大型空分装置入门培训

空气分离主讲内容第一章简介第二章压缩机组第三章净化系统与制冷形式第四章空气的精馏第五章仪表空压机第六章安全第一章简介第一节行业概括1空分装置运用范围2空分的起源和发展历程3国内空分市场主要供应商第二节空气的成分及分离方法空分装置的运用大型空分装置是大型煤化工、合成氨、尿素、合成甲醇、乙烯、冶金熔融还原炼铁技术(COREX)、整体煤气化循环发电技术(IGCC绿色煤电)等装置的关键设备空分设备的诞生与现状

1902年德国林德设计制造了世界上第一台工业性制氧机，建立了“林德高压节能液化循环”1902年法国克劳特发明活塞式膨胀机，并在一台中压(5MPa)带膨胀机的装置中液化l空气。这一年法国液化公司(AL)建立1910年法液空制成第一台中压活塞式膨胀机的50m3／h制氧机(“克劳特中压膨胀液化循环”)空分企业格局随着中国经济持续稳定地增长，中国空分设备制造业也逐步发展，特别是在大型空分项目上，国产设备的市场份额在逐年上升，以往外国大公司在大型空分项目上一统天下的局面正在逐步改观。但是，在大型空分设备项目上，我们的综合能力与水平同外国各大公司相比，还存在一定的差距。在世界空分设备市场，每年大部分份额由外国大公司所瓜分。

空分行业七大公司大多数都向中国供过大中型空分设备，仅德国Linde公司就向中国供过五十多套空分设备，而法液空、BOC、PRAXIAIR、MESSER在中国已投资多家气体公司，仅MESSER到1999年底在中国已投资了15家合资企业，总投资达1.7亿美元。另外，法液空与杭氧合资成立液空(杭州)有限公司，林德与金重合资成立林德工艺装置有限公司，主要从事空分设备的生产制造业务。空分代的划分第一代：铝带盘蓄冷器的高低压流程；

第二代：铝带盘蓄冷器或石头蓄冷器的全低压流程；

第三代：带产品气盘管的石头蓄冷器的全低压流程；

第四代：切换板式主换热器的全低压流程；

第五代：分子筛吸附、增压透平膨胀机、DCS控制的全低压流程；

第六代：规整填料上塔、全精馏制氩的全低压流程；

第七代：内压缩流程。空分供货商当今，世界上主要的空分装置压缩机供应商为德国西门子(原德马格）、德国曼透平（原苏尔寿、GHH）、日本日立公司等公司。国外空分设备制造100余年，法液空、林德、APCI；国内大空分设备制造，杭氧、开空、川空中新化工空分汽轮机由杭州汽轮机集团制造，压缩机组由陕西鼓风机集团制造。第2章

空气的成分及分离方法1干燥空气的主要成分2物理性质3空气分离的方法低温法吸附法膜分离法

4流程概述及产品介绍干燥空气的主要成分名

称化学代号体积百分比重量百分比氧O220.9523.1氮N278.0875.5氩Ar0.9321.29二氧化碳CO20.030.046氖Ne（1.5~1.8）×10-3氦He（4.6~5.3）×10-4还含有微量的氪、氙及氢，气中其它组成成份二氧化碳、水蒸气及乙炔等碳氢化合物根据地区和条件的不同在一定范围内变化。水蒸汽含量则随着温度和湿度而变化名称化学符号标准大气压下的液化温度(℃)标准大气压下的固化温度(℃)临界温度(℃)临界压力MPa(A)氧

O2-183-218.4-1195.079氮

N2-195.8-209.86-1473.394氩

Ar-185.7-189.2-1224.862物理性质空气分离的方法空气中的氧氮分子是均匀相互掺混在一起的，并且直径的数量级在10-8cm，目前主要有三种分离的方法1、低温法2、吸附法3、膜分离低温法先将空气通过压缩、膨胀降温，直至空气液化再利用氧氮的沸点不同，沸点低的氮相对氧要容易气化这个特性，在精馏塔内让温度较高的蒸气与温度较低的液体不断相互接触，液体中的氮较多的蒸发，气体中的氧较多的冷凝，使上升蒸气中的含氮量不断提高，下流液体中的氧含量不断增大，以此实现将空气分离。要将空气液化，要将空气冷却到100K以下的温度，这种制冷叫深度冷度，而利用沸点差将液空分离的过程叫精馏过程吸附法它是让空气通过充填在某种多孔性物质——分子筛的吸附塔，利用分子筛对不同的分子具有选择性吸附的特点，有的分子筛对氮有较强的吸附性，让氧分子通过，可得纯度较高的氧气，有的分子筛对氧有较强吸附性，让氮分子通过，可得纯度较高的氮气，由于吸附剂的吸附容量有限，当吸附某种分子达到饱和时，就没有继续吸附的能力，需要将被吸附的物质驱赶掉，才能恢复吸附的能力，这一过程叫“再生”。因此为了保证连续供气，需要两个以上的吸附塔交替使用。再生的方法可采用加热提高温度的方法(TSA)或降低压力的方法(PSA)

这种方法流程简单，操作方便，运行成本较低，但要获得高纯度的产品较困难，产品氧纯度在93%左右。并且适于容量不太大（<4000m3/h）的分离装置膜分离它是利用一些有机聚合膜的渗透选择性，当空气通过薄膜（0.1µm）或中空纤维膜时，氧气的穿透过薄膜的速度约为氮的4～5倍，从而实现氧、氮的分离。这种方法装置简单，操作方便，但富氧浓度一般适宜在28%~35%,规模也只宜中、小型工艺流程概述本空分装置采用空气预冷、分子筛吸附净化、增压透平膨胀、全填料精馏及液氧内压缩工艺。整套机组包括：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、液氮贮存气化系统、液氧贮存系统。空压机由抽气凝式蒸汽透平驱动，进汽压力9.0MPa（G），温度515℃

