空分工作原理

1、14/14空分原理緒論一、空氣分離的幾種方法1、低溫法（經(jīng)典，傳統(tǒng)的空氣分離方法)壓縮膨脹 液化（深冷） 精餾 低溫法的核心、吸附法：利用固體吸附劑（分子篩、活性炭、硅膠、鋁膠）對(duì)氣體混合物中某些特定的組分吸附能力的差異進(jìn)行的一種分離方法。特點(diǎn)：投資省、上馬快、生產(chǎn)能力低、純度低（3%左右）、切換周期短、對(duì)閥的要求或壽命影響大。、膜分離法：利用有機(jī)聚合膜對(duì)氣體混合物的滲透選擇性。穿透膜的速度比 快約-倍,但這種分離方法生產(chǎn)能力更低，純度低(氧氣純度約255)二、學(xué)習(xí)的基本內(nèi)容1低溫技術(shù)的熱力學(xué)基礎(chǔ)工程熱力學(xué)：主要有熱力學(xué)第一、第二定律;傳熱學(xué)：以蒸發(fā)、沸騰、冷凝機(jī)理為主;體力學(xué):伯努利方程、連

2、續(xù)性方程;2、獲得低溫的方法絕熱節(jié)流相變制冷等熵膨脹3、溶液的熱力學(xué)基礎(chǔ)拉烏爾定律、康諾瓦羅夫定律（1、 ，空分的核心、精餾的核心)、低溫工質(zhì)的一些性質(zhì)：（空氣 、O、N、A）5、液化循環(huán)（一次節(jié)流、克勞特、法蘭德、卡皮查循環(huán)等）、氣體分離(結(jié)合設(shè)備)三、空分的應(yīng)用領(lǐng)域1、鋼鐵：還原法煉鐵或熔融法煉鐵(噴煤富氧鼓風(fēng)技術(shù)）;、煤氣化:城市能源供應(yīng)的趨勢(shì)、煤氣化能源聯(lián)合發(fā)電；3、化工：大化肥、大化工企業(yè)，電工、玻璃行業(yè)作保護(hù)氣；、造紙:漂白劑;、國防工業(yè):氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭燃料;6、機(jī)械工業(yè);四、空分的發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)代工業(yè)大型、超大型規(guī)模；大化工-煤帶油:以煤為原料生產(chǎn)甲醇;污水處理：富氧曝氣； 二次

3、采油;第一章空分工藝流程的組成一、工藝流程的組織我國從1953年，在哈氧第一臺(tái)制氧機(jī)，目前出現(xiàn)的全低壓制氧機(jī),這期間經(jīng)歷了幾代變革：第一代:高低壓循環(huán)，氨預(yù)冷,氮?dú)馔钙脚蛎?，吸收法除雜質(zhì);第二代:石頭蓄冷除雜質(zhì)，空氣透平膨脹低壓循環(huán);第三代：可逆式換熱器;第四代:分子篩純化;第五代:規(guī)整填料，增壓透平膨脹機(jī)的低壓循環(huán)；第六代：內(nèi)壓縮流程，規(guī)整填料,全精餾無氫制氬;全低壓工藝流程:只生產(chǎn)氣體產(chǎn)品，基本上不產(chǎn)液體產(chǎn)品；內(nèi)壓縮流程:化工類:8 ：臨界狀態(tài)以上,超臨界；鋼鐵類：。 ，臨界狀態(tài)以下；二、各部分的功用凈化系統(tǒng) 壓縮 冷卻純化 分餾 (制冷系統(tǒng)，換熱系統(tǒng),精餾系統(tǒng)） 液體:貯存及汽化系統(tǒng)；氣

