空分工藝、設備基礎知識(圖文示例)

1、1空分知識空分知識主要內容空氣分離理論基礎空分工藝流程與設備空分技術發(fā)展歷程及應用23專利技術公司專利技術公司GE EnergyGE Energy技技 術術 名名 稱稱GEGE水煤漿加壓氣水煤漿加壓氣化技術化技術氣化裝置生產(chǎn)能氣化裝置生產(chǎn)能力力1,070,000Nm1,070,000Nm3 3/h/h(H(H2 2+CO)+CO)工藝指標：比氧工藝指標：比氧耗耗4094094（10700001000）409=437630Nm3/h(氣化用氧量）乘以系數(shù)1.12 即空分裝置設計O2：492000Nm492000Nm3 3/h/h產(chǎn) 品產(chǎn)量Nm3/h（正常工況）純 度壓力MPaG備注高壓氧氣82,

2、00082,00099.699.6 O O2 28.78.7內壓縮內壓縮高壓氮氣300030005ppm O5ppm O2 26.66.6低壓氮氣34,00034,0005ppm O5ppm O2 21.01.0液氧99.699.6 O O2 2能進能進貯槽貯槽液體工況時產(chǎn)量液體工況時產(chǎn)量2000 2000 Nm3/h液氮100010005ppm O5ppm O2 2能進能進貯槽貯槽液體工況時產(chǎn)量液體工況時產(chǎn)量3000 3000 Nm3/h5空分裝置產(chǎn)品參數(shù)空分裝置產(chǎn)品參數(shù)產(chǎn) 品產(chǎn)量Nm3/h（設計工況）純 度壓力MPaG備注高壓氧氣82,00082,00099.699.6 O O2 28.7

3、8.7高壓氮pm O5ppm O2 26.66.6低壓氮氣30,00030,0005ppm O5ppm O2 21.01.06空分裝置后備系統(tǒng)產(chǎn)品參數(shù)空分裝置后備系統(tǒng)產(chǎn)品參數(shù)空分裝置主要由空氣過濾壓縮系統(tǒng)、預冷系統(tǒng)、純化系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)、產(chǎn)品輸送系統(tǒng)及儀表控制系統(tǒng)等組成。空分儀表控制系統(tǒng)由DCS控制系統(tǒng)及CCS控制系統(tǒng)組成。DCS系統(tǒng)實現(xiàn)裝置的正常操作（包括開停車），CCS系統(tǒng)實現(xiàn)壓縮機的防喘振控制、汽輪機調速控制及壓縮機組的聯(lián)鎖控制。78910空分裝置熱電裝置氣化裝置凈化裝置應用深度冷凍原理從空氣中分離出氧氣、氮氣和氬氣及氦氣等稀有氣體組分的過程稱為空氣分離

4、。采用深度冷凍法，通過液化、精餾將空氣分離成純組分，一般包括空氣壓縮、換熱、凈化、制冷、精餾五個基本單元。目前，國內外大型空分裝置大部分采用全低壓分子篩凈化流程。11空氣的分離：分離空氣制取氧氣、氮氣的基本方法是在給定壓力下使氧氮混合液在不同溫度下達到平衡狀態(tài)，以提高氣相的氮濃度、液相中的氧濃度，當給定壓力越低時，氣相中氮濃度越高，液相中氧濃度越高。12空氣精餾空氣的精餾是利用組成空氣的各種組分具有不同的揮發(fā)性，即在同一溫度下各種組分的蒸汽壓不同，將液空進行多次部分蒸發(fā)和部分冷凝，就能達到分離的目的。13深冷循環(huán)1、節(jié)流循環(huán)2、對外做功的絕熱膨脹循環(huán)3、增壓-透平膨脹機循環(huán)14制氧流程介紹空氣

