空分工藝、設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí)(圖文示例)

1、1空分知識(shí)空分知識(shí)主要內(nèi)容空氣分離理論基礎(chǔ)空分工藝流程與設(shè)備空分技術(shù)發(fā)展歷程及應(yīng)用2 23 3專利技術(shù)公司專利技術(shù)公司GE EnergyGE Energy技技 術(shù)術(shù) 名名 稱稱GEGE水煤漿加壓氣化技術(shù)水煤漿加壓氣化技術(shù)氣化裝置生產(chǎn)能力氣化裝置生產(chǎn)能力1,070,000Nm1,070,000Nm3 3/h(H/h(H2 2+CO)+CO)工藝指標(biāo)：比氧耗工藝指標(biāo)：比氧耗409409NmNm3 3O O2 2/1000Nm/1000Nm3 3 H H2 2+CO+CO4 4（10700001000）409=437630Nm3/h(氣化用氧量）乘以系數(shù)1.12 即空分裝置設(shè)計(jì)O2：492000Nm

2、492000Nm3 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82,00082,00099.699.6 O O2 28.78.7內(nèi)壓縮內(nèi)壓縮高壓氮?dú)?00030005ppm O5ppm O2 26.66.6低壓氮?dú)?4,00034,0005ppm O5ppm O2 21.01.0液氧99.699.6 O O2 2能進(jìn)能進(jìn)貯槽貯槽液體工況時(shí)產(chǎn)量液體工況時(shí)產(chǎn)量2000 2000 Nm3/h液氮100010005ppm O5ppm O2 2能進(jìn)能進(jìn)貯槽貯槽液體工況時(shí)產(chǎn)量液體工況時(shí)產(chǎn)量3000 3000 Nm3/h5 5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

3、（設(shè)計(jì)工況）純 度壓力MPaG備注高壓氧氣82,00082,00099.699.6 O O2 28.78.7高壓氮pm O5ppm O2 26.66.6低壓氮?dú)?0,00030,0005ppm O5ppm O2 21.01.06 6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(guò)濾壓縮系統(tǒng)、預(yù)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?？辗謨x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(shí)現(xiàn)裝置的正常操作（包括開(kāi)停車），CCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的防喘振控制、汽輪機(jī)調(diào)速控制及壓縮機(jī)組的聯(lián)鎖控制。7 78 89 91

4、010空分裝置熱電裝置氣化裝置凈化裝置應(yīng)用深度冷凍原理從空氣中分離出氧氣、氮?dú)夂蜌鍤饧昂獾认∮袣怏w組分的過(guò)程稱為空氣分離。采用深度冷凍法，通過(guò)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(gè)基本單元。目前，國(guó)內(nèi)外大型空分裝置大部分采用全低壓分子篩凈化流程。1111空氣的分離：分離空氣制取氧氣、氮?dú)獾幕痉椒ㄊ窃诮o定壓力下使氧氮混合液在不同溫度下達(dá)到平衡狀態(tài)，以提高氣相的氮濃度、液相中的氧濃度，當(dāng)給定壓力越低時(shí)，氣相中氮濃度越高，液相中氧濃度越高。1212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(jìn)行多次部分

5、蒸發(fā)和部分冷凝，就能達(dá)到分離的目的。1313深冷循環(huán)1、節(jié)流循環(huán)2、對(duì)外做功的絕熱膨脹循環(huán)3、增壓-透平膨脹機(jī)循環(huán)1414制氧流程介紹空氣分離是利用液化空氣中氧、氮等各組分沸點(diǎn)的不同，采用精餾的方法，將各組分分離開(kāi)來(lái)。為達(dá)到目的，空分裝置的工作包括下列幾個(gè)過(guò)程：1515（1）空氣的壓縮將經(jīng)原料空氣過(guò)濾器清除了灰塵和其他機(jī)械雜質(zhì)的原料空氣，在空氣壓縮機(jī)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(jī)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(jí)間冷卻器中的冷卻水帶走。1616（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(diǎn)較高，在進(jìn)入空分裝置低溫設(shè)

