【PPT】-2-2空气的净化.ppt

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1、2-2 空气的净化,2-3 空气的液化,2-4 空气的分离,2-5 空分流程,第二章 空气深冷液化分离,2-1 概述,2-6 空气深冷分离的操作控制,2-1 概述,什么是空气深冷液化分离装置 ?,利用深度冷冻原理将空气液化，然后根据空气中各组分沸点的不同，在精馏塔内进行精馏，获得氧、氮、一种或几种稀有气体（氩、氖、氦、氪、氙）的装置。,空气中的主要成分及沸点,一、空气分离的基本过程,空气分离的基本过程,空气的压缩,空气中水分和二氧化碳的清除：由于两者凝固点较高， 在进入空分装置低温设备后将会形成冰和于冰，为此 需要利用分子筛纯化器预先把空气中的水分和二氧化 碳清除掉。,空气被冷却到液化温度：在

2、主换热器中，空气被来自精 馏后的返流产品气体和污氮气冷却到接近液化温度,冷量的制取 ： 为了确保和维持装置正常生产运行所需的 热量平衡，由等温节流效应和压缩空气在膨胀机中绝热 膨胀对外做功而制取。,空气分离的基本过程,空气的液化：空气的液化是进行氧、氮分离的首要条件， 空气在主热交换器中被返流气冷却到接近液化温度，并 在下塔实现空气的液化。,精馏：空气的精馏是在精馏塔亦即上、下塔中进行的。 在下塔中空气被初次分离成富氧液空和氮气，液空由下 塔底部抽出后，经节流送入与液空组分相近的上塔塔板 上，一部分液氮由下塔顶部抽出后经节流送入上塔副塔 顶部。空气的最终分离是在上塔进行的。产品氧气由 上塔底部

3、抽出，而产品氮气则是在上塔副塔顶部抽出， 并通过主换热器与进塔的加工空气进行热交换，复热 到常温后送出冷箱。,危险杂质的清除：采用分子筛纯化流程，大部分碳氢 化合物等危险杂质已在纯化器内清除掉，残留部分仍 要进入塔内，并积储在冷凝蒸发器中。,氮气和液氧的热交换是在冷凝蒸发器中进行的。由于氮气和液氧两种流体所处的压力不同。所以在氮气和液氧的热交换过程中，氮气被液化而液氧被蒸发。氮气和液氧分别由下塔和上塔供给，这是保证上、下塔精馏过程的进行所必须具备的条件。,二、空分装置类型,空 分 装 置,高压( 720MPa),中压(1.55MPa),低压（0.50.8MPa）,小型制取气态产品和液态产品的装

4、置,小型制取气态产品的装置,中型和大型制取气态产品的装置,超低压（0.3MPa以下）,三、氧气、氮气的应用,氧气的应用 ： 化学性质非常活泼 ，化学活性很强，是一种强氧化剂，用于金属的焊接及切割，广泛地应用于高炉及炼钢生产中和铁钢的熔炼过程及轧钢过程中 ，也是化肥工业上的煤汽化、重油汽化常用的汽化剂和氧化剂。 氮气的应用 ： 化学性质不活泼，可用作保护气体；无毒，最常用的安全冷却剂。,2-2 空气的净化,空气净化的目的 ?,脱除空气中所含的机械杂质、水分、二氧化碳、烃类化合物（主要为乙炔）等杂质,一、机械杂质的脱除,湿式,干式,拉西环式：由钢制外壳和装有拉西环的插入盒构成,油浸式：由许多片状链

5、组成，片状链上有钢架,空气过滤器,袋式：由滤袋、清灰装置、清灰控制装置等组成,干带式,自洁式：由高效过滤桶、文氏管、自洁专用喷头、 反吹系统、控制系统、净气室、出风口 和框架等组成。,自洁式空气过滤器优点 ：, 具有前置过滤网，防止柳絮、树叶及废纸吸人，减轻滤桶负担， 延长其使用寿命。 安装简单，只需配管、通电、通气即可工作。 过滤效率高。 过滤阻力小。 自耗小。 占地面积小。 结构简单设备质量轻。 部件使用寿命长。 防腐性能好。 维护工作量低。,二、水分、二氧化碳、乙炔的脱除,脱除水分、二氧化碳、乙炔的常用方法有吸附法和冻结法等。视装置不同特点，采用不同方法。 （一）空气预冷系统 位于空气压