5、分離是利用液化空氣中氧、氮等各組分沸點的不同，采用精餾的方法，將各組分分離開來。為達到目的，空分裝置的工作包括下列幾個過程：15（1）空氣的壓縮將經(jīng)原料空氣過濾器清除了灰塵和其他機械雜質的原料空氣，在空氣壓縮機中被壓縮到工藝流程所需的壓力，其中一部分空氣在純化后再經(jīng)與膨脹機同軸異端的匹配增壓到更高壓力?？諝庥捎趬嚎s而產(chǎn)生的熱量由級間冷卻器中的冷卻水帶走。16（2）空氣中水分和二氧化碳的清除加工空氣中的水分和二氧化碳由于凝固點較高，在進入空分裝置低溫設備后將會形成冰和干冰，堵塞低溫設備的通道，而影響空分裝置的正常工作。為此需要利用分子篩純化器預先把空氣中的水分和二氧化碳清除掉。進入分子篩純化器的

6、空氣溫度約為8，出純化器的空氣溫度由于分子篩吸附而產(chǎn)生的吸附熱約上升到14左右。17固體吸附劑吸附原理吸附：當流體與多孔固體接觸時, 流體中某一組分或多個組分在固體表面處產(chǎn)生積蓄, 此現(xiàn)象稱為吸附。吸附過程是非均相過程，一相為流體混合物，另一相為固體吸附劑。18吸附是由于吸附力的存在而產(chǎn)生的, 吸附力是分子間的作用力, 它與氣體分子、吸附劑分子的本身性質有關。分子篩有晶格篩分的特性, 氣體分子的平均直徑必須小于其微孔的直徑, 才能抵達吸附表面。利用這種篩分的特性, 可有效分離氣體混合物。當吸附劑吸附飽和后, 就要在低壓高溫條件下進行再生。再生越完全, 再工作時吸附效果就越好。19經(jīng)空冷塔冷卻后

7、的空氣一般在15 溫度下進入分子篩吸附器內被吸附凈化。水分、乙炔和二氧化碳都是極性或不飽和分子。分子篩對它們有很強的親和力。分子篩共吸附性能使它可以在吸水的同時還可以吸附其他物質, 這種親和力的順序是: 水分 乙炔 二氧化碳。20(3)空氣被冷卻到液化溫度空氣的冷卻是在主換熱器中進行的，在主換熱器中，空氣被來自精餾后的返流產(chǎn)品氣體和污氮氣冷卻到接近液化溫度，產(chǎn)品氣體及污氮氣則被復熱到接近常溫。21（4）冷量的制取為了確保和維持裝置正常生產(chǎn)運行所需的熱量平衡，克服由于絕熱跑冷、換熱器復熱不足及直接從冷箱中向外排放低溫液體等引起的冷量損失，需要不斷地向裝置補充冷量，裝置所需的補充冷量是由等溫節(jié)流效

8、應和壓縮空氣在膨脹機中絕熱膨脹對外做功而制取的。2223節(jié)流閥節(jié)流閥膨脹機在空分裝置中的作用就是在空分啟動階段制取液化空氣和建立正常工況所需要的冷量，正常生產(chǎn)中補償裝置在運行中的各種冷損，保證生產(chǎn)正常連續(xù)進行。對一般空分裝置而言，加工每1kg空氣需冷量2kcal.24（5）空氣的液化空氣的液化是進行氧、氮分離的首要條件，空氣在主熱交換器中被返流氣冷卻到接近液化溫度，并在下塔實現(xiàn)空氣的液化。氧氣和液氮的熱交換是在冷凝蒸發(fā)器中進行的。由于氮氣和液氮兩種流體所處的壓力不同，所以在氮氣和液氧的熱交換過程中，氮氣被液化而液氧被蒸發(fā)。25（6）精餾空氣的精餾是在精餾塔(上、下塔）中進行的。在下塔中空氣被初

9、次分離成富氧液空和氮氣，在上塔實現(xiàn)空氣的最終分離。產(chǎn)品氧由上塔底部抽出，產(chǎn)品氮由冷凝蒸發(fā)器中液氮回流管線抽出或下塔頂部抽出，并通過主換熱器與進塔的加工空氣進行熱交換，復熱到常溫后送出冷箱。26(7)危險雜質的清除采用分子篩純化流程，大部分碳氫化合物等危險雜質已在純化器內清除掉，殘留部分仍要進入塔內，并積儲在冷凝蒸發(fā)器中。期間由于液氧的不斷蒸發(fā)，將會有使碳氫化合物濃縮的危險，但只要從冷凝蒸發(fā)器中連續(xù)排放液氧就可以防止碳氫化合物的濃縮。27空氣及其組成氣體的性質空氣是一種多組分混合氣體，其主要組成是氧、氮、氬、二氧化碳，還有微量的稀有氣體、甲烷及其他碳氫化合物等。此外，空氣中還有少量而不定的水蒸氣

