2-1-空氣分離的基本原理課件

項目二空分操作2-1空氣分離的基本原理1精選2021版課件主要內(nèi)容一、空分的含義二、空氣的組成及沸點三、空分方法2精選2021版課件一、空分的含義是利用物理或者化學(xué)方法將空氣分離，獲得純氧氣和純氮?dú)饧耙恍┫∮袣怏w的過程。3精選2021版課件二、空氣組成及沸點4精選2021版課件三、空分原理1、空氣分離的方法

低溫法、分子篩吸附、膜分離法三種類型。5精選2021版課件

1、低溫法：原理：是根據(jù)空氣中各組分的沸點不同，經(jīng)加壓、預(yù)冷、純化、并利用大部分由透平膨脹機(jī)提供的冷量使之液化，再進(jìn)行精餾，從而獲得所需要的氧氣、氮?dú)饧捌渌∮袣怏w的過程。具體原理為空氣經(jīng)過增壓膨脹對外作功處于冷凝溫度,當(dāng)穿過比它溫度低的氧、氮組成的液體層時,由于氣、液之間溫度差的存在,要進(jìn)行熱交換,溫度低的液體吸收熱量開始蒸發(fā),其中氮組分首先蒸發(fā),溫度較高的氣體冷凝,放出冷凝熱,氣體冷凝時,首先冷凝氧組分.此過程一直進(jìn)行到氣、液處于平衡狀態(tài)。這時,液相由于蒸發(fā),使氮組分減少,同時由于氣相冷凝的氧也進(jìn)入液相,因此液相的氧濃度增加了,同樣氣相由于冷凝,使氧組分減少,同時由于液相的氮進(jìn)入氣相,因此氣相的氮濃度增加了.6精選2021版課件多次的重復(fù)上述過程,氣相的氮濃度就不斷增加,液相的氧濃度也能不斷的增加.這樣經(jīng)過多次的蒸發(fā)與冷凝就能完成整個精餾過程,從而將空氣中的氧和氮分離開來。

2、吸附法：

原理：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（如5A、13X等）對氮具有較強(qiáng)的吸附性能，讓氧分子通過，可得到較高純度的氧氣；有的分子篩（碳分子篩等）對氧具有較強(qiáng)的吸附性能，讓氮分子通過，可得到較高純度的氮?dú)?，從而實現(xiàn)空氣的分離。但吸附法目前的氧氣純度只有93%左右。

3、膜分離法：

原理：它是利用一些有機(jī)聚合膜的滲透選擇性，當(dāng)空氣通過薄膜或中空纖維膜時，氧氣穿透過薄膜的速度約為氮的4-5倍，從而實現(xiàn)氧、氮的分離。膜分離的富氧濃度只能達(dá)到28～35%O2

。目前應(yīng)用較多的是低溫法（又叫深度冷凍法）。它的優(yōu)點：生產(chǎn)量大，產(chǎn)品純度高，電耗低且可得到液態(tài)產(chǎn)品，故應(yīng)用廣泛。7精選2021版課件2、空分基本原理空氣分離的基本原理，就是低溫精餾原理。利用空氣中氧、氮沸點的不同，經(jīng)膨脹機(jī)制冷而獲得的液空，在精餾塔中經(jīng)過多次部分蒸發(fā)和部分冷凝，而將各組份分離開來，獲得合格氧氮產(chǎn)品的過程。當(dāng)空氣穿過比它溫度低的氧、氮組成的液體層時,由于氣、液之間溫度差的存在,要進(jìn)行熱交換,溫度低的液體吸收熱量開始蒸發(fā),其中氮組分首先蒸發(fā),溫度較高的氣體冷凝,放出冷凝熱,氣體冷凝時,首先冷凝氧組分.這過程一直進(jìn)行到氣相和液相的溫度相等為止,也即氣、液處于平衡狀態(tài)。8精選2021版課件這時,液相由于蒸發(fā),使氮組分減少,同時由于氣相冷凝的氧也進(jìn)入液相,因此液相的氧濃度增加了,同樣氣相由于冷凝,使氧組分減少,同時由于液相的氮進(jìn)入氣相,因此氣相的氮濃度增加了.多次的重復(fù)上述過程,氣相的氮濃度就不斷增加,液相的氧濃度也能不斷的增加.這樣經(jīng)過多次的蒸發(fā)與冷凝就能完成整個精餾過程,從而將空氣中的氧和氮分離開來.9精選2021版課件3、液化精餾工藝流程分為空氣的凈化、空氣的液化、空氣的分離三個工序。10精選2021版課件2-2空氣分離的工藝流程一、空氣的凈化1、機(jī)械雜質(zhì)的脫除