6、備后將會(huì)形成冰和干冰，堵塞低溫設(shè)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(yù)先把空氣中的水分和二氧化碳清除掉。進(jìn)入分子篩純化器的空氣溫度約為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。1717固體吸附劑吸附原理吸附：當(dāng)流體與多孔固體接觸時(shí), 流體中某一組分或多個(gè)組分在固體表面處產(chǎn)生積蓄, 此現(xiàn)象稱為吸附。吸附過(guò)程是非均相過(guò)程，一相為流體混合物，另一相為固體吸附劑。1818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(zhì)有關(guān)。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(dá)吸附表面

7、。利用這種篩分的特性, 可有效分離氣體混合物。當(dāng)吸附劑吸附飽和后, 就要在低壓高溫條件下進(jìn)行再生。再生越完全, 再工作時(shí)吸附效果就越好。1919經(jīng)空冷塔冷卻后的空氣一般在15 溫度下進(jìn)入分子篩吸附器內(nèi)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(duì)它們有很強(qiáng)的親和力。分子篩共吸附性能使它可以在吸水的同時(shí)還可以吸附其他物質(zhì), 這種親和力的順序是: 水分 乙炔 二氧化碳。2020(3)空氣被冷卻到液化溫度空氣的冷卻是在主換熱器中進(jìn)行的，在主換熱器中，空氣被來(lái)自精餾后的返流產(chǎn)品氣體和污氮?dú)饫鋮s到接近液化溫度，產(chǎn)品氣體及污氮?dú)鈩t被復(fù)熱到接近常溫。2121（4）冷量的制取為了確保和維持裝置

8、正常生產(chǎn)運(yùn)行所需的熱量平衡，克服由于絕熱跑冷、換熱器復(fù)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(bǔ)充冷量，裝置所需的補(bǔ)充冷量是由等溫節(jié)流效應(yīng)和壓縮空氣在膨脹機(jī)中絕熱膨脹對(duì)外做功而制取的。22222323節(jié)流閥節(jié)流閥膨脹機(jī)在空分裝置中的作用就是在空分啟動(dòng)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(bǔ)償裝置在運(yùn)行中的各種冷損，保證生產(chǎn)正常連續(xù)進(jìn)行。對(duì)一般空分裝置而言，加工每1kg空氣需冷量2kcal.2424（5）空氣的液化空氣的液化是進(jìn)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(shí)現(xiàn)空氣的液化。氧氣和液氮的熱交換是在冷凝蒸發(fā)

9、器中進(jìn)行的。由于氮?dú)夂鸵旱獌煞N流體所處的壓力不同，所以在氮?dú)夂鸵貉醯臒峤粨Q過(guò)程中，氮?dú)獗灰夯貉醣徽舭l(fā)。2525（6）精餾空氣的精餾是在精餾塔(上、下塔）中進(jìn)行的。在下塔中空氣被初次分離成富氧液空和氮?dú)?，在上塔?shí)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(guò)主換熱器與進(jìn)塔的加工空氣進(jìn)行熱交換，復(fù)熱到常溫后送出冷箱。2626(7)危險(xiǎn)雜質(zhì)的清除采用分子篩純化流程，大部分碳?xì)浠衔锏任ｋU(xiǎn)雜質(zhì)已在純化器內(nèi)清除掉，殘留部分仍要進(jìn)入塔內(nèi)，并積儲(chǔ)在冷凝蒸發(fā)器中。期間由于液氧的不斷蒸發(fā)，將會(huì)有使碳?xì)浠衔餄饪s的危險(xiǎn)，但只要從冷凝蒸發(fā)器中連續(xù)排放液氧就可以