4、體:壓送系統(tǒng);凈化系統(tǒng)：除塵過濾，去除灰塵和機(jī)械雜質(zhì)；壓縮氣體：對(duì)氣體作功,提高能量、具備制冷能力；（熱力學(xué)第二定律)預(yù)冷：對(duì)氣體預(yù)冷，降低能耗，提高經(jīng)濟(jì)性有預(yù)冷的一次節(jié)流循環(huán)比無預(yù)冷的一次節(jié)流循環(huán)經(jīng)濟(jì),增加了制冷循環(huán)，減輕 了換熱器的工作負(fù)擔(dān),使產(chǎn)品的冷量得到充分的利用;純化:防爆、提純； 吸附能力及吸附順序?yàn)?；精餾：空氣分離 換熱系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)能量傳遞，提高經(jīng)濟(jì)性,低溫操作條件；制冷系統(tǒng)：維持冷量平衡液化空氣 膨脹機(jī) 方法 節(jié)流閥 膨脹機(jī)制冷量效率高：膨脹功W；冷損：跑冷損失Q1 復(fù)熱不足冷損Q2 生產(chǎn)液體產(chǎn)品帶走的冷量Q 第一節(jié) 凈化系統(tǒng)一、除塵方法：1、慣性力除塵:氣流進(jìn)行劇烈的方向改變

5、，借助塵粒本身的慣性作用分離;2、過濾除塵：空分中最常用的方法；、離心力除塵：旋轉(zhuǎn)機(jī)械上產(chǎn)生離心力;4、洗滌除塵：5、電除塵：二、空分設(shè)備對(duì)除塵的要求對(duì)0. 以下的粒子不作太多要求,因過濾網(wǎng)眼太小，阻力大；對(duì)0.1以上的粒子要00的除去;三、過濾除塵的兩種過濾方式、內(nèi)部過濾：松散的濾料裝在框架上,塵粒在過濾層內(nèi)部被捕集；2、表面過濾：用濾布或?yàn)V紙等較薄的濾料,將塵粒黏附在表面上的塵粒層作為過濾層,進(jìn)行塵粒的捕集； 自潔式過濾器：以上999以上; 阻力大于15Pa。就進(jìn)行自清除； 文丘里管（文式管）：將空氣壓力能轉(zhuǎn)換為速度能； 濾筒可以工作時(shí)更換;四、除塵裝置的性能評(píng)價(jià)、流量（處理能力）:選加工

6、空氣量的兩倍；2、壓力損失;、除塵效率;4、壽命;第二節(jié)空氣壓縮系統(tǒng)概念:等溫效率：等溫效率，為等溫功率 與軸功率N之比，即： 控制調(diào)節(jié)能力:防喘振；振動(dòng)：經(jīng)濟(jì)性：好的用汽輪機(jī)，蒸汽機(jī)，燃汽輪機(jī)；第三節(jié) 空氣預(yù)冷系統(tǒng)一、分類1、氮水預(yù)冷：適用于大中型空分;2、冷水機(jī)組：適用于0節(jié)流后溫度降低；b. ，=0節(jié)流后溫度不變；c. ， 節(jié)流后溫度增加;為什么會(huì)出現(xiàn)上述三種情況?等焓 決定溫度變化的是氣體的內(nèi)動(dòng)能是減少、增大還是不變; 當(dāng)：1。 0,溫度降低；2。 ，a。 絕對(duì)值小于溫度降低;b. 絕對(duì)值大于 溫度生高;.當(dāng)時(shí)， 等于0，內(nèi)動(dòng)能保持不變，節(jié)流時(shí)溫度也將保持不變,這樣的溫度稱為轉(zhuǎn)化溫度。