空氣中灰塵的處理大多以過濾為主，并輔以慣性和離心式來處理，大中型空分均使用無油干式除塵器。目前國內(nèi)外空分裝置使用的氣體過濾器有:11精選2021版課件慣性除塵器---初步除塵彎管型百葉窗型多層隔板塔型電動卷簾式干帶過濾器---初步除塵脈沖紙筒式過濾單元（1）水分及CO2的脫除脫除CO2、水蒸氣一般用吸附法和凍結(jié)法。吸附法是空氣通過裝有分子篩或硅膠的吸附器，二氧化碳和水蒸氣被吸附，達(dá)到清除的目的；凍結(jié)法是在低溫下，水分和二氧化碳以固態(tài)形式凍結(jié)，在切換式換熱器的通道內(nèi)而被除去。經(jīng)過一段時間后，自動將通道切換，讓干燥的返流氣通過該通道，使前一段時間凍結(jié)的二氧化碳和水蒸氣在該氣流中蒸發(fā)、升華而被帶出裝置。另外也可用8%~10%的氫氧化鈉溶液洗滌空氣中的二氧化碳。（3）碳?xì)浠衔锏拿摮細(xì)浠衔锾貏e是乙炔進(jìn)入空分裝置并積累到一定程度時易造成爆炸事故，因此必須脫除。各種烴類在液氧中爆炸敏感性順序為：乙炔>丙烯>丁烯>丁烷>丙烷>甲烷。清除空氣中的乙炔采用吸附法。在低溫下，乙炔呈固體微粒狀浮在液體空氣和液體氧中，當(dāng)通過裝有硅膠的吸附器時，乙炔被硅膠吸附脫除。（4）冷箱前端凈化空氣經(jīng)除塵、壓縮、水冷后，水分、CO2及烴類物質(zhì)還存留在其中，為了保證冷箱內(nèi)設(shè)備不受堵塞并消除爆炸危險，現(xiàn)在直接利用分子篩吸附法，可以使各種有害氣體雜質(zhì)清除干凈。分子篩分子篩即人工沸石，為強(qiáng)極性吸附劑，對極性分子有很大的親和力，并且其熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性高。分子篩具有微孔尺寸大小一致的特點，凡被處理的流體分子若大于其微孔尺寸的都不能進(jìn)入微孔，起到篩分作用，所以被稱為分子篩。分子篩——硅酸鹽分子篩19精選2021版課件分子篩的吸附順序。

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異丁烷

iC4H10苯 C6H6丙酮 C3H6O臭氧 O3一氧化氮 NO水 H2O設(shè)計吸附率CO2含量為0.1ppm時的吸附率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%20精選2021版課件2.空氣的液化空氣的液化必須采用深冷技術(shù)深冷技術(shù)：工業(yè)上常將獲得-100oC以下溫度的方法稱為深度冷凍法，簡稱深冷法工業(yè)上深度冷凍一般利用高壓氣體進(jìn)行絕熱膨脹來獲得低溫（1）節(jié)流膨脹---對外不做功節(jié)流膨脹：在絕熱和不做功的條件下，高壓流體通過節(jié)流閥膨脹到低壓的過程稱為節(jié)流膨脹。節(jié)流效應(yīng)：節(jié)流時由于壓力降低而引起的溫度變化稱為節(jié)流效應(yīng)。節(jié)流閥原理示意節(jié)流閥（2）等熵膨脹---對外做功等熵膨脹：等熵膨脹是壓縮氣體經(jīng)過膨脹機(jī)，在絕熱條件下膨脹到低壓，同時輸出外功的過程由于對外做功，使膨脹后的氣體不僅溫度降低，同時產(chǎn)生冷量。透平膨脹機(jī)原理示意透平膨脹機(jī)3.空氣的分離

