空分工艺及设备介绍课件

空分工艺及设备介绍

我国空分流程的技术发展空分设备是由诸多配套部机组成的成套设备，我国空分于1953年哈尔滨制氧机制造厂起步，经过50多年的发展，从第一代小型空分流程发展到目前的第六代大型全精馏无氢制氩工艺流程。每一次空分设备流程的变革和推进，都是新技术、新工艺的创新。透平膨胀机的产生，实现了大型空分设备全低压流程；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、可逆式换热器流程，使装置冷量回收效率更高；增压透平膨胀机的出现极大的提高了膨胀机的制冷效率并把输出的外功有利的得到回收；常温分子筛净化流程替代了切换式换热器，使空分装置净化系统的安全性、稳定性得到极大提高并使能耗大大降低，随着规整填料和低温液体泵在空分装置中的应用，进一步降低了空分设备的能耗，实现了全精馏无氢制氩，使空分设备在高效、节能、安全等方面取得了进步。随着计算机的广泛应用，空分装置的自动控制、变负荷跟踪调节等变得更为先进。1

第一代：高低压循环，氮气透平膨胀，吸收法除杂质；第二代：石头蓄冷器，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，全精馏无氢制氩；第六代：内压缩流程，规整填料，全精馏无氢制氩。我国空分流程的技术发展2采用常温分子筛净化，清除空气中的有害物质更有效，切换损失小，装置设计连续运行周期大于二年。采用规整填料上塔替代筛板上塔，使上塔阻力大大降低（只有筛板阻力的1/4），使空压机的排气压力降低，装置运行能耗下降5%～7%。空分设备氧的提取率提高，空分设备氧的氧提取率可达99%，氧气纯度在99.8％、氮气纯度在99.99％以上。采用纯氮、污氮水冷塔，降低空气入分子筛的温度，延长分子筛使用寿命，减少运行费用。分子筛纯化系统采用双层床结构，大大延长了分子筛的使用寿命和降低了床层阻力，使空分装置的运行更安全可靠。采用高效增压透平膨胀机技术，能很好的回收部分能量，膨胀机制冷效率在85%以上。采用DCS与ITCC控制技术，实现了中控、机房和就地一体化的控制，可有效地监控整套空分设备的生产过程。包钢庆华空分流程的特点34

一、概述5（一）空分的含义空分，顾名思义即空气的分离，是利用不同的方法将空气中的各组分分离开来，从而获得所需要的氧气、氮气及一些稀有气体的过程。6（二）空气分离的方法空气中的主要成分是氧气、氮气、氩气、二氧化碳以及一些其它气体和杂质。它们在空气中分别以分子的状态存在,数目非常多，并且永不停息地作无规则的运动，均匀地相互搀混在一起，要将它们分开，目前主要有三种方法：低温法、吸附法、膜分离法。7

1.低温法：原理：是根据空气中各组分的沸点不同，经加压、预冷、纯化、并利用大部分由透平膨胀机提供的冷量使之液化，再进行精馏，从而获得所需要的氧气、氮气及其它稀有气体的过程。具体原理为空气经过增压膨胀对外作功处于冷凝温度,当穿过比它温度低的氧、氮组成的液体层时,由于气、液之间温度差的存在,要进行热交换,温度低的液体吸收热量开始蒸发,其中氮组分首先蒸发,温度较高的气体冷凝,放出冷凝热,气体冷凝时,首先冷凝氧组分.此过程一直进行到气、液处于平衡状态。这时,液相由于蒸发,使氮组分减少,同时由于气相冷凝的氧也进入液相,因此液相的氧浓度增加了,同样气相由于冷凝,使氧组分减少,同时由于液相的氮进入气相,因此气相的氮浓度增加了多次的重复上述过程,气相的氮浓度就不断增加,液相的氧浓度也能不断的增加.这样经过多次的蒸发与冷凝就能完成整个精馏过程,从而将空气中的氧和氮分离开来。8