10、及灰塵等。28O O2 2N N2 2ArArKrKrNeNeHeHe空氣的組成組分氧氮氬二氧化碳其它分子式O2N2ArCO2HeNeKrXe NOXH20體積含量20.9578.090.9320.02重量含量23.1475.531.2860.046氣體密度1.429 1.250 1.734 .沸點182.97195.79185.8678.4429空分產(chǎn)品的性質、規(guī)格及用途1、氧氣的物理性質常溫常壓下使無色無味的氣體。氧氣有較強的助燃性。液氧和固態(tài)氧的淡藍色是由于含有少量的氧聚合物O4而引起的。302、氧氣的化學性質及用途氧氣的化學性質非常活潑，是一種強氧化劑，它跟許多物質發(fā)生化學反應，同時放

11、出熱量；因此液氧必須嚴格避免同各種油脂、潤滑油等物品接觸。氧氣廣泛應用與煉鋼生產(chǎn)中，也是煤氣化、重油氣化常用的氣化劑和氧化劑。313、氮氣的物理性質氮氣在常溫下使一種無色無味的氣體。氮氣為惰性氣體，對人有窒息性。324、氮氣的化學性質及用途氮氣的化學性質不活潑，在通常情況很難跟其他元素直接化合，故可用作保護氣體。氮氣廣泛應用于合成氨的原料氣，還用于化工生產(chǎn)的保護氣；液氮在火箭技術中應用于壓送氧化劑等。33熱力學基本定律1、熱力學第一定律功和熱量能相互轉化。理想絕熱條件下，空分裝置透平膨脹機對外做功等于進、出口的焓差。L0=i1-i2 L0: 對外做功 i1/i2:出口焓值/進口焓值34熱力學第

12、二定律熱不可能自發(fā)的、不付代價的從一個物體傳給另一個高溫物體。熵可以用來度量不可逆過程前后兩個狀態(tài)的不等價性。對空分節(jié)流過程來說，是絕熱的不可逆過程，熵是增大的，其差值說明不可逆的程度。35空氣的液化工業(yè)上常用兩種方法獲得低溫，即空氣的節(jié)流及膨脹機的絕熱膨脹制冷。1、氣體的節(jié)流362、壓縮氣體對外做功的等熵絕熱膨脹（1）膨脹機降溫 L0=i1-i2=h理（kJ/kmol)H理-理論焓降實際上，膨脹機所進行的過程不可能是理想的絕熱過程，出于膨脹機中存在各種摩擦損失，膨脹機實際對外作出的機械功比理想條件下要小。37L0實=i1-i2=h實（kJ/kmol)h實-實際焓降我們把實際焓降和理論焓降的比

13、值稱為膨脹機的絕熱效率，表示實際過程接近理想絕熱過程的程度，一般膨脹機的效率為80% 。膨脹機的絕熱效率 = h實 / h理3839膨脹后膨脹后H-SH-S膨脹機制冷膨脹機制冷膨脹前膨脹前膨脹機與節(jié)流溫降效果的比較從實際結果看，膨脹機的溫降由兩部分組成，即：T膨=節(jié)流溫降+膨脹機對外做功產(chǎn)生的溫降4041空氣液化的實質空氣液化的實質就是用有效的方法轉移氣體分子的能量，即減少它的動能和位能，直至達到液化。421）等溫壓縮時的能量轉移等溫壓縮時的能量守恒：q=W+(i1-i2)q:冷卻水帶走的熱量 W:壓縮機的耗功（i1-i2)：壓縮過程中空氣內部能量減少432）空氣在流過膨脹機時的能量轉移若膨脹

