移等温压缩时的能量守恒：q=W+(i1-i2)q:冷却水带走的热量 W:压缩机的耗功（i1-i2)：压缩过程中空气内部能量减少432）空气在流过膨胀机时的能量转移若膨胀

14、机在绝热条件下工作，W膨=G膨（i1-i2)（i1-i2)：单位空气等熵绝热膨胀的能量变化3）在换热器中的能量转移44空分装置流程特点：1）采用汽轮机一拖二（空压机和增压机）技术2）空气循环双泵内压缩工艺3）分子筛加活性氧化铝立式径向流双层床净化技术454）采用填料精馏塔5）配置液体膨胀机，提高制冷效率 中天合创空分工艺流程具有安全性好，可靠性高，操作维护方便，配置合理，投资成本低，占地面积小等优点 。4647一、空气压缩系统功能：为空分装置提供带压原料空气。组成：包括自洁式空气过滤器、原料空气压缩机、汽轮机、空气增压机、空冷器等。4849505152自洁式空气过滤器的功能：空气中杂质与灰尘被

15、带进透平压缩机，会引起工作伦和叶片及导流器的磨损加剧，被带到冷却器中会造成表面污染，导致传染系数下降，阻力增加。5354555657空气压缩机（型号：GV200-3)参数：吸气温度：22.5入口流量：400677Nm3/h吸气压力：0.0861MPa(A)型 式：离心式，三元流叶片出口止回阀后压力：0.43MPa(G)58空气增压机(型号：GV(20-4-H)参数流 量：216800Nm3/h进气压力 ：0.41MPa(A)排气压力 ：4.75MPa(A)进口/出口温度 ：21.5/35轴 功 率：18667kw59汽轮机（型号：HNK50/80)参数进汽压力：11MPa(G)进汽温度：535

16、轴 功 率：49608kw60离心式压缩机结构：离心式压缩机由转子及定子两大部分组成。转子包括主轴，固定在轴上的叶轮、轴套、平衡盘、推力盘及联轴节等零部件。定子则有气缸，定位于缸体上的各种隔板以及轴承等零部件。在转子轴端及转子与定子之间需要密封气体之处还设有密封元件。 61在压缩机的每段里，一般是由几个或一个压缩机级所组成。每个级是由一个叶轮及其相配合的固定元件所组成。固定元件有吸气室、扩压器、弯道、回流器及蜗壳等组成。6263吸气室扩压器排气蜗壳弯道回流器转子定子叶轮叶轮二、预冷系统功能：用于冷却和洗涤原料空气。组成：由空冷塔、水冷塔、冷却水泵、深冷水泵等组成。空冷塔和水冷塔均采用散堆填料塔

17、，效率高，操作弹性大。6465666768进水温度：30出水温度：9进口氮气温度：11 出口氮气温度：24 污氮气流量：196685Nm3/h69三、纯化系统功能：用于吸附空气中的水分、二氧化碳、乙炔、 丙烯、丙烷、重烃、氧化亚氮等物质。组成：包括分子筛吸附器、蒸汽加热器和切换阀等。分子筛吸附器采用活性氧化铝加上分子筛的立式双层床径向流结构。采用双层床也使吸附器再生阻力下降，再生温度降低，节约了再生能耗。再生加热采用蒸汽加热器。707172分子筛吸附的特点选择吸附、干燥度高有共吸附能力分子筛具有高的热稳定性有简单的加热可使其再生7374O2、N2、H2O、CO2、CnHmO2 、 N2 四、制

18、冷系统能量平衡：空分设备的冷损包括精馏塔的绝热冷损、换热器的复热不足冷损、液体泵的冷损和冷箱向外直接排放低温流体的冷损。平衡冷损的冷量是由气体在膨胀机中等熵膨胀和等焓节流效应而获得的，以维持能量平衡。7576空分装置空分装置进：1、进冷箱低压空气22937500kcal2、进冷箱高压空气17950500kcal3、膨胀中压空气8390000kcal4、冷损失602300kcal出：1、出冷箱压力氮气2897000kcal2、出冷箱压力氧气9957500kcal3、出冷箱污氮气35982000kcal4、出冷箱液氮2300kcal总进：49880300kcal 总出：48838800kcal48