2.吸附法：原理：利用分子筛对不同的分子具有选择性吸附的特点，有的分子筛（如5A、13X等）对氮具有较强的吸附性能，让氧分子通过，可得到较高纯度的氧气；有的分子筛（碳分子筛等）对氧具有较强的吸附性能，让氮分子通过，可得到较高纯度的氮气，从而实现空气的分离。但吸附法目前的氧气纯度只有93%左右。

3.膜分离法：原理：它是利用一些有机聚合膜的渗透选择性，当空气通过薄膜或中空纤维膜时，氧气穿透过薄膜的速度约为氮的4～5倍，从而实现氧、氮的分离。膜分离的富氧浓度只能达到28～35%O2

。

目前应用较多的是低温法（又叫深度冷冻法）。它的优点：生产量大，产品纯度高，电耗低且可得到液态产品，故应用广泛。9（三）空气组分

O2：20.93%;

N2：78.03%;Ar2：0.932%;

CO2：0.03%;

水蒸气：0.5-4%;

H2：0.00005%;O3：(1-2)×10-6%;

氖（We）：(1.5-1.8)×10-3%;

氦（He）：（4.6-5.3）×10-4%;

氪（Kr）：1.08×10-4%;

氙（Xe）：8×10-6%;

机械杂质：0.01g/㎡10二、空分装置介绍11（一）我公司空分装置简介空分装置KDON-13000/15000.由杭州杭氧股份公司制造，单套空分装置制氧能力1.3万Nm3/h，制氮能力1.5万Nm3/h，同时副产仪表空气、液氮和液氧。本装置生产的纯度为99.6%的氧气主要供甲醇转化装置使用。12纯度为99.99%的氮气作为甲醇开工吹扫用气和干熄焦用气。空分的流程采用的是规整填料塔、分子筛纯化、增压透平平膨胀机、膨胀空气进上塔的外压缩流程。13（二）工艺流程简介原料空气自吸入口吸入，经自洁式空气过滤器除去灰尘及其它机械杂质。过滤后的空气进入离心式空压机，经离心空气压缩机压缩后进入空气冷却塔冷却。冷却水为经水冷塔冷却后的水。空气自下而上穿过空气冷却塔，在冷却的同时，又得到清洗。经空冷塔冷却后的空气进入切换使用的分子筛纯化器，空气中的二氧化碳、碳氢化合物和水分被吸附。分子筛纯化器为两只切换使用，其中一只工作时，另一只再生。纯化器的切换周期约为4小时，定时自动切换。14净化后的空气分为两股：一股进入板式换热器，与返流的气体换热后出换热器底部后进入下塔；另一股入增压透平膨胀机。进入增压透平膨胀机的空气经增压后进入板式换热器，再从板式换热器中部抽出进入膨胀机去膨胀。膨胀后的空气送入上塔。另一股空气在空压机加压并经后进入板式换热器与反流氧气、氮气和污氮气体换热。这部分空气从换热器底部抽出经节流进入下塔。空气在下塔初步精馏后，获得液空和液氮，并经过冷器过冷后节流进入上塔。经上塔进一步精馏后，在上塔底部获得液氧，上部获得纯氮气和污氮气。15从主冷凝蒸发器抽取液氧送入液氧贮存系统。从下塔顶部获得纯液氮，送入液氮贮存系统。在下塔顶部抽取压力氮气，经低压板式换热器复热后出冷箱，进入氮气用户。从上塔顶部抽取低压纯氮气经过冷器回收冷量，经板式换热器复热后送入水冷塔或送入用户管网。从上塔上部引出污氮气经过冷器回收冷量，经板式换热器和复热出冷箱后分成两部分：一部分进入分子筛系统的蒸汽加热器，作为分子筛再生气体，其余污氮气去水冷塔。16整个空分装置必须解决以下几个问题：1.如何清除空气中的杂质；2.如何为装置提供带压的空气；3.如何将空气冷却到液化温度；4.如何将空气分离成氧、氮；5.如何将产品送到用户；6.如何储存液态氧、氮。为此，空分装置中相对应的建立了以下几个系统。（二）组成空分装置的几个系统空分装置中相对应的建立了以下几个系统：1.杂质的清除系统（空气过滤器和纯化系统）；2.空气加压系统（空压机系统）；3.空气的冷却和液化系统（预冷系统和膨胀机、换热器系统）；4.空气的精馏系统（分馏塔系统）；5.产品的输送、贮存系统（压氮系统和液体贮存系统）；6.仪电控制系统。17181.空气过滤系统