7、四、轉(zhuǎn)化溫度和轉(zhuǎn)化曲線 氧、氮、空氣制冷效應(yīng)氫、氮制熱采取預(yù)冷的方法五、等溫節(jié)流效應(yīng) 復(fù)熱:低溫氣體在等壓下恢復(fù)到常溫時(shí)，所能吸收的熱量，等溫節(jié)流效應(yīng)的表述:.在等溫壓縮時(shí)獲得;b在節(jié)流元件中釋放；c.在復(fù)熱中體現(xiàn).六、影響節(jié)流溫降的兩個(gè)因素1、節(jié)流前的溫度：節(jié)流前溫度越低，溫降越大；（空分中過冷器的設(shè)置就是利用上述理論）2、節(jié)流前后的壓差:壓差越大,溫降越大,不可逆損失大，很不經(jīng)濟(jì)。-4氣體的等熵膨脹一、微分等熵效應(yīng) 二、理想氣體的膨脹過程的溫差高溫高焓降； 增加等熵膨脹的溫降和單位制冷量的兩種方法:1、提高膨脹機(jī)前溫度；2、增大膨脹比（但有一定限制，一般取5%5)。三、膨脹溫降的熱力原因

8、在膨脹過程中,有外功輸出,膨脹后氣體內(nèi)位能增大，需要消耗能量,這些能量需要用動(dòng)能補(bǔ)償,故氣體溫度必然降低。四、膨脹制冷量 五、膨脹機(jī)效率（也稱絕熱效率) 絕熱效率:表示為實(shí)際膨脹過程接近理想膨脹過程的程度,即氣體的單位實(shí)際制冷量與單位理想制冷量的比值。(一般國產(chǎn)效率為.8,進(jìn)口的在。5左右）六、影響膨脹機(jī)制冷量大小的因素1、膨脹量： 膨脹量越大，影響氧提取率,氧提取率越底，膨脹量需同時(shí)滿足冷量平衡及精餾工況的需求。2、機(jī)前溫度:提高機(jī)前溫度，單位制冷量提高；、機(jī)前壓力：膨脹量,增壓透平膨脹機(jī)：增大膨脹比,增大單位制冷量；4、絕熱效率;七、絕熱節(jié)流與等熵膨脹的要求：節(jié)流閥膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于調(diào)節(jié)

9、結(jié)構(gòu)復(fù)雜可以在氣液兩相區(qū)工作不能大量帶液制冷量小制冷量大，但實(shí)際過程偏高,等熵過程,制冷量需打折扣初溫越低,節(jié)流與膨脹差別越大，越有優(yōu)勢(shì)機(jī)前溫度高，效率降低八、透平膨脹機(jī)的調(diào)節(jié) 質(zhì)量流量;調(diào)節(jié)方式:1、量調(diào)節(jié)：多機(jī)組調(diào)節(jié)； 改變噴嘴結(jié)構(gòu)：a.部分進(jìn)氣調(diào)節(jié)；.轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴調(diào)節(jié)；c移動(dòng)噴嘴;d。改變噴嘴高度.2、質(zhì)調(diào)節(jié):機(jī)前調(diào)節(jié),但效率降低，不經(jīng)濟(jì)(緊急切斷閥一般打到全開位置)；3、通過制動(dòng)功率調(diào)節(jié)；質(zhì)調(diào)節(jié)與量調(diào)節(jié)的比較:質(zhì)調(diào)節(jié)采用風(fēng)機(jī)(增壓機(jī))制動(dòng)更方便；量調(diào)節(jié)采用電機(jī)制動(dòng)更合適。第六節(jié) 換熱系統(tǒng)一、熱量傳遞的三種方式1、導(dǎo)熱:它具有依靠物體內(nèi)部的溫度差或兩個(gè)不同物體直接接觸,在不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),僅靠

10、物體內(nèi)部微粒的熱運(yùn)動(dòng)傳遞了熱量;a固體與液體:分子碰撞；b固體與固體間:自由電子運(yùn)動(dòng);c氣體之間:分子熱運(yùn)動(dòng); 導(dǎo)熱的核心:溫差 溫度梯度；傳熱面積; 導(dǎo)熱系數(shù)；2、對(duì)流：流體中溫度不同的各部分之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)所引起的熱量傳遞的過程; （）自對(duì)流：靠物體的密度差，引起密度變化的最大因素是溫度; (2）受迫對(duì)流:(是靠認(rèn)為作功)受到機(jī)械作用或壓力差而引起的相對(duì)運(yùn)動(dòng); 3、熱輻射：物體通過電磁波傳遞能量的過程稱為輻射，由于熱的原因，物體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電磁波的能量而進(jìn)行的輻射過程。 任何物體只要在0K以上，就能發(fā)生熱輻射，是紅外線探測(cè)運(yùn)用的較廣，在空分中運(yùn)用的較少,板翅式換熱器真空釬焊加熱是依靠熱輻