6、缩机和分子筛吸附系统之间，用来降低进分子筛吸附系统空气的温度及H2O(g)、CO2含量，在填料式空气冷却塔的下段，出空压机的热空气被常温的水喷淋降温，并洗涤空气中的灰尘和能溶于水的NO2、SO2、Cl2、HF等对分子筛有毒害作用的物质；在空冷塔的上段，用经污氮降温过的冷水喷淋热空气，使空气的温度降至1020。,（二）分子筛吸附法,此法让空冷塔预冷后的空气，自下而上流过分子筛吸附器，空气中所含有的H2O、CO2、C2H2等杂质相继被吸附剂吸附清除。吸附器一般有两台，一台吸附时，另一台再生，两台交替使用。 优点：产品处理量大、操作简便、运转周期长和使用安全可靠 1吸附剂 硅胶是人造硅石，是用硅酸钠

7、与硫酸反应生成的硅酸凝胶，经脱水制成。其分子式可写为SiO2nH2O。硅胶具有较高的化学稳定性和热稳定性，不溶于水和各种溶剂（除氢氟酸和强碱外）。按孔隙大小的不同，可分为粗、细孔两种。,硅胶是人造硅石，是用硅酸钠与硫酸反应生成的硅酸凝胶，经脱水制成。其分子式可写为SiO2nH2O。硅胶具有较高的化学稳定性和热稳定性，不溶于水和各种溶剂（除氢氟酸和强碱外）。按孔隙大小的不同，可分为粗、细孔两种,活性氧化铝是用碱或酸从铝盐溶液中沉淀出水合氧化铝，然后经过老化、洗涤、胶溶、干燥和成形而制得氢氧化铝，氢氧化铝再经脱水而得活性氧化铝。其分子式为A12O3，呈白色，具有较好的化学稳定性和机械强度。,分子筛

8、是人工合成的泡沸石，是硅铝酸盐的晶体，呈白色粉末，加入黏结剂后可挤压成条状、片状和球状。无毒、无味、无腐蚀性，不溶于水及有机溶剂，但能溶于强酸和强碱。经加热失去结晶水，晶体内形成许多毛细孔，允许小于孔径的分子通过，而大于孔径的分子被阻挡。 进入毛细孔内的分子能否被吸附，与其极性、极化率和不饱和度等性质有关 。 目前空分设备中通常选用的作空气净化吸附剂的类型为13X分子筛。,吸附剂,2吸附原理,吸附是利用一种多孔性固体物质去吸取气体（或液体）混合物中的某种组分，使该组分从混合物中分离出来的操作。吸附用的多孔性固体称为吸附剂，把被吸附的组分称为吸附质。吸附所用的设备称为吸附器。 通常把被吸附物含量

9、低于3%，并且是弃之不用的吸附称为吸附净化；若被吸附物含量高于3%或虽低于3%，但被吸附物是有用而不弃去的吸附称为吸附分离。,吸附原理,当含吸附质浓度为ya的混合气体以恒定流速自下而上进入吸附器时，吸附质首先在靠近吸附器进口端的吸附剂人口处被吸附，并渐渐趋于饱和。 饱和时吸附剂上的吸附质浓度xa与进气浓度ya平衡，气体经过这一段吸附柱时浓度不再发生变化，这一区域被称为吸附平衡区。在平衡区以上是正在进行吸附的传质区，传质区以上是未吸附区。继续进料，吸附器中传质区逐渐上移，平衡区慢慢扩大，未吸附区相应缩小。当传质区前缘移出吸附柱，则流出气体中吸附质浓度开始增加。当传质区的尾缘也离开了吸附柱的出口截