在工业区的空气含尘量一般为1-5mg/m3。灰尘粒度为0.5-20μm，以10000m3/h制氧机的加工空气量算，每天随加工空气带到空分装置的灰尘就有10kg之多。空压机如果直接吸入这样脏的空气，很快就会损坏，因此，在进入空压机之前均设置空气过滤器，清除空气中的固体杂质。固体杂质颗粒直径大于100μm的在重力作用下会自动降落，小0.1μm的极小粒子不致引起危害,所以需要净除的对象为100-0.1μm的尘粒,空气过滤器主要捕集的是10０-0.1μm的尘粒.净除后空气中含固体杂质的量小于0.5mg/m3。19自洁式过滤器20空气压缩机

作用：提供带压原料空气结构：杭氧透平公司的产品，由汽轮机拖动。排气量：70000Nm3/h,0.595MPa(A)

2.离心空气压缩机21原料空气压缩机结构

22增压空气压缩机空气压缩机润滑油流程图24空气冷却塔作用：把空压机出来的高温气体（<116℃）冷却到17℃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。3.预冷系统252627

分子筛纯化系统

作用：吸附空气中水分、乙炔、

CO2及一些碳氢化合物。

结构：卧式圆筒体，内设支承

栅架。

使用方式：由于分子筛的吸附

特性将空气中的水份、乙炔、

CO2等吸附，后被高温气体反

向再生。分子筛吸附器成对交

替使用，一只工作时，另一只

被再生。4.纯化系统28分子筛纯化系统空气是多组分组成，除氧气、氮气等气体组分外，还有水蒸汽、二氧化碳、乙炔及少量的灰尘等固体杂质。这些杂质随空气进入空气分离装置中会带来较大危害，固体杂质会堵塞板换热器，降低换热效果；水蒸气和二氧化碳在空气冷却过程中会冻结析聚出，将堵塞设备及气体通道，致使空分装置无法生产。重点是乙炔及碳氢化和物，进入空分装置后，在主冷凝蒸发器当中聚集会导致爆炸事故的发生，所以为了保证空分装置的安全运行，必须清除和控制这些物质。29分子筛的吸附效率

CH4C2H6C3H8N2OC2H4CO2C2H2C3H6nC4H10iC4H10C6H6C3H6OO3NOH2O甲烷 CH4乙烷 C2H6丙烷 C3H8一氧化二氮N2O乙烯 C2H4二氧化碳CO2乙炔 C2H2丙烯C3H6正丁烷 nC4H10异丁烷iC4H10苯 C6H6丙酮 C3H6O臭氧 O3一氧化氮NO水 H2O

设计吸附率CO2含量0.1ppm时的吸附率0%0%65%65%85%100%100%100%100%100%100%100%100%100%100%0%0%50%50%70%100%100%100%100%100%100%100%100%100%100%303132膨胀机作用：膨胀机是空分设备的心脏部机之一，由空气气体在膨胀机中等熵膨胀而制取冷量，补充系统冷量损失。5.膨胀机系统33透平膨胀机制冷的基本原理膨胀机是为空分装置提供冷量的设备，根据能量转换和守恒定律，气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外作功时，气体的能量一定要减少，从而使气体本身强烈地冷却，而达到制冷的目的。34影响膨胀机制冷量大小的因素膨胀量：