空气的精馏就是利用空气中各种组分具有不同的挥发性，将液态空气进行多次的部分蒸发与部分冷凝，从而达到分离各组份的目的。流程组成部分空气过滤及压缩系统预冷系统分子筛纯化系统增压透平膨胀机制冷系统分馏塔系统空压机过滤器空冷塔分子筛增压机加温气仪表气1.3MPa增压膨胀机2.7MPa高压板式换热器6.2MPa进低压板式换热器空分自用仪表气分馏塔下塔40000Nm3/hO2（公称）空分装置产品规格及性能参数产品名称用户产品要求(含O2)温度(℃)压力(MPa,G)产量(Nm3/h)正常量最大量氧气煤气化99.8%375.03800042000氮气Ⅰ煤气化10ppm508.13000氮气Ⅱ(低压)输煤（开车用）10ppm370.0051500018000氮气Ⅲ(低压)磨煤10ppm200.7040004400氮气Ⅳ(低压)脱硫脱碳10ppm200.4480008800工厂空气全

厂常压露点≤-40℃400.702000仪表空气全

厂常压露点≤-40℃400.703000液氧≥99.8%O2饱和0.152600液氮

10PPmO2饱和0.451200液氩

2PPmO2

3PPmN2饱和0.151200第二章压缩机组三大机组关系空气过滤设备空压机性能结构形式增压机的类型汽轮机介绍空压机组的配置空压机汽轮机增压机变速箱9.0MPa535℃联轴器有刚性连接和挠性连接，主要承受扭矩，要求材料具有较高的综合机械性能空气的除尘设备空气中灰尘及机械杂质的清除，常常通过在空气压缩机吸气管线进口设置空气过滤器来完成。空气由吸风口进入空气过滤器，除尘后的空气再通过管线进入空压机袋式过滤器袋式过滤器由多只锦纶、毛毡滤袋组成。空气进入袋内，经过滤后流出，当压差达到设定值时，采用较高压力的压缩空气进行反吹，保证滤袋不被灰尘堵塞，被吹下来的灰尘定期清理。根据空气量的多少，滤袋数量可以适当增减。脉冲纸筒过滤器脉冲纸筒过滤器是一种新型、高效的精过滤设备，大中小型空分均可采用，工作原理与脉冲布袋过滤器相近。空气自滤筒外部进入，通过筒壁的过滤作用，将灰尘留在筒外，洁净的空气自筒内流出，当筒外灰尘积聚到一定程度时，一部分滤筒与主气流隔离，同时用高压反吹空气自筒内向外反吹，滤筒外表面所积灰尘被吹落可以重新工作。这种过滤器所用的过滤单元是纤维素混合物制成的后约0.5mm的滤“纸”为基材反复折叠后围成的圆筒工作原理图脉冲自洁式空气过滤器过滤掉直径＞2μm的粉尘，过滤效率99.99%正常压降150~650Pa，最大压降800Pa对5µm以上的灰尘，效率可达到100%，是一种体积小、阻力低、重量轻效率高的新型过滤器，过滤室可根据价格空气量的大小安装多个过滤单元，当灰尘在褶边中阻力达到800pa时即将过滤单元切出，用压缩空气反吹特点采用了轴向进气，减少了径向进气的流动损失，并于进口处设置进口导叶及调节装置。其转子由四级三元流叶轮构成。并且前三级叶轮每级后均布置两套气体冷却器管束，气体从叶轮出口直接通过冷却器进行冷却后再进入下一级压缩。冷却器管束置于机壳内，气体流程短，压力损失小，并且能使气体充分冷却。由于上述特点，该机组有效率高、能耗低，占地面积小，运行稳定，噪音低，便于拆装维修等特点。设计参数型式： 等温型离心压缩机型号及含义：EIZ125-4(1+1+1+1)机型含义：E---表示水平剖分结构的离心压缩机I---表示带有安装在机壳内（紧凑式）的气体冷却器Z----等温型压缩机125---表示首级叶轮名义叶轮直径为125cm1+1+1+1--表示转子由4级叶轮组成；+代表一对气体冷却器结构特点EIZ125-4(1+1+1+1)等温型离心压缩机机壳为焊接结构，水平剖分，进气室及排气室材料为球墨铸铁，与机壳螺栓联接。上机壳设置冷却管束单独取出的法兰，以便清洗、更换。压缩机于进口处设置调节导叶，利用气动伺服马达驱动，以实现工况调节设计独特之处①采用内置式冷却器，外接管道少，气体流道短，压力损失小，管道投资小；②冷却器管束采用带翅片的铜管，提高了换热效率，冷却器与气缸之间采用橡胶密封件密封，可防止窜气而影响冷却效果；③气体由叶轮进入冷却器及由冷却器返回叶轮的通道处均设置了气体分布器（苏尔寿专利）使得气流在冷却器中分布均匀，阻力小，冷却效果达到最佳；④冷却器与气水分离器设计为一体结构，气水分离器设计在冷却器内的出口侧，在气水分离器出口设计有自动排水装置，结构紧凑、合理。⑤压缩机内设计水清洗系统，当空气中的灰尘在叶轮及冷却管气侧积生污垢时，可以通过清洗喷嘴向叶轮入口喷水清洗叶轮和冷却管束。清洗工作可在压缩机正常工作中进行。这样可以保证冷却器始终如一的有良好的传热效率。单独的冷却器管束可垂直从压缩机上部抽出，仅需要拆卸安装在冷却器顶部水箱和水管接头，步骤简单而且只需很短时间。由于级间冷却器设置在机壳之内，如同在转子与大气之间形成了很厚的一层隔离带，使压缩机产生的噪音大大降低，其次级间无配管，没有各种管件和阀门引起的阻力损失，冷却器检修需垂直向上抽出，使厂房建筑高度加高，布置更为合理经济。空压机处理空气量216000Nm3/h压力,压力0.535MPa采用等温型离心压缩机，汽轮机驱动，带中间冷却器，与自动疏水装置。特点：采用内置式冷却器，压缩机内设水清洗系统驱动功率17496KW冷却水:1160t/h负荷调节范围60%~105%项