10、面，这时整个吸附柱都达到饱和，对原料气的吸附质不再具有吸附能力，经过吸附柱后的气体中吸附质浓度仍为ya。,3吸附剂的吸附容量,吸附剂的吸附容量指单位数量的吸附剂最多吸附的吸附质的量。 吸附容量大，吸附时间长，吸附效果好。吸附容量通常受吸附过程的温度和被吸附组分的分压力（或浓度）、气体流速、气体湿度和吸附剂再生完善程度的影响。 吸附容量随吸附质分压的增加而增大；随吸附温度的降低而增大；流速越高，吸附剂的吸附容量越小吸附效果越差。流速不仅影响吸附能力，而且影响气体的干燥程度；吸附剂再生越彻底，吸附容量就越大。分子筛对相对湿度较低的气体吸附能力较大。,4大气中有害杂质的吸附及其影响,对分子筛有害的杂

11、质有：二氧化硫、氧化氮、氯化氢、氯、硫化氢和氨等。这些成分被分子筛吸附后又遇到水分的情况下，会与分子筛起反应而使分子筛的晶格发生变化。它们与分子筛的反应是不可逆的，因而降低了分子筛的吸附能力。 H2SO2 SO2H2O SO2O2 SO3 SO3H2O H2SO4 NOO2 NO2 NO2H2O HNO3,2-3 空气的液化,什么是空气的液化 ?,空气的液化指将空气由气相变为液相的过程，目前采用的方法为给空气降温，让其冷凝。在空气液化的过程中，为了补充冷损、维持工况以及弥补换热器复热的不足，需要用到制冷循环。,一、制冷的热力学基础,空气的热力学参数,焓：内能和流动能之和，即 H=UpV，用H表

12、示，其单位也为J,熵 ：dS=PT或 SqT，熵的增量等于系统在不可逆过程中从外界传人的热量，除以传热当时的绝对温度所得的商。熵增加的大小反映了过程不可逆的程度。对节流过程来说，是绝热的不可逆过程，熵是增大的。增大的越多，说明不可逆程度越大。对膨胀机来说，在理想情况下，为一可逆过程，熵不变。,内能 ：分子的动能和位能之和称为气体的内能，用U来表示，单位为J。动能与气体的温度有关，位能取决于分子之间的距离，即由气体的体积来决定。所以内能也是状态参数。 内能的改变通常通过传热和做功两种方式来完成。,可逆过程和不可逆过程：当物系由某一状态变化到另一状态时，若过程进行得足够缓慢，或内部分子能量平衡的时

13、间极短，则这个过程反过来进行时，能使物系和外界完全复原，称此过程为可逆过程。如不能完全复原，称为不可逆过程。,2空气的温一熵图,以空气的温度T为纵坐标，以熵S为横坐标，并将压力p、焓H及它们之间的关系，直观地表示在一张图上，这个图就称为空气的温一熵图，简称空气的T-S图。在空气的液化过程，用T-S图可表示出物系的变化过程，并可直接从图上求出温度、压力、熵和焓的变化值。,空气的T-S简图,向右上方的一组斜线为等压线；向右下方的一组线为等焓线；图下部山形曲线为饱和曲线，山形曲线的顶点k是临界点，通过临界点的等温线称为临界等温线。在临界点左边的山形曲线为饱和液体线，临界点右边的山形曲线为饱和气体线。

14、临界等温线下侧和饱和液体线左侧的区域为液体状态区；临界等温线下侧和饱和气体线右侧，以及临界等温线以上的区域是气相区；山形曲线的内部是气液两相共存区，亦称为湿蒸汽区。两相共存区内任意一点表示一个气液混合物。,二、空气液化时的制冷原理,工业上空气液化常用两种方法获得低温，即空气的节流膨胀和膨胀机的绝热膨胀制冷。,什么是节流膨胀?,什么是膨胀机的绝热膨张,连续流动的高压气体，在绝热和不对外做功的情况下，经过节流阀急剧膨胀到低压的过程，称为节流膨胀。过程不可逆。,压缩气体经过膨胀机在绝热下膨胀到低压，同时输出外功的过程称为膨胀机的绝热膨张。过程可逆。,节流膨胀为等焓过程 ，气体经过节流膨胀后，一般温度