10、防止碳?xì)浠衔锏臐饪s。2727空氣及其組成氣體的性質(zhì)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?xì)浠衔锏?。此外，空氣中還有少量而不定的水蒸氣及灰塵等。2828O O2 2N N2 2ArArKrKrNeNeHeHe空氣的組成組分氧氮?dú)宥趸计渌肿邮絆2N2ArCO2HeNeKrXe 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(diǎn)182.97195.79185.8678.442929空分產(chǎn)品的性質(zhì)、規(guī)格及用途1、氧氣的物理性質(zhì)常溫常壓

11、下使無(wú)色無(wú)味的氣體。氧氣有較強(qiáng)的助燃性。液氧和固態(tài)氧的淡藍(lán)色是由于含有少量的氧聚合物O4而引起的。30302、氧氣的化學(xué)性質(zhì)及用途氧氣的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，是一種強(qiáng)氧化劑，它跟許多物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)放出熱量；因此液氧必須嚴(yán)格避免同各種油脂、潤(rùn)滑油等物品接觸。氧氣廣泛應(yīng)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。31313、氮?dú)獾奈锢硇再|(zhì)氮?dú)庠诔叵率挂环N無(wú)色無(wú)味的氣體。氮?dú)鉃槎栊詺怏w，對(duì)人有窒息性。32324、氮?dú)獾幕瘜W(xué)性質(zhì)及用途氮?dú)獾幕瘜W(xué)性質(zhì)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(hù)氣體。氮?dú)鈴V泛應(yīng)用于合成氨的原料氣，還用于化工生產(chǎn)的保護(hù)氣；液氮在火箭技術(shù)中應(yīng)用于

12、壓送氧化劑等。3333熱力學(xué)基本定律1、熱力學(xué)第一定律功和熱量能相互轉(zhuǎn)化。理想絕熱條件下，空分裝置透平膨脹機(jī)對(duì)外做功等于進(jìn)、出口的焓差。L0=i1-i2 L0: 對(duì)外做功 i1/i2:出口焓值/進(jìn)口焓值3434熱力學(xué)第二定律熱不可能自發(fā)的、不付代價(jià)的從一個(gè)物體傳給另一個(gè)高溫物體。熵可以用來(lái)度量不可逆過(guò)程前后兩個(gè)狀態(tài)的不等價(jià)性。對(duì)空分節(jié)流過(guò)程來(lái)說(shuō)，是絕熱的不可逆過(guò)程，熵是增大的，其差值說(shuō)明不可逆的程度。3535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(jī)的絕熱膨脹制冷。1、氣體的節(jié)流36362、壓縮氣體對(duì)外做功的等熵絕熱膨脹（1）膨脹機(jī)降溫 L0=i1-i2=h理（kJ/kmol)

13、H理-理論焓降實(shí)際上，膨脹機(jī)所進(jìn)行的過(guò)程不可能是理想的絕熱過(guò)程，出于膨脹機(jī)中存在各種摩擦損失，膨脹機(jī)實(shí)際對(duì)外作出的機(jī)械功比理想條件下要小。3737L0實(shí)=i1-i2=h實(shí)（kJ/kmol)h實(shí)-實(shí)際焓降我們把實(shí)際焓降和理論焓降的比值稱為膨脹機(jī)的絕熱效率，表示實(shí)際過(guò)程接近理想絕熱過(guò)程的程度，一般膨脹機(jī)的效率為80% 。膨脹機(jī)的絕熱效率 = h實(shí) / h理38383939膨脹后膨脹后H-SH-S膨脹機(jī)制冷膨脹機(jī)制冷膨脹前膨脹前膨脹機(jī)與節(jié)流溫降效果的比較從實(shí)際結(jié)果看，膨脹機(jī)的溫降由兩部分組成，即：T膨=節(jié)流溫降+膨脹機(jī)對(duì)外做功產(chǎn)生的溫降40404141空氣液化的實(shí)質(zhì)空氣液化的實(shí)質(zhì)就是用有效的方法轉(zhuǎn)移