膨胀量越大，氧提取率越底，膨胀量需同时满足冷量平衡及精馏工况的需求。机前温度：提高机前温度，单位制冷量提高。机前压力：提高机前压力，增大膨胀比，单位制冷量提高；绝热效率3536主热交换器作用：进行多股流之间的热交换结构：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使用方式：对压缩空气进行冷却，直到达到接近液化温度，各返流流体在此被加热到常温。6.换热系统3738板式换热器39板翅式铝质换热器404142空气的精馏过程：利用氧、氮的沸点不同，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。常温下的空气是无色无味的气体，液态空气则是一种易流动的浅黄色液体。一般当空气被液化时二氧化碳已经清除掉，因而液态空气的组成是20.95%氧，78.12%氮和0.93％氩，其它组分含量甚微，可以略而不计。7.分馏塔系统液态空气的蒸发与空气的冷凝

简单蒸发与冷凝：若将液空置于一密闭的容器内，使它在定压下加热蒸发，且不引出蒸气，使器内的气、液经常处于平衡状态，这种蒸发过程称为简单蒸发。进一步加热时，液空继续蒸发，直至最后全部变为蒸气。如果液空是在98.1kPa下蒸发，则最后一滴液体的组成为52.8％氧含量。空气的冷凝过程是沿蒸发过程相反方向进行的。若将空气置于一密闭容器中，使其在定压下冷却液化，气、液处于平衡状态且不引出冷凝液，这种过程简单冷凝。简单冷凝第一滴冷凝液中含氧量最高，最后所剩的微量未凝气中含氮量最高，也只有94%。所以，用简单蒸发和冷凝不可能得到较高摩尔分数的氧、氮产品，而且分离过程也不可能连续进行。43QQQQ44部分蒸发和冷凝：

如果当液体蒸发时，把产生的蒸气连续不断地从容器中引出，这种蒸发过程称部分蒸发，在蒸发的过程假定每一瞬时引出的蒸气是与该瞬间的液体是平衡状态，随着蒸发的进行，液相中氮的摩尔分数不断地降低，可见部分蒸发可以在液相中获得氧摩尔分数较高的产品；但氧的摩尔分数越高，获得的液氧数量越小，数量与质量间存在着矛盾，而且不可能同时获得高纯度的气氮。如果在空气定压冷凝过程中，将所产生的冷凝液连续不断地从容器中导出，这种冷凝过程称部分冷凝，在部分冷凝过程中，冷凝到最后时，所剩蒸气中氮的摩尔分数很高，但数量却很少。所以部分冷凝仅能获得数量很少的高摩尔分数气氮，也存在着质和量的矛盾，而且不能获得高纯度的液氧。

45QQ46连续部分蒸发与多次部分冷凝：

从部分蒸发和部分冷凝的特点可看出，两种过程可以分别得到高纯度的氧和高纯度的氮，但不能同时获得高纯度氧和高纯度氮。而且两个过程的性质恰好相反：部分蒸发需外界供给热量，部分冷凝则要向外界放出热量；部分蒸发不断地向外界释放蒸气，如欲获得大量高纯度液氧，则需要相应地补充液体。而部分冷凝则是连续地放出冷凝液，如欲获得大量高纯度气氮，则需要相应地补充气体。如果将部分冷凝和部分蒸发结合起来，则可解决部分蒸发和部分冷凝单独进行所不能解决的问题。

多次的部分蒸发和部分冷凝过程的结合称为精馏过程。每经过一次部分冷凝和部分蒸发，气体中氮组分就增加，液体中氧组分也增加。这样经过多次便可将空气中氧和氮分离开。由于空气的温度比含氧40%的液体的饱和温度高，所以空气穿过液体时得到冷却，就发生部分冷凝；而液体被加热，就发生部分蒸发。当气液温度相等时，与液体相平衡的蒸气中含氧只有14%的氧。结果，气体的数量没有多少变化，同样液体的数量也没有多少变化，这样多次进行下去，液相中氮会更多地蒸发到气相中，而气相中氧会更多地冷凝进入液相中，最后可获得足够数量的高纯度气氮和液氧。这就是利用精馏过程分离空气的实质。