15、要降低。膨胀机的绝热膨胀为等熵过程。,利用气体T-S图能十分方便地计算出节流膨胀前后温度的变化。在图中，由2点作等焓线H2，与等压线p1相交于1点，线段21表示节流膨胀过程，1点的温度T1即为节流膨胀后的温度，T2T1为节流膨胀前后的温度差。线段23表示气体由压力为p2、温度为T2的2点，等熵膨胀到p1时的过程，T2 T3为膨胀前后气体的温度差。 等熵膨胀的降温效果比节流膨胀的降温效果好。但膨胀机的结构比节流阀复杂。,三、空气的液化循环,目前空气液化循环主要有两种类型：以节流为基础的液化循环；以等熵膨胀与节流相结合的液化循环。 1以节流膨胀为基础的循环 亦称简单林德循环。节流的温降很小，制冷量

16、也很少，所以在室温下通过节流膨胀不可能使空气液化必须在接近液化温度的低温下节流才有可能液化。因此，以节流为基础的液化循环，必须使空气预冷，常采用逆流换热器，回收冷量预冷空气。节流循环流程的示意图及T-S图由图表示。系统由压缩机、中间冷却器、逆流换热器、节流阀及气液分离器组成。,林德循环的流程图及T-S图,林德循环启动阶段,应用简单林德循环液化空气需要有一个启动过程，首先要经过多次节流，回收等焓节流制冷量预冷加工空气，使节流前的温度逐步降低其制冷量也逐渐增加，直至逼近液化温度，产生液化空气。这一连串多次节流循环即林德循环启动阶段如上图。 实际林德循环存在着许多不可逆损失，主要有： 压缩机组（包括

17、压缩和水冷却过程）中的不可逆性，引起的能量损失； 逆流换热器中存在温差，即换热不完善损失； 周围介质传人的热量，即跑冷损失。,2以等熵膨胀与节流相结合的液化循环,(1)克劳特循环 ：1902年，克劳特提出了膨胀机膨胀与节流相结合的液化循环称之为克劳特循环，其流程及在T-S图中的表示见图 ：,空气由1点（T1，p1）被压缩机工等温压缩至2点（p2，T1）经换热器冷却至点3后分为两部分，其中Mkg进入换热器继续被冷却至点5，再由节流阀V节流至大气压（点6），这时Zkg气体变为液体。(MZ)kg的气体成为饱和蒸气返回。当加工空气为lkg时，另一部分(1M) kg气体，进入膨胀机膨胀至点4，膨胀后的气

18、体在换热器热端与节流后返回的饱和空气相汇合，返回换热器预冷却Mkg压力为p2的高压空气，再逆向流过换热器，冷却等温压缩后的正流高压空气。,(2)卡皮查循环,该循环是一种低压带膨胀机的液化循环，由于节流前的压力低，节流效应很小，等焓节流制冷量也很小，所以这种循环可认为是以等熵膨胀为主导的液化循环，此液化循环是在高效离心透平式膨胀机问世后，1937年原苏联院士卡皮查提出的，因此称为卡皮查循环。 从实质上来看，卡皮查循环是克劳特循环的特例。在循环中采用了高效离心空压机及透平膨胀机，其制冷效率等于0.8或更高，大大提高了液化循环的经济性。通常卡皮查循环的高效透平膨胀机制冷量占总制冷量的80%90%，得

19、到广泛地应用。,卡皮查循环流程示意及T-S图,空气在透平压缩机中被压缩至约0.6MPa，经换热器I冷却后，分成两部分，绝大部分Gkg进透平膨胀，膨胀至大气压，然后进入冷凝器，将其冷量传递给未进膨胀机的另一部分空气。未进膨胀机的空气数量较小，数量为(1G) kg，它在冷凝器的管间，被从膨胀机出来的冷气流冷却，在0.6MPa的压力下冷凝成液体，而后节流到大气压。节流后小部分汽化变成饱和蒸气，与来自膨胀机的冷气流汇合，通过冷凝器管逆流，流经换热器I冷却等温压缩后的加工空气。而液体留在冷凝器的底部。,2-4 空气的分离,空气分离的基本原理是利用低温精馏法，将空气冷凝成液体，然后按各组分蒸发温度的不同将