14、氣體分子的能量，即減少它的動(dòng)能和位能，直至達(dá)到液化。42421）等溫壓縮時(shí)的能量轉(zhuǎn)移等溫壓縮時(shí)的能量守恒：q=W+(i1-i2)q:冷卻水帶走的熱量 W:壓縮機(jī)的耗功（i1-i2)：壓縮過(guò)程中空氣內(nèi)部能量減少43432）空氣在流過(guò)膨脹機(jī)時(shí)的能量轉(zhuǎn)移若膨脹機(jī)在絕熱條件下工作，W膨=G膨（i1-i2)（i1-i2)：?jiǎn)挝豢諝獾褥亟^熱膨脹的能量變化3）在換熱器中的能量轉(zhuǎn)移4444空分裝置流程特點(diǎn)：1）采用汽輪機(jī)一拖二（空壓機(jī)和增壓機(jī)）技術(shù)2）空氣循環(huán)雙泵內(nèi)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(shù)45454）采用填料精餾塔5）配置液體膨脹機(jī)，提高制冷效率 中天合創(chuàng)空分工藝流程具有安全性好

15、，可靠性高，操作維護(hù)方便，配置合理，投資成本低，占地面積小等優(yōu)點(diǎn) 。46464747一、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(guò)濾器、原料空氣壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、空氣增壓機(jī)、空冷器等。48484949505051515252自潔式空氣過(guò)濾器的功能：空氣中雜質(zhì)與灰塵被帶進(jìn)透平壓縮機(jī)，會(huì)引起工作倫和葉片及導(dǎo)流器的磨損加劇，被帶到冷卻器中會(huì)造成表面污染，導(dǎo)致傳染系數(shù)下降，阻力增加。53535454555556565757空氣壓縮機(jī)（型號(hào)：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

16、閥后壓力：0.43MPa(G)5858空氣增壓機(jī)(型號(hào)：GV(20-4-H)參數(shù)流 量：216800Nm3/h進(jìn)氣壓力 ：0.41MPa(A)排氣壓力 ：4.75MPa(A)進(jìn)口/出口溫度 ：21.5/35軸 功 率：18667kw5959汽輪機(jī)（型號(hào)：HNK50/80)參數(shù)進(jìn)汽壓力：11MPa(G)進(jìn)汽溫度：535軸 功 率：49608kw6060離心式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)：離心式壓縮機(jī)由轉(zhuǎn)子及定子兩大部分組成。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子軸端及轉(zhuǎn)子與定子之間需要密封氣體之處還設(shè)有密封元件。 6161

17、在壓縮機(jī)的每段里，一般是由幾個(gè)或一個(gè)壓縮機(jī)級(jí)所組成。每個(gè)級(jí)是由一個(gè)葉輪及其相配合的固定元件所組成。固定元件有吸氣室、擴(kuò)壓器、彎道、回流器及蝸殼等組成。62626363吸氣室擴(kuò)壓器排氣蝸殼彎道回流器轉(zhuǎn)子定子葉輪葉輪二、預(yù)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?，效率高，操作彈性大。64646565666667676868進(jìn)水溫度：30出水溫度：9進(jìn)口氮?dú)鉁囟龋?1 出口氮?dú)鉁囟龋?4 污氮?dú)饬髁浚?96685Nm3/h6969三、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?zé)N、氧化亞氮等物質(zhì)。組成

18、：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(jié)構(gòu)。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。707071717272分子篩吸附的特點(diǎn)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(jiǎn)單的加熱可使其再生73737474O2、N2、H2O、CO2、CnHmO2 、 N2 四、制冷系統(tǒng)能量平衡：空分設(shè)備的冷損包括精餾塔的絕熱冷損、換熱器的復(fù)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(jī)中等熵膨脹和等焓節(jié)流效應(yīng)而獲得的，以維持能量平衡。75757676空分裝

