空分培訓教材

1、空分培訓教材 空氣中的主要成分是氧20.93 （ v） %和氮78.13 （ v） % ，它們分別以分子狀態(tài)存在。 氧是地球上一切有機生命體賴以生存的物質。它很容易與其他物質發(fā)生化學反應而生成氧化物，在氧化反應過程中會產生大量熱量。因此，氧作為氧化劑和助燃劑在冶金、化工、能源、機械、國防工業(yè)等部門得到廣泛應用。 在我廠合成氨生產過程中，氧氣用于煤粉的氣化工序，以強化工藝過程，提高化肥產量。 空氣中的氧、氮等分子是均勻地相互摻混在一起的，要將它們分開是較困難的，目前主要有3種分離方法。 要將空氣液化，需將空氣冷卻到100K以下的溫度，這種制冷叫深度冷凍;而利用沸點差將液空分離的過程叫精餾過程.

2、低溫法實現空氣分離是深冷與精餾的組合，是目前應用最為廣泛的空氣分離方法。 低溫法分離空氣設備均由以下四大部分組成：空氣壓縮、膨脹制冷；空氣中水份、CO2等雜質的去除；空氣通過換熱冷卻、液化；空氣精餾、分離； 先將空氣通過壓縮、膨脹降溫.直至空氣液化，再利用氧、氮的氣化溫度(沸點)不同.沸點低的氮相對于氧要容易氣化這個特性，在精餾塔內讓溫度較高的蒸氣與溫度較低的液體不斷相互接觸，液體中的氮較多地蒸發(fā)，氣體中的氧較多地冷凝.使上升蒸氣中的含氮量不斷提高，下流液體中的含氧量不斷增大，以此實現將空氣分離。 低溫精餾方法可以通過若干物理過程來達到，這些過程包括：空壓機，其最基本的作用是使流體有能力沿工藝

3、線路流動；采用物理吸附法，脫除掉所有可能在低溫下固化的雜質；換熱器：用以使空氣降溫和復熱產品氣體；產冷：為了開車啟動期間的逐漸降溫；補償系統(tǒng)的冷損：空氣與產品氣之間的溫差，產液體，裝置的跑冷損失；脫除所有易與氧發(fā)生危險反應的有害雜質（如碳氫化合物）；低溫分離工藝（精餾）； 它是讓空氣通過充填有某種多孔性物質-分子篩的吸附塔，利用分子篩對不同的分子具有選擇性吸附的特點，有的分子篩對氮具有較強的吸附性能，讓氧分子通過，因而可得到純度較高的氧氣;有的分子篩(碳分子篩等)對氧具有較強的吸附性能，讓氮分子通過，因而可得到純度較高的氮氣。 它是利用一些有機聚合膜的滲透選擇性，當空氣通過薄膜(0. lm)或

4、中空纖維膜時，氧氣穿過薄膜的速度約為氮的4-5倍，從而實現氧、氮的分離，這種方法裝置簡單，操作方便，啟動快，投資少，規(guī)模也只宜中、小型。 1.1、本工序的主要任務是使一氧化碳與水蒸氣在高溫下借助催化劑的作用轉化成二氧化碳和氫氣，既除去了對合成氨有害的一氧化碳氣體，又為合成氨制取了原料氣所需要的氫氣，使總變換率大于95。 1.2、回收反應熱 副產過熱蒸汽S1，其中過熱蒸汽產量為22.1 t/h； 副產飽和蒸汽S3和S4； 預熱脫鹽水和熱回收崗位的高壓鍋爐給水。 1.3、輸送變換冷凝液去06、07、08工序； 1.4、氣提冷凝液中的氨，防止銨鹽在系統(tǒng)中累積， 尾氣送往火炬燒掉 2.1 來自氣化工序