20、空气分离。 空气的精馏过程在精馏塔中进行。以筛板塔为例，在圆柱形筒内装有水平放置的筛孔板，温度较低的液体自上一块塔板经溢流管流下来，温度较高的蒸气由塔板下方通过小孔往上流动，与筛孔板上液体相遇，进行热质交换，实现气相的部分冷凝和液相的部分汽化，从而使气相中的氮含量提高，液相中的氧含量提高。连续经过多块塔板后就能够完成整个精馏过程，从而得到所要求的氧、氮产品。,双级精馏,空气的精馏,单级精馏,区别：单级精馏以仅分离出空气中的某一组分（氧或氮）为目的；而双级精馏以同时分离出空气中的多个组分为目的。,一、单级精馏,(a)所示为制取高纯度液氮（或气氮）的单级精馏塔。由塔釜、塔板及筒壳、冷凝蒸发器组成。

21、塔釜和冷凝蒸发器之间装有节流阀。压缩空气经净化系统和换热系统，除去杂质并冷却后进入塔底部，并自下向上地穿过每块塔板，与塔板上的液体接触，进行热质交换。在塔顶得到高纯度的气氮。该气氮在冷凝蒸发器内被冷却变成液体，一部分作为液氮产品，由冷凝蒸发器引出；另一部分作为回流液，沿塔板自上而下地流动。回流液与上 升的蒸气进行热质交换，最后塔底得到含氧较多的液体，叫富氧液化空气，或称釜液。由于釜液与进塔的空气处于接近平衡的状态，故该塔仅能获得纯氮。,(b)所示为制取高纯度液氧（或气氧）的单级精馏塔。它是由塔体、塔板、塔釜和釜中的蛇管蒸发器组成。 被净化和冷却的压缩空气经过蛇管蒸发器时逐渐被冷凝，同时将它外面

22、的液氧蒸发。冷凝后的压缩空气经节流阀进入精馏塔的顶端。此时由于节流降压，有一部分液体汽化，大部分液体自塔顶沿塔板下流，与上升蒸气在塔板上充分接触，氧含量逐步增加。当塔内有足够多的塔板数时，在塔底可以得到纯液氧。所得产品氧可以气态或液态引出。 由于从塔顶引出的气体和节流后的液化空气处于接近平衡的状态，故该塔不能获得纯氮。,二、双级精馏,双级精馏塔由下塔、上塔和上、下塔之间的冷凝蒸发器组成。空气由下塔底部，自下向上穿过每块塔板，至下塔顶部得到一定纯度的气氮。氮进入冷凝蒸发器的冷凝侧时，温度比蒸发侧液氧温度高，被液氧冷却变成液氮。一部分作为下塔回流液沿塔板流下，至下塔塔釜便得到氧含量36%40%的富

23、氧液化空气；另一部分聚集在液氮槽中，经液氮节流阀节流后，进入上塔顶部作为上塔的回流液。下塔塔釜中的液化空气经液化空气节流阀节流后进入上塔中部，沿塔板逐块流下，参加精馏过程。只要有足够多的塔板，在上塔的最下一块塔板上可以得到纯度很高的液氧。液氧进入冷凝蒸发器的蒸发侧，被下塔的气氮加热蒸发。蒸发出来的气氧一部分作为产品引出，另一部分自下向上穿过每块塔板进行精馏，气体越往上升，其氮含量越高。,双级精馏塔可在上塔顶部和底部同时获得纯氮气和纯氧气；也可以在冷凝蒸发器的蒸发侧和冷凝侧分别取出液氧和液氮。精馏塔 中的空气分离分为两级，空气首先在下塔进行第一次分离，获得液氮，同时得到富氧液化空气；富氧液化空气