目单

位正常点设计参数介

质空气流

量Nm3/h(干燥)216000进口压力MPa(A)0.097进口温度℃27.1相对湿度%69排气压力MPa(A)0.635排气温度℃≤100冷却水温度℃32冷却水温升℃≤10流量调节范围%60—105冷却水耗量T/H1160轴

功

率KW~17590转

速rpm~4938增压机型式： 离心压缩机型号及含义： EBZ45-6(2+2+2)

机型含义：E----表示离心式压缩机

B----表示筒型结构Z----表示带外置式中间冷却器

45---表示首级叶轮名义叶轮直径为45cm2+2＋2--表示叶轮级数为6级，前2级为高压缸第一段；中间2级为第二段；后2级为第三段。增压机参数进口空气量139000Nm3/h，压力0.5MPa一段中抽气5000Nm3/h，1.3MPa二段中抽气65000Nm3/h，2.7MPa末级出口69000Nm3/h，6.2MPa功率12560KW冷却水1080T/H汽轮机的分类按原理分：冲动式汽轮机、反动式汽轮机按排气方式分：A凝汽式汽轮机：汽轮机的排气进入凝汽器，蒸汽在低于大气压的情况下凝结，凝结水被引回锅炉做锅炉回水的一部分，排气凝结放出的热量不再利用B背压式汽轮机：这种汽轮机排汽压力常高于大气压，排汽进入蒸汽管网冲动式汽轮机：蒸汽只在静叶栅中降压膨胀加速，在动叶栅内不降压，不膨胀，动能只把蒸汽动能转换成机械能，同时该变汽流方向反动式汽轮机：蒸汽在汽轮机的静叶栅中被降压、膨胀加速，在动叶栅中也被进一步降压膨胀加速。动叶不但将蒸汽的动能，同时也将蒸汽的部分内能转换成机械功，这种汽轮机称为反动式汽轮机凝结水去锅炉去蒸汽管网凝结水去锅炉凝汽式汽轮机抽汽凝汽式汽轮机抽汽排汽排汽去蒸汽管网背压式汽轮机抽汽背压式汽轮机进汽进汽抽凝式汽轮机

进汽压力9.0MPa（G），温度515℃，额定功率：35787KW中抽汽压力3.82MPa，420℃中抽量为25T/h～52T/h。耗汽量：约158T/H耗水量：7900T/H原理：热能动能机械能辅机：包括凝结水泵，抽汽器。汽机流程特点高压蒸汽【8.93MPa（A）、535℃】经隔离阀、速关阀、调速汽阀后进入汽轮机内膨胀做功，做功后的负压蒸汽排入凝汽器，在其中乏汽被冷凝为水并形成一定真空度，冷凝水用冷凝液泵送出界区。为了维持凝汽器的真空，设有蒸汽抽气器，抽出其中不凝气。汽轮机工作原理汽轮机的工作原理：汽机是把蒸汽的热能转换成机械能的动力装置。汽轮机的级：每级由静叶栅和动叶栅组成静叶栅：流道面是渐缩型的，进口截面大，出口截面小。当气体通过这样的渐缩型流道后，气流被加速膨胀。气体压力降低，温度降低，流速增加，这样完成了热能向动能的转化动叶栅：动叶流道截面也是做成逐渐收缩的，气流在动叶栅中进一步降压、膨胀加速产生一个反作用力（反动力）+冲动力，推动汽机主轴转动多级汽轮机就是由这样若干个级组成汽机区段进汽区段：有调节系统，前轴承座以及包括速关阀，喷嘴室，调节级轮室和前汽封的外缸前部。中间区段：包括转子、叶片和外缸的中间部分排气区段：包括汽封，外缸后部和后轴承座。汽机主要部件汽缸：包容蒸汽和承受载荷隔板：组装静叶栅汽封：防止蒸汽或空气的泄露转子:主轴上装有若干级动叶轮，对外输出功轴承：支撑定位转子，维持转子在正确的水平中心和轴向位置上转动盘车：维持转子低速下转动，防止转子弯曲汽机的启动阶段暖管——加热管道，输水，防止冲转时产生水击冲转——加热汽机部件，使转速上升（涨差的概念）暖机——使汽机部件受热均匀，防止产生过大温差提速并网——使汽机提到额定转速带负荷——使汽机由空负荷带到额定负荷临界转速临界转速是某一特定的转速其转速产生的频率（转/秒）和转子的固有频率相一致时所产生的一种共振现象。在此转速下机组会产生剧烈的振动对于一个轴有若干个临界转速，过临界时要严防振动超限，快速通过，不允许在任何临界转速附近滞留滑销系统滑销系统是由许多规定汽缸受热膨胀方向的导向滑销组成，这些滑销将引导汽缸受热膨胀的方向，保证汽缸与其他部件相对位置尺寸的变化控制在允许范围内，保证汽机膨胀的安全性。主蒸汽温度、压力对汽机影响主蒸汽温度过高影响：降低进汽区段机械强度，缩短设备寿命主蒸汽温度过低影响主蒸汽温度不变，压力过高影响汽机排气温度过高的影响：主蒸汽温度不变，压力降低注意事项盘车装置作用：防止汽缸上下温差大而引起转子主轴发生弯曲，可使转子受热均匀受热时的转子和汽缸的膨胀方向问题，以及胀差变化规律汽机抽真空问题凝汽器液位问题，换热器泄露问题、凝汽器的端差大小问题暖管注意问题振动：油温、轴承间隙、进汽温度、转子弯曲、热态开车（排缸温度）、汽封或动静摩擦、喘振（计算与实际值）、联轴节出问题、基础裂开，猫爪抱死、滑销卡住、油质Dcs旁路，或延时第三章前端净化装置与制冷第1节预冷系统第2节纯化系统第3节装置制冷形式第1节预冷系统预冷系统流程空冷塔水冷塔的作用，换热方式内部结构特点冷水机组空冷塔水冷塔循环水供水冷却水泵冷冻水泵污氮循环水回水空气100℃216000m3/h