要獲得氧氮雙高濃度的產(chǎn)品，精餾塔必須滿足下列條件，即提餾段塔釜必須加熱蒸發(fā)，精餾段塔頂必須冷凝回流。由于精餾過程在很低的溫度下進(jìn)行，一個精餾塔不能同時滿足這兩個條件，因此采用雙級精餾塔。雙級精餾塔由上塔、下塔和上下塔之間的冷凝蒸發(fā)器組成。下塔的作用是將空氣進(jìn)行初步分離，得到液體氮和液體富氧空氣；上塔的作用是將空氣進(jìn)一步分離，得到純氧和純氮。雙級精餾塔

雙極精餾塔冷凝蒸發(fā)器上塔下塔將空氣進(jìn)行初步分離得到液氮和富氧液空對富氧液空進(jìn)行最后的分離得到純氧純氮是聯(lián)系上塔和下塔的換熱，為列管式換熱器，管內(nèi)與下塔相通，管間與上塔相通。管間的液氧吸收熱量而蒸發(fā)，管內(nèi)的氣體氮放出熱量而冷凝內(nèi)件板式塔或填料塔，上塔填料，下塔板式雙級精餾塔篩板注：下塔板數(shù)與氮純度有關(guān)，當(dāng)不產(chǎn)純氮時25塊即可，上塔板數(shù)取決于氧的純度，當(dāng)氧氣純度為98.5%時，大于50塊，為99.5%時，大于76塊。板翅式換熱器板翅式換熱器實物空分簡易流程圖

高壓氧氣高壓氮?dú)庹羝绽渌肿雍Y膨脹機(jī)空壓機(jī)下塔上塔增效塔

主冷粗氬氣空氣34精選2021版課件組成空分裝置的幾個系統(tǒng)整個空分裝置必須解決以下幾個問題：一、如何清除空氣中的雜質(zhì)；二、如何為裝置提供帶壓的空氣；三、如何將空氣冷卻到液化溫度；四、如何將空氣分離成氧、氮；五、如何將產(chǎn)品送到用戶；六、如何控制制氧過程中的正常進(jìn)行。為此，空分裝置中相對應(yīng)的建立了以下幾個系統(tǒng)：一、雜質(zhì)的清除系統(tǒng)（空氣過濾器和純化系統(tǒng)）；二、空氣加壓系統(tǒng)（空壓機(jī)及增壓機(jī)系統(tǒng)）；三、空氣的冷卻和液化系統(tǒng)（預(yù)冷系統(tǒng)和膨脹機(jī)、換熱器系統(tǒng)）；四、空氣的精餾系統(tǒng)（分餾塔系統(tǒng)）；五、產(chǎn)品的輸送、貯存系統(tǒng)（壓氮系統(tǒng)和液體貯存系統(tǒng)）；六、儀電控制系統(tǒng)。36精選2021版課件空分流程空壓機(jī)預(yù)冷系統(tǒng)純化系統(tǒng)熱交換器氬系統(tǒng)精餾系統(tǒng)低壓氮?dú)馀蛎洐C(jī)制冷增壓機(jī)高壓氧氣高壓氮?dú)鈮毫Φ獨(dú)獾蛪旱獕簷C(jī)壓力氮壓機(jī)開工氮壓機(jī)37精選2021版課件KDON58000/97500型空分裝置簡易流程