4740％O280.5K9%O279.6K14%O280.5K6.3%O220.9%O278.5K30%O279.6K20.9%O282K蒸汽4849分馏塔精馏塔

精馏过程的实质是上升蒸气和下流液体充分接触，两相间进行物质和能量的相互传递。塔坂的作用是为气液两相物流进行热量和质量传递提供场所。整个精馏过程就是通过精馏塔内每块塔板上的作用而实现的。精馏过程的计算是要决定将原料气分离为一定纯度的产品所需要的塔板数。精馏塔板上的工作过程

来自塔板下面的蒸气经筛孔进入塔板上的液体中，与温度较低的液体直接接触，气液之间发生热质交换，一直进行到相平衡为止。这时氮含量增高后的蒸气便离开塔板续续上升到上一块塔板；而氧含量增高后的液体流到下一块塔板上去。这种往下流的液体称为回流液。离开塔板的上升蒸气与从塔板往下流的液体是接近平衡的，而在两层塔板之间的同一截面上的气、液处于不平衡状态50假设：

(1)塔板上的气相物流和液相物流达到完全平衡状态。

(2)氧和氮的蒸发潜热相差很小，设它们相等。

(3)氧和氮的混合热为零。

(4)精馏塔理想绝热，外界热量的影响忽略不计。

(5)塔内的工作压力沿塔高均一致。在稳定工况下，任何塔段都应满足物料平衡和热量平衡关系。因此，在精馏塔中沿塔高上升气体量和下流的回流液量都分别保持不变，即为恒值。因此，所有塔板上、下气液中氮的摩尔分数关系都满足斜率为的同一条直线方程式。该直线称精馏过程的操作线，其斜率称气液比。

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空气的精馏过程是在精馏塔中进行。目前我国制氧机中所用精馏塔主要是筛板塔。在直立圆柱形筒内装有水平放置的筛孔板，温度较低的液体由上一块塔板经溢流管流下来，温度较高的蒸气由塔板下方通过小孔往上流动，与筛孔板上液体相遇，进行热质交换，也就是进行一次部分蒸发和部分冷凝过程，气、液趋近平衡状态。连续经多块塔板后就能够完成整个精馏过程，从而得到所要求纯度的氧、氮产品。

52单级精馏塔

单级精馏塔有两类，一类制取高纯度液氮（或气氮）；一类制取高纯度液氧（或气氧）。

制取高纯度液氮（或气氮）的单级精馏塔，它由塔釜、塔板及筒壳、冷凝蒸发器三部分组成。塔釜和冷凝蒸发器之间装有节流阀。压缩空气经换热器和净化系统，进行热质交换，只要塔板数目足够多，在塔的顶部能得到高纯度气氮（纯度为99%以上）。53气氮在冷凝蒸发器内被冷却而变成液体，一部分作为液氮产品，由冷凝蒸发器引出，另一部分作为回流液，沿塔板自上而下的流动。回流液与上升的蒸气进行热质交换，最后在塔底得到含氧较多的液体，叫富氧液空，或称釜液，其含氧量约40%左右。釜液经节流阀进入冷凝蒸发器的蒸发侧（用来冷却凝侧的氮气）被加热而蒸发，变成富氧气体引出。如果需要获得气氮，则可从冷凝蒸发器顶盖下引出。由于釜液与进塔的空气处于接近平衡的状态，故该塔仅能获得纯氮。54

制取纯氧（99%以上）的单级精馏塔，它由塔体及塔板、塔釜和釜中蛇管蒸发器组成。被冷却和净化过的压缩空气经过蛇管蒸发器时逐渐被冷凝，同时将它外面的液氧蒸发。冷凝后的压缩空气经过节流阀进入精馏塔的顶端。此时，由于节流降压，有一小部分液体气化，大部分液体自塔顶沿塔板下流，与上升的蒸气在塔板上充分接触，含氧量逐步增加。当塔内有足够多的塔板数时，在塔底可以得到纯的液氧。所得产品氧可以气态或液态引出。该塔不能获得纯氮。由于从塔顶引出的气体和节流后的液空处于接近相平衡状态，因而它的摩尔分数约为93％的污氮气。