14、機在絕熱條件下工作，W膨=G膨（i1-i2)（i1-i2)：單位空氣等熵絕熱膨脹的能量變化3）在換熱器中的能量轉移44空分裝置流程特點：1）采用汽輪機一拖二（空壓機和增壓機）技術2）空氣循環(huán)雙泵內壓縮工藝3）分子篩加活性氧化鋁立式徑向流雙層床凈化技術454）采用填料精餾塔5）配置液體膨脹機，提高制冷效率 中天合創(chuàng)空分工藝流程具有安全性好，可靠性高，操作維護方便，配置合理，投資成本低，占地面積小等優(yōu)點 。4647一、空氣壓縮系統(tǒng)功能：為空分裝置提供帶壓原料空氣。組成：包括自潔式空氣過濾器、原料空氣壓縮機、汽輪機、空氣增壓機、空冷器等。4849505152自潔式空氣過濾器的功能：空氣中雜質與灰塵被

15、帶進透平壓縮機，會引起工作倫和葉片及導流器的磨損加劇，被帶到冷卻器中會造成表面污染，導致傳染系數(shù)下降，阻力增加。5354555657空氣壓縮機（型號：GV200-3)參數(shù)：吸氣溫度：22.5入口流量：400677Nm3/h吸氣壓力：0.0861MPa(A)型 式：離心式，三元流葉片出口止回閥后壓力：0.43MPa(G)58空氣增壓機(型號：GV(20-4-H)參數(shù)流 量：216800Nm3/h進氣壓力 ：0.41MPa(A)排氣壓力 ：4.75MPa(A)進口/出口溫度 ：21.5/35軸 功 率：18667kw59汽輪機（型號：HNK50/80)參數(shù)進汽壓力：11MPa(G)進汽溫度：535

16、軸 功 率：49608kw60離心式壓縮機結構：離心式壓縮機由轉子及定子兩大部分組成。轉子包括主軸，固定在軸上的葉輪、軸套、平衡盤、推力盤及聯(lián)軸節(jié)等零部件。定子則有氣缸，定位于缸體上的各種隔板以及軸承等零部件。在轉子軸端及轉子與定子之間需要密封氣體之處還設有密封元件。 61在壓縮機的每段里，一般是由幾個或一個壓縮機級所組成。每個級是由一個葉輪及其相配合的固定元件所組成。固定元件有吸氣室、擴壓器、彎道、回流器及蝸殼等組成。6263吸氣室擴壓器排氣蝸殼彎道回流器轉子定子葉輪葉輪二、預冷系統(tǒng)功能：用于冷卻和洗滌原料空氣。組成：由空冷塔、水冷塔、冷卻水泵、深冷水泵等組成?？绽渌退渌捎蒙⒍烟盍纤?/p>

17、，效率高，操作彈性大。6465666768進水溫度：30出水溫度：9進口氮氣溫度：11 出口氮氣溫度：24 污氮氣流量：196685Nm3/h69三、純化系統(tǒng)功能：用于吸附空氣中的水分、二氧化碳、乙炔、 丙烯、丙烷、重烴、氧化亞氮等物質。組成：包括分子篩吸附器、蒸汽加熱器和切換閥等。分子篩吸附器采用活性氧化鋁加上分子篩的立式雙層床徑向流結構。采用雙層床也使吸附器再生阻力下降，再生溫度降低，節(jié)約了再生能耗。再生加熱采用蒸汽加熱器。707172分子篩吸附的特點選擇吸附、干燥度高有共吸附能力分子篩具有高的熱穩(wěn)定性有簡單的加熱可使其再生7374O2、N2、H2O、CO2、CnHmO2 、 N2 四、制

18、冷系統(tǒng)能量平衡：空分設備的冷損包括精餾塔的絕熱冷損、換熱器的復熱不足冷損、液體泵的冷損和冷箱向外直接排放低溫流體的冷損。平衡冷損的冷量是由氣體在膨脹機中等熵膨脹和等焓節(jié)流效應而獲得的，以維持能量平衡。7576空分裝置空分裝置進：1、進冷箱低壓空氣22937500kcal2、進冷箱高壓空氣17950500kcal3、膨脹中壓空氣8390000kcal4、冷損失602300kcal出：1、出冷箱壓力氮氣2897000kcal2、出冷箱壓力氧氣9957500kcal3、出冷箱污氮氣35982000kcal4、出冷箱液氮2300kcal總進：49880300kcal 總出：48838800kcal48