预冷系流程简图冷冻水：110m3/h8℃冷却水：680m3/h32℃空气216000m3/h10℃15℃90000Nm3/h15kp33℃这种支撑从截面看为拱形，整个拱面上开有若干长圆形孔。从而使通流面积不因支撑的遮挡而减少，保证了气液的顺利流通，减小了压降；同时这种结构还能对气流起到一个均匀分布的作用，提高热交换的效率；该结构刚性好，承载能力大，易于分块和安装。喷射式填料支撑

根据一定的喷淋密度，在排管下方两侧开有若干小孔，水在压力作用下由小孔喷出。由于分布点多，分布均匀，有利于气液的热交换。同时，排管间间隙较大，为气体提供了很大的流通面积，降低了阻力。排管分布器的结构紧凑，占用空间小。

冷却水与冷冻水分布器空冷塔将由空压机来的高温空气降温至~10℃后送入分子筛，主要下面几个方面的作用1降温作用，减少饱和空气中的含水量2洗涤杂质，除去空气中能溶于水的杂质NOx，SO2，Cl๋等有害杂质3缓冲作用水冷塔混合式换热：上部喷淋的循环水与从分馏塔内复热后的污氮气换热

1水温高于污氮温度，热量直接从水传给污氮，水温下降2污氮比较干燥，水分子扩散到污氮中去，水的蒸发要吸收热量，使水温降低。第2节空气纯化系统作用及形式流程分子筛和活性氧化铝的性能介绍分子筛操作和使用注意事项分子筛再生空气纯化系统作用空气在进入空气分离装置之前利用两只卧式双层床吸附器来除去空气中的水蒸汽，二氧化碳和碳氢化合物，两只吸附器一只使用时，另一只再生。作用：吸附空气中的水、乙炔、二氧化碳型式：卧式双层床（活性氧化铝+分子筛）吸附后工艺指标:CO2<1PPm，H2O<-70℃露点露点温度（简称露点）是指空气中水气含量不变，气压一定时，通过降低气温使空气达到饱和时的温度，称为露点温度.纯化器净化后空气出口的含水量可达到相当于常压露点–70℃，即水蒸气含量2.58PPM（V），相当于20℃时每立方米空气含0.001936克的水分。吸附器的型式按形式分：卧式吸附器，立式吸附器按床层分：单层床，双层床蒸汽1.2MPa污氮空气增压机进口低压板式换热器（分馏塔）仪表气加温气1#2#充压泄压均压16℃反吹过滤器空气氮气立式双层径向流纯化器A占地面积为卧式1/4B圆柱体格栅结构，中心筒能起过滤作用C气流分布均匀，减少气流阻力，节能D防止分子筛内床层流态化分子筛的结构分子筛是是一种晶体硅铝酸盐，具有均一微孔结构，并且能选择性地吸附直径小于其微孔孔径的气体分子的固体吸附剂。主要组成成分为硅铝酸盐。13X(Na型硅铝酸盐)分子筛，孔径约10×10-7mm，多用在全低压流程5A分子筛（Ca型硅铝酸盐）多用在高中压流程性质分子筛内空穴占体积的50%左右，孔径约为10×10-7mm，吸附过程产生的内部空穴，它能把小于空穴的分子吸入孔内，把大于空穴的分子挡在孔外，起着筛分分子的作用。干燥度极高，水蒸气含量越低，相对湿度越小，吸附能力越显著低温高压易于吸附，高温低压易于解吸对水份的吸附能力特强，其次是乙炔及CO2温度℃饱和含水量/g·m-34050.93641.53235.642827.22421.82017.31613.61210.68109.35空气在不同温度下的饱和水含量吸水性能采取双层床的原因对比活性氧化铝与分子筛吸附水的特性可知，活性氧化铝对于含水量较高的空气，吸附容量比较大，但随着空气含水量的减少，吸附容量下降很快，而分子筛即使含水量很低的情况下，同样具有较强的吸水性分子筛对水分的解吸比较困难，需要的再生温度较高，节能活性氧化铝解吸水分容易，可降低再生温度对水分的吸附热比分子筛小，空气温升小，利于分子筛对CO2的吸附抗酸性，对分子筛能起到保护作用基于这些特点，纯化器采用双层床结够，在空气入口侧，装一层活性氧化铝。先将空气所含的大部分水清除掉，分子筛主要用于清除二氧化碳、乙炔、碳氢化合物吸附剂的寿命正常情况下2~4年。两个方面影响：永久吸附，破碎破碎的原因：自身强度、气流的冲击、装填不实所引起的，加热气体含湿再生温度太高、进水等分子筛中毒现象：破碎后阻力增加，吸附效果下降分子筛中毒所谓的分子筛中毒是指分子筛吸附某一组分物质后，不能可逆解吸。几乎永久丧失其吸附能力，我们把这种现象称为分子筛中毒。在使用分子筛时，应尽力避免被处理的工艺气体中含有易使分子筛中毒的吸附质，如：SO2，NOX，Cl2，HCl，HF等。分子筛再生定义：吸附剂吸附饱和后就失去了吸附能力，必须采取一定措施，将被吸组分从吸附剂表面赶走，恢复吸附剂的吸附能力就是“再生”再生的方法有两种：加温再生和降压再生吸附（切换）周期一个完整周期应包括：吸附、泄压、加温、冷吹、充压、并联六个步骤吸附（半）周期=泄压+加温+吹冷+充压+并联第三节装置的制冷形式气体内部的能量节流效应制冷增压透平膨胀机制冷高低压板式换热器流体内部能量表示物体具有的能量宏观：是动能（ｍ，ｖ）和位能（ｍ，ｈ）微观：物质由分子构成，分子不停的乱运动，具有分子运动的动能。