19、置空分裝置進(jìn)：1、進(jìn)冷箱低壓空氣22937500kcal2、進(jìn)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?dú)?897000kcal2、出冷箱壓力氧氣9957500kcal3、出冷箱污氮?dú)?5982000kcal4、出冷箱液氮2300kcal總進(jìn)：49880300kcal 總出：48838800kcal48838800-49880300=-1041500kcal膨脹機(jī)制冷量膨脹機(jī)制冷量7777高壓高壓低壓低壓增增壓壓機(jī)機(jī)膨膨脹脹機(jī)機(jī)-171-121換熱器換熱器壓縮空氣先經(jīng)增壓機(jī)增壓，再經(jīng)冷卻后進(jìn)入主換熱器，然后再進(jìn)入

20、膨脹機(jī)進(jìn)行絕熱膨脹產(chǎn)生空分裝置所需的冷量，與此同時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械功又為增壓機(jī)所吸收。途徑1途徑278787979制冷設(shè)備：透平膨脹機(jī)透平膨脹機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)式制冷機(jī)械，它由蝸殼、導(dǎo)流器、工作輪和擴(kuò)壓器等主要部分組成。當(dāng)具有一定壓力的氣體進(jìn)入膨脹機(jī)的蝸殼后，被均勻分配到導(dǎo)流器中，導(dǎo)流器上裝有噴嘴葉片，氣體在噴嘴中將氣體的熱力學(xué)能（內(nèi)能）轉(zhuǎn)換成流動(dòng)的動(dòng)能，氣體的壓力和焓降低，出噴嘴的流速可高達(dá)200m/s左右。8080制冷設(shè)備：透平膨脹機(jī)當(dāng)高速氣流沖到葉輪的葉片上時(shí)，推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)并對(duì)外做功，將氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。通過(guò)轉(zhuǎn)子軸帶動(dòng)增壓機(jī)對(duì)外輸出功。8181制冷設(shè)備：透平膨脹機(jī)從氣體流經(jīng)膨脹機(jī)的整個(gè)過(guò)程來(lái)看

21、，氣體壓力降低是一個(gè)膨脹過(guò)程，同時(shí)對(duì)外輸出了功。輸出外功是靠消耗了氣體內(nèi)部的能量，反映出溫度的降低和焓值的減少，即是從氣體內(nèi)部取走了一部分能量，也就是通常所說(shuō)的制冷量。8282五、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。8383板翅式換熱器的特點(diǎn)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(jié)構(gòu)緊湊 3、板翅式換熱器的適應(yīng)性好4、板翅式換熱器的組合方式多8484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(jiàn)應(yīng)用于空分裝置。板翅式換熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)核心是板束，板束是以多個(gè)由將翅片、導(dǎo)流片放入兩個(gè)隔板間再配合封條

22、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。85858686隔板隔板側(cè)板側(cè)板側(cè)板側(cè)板隔板隔板液體流液體流翼板翼板8787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(jìn)入精餾塔參與精餾?？辗盅b置換熱的全過(guò)程就是在冷箱內(nèi)的板翅式換熱器中進(jìn)行。目前低壓板式換熱器已國(guó)產(chǎn)化，但高壓板翅式換熱器仍然依賴進(jìn)口。8888六、精餾系統(tǒng)氧氮等混合氣體在精餾塔內(nèi)爬升的過(guò)程中與回流液體充分傳質(zhì)傳熱，經(jīng)過(guò)部分蒸發(fā)和部分冷凝，直至分離成氧和氮。89899090標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的液化溫度（）通過(guò)精餾，實(shí)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(guò)冷器等。上塔和下塔均采用規(guī)整填料塔。塔體材質(zhì)為不銹鋼材料。91919292精餾示意圖 9393污氮 到主換熱器液氧 到主換熱器空氣來(lái)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94949595氣液比中壓塔： L/