5、被蒸汽充分飽和的工藝氣（6.26 MPaG，243），經氣液分離器分離掉夾帶的液體后，經過預熱，溫度至290 左右，然后進入第一變換爐（R0901），在爐內氣體發(fā)生如下化學反應： CO+H2OCO2+H2+Q 此反應為放熱反應，采用高壓耐硫鈷鉬催化劑。 出第一變換爐（R0901）的氣體溫度為463，一氧化碳降至6.18左右，經換熱降溫至270左右，進入二段變換爐（R0902），繼續(xù)與水蒸汽發(fā)生變換反應： CO+H2OCO2+H2+Q 出第二變換爐的氣體，CO含量降至1.5%， 經過降溫分離后送至低溫甲醇洗脫硫脫碳。、產品：工藝氣1）、生產30萬噸合成氨/年時，變換氣成份組成和數量如下： 流量：

6、155010 Nm3/h 溫度：40 壓力：5.50 MPaG 主要組成： H2：54.0% CO2：43.40% CO： 1.5%）、生產20 萬噸甲醇/年時 ，變換氣成份組成和數量如下： 流量：98765.78 Nm3/h 溫度：40 壓力：5.50 MPaG 主要組成：H2：46.17 CO2：33.80 CO：18.00）、生產精制煤氣時，氣體規(guī)格為 水煤氣流量：18000 Nm3/h 溫度：40 壓力：5.53 MPaG 主要組成：H2：35.02 CO2：18.55 CO： 45.68562、副產品1）、中壓蒸汽S1： 壓力：4.0 MPaG 溫度：425 2）、低壓蒸汽S3和S4

7、： 壓力： 0.35 MPaG 和1.0MPaG 溫度：飽和3、鍋爐給水、冷熱密封水：1）、高壓鍋爐給水（BW）：經過變換崗位的鍋爐給水加熱器E0904后： 壓力：5.2 MPaG 溫度：225 2)、低壓鍋爐給水（BW）： 壓力：1.3MPaG 溫度：132 3）、熱密封水（SW）： 壓力：8.3 MPaG 溫度：132 4) 、冷密封水（EW）： 壓力：8.3 MPaG 溫度：40 3.1熱回收崗位主要向本工序和其他工序供應鍋爐給水、冷、熱密封水。 由脫鹽水站來的脫鹽水經變換崗位預熱后，大部分水送熱電廠，其余部分送熱回收崗位進行高壓除氧。熱回收除氧崗位采用0.35 MPaG 的S3蒸汽加熱

8、脫鹽水 ，進行熱力除氧。 3.2 熱力除氧的原理是依據亨利定律，即任何氣體在水中的溶解度與此氣體在氣水分界面上的分壓成正比，對應壓力下飽和溫度的水，水蒸汽分壓達到最大，而氣體的分壓達到最小。 熱回收同時采用化學除氧除掉鍋爐給水中的殘余氧，進一步降低鍋爐給水中的氧含量，以保證向本崗位和其他崗位輸送合格的鍋爐給水及冷熱密封水。 1.1 低溫甲醇洗是指甲醇在一定壓力和低溫下，把變換氣中所含的酸性氣體如CO2、H2S、COS和硫醇等脫除的工藝過程。由于甲醇吸收酸性氣體的過程沒有化學反應發(fā)生，因此屬物理吸收。 1.2 甲醇吸收了CO2、H2S、COS等酸性氣體，需進一步再生循環(huán)使用，再生有三種方法：1）

9、減壓解吸法減壓解吸法，即吸收了溶質的溶劑，通過節(jié)流和降低系統(tǒng)的總壓（甚至到負壓），實現溶質的解吸。2）氣提解吸法氣提解吸法，即導入惰性氣，降低溶質分壓，實現溶質的解吸。3）加熱解吸法加熱解吸法，即用外來的熱量把溶劑加熱到沸騰，使溶質在溶劑中的溶解量為零。本廠使用氮氣氣提解吸法氮氣氣提解吸法。 1.3 低溫甲醇洗的吸收動力學 實驗中發(fā)現吸收過程的速率只取決于二氧化碳的擴散速率，在相同的條件下硫化氫的吸收速率約為二氧化碳吸收速率的10倍。溫度降低時吸收速率緩慢減小。 2.1 (1)甲醇洗工藝流程配置主要應考慮以下問題： (a)保證凈化氣的凈化指標。 (b)保證甲醇的充分再生。 (c)要保證所回收的