24、被送往上塔进行进一步精馏，从而获得纯氧和纯氮。,双级精馏示意,空分塔,三、空分塔的种类,填料塔,板式塔,由塔体和筛孔塔板组成。筛孔塔板上有筛孔，板上还装有溢流和降液装置。在塔内蒸气自下而上穿过小孔，以细小的气流分散于液体层中，进行热量和质量交换。上升蒸气由于含有较多的氧组分，温度相对比较高。而下流的液体含氮组分较多，温度相对较低，通过热质交换后蒸气中氧组分冷凝混入液体中，而液体中的氮组分则蒸发至蒸气中。最后塔顶得到温度较低的氮气，塔底得到温度较高的液氧。,泡罩塔由泡罩塔板组成。泡罩由罩帽、升气管、支撑板等组成。泡罩在塔板上的排列一般有两种：正三角形和正方形，常用正三角形。 与筛板塔一样，回流液

25、体通过溢流装置溢流到下一块板，上升蒸气通过塔板上的升气管，进入升气管和泡罩之间的环形空间，再从泡罩下端的齿缝以鼓泡的形式穿过塔板上的液层与液体进行热量和质量的交换。塔板上的液体沿溢流装置下流至下一块塔板。,筛板塔,泡罩塔,散装填料,规整填料,填料塔内装有一定高度的填料，液体自塔顶经喷淋装置喷淋下来，沿着填料的表面自上而下地流动，气体自塔底沿着填料的空隙均匀上升。气液两相间的热量和质量交换是借助于在填料表面上形成的较薄的液膜表面进行的。为防止壁流现象，在较高的填料层高度中分段填装或设液体再分配器。,泡罩塔与筛板塔相比有下列特点： 变负荷的适应性较强，在减少蒸气量和短期停车时，不易发生塔板上液体的

26、泄漏。对稳定性要求较高的塔段，采用泡罩塔与筛孔板间隔设置的方案比较好。 泡罩塔板水平度的要求比筛板塔可适当降低。 泡罩板压力降大，结构复杂，造价高。在设汁工况下的塔板效率不如筛板塔，同时在停车时还容易发生爆炸，使它的使用受限。 填料塔中根据上升蒸气速度和喷淋液体强度的不同，塔内流动工况分为5种工况 ：(1)稳流工况 (2)中间工况 (3)湍流工况 (4)乳化工况 (5)液泛工况,填料塔的特点： 结构简单，造价低，安装检修方便，特别适用于小直径的精馏塔； 流体流动阻力较小； 随着装置容量的增加，填料塔径增加，这样容易产生气液分配不均匀，使传质效果降低。 规整填料塔： 规整金属波纹填料的每个单元是

27、由带斜 齿的波纹金属片组成的圆柱体。在薄片 上冲有小孔，可以粗分配薄片上的液体， 加强横向混合。薄片上的波纹起到细分 配液体的作用，增强了液体均布和填料 润湿性能，提高传质效率。,填料层在物流进口处和理论板数超过2030时分段，每段填料的顶部都设有液体（再）分布器，使得液体均匀地分布于填料之中。从上段填料中流下的液体在液体收集器中混合，一方面用来消除上段填料中由于液体分布不均匀所引起的浓度差异，另一方面如果有液相进料，液相进料也在液体收集器中与从上段填料中流下的液体混合，从而达到浓度均一。在填料塔中，整个填料层都发生传质分离，因此在空间利用方面明显优于板式塔。 规整填料与散装填料相比，具有明显

28、的优越性。散装填料在塔中的装填是随机的，规整填料片以网络状接触，气液两相的流道是完全对称均一的，因此气液两相流动的分布质量好、效率高。,四、空分塔中稀有气体的分布,氖、氦、氪、氙和氧、氮的沸点不同，它们在空气中的数量不同，因此在空分塔中它们汇集的部位也不同。上图表示出了双级精馏塔内稀有气体汇集的部位 氖、氦的沸点较氮气低得多，当空气进入下塔在精馏过程中大部分氖、氦同氮混合进入主冷凝蒸发器管内，氮气冷凝后沿壁流下，但氖氦气不能冷凝，汇积在冷凝蒸发器的顶部，应定期排除。 氪、氙的沸点高，当空气进入下塔后，氪、氙均冷凝在底部的液化空气中，经节流后送人上塔，汇集在液氧和气氧中。,氩的沸点介于氧、氮之间