11、射。 釬焊的目的是破壞鋁材表面嚴(yán)密的氧化鋁膜，0高溫，以前是運(yùn)用鹽熔爐,能耗大;影響換熱系數(shù)的幾個(gè)因素：1、流體的流動(dòng)狀態(tài):a。層流:易產(chǎn)生熱邊界層；b。紊流：破壞熱邊界層，多運(yùn)用紊流；c。過渡層：2、流體的流速:流速大, 大;3、放熱面形狀:光滑:大； 粗糙：小.二、實(shí)際傳熱過程 分解從熱流體f到tw：則w1到t2:則 w3到冷流體:則相加整理得：。 （1-9） 令： =K 則: 三、算術(shù)平均溫差，對(duì)數(shù)平均溫差 實(shí)際傳熱過程中,溫度的變化不是成線性關(guān)系，在進(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，需引用平均溫差 的概念;1、順流溫差: 2、逆流溫差： 逆流換熱效果要好于順流換熱效果3、叉流：一般多采用逆流方式進(jìn)行換熱

12、算術(shù)平均溫差： 只適合氣體比熱為常數(shù),并且熱端的溫差之比小于2,設(shè)計(jì)一般不使用，誤差太大；對(duì)數(shù)平均溫差： 在確定比容，不變時(shí)使用，溫度變化或指數(shù)關(guān)系。四、強(qiáng)化傳熱的幾個(gè)措施1、調(diào)整傳熱面積:如翅片(傳熱面積增大，投資增大） 對(duì)于混合式換熱器應(yīng)盡量使流體成霧滴狀均勻混入另一種流體中(如噴淋塔，冷卻塔） (氣泡比液滴有更大的換熱面積）、調(diào)整溫差：溫差是傳熱的推動(dòng)力;溫差的就是不可逆損失大，能耗大；3、調(diào)整K值:a.傳熱材料的性質(zhì)：銅、鋁；b在保證傳熱強(qiáng)度，盡量減少傳熱材料的壁厚；c冷熱流體值盡量做到均衡（ = ），提高流體 采用翅片或鋸齒形翅片，提高流速（分子間推動(dòng)和摻混加劇，但速度增加,排壓增加

13、，能耗增加）五、沸騰傳熱和冷凝傳熱在空分中運(yùn)用較廣,研究它就是研究空分中的主冷,主冷是空分中的胃A。液氧的蒸發(fā)能力:氮?dú)獾睦淠龎毫Α舛纫欢〞r(shí),主冷溫差一定;液氧沸騰分為:a。管內(nèi)沸騰；b.管間沸騰；1、液氧的管內(nèi)沸騰。放熱段：還是液氧有一定的過冷度；b。始沸段：管壁不平，產(chǎn)生氣泡，受熱有小氣泡產(chǎn)生，內(nèi)壁面制造粗糙點(diǎn)；c。汽化段：充滿氣泡,氣泡開始長(zhǎng)大,氣液混合物;d活塞段:小氣泡凝聚成大氣泡，活塞狀氣團(tuán)；e。膜狀段：活塞團(tuán)沖破液層,蒸汽把帶上去的液氧摻在管壁上形成薄層液膜,液膜一面下流一面冷凝， 值最大；飽和蒸汽段：液氧全部蒸發(fā)， 值最小。 管內(nèi)液氧高度對(duì)傳熱的影響 液氧在管內(nèi)保持在管長(zhǎng)的3