分子间的相互吸引力，距离不同相互的位能也改变。这种看不见的物质内部具有的能量叫热力学能焓对于流体，当缓慢流动时，后面的流体必须反抗前面的流体的压力做功，才能往前流动，这个推进功将转变成流体携带的能量，叫流动能（ｐ、v）。焓（h）=热力学能（u）+流动能（pv）例如：给氧气瓶充气时，气瓶温度升高，主要因为带入的能量中有一部分是流动能，而进入瓶后不再流动，这部分流动能转变为瓶内气体的热力学能，反映为温度的升高节流过程P1V1P2V2P2<P1V1<V2节流当气体或液体在管道内流过一个缩孔或一个阀门时，流动受到阻碍，流体在阀门处产生漩涡、摩擦、碰撞。流体要流过阀门。必须克服这些阻力，表现在阀门后的压力p2比阀门前的压力p1低得多。这种由于流动遇到局部阻力而造成压力有较大降落的过程，通常称为节流过程节流降温的原理从过程上看它是一个压力降低的过程，而这个压力降低完全是消耗在克服阻力上，并没有对外输出功，同时，气体流过节流阀时，时间很短，可以看成一个绝热过程。对流体本身来说，流体内部的总能量（焓）保持不变。分子内部能量分为分子运动的动能+分子相互作用的位能节流实际上，当流体在管路及设备中流动时，也存在流动阻力而使压力有所降低，但是它的压力降低相对较小，并且是逐渐变化的。而节流阀的节流过程压降较大，并是突然变化的在节流过程中流体既未对外输出功，又可以看成是与外界没有热量交换的绝热过程，根据能量守恒定律，节流前后流体内部的总能量（焓）应保持不变，但是组成焓的三部分能量，分子运动的动能、分子相互作用的位能、流动能的每一部分是可能变化的，节流后压力降低，质量比容积增大，分子之间的距离增加，分子相互作用的位能增大，流动能一般变化不大，所以自能靠减小分子运动的动能来转换成位能。分子的运动速度减慢，体现在温度的降低。空分设备中遇到的节流均是这种情况，也是节流降温制冷要达到的目的。增压透平膨胀机制冷流程膨胀端增压端冷却器高压板式换热器增压透平膨胀机原理透平膨胀机膨胀制冷时对外输出功，利用这部分功带动一台压缩机，使空气压力进一步提高，这种带压缩机的透平膨胀机称为增压透平膨胀机膨胀机的制冷量膨胀机是气体推动工作轮对外输出功，造成气体能量的减少，反映出焓值降低，压力、温度减少。相当于从气体中取走一部分能量。气体减少了能量，使它增加的吸热能力叫做膨胀机的制冷量。制冷量=对外做功的大小，等于气体在膨胀过程减少的焓值膨胀机的形式活塞式膨胀机，通称容积型，其特点是适宜于小流量、高压力、大膨胀比工况；缺点则是结构复杂、体积大、易损件多、操作维护复杂透平膨胀机：通称速度型，其特点是转速高、体积小、重量轻、结构简单、易损件少，因而制造维修工作量小，适宜于大流量、中高压力而初温较低。膨胀机主机外形图板翅式换热器换热器在空分中的使用范围换热器的结构构成铝板翅式换热器空分设备中铝板翅式换热器可分为氧氮系统和氩系统两大类氧氮系统换热器主要包括：主换热器、主冷凝蒸发器、过冷器氩系统换热器主要包括：粗氩冷凝器、精氩塔塔顶冷凝器、精氩塔塔低蒸发器铝板翅式换热器的主要特点

1、间壁式换热器。介质之间相互不混合；2、紧凑式换热器。单位价体积的换热面积一般在900～2000m2以上；3、高效能换热器。由于翅片的独特结构，增强了流体的对流放热系数；4、质量轻。换热器用铝合金构成，在相同工艺条件下，重量约为管式换热器的1/10。5、小温差。铝板翅式换热器流体间的最小温差可以小到1℃，热端温差可到1～3℃。6、耐压高。由于铝板翅式换热器采用钎焊工艺把翅片和隔板间紧紧地钎在一起，所以它承压高。我们公司现在的大型板翅式换热器可以到8MPa。7、多股流同时换热。同一板翅式换热器中可以多达13股流同时进行热交换，并可以根据工艺的需要从不同的温度点抽出。8、低温装置多用。铝板翅式换热器由铝合金构成，多用于低温，高温用于200℃以下；9、不耐蚀。由于铝合金不耐蚀，故对铝合金有腐蚀的场合不能使用，主要是影响其使用寿命。10、易阻塞。由于翅片的节距多为1mm～4.2mm之间，所以介质中不能有固体杂质，包括分子筛、珠光砂、管道铁锈等。铝制板翅式换热器的结构与组成流体的每一层通道由翅片、隔板、封条组成，每层通道在特定方位上都设有流体的进出口，并用该流体的进出口封头分别包容该流体的每层进出口，焊上各自的接管而组成一个铝板翅式换热器。铝板翅式换热器是由板束、封头及支座等附件组成