蒸汽空冷塔膨脹機(jī)空壓機(jī)下塔上塔增效塔

主冷壓力氮?dú)馊嚎s機(jī)分子篩高壓氧氣高壓氮?dú)馕鄣獨(dú)馊ニ渌謿鍤獾蛪旱獨(dú)馊嚎s機(jī)污氮?dú)馊シ肿雍Y38精選2021版課件空分流程過濾系統(tǒng)壓縮系統(tǒng)預(yù)冷系統(tǒng)純化系統(tǒng)39精選2021版課件空氣過濾系統(tǒng)自潔式空氣過濾器作用：清除原料空氣中的機(jī)械雜質(zhì)、灰塵結(jié)構(gòu)：由高效過濾筒、文氏管、自潔專用噴頭、反吹系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成使用方式：在吸氣負(fù)壓作用下，空氣穿過高效過濾筒，粉塵由于重力、靜電和接觸被阻留。40精選2021版課件空分壓縮系統(tǒng)原料空氣壓縮機(jī)和增壓空氣壓縮機(jī)作用：提供帶壓原料空氣結(jié)構(gòu)：成套進(jìn)口德國曼透平公司的產(chǎn)品，由汽輪機(jī)拖動兩臺離心式壓縮機(jī)原料空壓機(jī)排氣量（MAC)：357870Nm3/h,0.488MPa(G)增壓機(jī)(BAC)：一段流量154950Nm3/h,56950Nm3/h,2.099MPa(G)87000Nm3/h,6.99MPa(G)41精選2021版課件預(yù)冷系統(tǒng)空冷塔作用：把出空壓機(jī)的高溫氣體（<105℃）冷卻到14℃結(jié)構(gòu)：填料塔使用方式：空氣從塔下部進(jìn)入，在填料表面與自上而下流過的冷卻水和常溫水進(jìn)行熱質(zhì)交換42精選2021版課件純化系統(tǒng)分子篩純化系統(tǒng)作用：吸附空氣中水分、CO2、乙炔等碳?xì)浠衔锝Y(jié)構(gòu)：臥式圓筒體，內(nèi)設(shè)支承柵架使用方式：由于分子篩的吸附特性將空氣中的水份、CO2等吸附，后被高溫氣體反向再生。分子篩吸附器成對交替使用，一只工作時，另一只被再生。43精選2021版課件膨脹機(jī)系統(tǒng)膨脹機(jī)空分設(shè)備的心臟部機(jī)之一，由氣體在膨脹機(jī)中等熵膨脹而制取冷量，補(bǔ)充系統(tǒng)冷損。工作原理：工質(zhì)在透平膨脹機(jī)的通流部分中膨脹獲得動能，并由工作輪軸端輸出外功，因而降低了膨脹機(jī)出口工質(zhì)的內(nèi)能和溫度。44精選2021版課件膨脹機(jī)和換熱系統(tǒng)45精選2021版課件換熱系統(tǒng)主熱交換器作用：進(jìn)行多股流之間的熱交換結(jié)構(gòu)：為多層板翅式，各通道中的冷熱氣流通過翅片和隔板進(jìn)行良好的熱交換使用方式：對壓縮空氣進(jìn)行冷卻，直到達(dá)到接近液化溫度，各返流流體在此被加熱到常溫。包括10個低壓板式換熱器和3個高壓板式換熱器46精選2021版課件精餾系統(tǒng)空氣的精餾過程：處于氣液平衡狀態(tài)的空氣，液相由于蒸發(fā)，氮組份減少，同時由于氣相冷凝的氧也進(jìn)入液相，因此液相的氧含量增加；同樣氣相由于冷凝，使氧組份減少，同時由于液相蒸發(fā)的氮進(jìn)入氣相，因此氣相的氮含量增多。經(jīng)過多次的蒸發(fā)與冷凝就能夠完成整個精餾過程，從而將空氣中的氧和氮分離開來。47精選2021版課件精餾塔48精選2021版課件產(chǎn)品出處低壓氮?dú)鈴纳纤敳砍觥毫Φ獨(dú)鈴南滤敳砍?。高壓氮?dú)猓阂旱獜闹骼渲谐觯?jīng)高壓液氮泵加壓，高壓板式換熱器吸熱成高壓氮?dú)?。高壓氧氣：液氧充主冷中出，?jīng)高壓液氧泵加壓，高壓板式換熱器吸熱成高壓氧氣。液氧直接從主冷中抽出到液氧貯槽。液氮充主冷中出，經(jīng)過冷器后到液氮貯槽。49精選2021版課