14、040，K值最高，傳熱最好；2、液氧在豎直管內(nèi)沸騰 放熱系數(shù)只依賴于熱負(fù)荷，也就是只依賴于傳熱溫差,與尺寸形狀無關(guān)， 沒有管內(nèi)K大,且不便于強(qiáng)化。B氮?dú)饫淠?、膜狀冷凝：形成一個(gè)完整的液膜，空分中采用膜狀冷凝，冷凝放熱系數(shù)大于沸騰放熱系數(shù)；、珠狀冷凝：冷凝液不能很好的覆蓋壁面,而在壁面上形成一個(gè)小液珠*層流時(shí)，熱量通過液膜可能一導(dǎo)熱方式傳遞，熱阻較大; 紊流時(shí),僅在緊鄰壁面上有一薄層層流，以導(dǎo)熱傳遞熱量,因而熱量減少，冷凝放熱系數(shù)加大。 值： 相變換熱系數(shù)大，導(dǎo)熱能力增大氮冷凝97226氣體-液體相變氧沸騰197093液體氣體相變空氣加熱或冷卻。1658氣體氣體相變第七節(jié) 空氣的液化循環(huán)、節(jié)流

15、2、等熵膨脹一、林德循環(huán)一次節(jié)流液化循環(huán)1.1一次節(jié)流液化循環(huán)流程圖1。2 高壓P2對(duì)循環(huán)性能的影響 若低壓及進(jìn)換熱器的高壓空氣的溫度不變;a隨2的提高，制冷量、液化量及循環(huán)系數(shù)均增加；b。但單位能耗是減少的;c.高壓P2超過60公斤,液空的積累才有可能；1. 低壓P1對(duì)循環(huán)的性能的影響 當(dāng)P2及T一定時(shí),隨P增加，循環(huán)效率增加，單位能耗下降，改善循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性。1。換熱器的熱端溫度T和制冷量的關(guān)系降低高壓空氣進(jìn)換熱器溫度T,可以明顯增加制冷量。二、帶膨脹機(jī)的空氣液化循環(huán)，克拷特液化循環(huán)1、流程圖和TS圖2、循環(huán)性能指標(biāo)與主要參數(shù)的關(guān)系 （）當(dāng)P2與T不變時(shí)，增大膨脹量Ve，膨脹產(chǎn)冷量隨之增大，

16、循環(huán)制冷量及液化系數(shù)上升，但Ve 過分增大,去節(jié)流閥的氣量降低,會(huì)導(dǎo)致冷量過剩,是換熱器偏離正常工況. （2)當(dāng)e 和3一定時(shí),提高膨脹前壓力P,等溫節(jié)流效應(yīng)和膨脹機(jī)的單位制冷量增加,但會(huì)造成冷量過剩，冷損增大,并因冷量被浪費(fèi),而使能耗增大。 （3）當(dāng)P和銅陵e 一定時(shí),提高膨脹前溫度T3,膨脹機(jī)前的焓降，即單位制冷量增加,但T3過高4也同時(shí)提高,增加，膨脹機(jī)產(chǎn)生的冷量不能全部傳給高壓空氣,冷損增加,換熱器二也不能政策工作。三、海蘭德液化循環(huán)及卡皮查液化循環(huán)1、海蘭德液化循環(huán)-克勞斯循環(huán)的一種特例 它是高壓膨脹機(jī)的氣體液化循環(huán),空氣被壓縮到1600公斤,且一部分高壓e經(jīng)預(yù)冷直接進(jìn)入膨脹機(jī)，另一