（1）板束体

板束体是热交换的场所，是换热器的主体部份。结构单位是层（通道）；每层由导流片、翅片、封条、隔板组成；根据传热的要求秩序叠置在一起就构成了板束体；板束体整体用真空钎焊，不可拆卸

板束体层的结构示意图1—封条；2—隔板（或侧板）；3—翅片（或导流片）（1）翅片翅片是铝板翅式换热器的基本元件，传热过程主要通过翅片热传导及翅片与流体之间的对流传热来完成。所以说翅片为流体热交换提供扩展面积和支承强度；节距一般从1mm~4.2mm，故不清洁介质不能入内，以免堵塞，特别在试压、管道吹扫时应特别注意；翅片分为锯齿型、多孔型、平直型、波纹型等

（2）导流片导流片在铝板翅式换热器中主要是起流体的进出口导向作用。根据板束的宽度及导流片在板束内的开口位置和开口方向

板束中部通道中流体导出导入时导流片结构示意图板束中部通道流体导入或抽出时导流片结构示意图通道中间开口导流片结构通道侧面开口导流片结构示意图

板束中部通道中流体导出导入时导流片结构

板束中部通道流体导入或抽出时导流片结构（3）封条和其它附属装置

封条在每层的四周，把介质与外界隔开；在流体进、出口处开口其它附属装置包括：支座、吊耳、隔热等；（1）支座支承换热器的重量，支架与支座相连；支座根据需要设计成不同形式；如果绝热，支座要考虑隔热；（2）吊耳为换热器吊装使用；（3）铝板翅式换热器外面一般都要考虑隔热。通常采用干燥珠光砂、矿渣棉或硬性聚胺脂发泡等方法多板束单元

多板束单元是指由两个或两个以上的板束通过并联焊接的方式连接成一体，组成的板束，以解决装置需要与钎焊设备尺寸限制的矛盾第四章空气的分离——精馏临界温度与临界压力分离原理（拉乌尔、道尔顿）精馏塔临界温度与临界压力对同一种物质来说，较高的饱和压力对应较高的饱和温度，即在一定温度下，可以通过提高压力来使它液化，但是对每一种物质来说，当温度超过某一数值时，无论压力提的多高，也不可能再使他液化。这个温度叫临界温度。临界温度是该物质可能被液化的最高温度，与临界压力对应的液化压力叫临界压力空分精馏的概括温度较高的气相与温度较低的液相接触时，必然发生热量交换，则低温气相把氧冷凝到液相中，低温液相把氮蒸发到气相中，直到气、液相达到平衡为止多次的进行蒸发和冷凝，这种相互交替的过程，把空气分离成氧与氮一次部分汽化加热器分离器冷凝器xFy1x1多次部分汽化示意图将第一级溶液部分气化所得产品冷凝后再在第二级中部分气化x1x2x3xFy1y2y3Y3>y2>y1液空多次汽化、冷凝流程图20.9%40%O230%O214%9.5%6.3%10%O220%O2精馏设备介绍精馏过程是质量与热量传递的过程。空气精馏时，氮不断从液体中逸出进入气体，而氧不断从气体中进入液体，这个过程是在气体与液体接触时发生的。为了使这个过程达到完善，应该有足够的接触时间和空间，塔设备的结构就是依据此根据而建立的，塔内设置各种形式的内件，目的就是建立最大的接触面积，现在常用的内件有填料塔、筛板塔、泡罩塔氮氧分离的概述精馏塔是在下塔中将空气预分，精馏成富氧液空和纯氮，然后在上塔中进一步精馏，得到氧氮产品，联系上下塔的是冷凝蒸发器，它是用下塔的压力氮加热上塔的液氧，使氧蒸发同时气氮被冷凝。采用双极精馏塔的优点是使产品提取率提高，并同时取得高纯氧和高纯氮传热传质的过程当处于冷凝温度的氧、氮混合气穿过比它温度低的氧、氮混合液体时，气相与液相之间就发生热、质交换，气体中的部份冷凝成液体并放出冷凝潜热，液体则因吸收热量而部份蒸发。因沸点的差异，氧、氩的蒸发顺序为：氮>氩>氧，冷凝顺序为：氧>氩>氮。该过程是在塔板上进行的。纯氮塔单级精馏塔纯氧塔污氮富氧空气原料空气纯氮原料空气使用单级精馏塔只能制取一种产品

并且损失很大富氧液空节流后使氮气在冷凝器中冷凝原料空气液化后做回流液上塔下塔低压空气纯氮气液氧-179˚C液氮回流下塔38%~42%液态空气（富液空）21%~23%贫液空0.5%~2%污液氮高压液空膨胀空气-170˚C-177.8˚C氩馏分去氩系统精馏8%~12%Ar当气体自下而上地在逐块塔板上通过时，低沸点组份的浓度不断增加，只要塔板足够多，在塔的顶部即可获得高纯度的低沸点组份（氮）当液体自上而下地在逐块塔板上通过时，高沸点组份（氧）的浓度不断增加，通过了一定数量的塔板后，在塔的底部就可获得高纯度的高沸点组份。下塔顶部物质的状态在煮开水时我们可以看到，在大气压力下，温度升高到100℃，水开始沸腾。但是，水不是一下子全部变成蒸汽的，而是随着吸收热量，蒸汽量不断增加。在汽、液共存的阶段，叫“饱和状态”。该状态下的蒸汽叫“饱和蒸汽”，水叫“饱和水”。在整个汽化阶段，蒸汽与水具有相同的温度，所以又叫“饱和温度”。精馏塔顶部的情况与此类似，气氮与液氮是处于共存的饱和状态，具有相同的饱和温度。但是，相同温度下的饱和液体及饱和蒸气属于不同的状态。饱和蒸气放出热可冷凝成饱和液体，温度保持不变，这部分热量称为“冷凝潜热”；饱和液体吸收热可气化成饱和蒸气，温度也维持饱和温度不变，这部分热量称为“蒸发潜热”。对同一种物质，在相同的压力下，二者在数值上相等。筛板塔筛板是一种钻有许多孔的板，气体由下部上升穿过各层筛板上的孔，从筛板上的液层中鼓泡通过，液体则经过溢流管，逐层往下流动。液体由穿过小孔的气流的托持，不会从筛孔中漏下筛板塔流程塔板溢流斗（降液管）受液盘由筛孔板、溢流斗、无孔板组成筛板板塔形式对流径流环形（单溢流）环形（双溢流）主冷凝蒸发器氧氮的分离是通过精馏来实现的。精馏过程必须有上升蒸气和下流液体。精馏过程是在上、下两个塔内实现的双级精馏的过程。冷凝蒸发器：蒸发液氧和冷凝气氮下塔的压力高于山塔的压力，所以下塔气氮的饱和温度反而高于上塔液氧的饱和温度。液氧吸收温度较高的气氮放出的冷凝潜热而蒸发。因此得名叫冷凝蒸发器。冷凝器与蒸发器