29、，造成空气分离困难，在上塔的提馏段中，氩相对于氧是易挥发的组分，因此氩的浓度将沿塔自上而下逐渐减少。精馏段中的氩相对于氮是难挥发的组分，因而它的浓度沿塔自上而下逐渐增加。上塔内精馏段和提馏段中均有氩浓度高的区域，上塔中氩分布特性取决于上塔分离产品（氧和氮）的纯度。 对于氩的存在，必须采取措施，才能在一个塔内同时制取纯氮和纯氧。,五、纯氩的制取,1.传统提氩的流程,从上塔液化空气进料口之下适当部位抽出氩馏分，氩馏分中含氮、氩和氧，引入粗氩塔精馏后得95%左右的粗氩。粗氩经热交换器升温后加入氢气，使残留的氧气在催化反应炉内生成水分，冷却干燥后在精氩塔中精馏，99.99%以上的纯氩。也有的流程是粗氩

30、在低温下（液氧温度）用分子筛吸附去除氧、氮，99.99%的纯氩。,2全精馏无氢制氩,全精馏无氢制氩指粗氩塔和精氩塔全部采用规整填料塔，在低温下精馏直接获得精氩。 采用全精馏无氢制氩技术，取消了加氢催化脱氧设备和制氢设备，简化了流程，节省了厂房投资和运行费用，节约了制氢能耗。同时，氩提取率大大提高，可达65%84%。精氩产品的质量也得到了提高 。,2-5 空分流程,深冷空分流程从原理来看，都包括空气的压缩、净化、热交换、制冷、精馏等过程，有的流程还包括氩和其他稀有气体的提取过程。流程的主要区别在于各过程所用的设备不同，操作条件不同，所生产的氧产品的量和压力不同。 一、空分流程的演变 1铝带蓄冷器

31、冻结高低压空分流程 流程主要由空气过滤压缩、CO2碱洗、氨预冷、膨胀制冷、换热精馏等系统组成。 流程缺点如下： 流程复杂。 蓄冷器的自清除问题没有得到妥善解决，氧气（或氮气）和空气的传质和传热虽按时间间隔错开，但却在同一腔内进行，使产品的纯度受到较大污染。, 膨胀机为冲动式固定喷嘴的结构形式，效率较低， 只有60%。 氧提取率低，一般只有83.3%。 能耗高。 2石头蓄冷冻结全低压空分流程 由空气过滤压缩、空气预冷、膨胀制冷、换热精馏等系统组成。 流程缺点如下： 石头蓄冷器中的石头填料单位体积所具有的比表面积只有铝带的15，而密度却远比铝带要大。 由于采用中间抽气法来保证蓄冷器的不冻结性，因而

32、设置了相应所需的抽气阀箱和CO2吸附器，使冷箱内设备及配管复杂化。, 膨胀机采用的固定喷嘴，只能依靠调节压力来调节气量，因而膨胀量调节范围较小。 冷凝蒸发器为长列管式，管子数目仍然较多，体积大，制造难。 3切换式换热器冻结全低压空分流程 由过滤压缩、预冷、换热精馏等系统组成。 (1)流程特点: 传热效率高、结构紧凑轻巧、适应性大，使单元设备的外形尺寸缩小，促进空分设备冷箱相应缩小，跑冷损失减少，膨胀量下降，启动时间缩短提高了空分设备的技术经济性。 氧提取率达87%。 能耗低。,(2)流程缺点 :, 为了满足切换式换热器自清除要求，需要返流较大的污氮气量； 为满足切换式换热器的不冻结性要求，冷端

33、要保证有一个最小温差，空分设备的启动要分4个阶段来完成，启动操作比较麻烦。 4常温分子筛净化全低压空分流程 和上者根本区别在于：将切换式换热器的传质和换热两种功能分开，在冷箱外用分子筛吸附器清除空气中水分和CO2，在冷箱内的主换热器仅起换热作用。 (1)流程特点 ： 以分子筛吸附剂在常温状态下吸附空气中的水分、CO2及碳氢化合物，使空分设备的空气比较干净，主换热器只起换热作用，不用交替切换工作, 氧提取率90%92%，氩提取率约52%。 (2)流程缺点： 设置制冷机来冷却空气冷却塔的上部用水保证分子筛吸附器的最佳吸附效果。 设置了电（或蒸汽）加热器，保证分子筛吸附剂的解吸。 为了保证再生时污氮