17、部分,進(jìn)入換熱器冷卻，節(jié)流產(chǎn)生液體。2、實(shí)現(xiàn)了帶有效率的膨脹機(jī)的低壓液化循環(huán),空氣在透平壓縮機(jī)等溫壓縮到56公斤，經(jīng)過換熱器冷卻到T3后分兩部分，大部分空氣進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹到1公斤左右,溫度降到4,而后進(jìn)入換熱器輸出冷量。另一部分空氣冷卻到(點(diǎn))節(jié)流制冷.四、精餾原理（一)精餾過程1、定義:連續(xù)多次的部分蒸發(fā)和部分冷凝;2、舉例： 3、精餾塔類型3。1 單級(jí)精餾塔3。2 雙級(jí)精餾塔3。3 拉赫曼原理因上塔實(shí)際的氣體氣液比較精餾所需的氣液比大,利用上塔的精餾潛力的措施有兩種：1、可將適量的膨脹空氣（占空氣的025%）直接送如上塔進(jìn)行精餾;2、從下塔頂部或冷凝蒸發(fā)器頂蓋下抽取氮?dú)?，?fù)熱后進(jìn)入氮?dú)馔钙?/p>

18、膨脹機(jī),經(jīng)膨脹機(jī)并回受其冷量后，作為產(chǎn)品輸出或者放空。3.5 氧提取率式中： ， 代表氧氣，空氣中的氧濃度; 代表產(chǎn)品氧氣量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）; 代表加工空氣量（標(biāo)態(tài)下）；第八節(jié)空分設(shè)備的安全技術(shù)一、空分設(shè)備的爆炸1、主冷液氧中炭氫化合物，會(huì)引起劇烈爆炸;（1）乙炔及其他炭氫化合物在液氧中的含量極限值 如下：正常值報(bào)警值停車值乙炔001pm0。1pm1ppm其他CH3mL液氧00mg/液氧 （2)為防止碳?xì)浠衔锓e聚,每8小時(shí)進(jìn)行分析一次主冷液氧中的乙炔含量； （3)當(dāng)液氧中乙炔等化合物含量超標(biāo)時(shí)(含量過高時(shí)）應(yīng)采取以下措施：a。增加測(cè)量次數(shù)，并盡快地查明含量增加的原因，并清除；b。增加液氧排放量

19、;c.檢查分子篩吸附器的工作是否正常;（再生時(shí)間,冷吹時(shí)間,再生溫度是否符合維護(hù)說明）如果采取以上措施后，乙炔等C化合物含量仍然繼續(xù)增大，且已達(dá)到停車極限值，應(yīng)立即停車,排放液體,對(duì)設(shè)備進(jìn)行加溫解凍；主冷液氧液位不能長(zhǎng)期處于低液位,盡可能避免低液位,低液位易造成乙炔等CH化合物增濃，造成危險(xiǎn)。（4)為了防止乙炔局部增濃和二氧化碳堵塞，空分設(shè)備冷凝蒸發(fā)器中的板式單元，必須浸于液氧中,一定要避免在低液位下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行； 若液位過低,應(yīng)立即增加膨脹機(jī)的制冷量，使液位上升到規(guī)定的范圍，但也不能升高太多了，否則會(huì)影響液體淹塔,破壞了精餾效果，影響精餾工況。 （5)對(duì)純化系統(tǒng)的注意點(diǎn)a。每星期需要對(duì)純化器檢查一次，看再生和冷吹期間是否達(dá)到規(guī)定的溫度，切換時(shí)間是否符合規(guī)定;b.分子篩吸附器使用兩年后，要測(cè)定分子篩顆粒的破碎情況,必要的要過篩，除去微粒，并補(bǔ)充新的合格相同的分子篩，達(dá)到規(guī)定高度；2、保溫材料珠光砂排放不當(dāng)引起冷箱爆炸； （塔內(nèi)有液體泄露,浸如珠光砂時(shí)最易發(fā)生)(1)嚴(yán)格按照規(guī)定珠光砂排放規(guī)程;()必須首先打開主冷箱頂部和板式冷箱頂部的所有人孔，適量通入冷箱密封氣進(jìn)行徹底加溫;（3）與此同時(shí)必須將冷箱內(nèi)所有設(shè)備加溫至常溫；（4)然后