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综上所述，单级精馏分离空气是不完善的，不能同时获得纯氧和纯氮，只有在少数情况下（如仅需纯氮或富氧）使用。为了弥补单级精馏塔的不足，便产生了双级精馏塔。

56精馏塔工作原理图中给出双级精馏塔的示意图。双级精馏塔由下塔、上塔和上下塔之间的冷凝蒸发器组成。经过压缩、净化并冷却后的空气进入下塔底部自下而上的穿过每块塔板，至下塔顶部便得到一定纯度的气氮。下塔塔板数越多，气氮纯度越高。氮进入冷凝蒸发器的冷凝侧时，由于它的温度比蒸发侧液氧温度高，被液氧冷却变成液氮。一部分作为下塔回流液，沿塔板流下，至下塔塔釜便得到含氧（36~40）%的富氧液空；另一部分聚集在液氮槽中经液氮节流阀后，送入上塔顶部作上塔的回流液。

57下塔塔釜中的液空经节流阀后送入上塔中部，沿塔板逐块流下，参加精馏过程。只要有足够多的塔板，在上塔的最下一块塔板上就可以得到纯度很高的液氧。液氧进入冷凝蒸发器的蒸发侧，被下塔的气氮加热蒸发。蒸发出来的气氧一部分作为产品引出；另一部分自下而上穿过每块塔板进行精馏。气体越往上升，其中氮的摩尔分数越高。

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塔中空气的分离过程分为两级，空气首先在下塔进行第一次分离，获得液氮，同时得到富氧液空。富氧液空送往上塔进行进一步的精馏，从而获得纯氧及纯氮。上塔又分两段，一段是从液空进料口至上塔底部，是为了将液体中氮组分分离出来，提高液体中的含氧量，称为提馏段；从富氧液空进料口至上塔顶的一段称精馏段，它是用来进一步精馏上升气体，回收其中氧组分，不断提高气体中氮组分的摩尔分数。

冷凝蒸发器是连接上下塔使二者进行热量交换的设备，对下塔是冷凝器；对上塔是蒸发器。596061上塔内部结构示意图62下塔原理示意图BUBBLINGAREAGASGASLIQUIDSEPARATIONLIQUIDFROMGASENTRAINMENTDEGASINGOFLIQUIDCLEARLIQUIDDOWNCOMERCLEARANCEOUTLETWEIRINLETWEIRTRAYSPACINGDOWNCOMERSEALPANINLETBAFFLEWEIRCRESTDOWNCOMER

SEALAREA636465塔板上气体穿过液层液层底部属鼓泡区液层表面属泡沫区液层上方空间属雾沫区6667精馏系统模型6869低温液体储存系统包括液氧储槽和液氮储槽，液氧泵，加热水浴式汽化器。液态氧、氮储槽结构为不锈钢内胆，夹层抽真空，充填珠光砂进行绝热保温。设有放空阀（根据设定压力自动报警、放空）、安全阀和防爆片三重保护。储槽设有液位高度显示仪表。8.低温液体储存系统707172

三、空分设备的安全规定及一些事故案例73空分装置的安全操作在正常生产时，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措施，不能忽视。

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。

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50PPm100PPm74一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，引发的主冷凝蒸发器爆炸。75保温材料排放不当引起冷箱爆炸预防措施：

1.严格按照规定珠光砂排放规程；2.必须首先打开主冷箱顶部和板式冷箱顶部的所有人孔，适量通入冷箱密封气进行彻底加温；3.与此同时必须将冷箱内所有设备加温至常温；4.然后检查冷箱内气体的氧含量，若其氧含量超20.95%，