19、838800-49880300=-1041500kcal膨脹機制冷量膨脹機制冷量77高壓高壓低壓低壓-171-121換熱器換熱器壓縮空氣先經(jīng)增壓機增壓，再經(jīng)冷卻后進入主換熱器，然后再進入膨脹機進行絕熱膨脹產(chǎn)生空分裝置所需的冷量，與此同時產(chǎn)生的機械功又為增壓機所吸收。途徑1途徑27879制冷設備：透平膨脹機透平膨脹機是一種旋轉式制冷機械，它由蝸殼、導流器、工作輪和擴壓器等主要部分組成。當具有一定壓力的氣體進入膨脹機的蝸殼后，被均勻分配到導流器中，導流器上裝有噴嘴葉片，氣體在噴嘴中將氣體的熱力學能（內能）轉換成流動的動能，氣體的壓力和焓降低，出噴嘴的流速可高達200m/s左右。80制冷設備：透平膨

20、脹機當高速氣流沖到葉輪的葉片上時，推動葉輪旋轉并對外做功，將氣體的動能轉換為機械能。通過轉子軸帶動增壓機對外輸出功。81制冷設備：透平膨脹機從氣體流經(jīng)膨脹機的整個過程來看，氣體壓力降低是一個膨脹過程，同時對外輸出了功。輸出外功是靠消耗了氣體內部的能量，反映出溫度的降低和焓值的減少，即是從氣體內部取走了一部分能量，也就是通常所說的制冷量。82五、換熱系統(tǒng)空分裝置的換熱系統(tǒng)由高壓換熱器和低壓換熱器組成?？辗盅b置換熱系統(tǒng)一般選用換熱效率高的板翅式換熱器。83板翅式換熱器的特點很多，主要有：1、板翅式換熱器的傳熱效率好2、板翅式換熱器的結構緊湊 3、板翅式換熱器的適應性好4、板翅式換熱器的組合方式多8

21、4板翅式換熱器是以隔板和翅片為主要組成部件的換熱器。常見應用于空分裝置。板翅式換熱器的內部結構核心是板束，板束是以多個由將翅片、導流片放入兩個隔板間再配合封條組成的通道焊接而成的整體。板翅式換熱器的板束裝配以必要的封頭、接管和制成部件就形成了完整的換熱器裝置。8586隔板隔板側板側板側板側板隔板隔板液體流液體流翼板翼板87在主換熱器中，凈化后的壓縮空氣與返流低溫氣體換熱，溫度降至-171，進入精餾塔參與精餾。空分裝置換熱的全過程就是在冷箱內的板翅式換熱器中進行。目前低壓板式換熱器已國產(chǎn)化，但高壓板翅式換熱器仍然依賴進口。88六、精餾系統(tǒng)氧氮等混合氣體在精餾塔內爬升的過程中與回流液體充分傳質傳熱

22、，經(jīng)過部分蒸發(fā)和部分冷凝，直至分離成氧和氮。8990標準大氣壓下的液化溫度（）通過精餾，實現(xiàn)組分分離的理論依據(jù)精餾系統(tǒng)主要包括精餾塔上塔、下塔，主冷凝蒸發(fā)器、過冷器等。上塔和下塔均采用規(guī)整填料塔。塔體材質為不銹鋼材料。9192精餾示意圖 93污氮 到主換熱器液氧 到主換熱器空氣來自主換熱器低壓塔中壓塔主冷凝蒸發(fā)器液氮 到主換熱器9495氣液比中壓塔： L/V 上升會導致頂部氧含量下降，這樣可提高產(chǎn)品氮的純度。L/V 的下降，會使產(chǎn)品氮純度下降。低壓塔： 塔里的成分是來自于中壓塔的回流液體。 低壓塔底部 L/V 上升，會使氧產(chǎn)品純度下降。969798壓縮空氣經(jīng)過雙級精餾塔精餾后，產(chǎn)品有高純度的氧氣（99%）、氮氣（99.9%）、液氧和液氮。在大型空分裝置中，還副產(chǎn)液氬等產(chǎn)品。99七、產(chǎn)品輸送系統(tǒng)100換熱器換熱器液氧泵液氧泵/液氮泵液氮泵液氧液氧/液氮液氮精餾塔精餾塔冷箱冷箱氧氣氧氣8.7MPag氮氣氮氣1.0MPag6.6MPag101102Heat ExchangerHeat Exchanger精餾塔精