冷凝器、蒸发器在精馏系统中是提供冷量或热量，即在精馏塔顶部提供回流液，精馏塔底部提供上升气的设备。精馏系统有主冷凝蒸发器、粗氩冷凝器、纯氩冷凝器、纯氩蒸发器。这些设备均由板式换热器单元及外壳等构成。板式单元个数可一只或多只，板式单元的布置可单层布置，也可双层布置。3万以上的主冷凝蒸发器的板式单元为双层布置。过冷器进入精馏塔的液空液氮节流后压力降低，如果不降低它们节流前的温度，部分液体将汽化，使塔板上的回流液体量减少，影响精馏的效果。利用出上塔的氮（污氮）气体来过冷从下塔进入上塔的液空、液氮（污液氮），使温度降低到低于饱和温度（过冷液体）降低节流后的汽化率填料塔填料塔由塔体、喷淋装制、填料、栅板、再分配器、气液相进出口等部件组成填料塔液体自塔顶经喷淋装置均匀淋洒而下，气体自塔底均匀上升，汽液两相经过填料的大接触表面积，进行强烈的混合，从而进行热与质的传递。沿填料表面下流的液体有向塔壁靠拢的趋势，当填料层高度与塔径之比很大时，有可能形成干锥体，降低设备能力。因此在一定的填料层高度中，装设液体再分配装置。填料重量通过栅板和支撑圈传到塔壁。污氮气纯氮气液氮污液氮贫液空富液空气空液空氩馏份去粗氩Ⅰ塔液氩回流来自粗氩Ⅰ塔过冷器来自粗氩Ⅱ塔冷凝器在上塔从上到下产生以下产品：·顶部产生纯氮气·上部产生污氮气·中部抽取氩馏份·底部产生液氧

填料分类填料是填料塔中传质元件，它可以有各种不同的分类：按性能分为通用填料和高效填料，按形状分为颗粒型填料和规整填料按结构分为实体填料和网体填料波纹填料属于规整填料，它分为波纹板填料与波纹网填料。波纹板填料的单片是具有波纹的薄片，波纹方向与水乎成45°。组装时单片竖直安放，且相邻单片的波纹方向互相垂直交低如此叠合组成圆盘或其分块。填料装入塔内时，上下填料盘的板片方位互相垂直。填料实体填料网体填料拉西环鲍尔环-阶梯环鞍形填料波纹板填料栅条填料弧鞍形（马鞍）填料矩鞍形（槽鞍）填料双层θ网环压延孔环网鞍填料波纹网填料θ网环波纹板填料(规整填料之一)波纹板填料的缺点是不适合用于易结垢、析出固体、发生聚合，以及液体粘度较大的物系；对于大塔则填料重量大、造价高、装卸清理困难。规整填料塔与筛板塔相比有什么特点规整填料由厚约0.22mm的金属波纹板组成，一块块排列起来的金属波纹板，低温液体在每一片填料表面上都形成一层液膜，与上升的蒸汽相接触，进行传热传质。规整填料的金属比表面积约是筛板的30倍，液氧持留量仅为筛板的35%~40%。而且因为精馏塔截面积比筛板塔小1/3填料垂直排列，不存在水平方向浓度梯度问题，只要液体分布均匀，精馏效率较高，压力降较小，气体穿过填料液膜的压差比穿过筛板液层的压差要小得多，上塔底部压力的下降，必然导致下塔压力降低，进而主空压机出口压力相应降低。同时规整填料液体的滞留量小，因此对负荷变化的应变能力较强。比较压降非常小，气相在填料中的液相膜表面进行对流传质、传热，不存在塔板上清液及筛孔的阻力，在正常情况下，规整填料塔的阻力只有相应筛板塔阻力的1/5~1/6热质交换充分，分离效率高，使产品提取率提高操作弹性大，不产生液泛或漏液，负荷调节范围大，适应性强，负荷调节范围大，适应性强，负荷调节范围可以在30%~110%,筛板塔的调节范围在70%~100%液体滞留量少，启动和负荷调节速度快可节约能源。由于阻力小，空气进塔压力可降低0.07MPA,因而使空气压缩能耗降低6.5%左右塔径可以减小规整填料塔一般分为3~5段填料层，每段之间有液体收集器和再分布器一般都选择铝为规整填料塔的材料，这样可以减轻重量和减少费用，但必需控制填料表面的含油量。缺点是填料的成本比筛板塔高，塔身也较高。规整填料塔理论塔板数规整填料塔的每1米填料相当的理论塔板数与上升气体的空塔流速成反比，与气体密度的1/2次方成反比参数·型式 对流筛板·外形尺寸 Ф4000×14400·型式 规整填料塔·外形尺寸 Ф4200×33740冷凝蒸发器 1台·型式 立式+铝制板翅式·外形尺寸 Ф4200×9860粗氩塔（含冷凝器） 1台（两段）·型式 规整填料塔·外形尺寸 Ф3800/Ф2900×65000第五章无油仪表空压机：空分停车时提供仪表空气第六章空分安全空分的危险源及防护主冷爆炸事故分析氧管线的安全空气中含有少量的水份、二氧化碳、乙炔等气体，这些杂质气体，虽然数量不多，但危害不小，水份、二氧化碳在空气液化前最先冻结成固体颗粒，在空分装置内会堵塞阀门、管道及塔板的筛孔，还会磨损机器，影响传热，使空分装置不能正常运转。乙炔则是引起空分装置爆炸事故的主要原因之一，因而在空分装置的运行中必须引起高度的重视空分安全空分安全的认识防止冻伤防窒息防火噪声珠光砂防止烫伤设备安全主冷爆炸工业气体充装规定氧一种无色、无嗅、无味、无毒的气体，它与一定比例的可燃性气体(乙炔、氢、甲烷)混合，能形成爆炸性混合物；氧还具有强烈的助燃作用，氧的浓度越高，燃烧也就越剧烈。空气中的氧含量只要增加4%，就会导致燃烧的显著加剧，包括金属在内的许多物质在普通大气中不会点燃，但在具有较高浓度氧的情况下，或在纯氧中，便能燃烧起来。可燃性物质在氧浓度较高的情况下，容易引起自燃，甚至爆炸，如遇高压氧气或液态氧，则情况更为加剧，浸透氧的衣物极易着火(例如由静电荷产生的火花)，并会极易迅速地燃烧起来，若不加以驱氧，在相当长的时间内都会有此危险。制氧工对工作服的要求