10、二氧化碳產品的純度，以滿足尿素或下游工序對二氧化碳的要求。 (d)溶液熱再生時放出的硫化氫氣體要符合下游工序要求。 (e)吸收時溶液要求低溫、加壓。 (f)注意防止系統(tǒng)中水分的積累，甲醇蒸餾塔的脫水能力要足夠，避免甲醇中水分含量增長，影響吸收效果。 (g)排放物要符合規(guī)定的指標，排放尾氣中的硫化氫含量與排放水中的甲醇含量不能超過排放標準； (h)要有安全防護和防腐措施； (i)要有一定的操作彈性和必要的操作控制手段； (j)要適應開停車生產操作的特點和要求。 凈化部分采用的低溫甲醇洗流程主要有兩種類型，即兩步法與一步法。前者用低溫甲醇洗預先脫硫，在CO變換后，再用低溫甲醇洗脫除二氧化碳；而后者

11、在耐硫變換之后，用低溫甲醇洗同時進行脫硫和脫碳。制氨中同時脫除硫化氫與二氧化碳的一步法低溫甲醇洗流程如圖6-9所示。 2.3工藝條件確定的主要依據 (1)吸收壓力 由原料氣制備所采用的技術路線決定。 (2)吸收溫度 吸收溫度對酸性氣體在甲醇中的溶解度影響很大。溫度越低酸性氣體的溶解度越大。壓力確定后，凈化氣的最終凈化指標與吸收溫度有關，而由氣液平衡決定。由于吸收過程中有溶解熱放出，因此要保證吸收塔的溫度條件，就應考慮吸收液的冷卻問題。(3)溶液的最小循環(huán)量和吸收塔的液氣比LG (4)凈化氣中有害組分的濃度與再生條件 (6)再生解吸的工藝條件 中間解吸的壓力與溫度的選擇，其準則是二氧化碳、硫化氫

12、等待脫除組分的解吸量最小的情況下，使氫氣等有用組分盡可能完全地解吸出來。由于氫氣在甲醇中的溶解度有其特殊性，中間解吸前使溶液溫度降低對氫的回收是有利的，同時又可減少二氧化碳、硫化氫組分的解吸。 二氧化碳解吸時壓力低是有利的，但考慮到下游工序如尿素生產等對二氧化碳氣的壓力要求，二氧化碳解吸塔的壓力一般不低于0.3MPa。二氧化碳解吸的溫度條件還要考慮到可能引起的硫化氫對二氧化碳產品污染與甲醇溶劑的損失。 3.1、在低溫、高壓下，甲醇吸收酸性氣體的量遠大于對N2，CO，H2，CH4等的量，即選擇性好，從而大大降低了甲醇的循環(huán)量和減少了有效氣體H2和CO的損失。3.2、甲醇在低溫下平衡蒸汽壓低，故甲

13、醇損失少。3.3、甲醇的化學穩(wěn)定性好、冰點低。3.4、甲醇的粘度小和腐蝕性小。3.5、甲醇的吸收能力大（約是水的100倍，苯菲爾化學溶劑的10倍），且價廉易得。1）因其工藝是在低溫下操作，因此設備的材質要求高。2）為降低能耗，回收冷量，換熱設備特多從而使流程變長。3）甲醇有毒，會影響人的健康。 4.1 甲醇吸收變換氣中的酸性氣體，采用加壓吸收；為降低吸收溫度，把吸收了酸性氣體的富甲醇，采用先預冷再減壓解吸，以得到更低的系統(tǒng)溫度，并通過熱量交換使凈甲醇的吸收溫度降低；4.2 為回收變換氣中的CO2，設置了單獨的產品CO2塔，以在富甲醇解吸時，CO2在此塔中釋出；4.3 為使吸收了酸性氣體的富甲醇