19、838800-49880300=-1041500kcal膨胀机制冷量膨胀机制冷量77高压高压低压低压-171-121换热器换热器压缩空气先经增压机增压，再经冷却后进入主换热器，然后再进入膨胀机进行绝热膨胀产生空分装置所需的冷量，与此同时产生的机械功又为增压机所吸收。途径1途径27879制冷设备：透平膨胀机透平膨胀机是一种旋转式制冷机械，它由蜗壳、导流器、工作轮和扩压器等主要部分组成。当具有一定压力的气体进入膨胀机的蜗壳后，被均匀分配到导流器中，导流器上装有喷嘴叶片，气体在喷嘴中将气体的热力学能（内能）转换成流动的动能，气体的压力和焓降低，出喷嘴的流速可高达200m/s左右。80制冷设备：透平膨

20、胀机当高速气流冲到叶轮的叶片上时，推动叶轮旋转并对外做功，将气体的动能转换为机械能。通过转子轴带动增压机对外输出功。81制冷设备：透平膨胀机从气体流经膨胀机的整个过程来看，气体压力降低是一个膨胀过程，同时对外输出了功。输出外功是靠消耗了气体内部的能量，反映出温度的降低和焓值的减少，即是从气体内部取走了一部分能量，也就是通常所说的制冷量。82五、换热系统空分装置的换热系统由高压换热器和低压换热器组成。空分装置换热系统一般选用换热效率高的板翅式换热器。83板翅式换热器的特点很多，主要有：1、板翅式换热器的传热效率好2、板翅式换热器的结构紧凑 3、板翅式换热器的适应性好4、板翅式换热器的组合方式多8

21、4板翅式换热器是以隔板和翅片为主要组成部件的换热器。常见应用于空分装置。板翅式换热器的内部结构核心是板束，板束是以多个由将翅片、导流片放入两个隔板间再配合封条组成的通道焊接而成的整体。板翅式换热器的板束装配以必要的封头、接管和制成部件就形成了完整的换热器装置。8586隔板隔板侧板侧板侧板侧板隔板隔板液体流液体流翼板翼板87在主换热器中，净化后的压缩空气与返流低温气体换热，温度降至-171，进入精馏塔参与精馏。空分装置换热的全过程就是在冷箱内的板翅式换热器中进行。目前低压板式换热器已国产化，但高压板翅式换热器仍然依赖进口。88六、精馏系统氧氮等混合气体在精馏塔内爬升的过程中与回流液体充分传质传热

22、，经过部分蒸发和部分冷凝，直至分离成氧和氮。8990标准大气压下的液化温度（）通过精馏，实现组分分离的理论依据精馏系统主要包括精馏塔上塔、下塔，主冷凝蒸发器、过冷器等。上塔和下塔均采用规整填料塔。塔体材质为不锈钢材料。9192精馏示意图 93污氮 到主换热器液氧 到主换热器空气来自主换热器低压塔中压塔主冷凝蒸发器液氮 到主换热器9495气液比中压塔： L/V 上升会导致顶部氧含量下降，这样可提高产品氮的纯度。L/V 的下降，会使产品氮纯度下降。低压塔： 塔里的成分是来自于中压塔的回流液体。 低压塔底部 L/V 上升，会使氧产品纯度下降。969798压缩空气经过双级精馏塔精馏后，产品有高纯度的氧气（99%）、氮气（99.9%）、液氧和液氮。在大型空分装置中，还副产液氩等产品。99七、产品输送系统100换热器换热器液氧泵液氧泵/液氮泵液氮泵液氧液氧/液氮液氮精馏塔精馏塔冷箱冷箱氧气氧气8.7MPag氮气氮气1.0MPag6.6MPag101102Heat ExchangerHeat Exchanger精馏塔精