答：制氧工如同其他工种的工人一样，在生产时必须穿工作服。但是，对制氧工更有特殊的要求：只能穿棉织物的工作服。这是为什么呢?由于在氧气生产现场免不了与高浓度氧气接触，这是从生产安全的角度规定的。因为

1)化纤织物在摩擦时会产生静电，容易产生火花。在穿、脱化纤织物的服装时，产生的静电位可达几千伏甚至一万多伏。当衣服充满氧气时是十分危险的。例如当空气中含氧量增加到30%时，化纤织物只需3s的时间就能起燃。

2)当达到一定的温度时，化纤织物便开始软化。当温度超过200℃时，就会熔融而呈黏流态。当发生燃烧、爆炸事故时，化纤织物可能因高温的作用而粘附在皮肤上无法脱下，将造成严重伤害。棉织物工作服则没有上述的缺点，所以，从安全的观点，对制氧工的工作服应有专门的要求。同时，制氧工自己也不要穿化纤织物的内衣。空分设备的安全及防范措施空分设备爆炸的原因多种多样，但是一般来说：主冷中碳氢化合物含量超标会引起剧烈爆炸氧气管道设计和操作不当会引起燃烧爆炸高压氧气瓶猛烈碰撞会引起氧气瓶爆炸珠光砂排放不当也会引起爆炸主冷爆炸近年来国际上影响最大的一次爆炸事故，是马来西亚某公司空分设备的大爆炸，该套空分设备于1997年圣诞之夜在马来西亚宾吐鲁壳牌石油中间精馏工厂发生空前恶性爆炸事故，这套空分由国外某公司制造，于1993年投产这次爆炸开始于冷凝蒸发器，并扩大到塔身，爆炸的碎片崩飞到周围100m，据说爆炸声响200km外都能听到，爆炸使5公里内的玻璃粉碎并导致周围的设备引起很大损坏，飞出的金属还击碎了石脑油和煤油储罐而引起大火，附近的一所液化天然气设备虽然损坏但仍能维持生产。空分设备仪控室因有建筑物与空分设备隔开，仅有轻微损坏，又由于爆炸发生在圣诞之夜，工厂人少，只有少数人受伤，无人员死亡事故发生后，设备供货商组织了专门工作组到现场调查研究，并怀疑爆炸与当时印度尼西亚森林大火产生的烟气污染有关（据说火灾期间事故当地大气的能见度为10m）近年来国内一共有三次比较典型的大爆炸，第一次是某钢铁厂6000NM3/H空分主冷爆炸，整座空分塔被摧毁并报废，第二次某乙烯化工有限公司6000NM3/H空分设备空分塔爆炸，冲击波使500m范围内的玻璃门窗粉碎，死亡4人重伤3人，100余人轻伤，第三次是某钢铁公司制氧厂1500M3/H的空分设备空分车间爆炸，死亡22人

（1）1986年7月27日北京燕山石化公司前进化工厂1号3200m3/h空分发生爆炸，原因是大气条件与环境条件极差，200米内堆积较多化工物质、化工产品，还有化工污水排放，均释放一定的有害气体，附近还有制氢装置，炼油装置，化工尾气不断排放，事故前阴雨不停，化工废气无法外散，成为这次事故的外部主要根源。

（2）1996年7月18日哈尔滨气化厂空分分厂3号10000m3/h空分设备发生爆炸，主冷和上塔报废，损失惨重。这起事故的其中主要原因是空气污染，空分分厂与造气、甲醇、净化分厂较近，不正常排放对空分安全生产造成威胁。主冷中碳氢化合物超标时有发生。

（3）1997年5月16日抚顺乙烯化工厂6000m3/h空分塔，因周围车间排放含有乙烯、甲烷、二氧化碳组份的碳氢化合物，被空分装置吸入，发生了恶性爆炸，损失惨重。

（4）1997年12月25日马来西亚莎拉瓦克宾突鲁壳牌