14、中的H2S、COS等得到濃縮，則利用H2S、COS等在溶劑中溶解度更高的條件，采用了氮氣氣提解吸，達到H2S、COS等得到濃縮目的； 4.4、為保證吸收后所得凈化氣體的凈化度到20ppm（對于CO2）,最終采用了把甲醇加熱到沸點解吸，解吸后的甲醇，不再溶解有任何酸性氣體，將此凈甲醇經與低溫的富甲醇換冷后，送到吸收塔進行吸收，確保凈化氣體的凈化度到20 ppm（對于CO2）。 液氮洗工序的工藝原理包括：吸附原理、混合制冷原理及液氮洗滌原理。 吸附是一種物理現象，不發(fā)生化學變化。由于分子間引力作用，在吸附劑表面產生一種表面力。當流體流過吸附劑時，流體與吸附劑充分接觸，一些分子由于不規(guī)則運動而碰撞在

15、吸附劑表面，有可能被表面力吸引，被吸附到固體表面，使流體中這種分子減少，達到凈化的目的。 分子篩對極性分子的吸附力遠遠大于非極性分子，因此，從低溫甲醇洗工序來的氣體中CO2、CH3OH因其極性大于H2，就被分子篩選擇性地吸附，而H2為非極性分子，因此分子篩對H2的吸附就比較困難。被吸附到吸附劑表面上的分子達到一定量，即達到了吸附平衡吸附劑達到了飽和狀態(tài)。 在一定條件下，將一種制冷工質壓縮至一定壓力，再節(jié)流膨脹，產生焦耳-湯姆遜效應（J-T效應）即可進行制冷?？茖W實踐已經證明：“將一種氣體在足夠高的壓力下與另一種氣體混合，這種氣體也能制冷”。這是因為在系統(tǒng)總壓力不變的情況下，氣體在摻入混合物中后

16、分壓是降低的，相互混合氣體的主要組分（如H2與N2、CO、CH4、Ar等）的沸點至少平均相差33 ，最好相差57，這樣更有利于低沸點組分H2的提純和低、高沸點組份的分離，并且消耗也低。 液氮洗工序就運用了上述原理。在換熱器中用來自氮洗塔的產品氮洗氣，冷卻進入本工序的高壓氮氣和來自低溫甲醇洗的凈化氣；而在氮洗塔中，使凈化氣和液氮成逆流接觸；在此過程中，不僅將凈化氣中的CO、CH4、Ar等洗滌下來，同時也配入部分氮氣。 但這部分氮氣并不能使出氮洗塔的產品氣體中H2/ N2達到3:1，因此，還有另外一種配氮方式（此配氮過程是在換熱器之間完成的，使H2/ N2最終達到3:1送合成工序生產合成氨；同時，

17、在整個氮氣與凈化氣體混合的過程中，使PN25.9MPaG配到凈化氣中,其分壓下降為PN21.3MPaG,產生J-T效應而獲得了液氮洗工序所需的絕大部分冷量。 液氮洗滌近似于多組分精餾，它是利用氫氣與CO、Ar、CH4的沸點相差較大，將CO、CH4、 Ar從氣相中溶解到液氮中，從而達到脫除CO、CH4、Ar等雜質的目的，此過程是在液氮洗工序的核心設備氮洗塔中完成的。由于氮氣和一氧化碳的氣化潛熱非常接近，因此，可以基本認為液氮洗滌過程為一等溫過程。 從上表可以看出，各組分的臨界溫度都比較低，氮的臨界溫度為-147.1（其他組分可見上表），從而決定了液氮洗滌必須在低溫下進行。從各組分的沸點數據可以看出，H2的沸點遠遠低于N2及其它組分，也就是說，在低溫液氮洗滌過程中，CH4、Ar、CO容易溶解于液氮中，而原料氣體中的氫氣，則不易溶解于液氮中，從而達到了液氮洗滌凈化原料氣體中CH4、Ar和CO的目的?？藙谒狗ɑ厥樟虻幕痉磻缦拢?H2S12O2SH2O （1） H2S32O2SO2H2O （2） 2H2SSO23S2H2O （3） 反應（1）（2）在燃燒室中進行，在溫度11501300，壓力0.06MPa和嚴格控制氣量的條件下，將硫化氫燃燒成二氧化硫，為催化反應提供（