34、气有足够的压力通过分子筛吸附剂床层，要求空压机的排压要适当提高；导致能耗高 5常温分子筛净化增压膨胀空分流程 该流程是在上者基础上，将膨胀机的制动发电机改成了增压机，将膨胀空气在膨胀过程中产生的功，直接用来使进膨胀机的空气增压。 流程特点如下： 继承了常温分子筛净化全低压空分流程的所有优点。 氧提取率可达93%97%；氩提取率约54%60%。,6常温分子筛净化规整填料精馏空分流程,采用了规整填料塔、全精馏制氩、膜式蒸发、蒸发降温等新技术，分别被用于上塔、氩塔、冷凝蒸发器、水冷却塔等设备上，压缩机、膨胀机效率的提高也有新的成果。 流程特点 ： 将规整填料应用于上塔后，和筛板塔相比，上塔阻力约降低

35、80%85%，精馏塔的氧提取率可高达98%99%，能耗约下降4%5%。 采用了规整填料塔后，使精馏压力降低，增大了各组分的相对挥发度，改善了上塔提馏段氧氩的分离，粗氩塔、精氩塔皆采用了规整填料塔，进一步降低了精馏阻力，使理论塔板数的设置可以增多，大大提高了精馏效率 和氩的纯度。, 冷凝蒸发器采用膜式蒸发技术，使传热温差可降为0.550.8K。空压机出口压力下降0.0350.04MPa，能耗下降3%。 在水冷塔中，用污氮降温，取消制冷机组，扣除因进分子筛纯化系统空气温度升高导致再生能耗的增加值后，节能约1%。 7外压缩与内压缩流程 外压缩流程是在冷箱外设氧气压缩机，将空分设备生产的低压氧气加压至

36、用户所需压力；内压缩流程的供氧压力是由冷箱内（原理上）的液氧泵加压实现的。 相对外压缩，内压缩流程在技术上特点 ： 内压缩流程空分设备是采用液氧泵对氧产品进行压缩，然后换热汽化的一种流程形式。,与加压液氧进行换热的空气压力和流量的确定、高压换热系统的组织和精馏的组织等是内压缩流程的核心问题。 内压缩流程取消了氧压机，因而无高温气氧，火险隐患小、安全性好。 内压缩流程的单位产品能耗与空分设备的规模、产品压力、液体产品的多少有较大关系。 二、空分流程 适用于大型煤气化技术的内压缩空分装置的流程图,2流程特点, 属于常温分子筛净化增压膨胀流程，流程简单，操作维护方便，采用DCS集散系统，切换损失少，

37、碳氢化合物清除彻底，空分设备的操作安全性好，连续运行周期大于两年。 采用规整填料型上塔代替筛板型上塔，由于上塔阻力只有相应筛板塔的1416，使空压机的出口压力降低，空压机的能耗下降5%7%。 由于上塔操作压力降低、操作弹性大，空分设备的氧提取率进一步提高，精馏塔的氧提取率可达99.5%，空分设备氧提取率达97%99%。 精氩的制取采用低温精馏法直接获得，即全精馏无氢制氩技术。, 采用了高效空气预冷系统。 分子筛纯化系统采用活性氧化铝一分子筛双层床结构，大大延长了分子筛的使用寿命，同时可使床层阻力减少。 采用了高效增压透平膨胀机技术，膨胀机效率可达到83%88%。 采用先进的DCS计算机控制技术

38、，实现了中控、机房和现场一体化的控制，成套控制系统具有设计先进可靠、性能价格比高等特点。 3主要配套机组及设备特点： (1)原料空压机和空气增压机 二者均采用离心机，由1台汽轮机拖动，节省了投资,及运行费用。前者的作用是为装置提供带压原料空气，后者的作用是为装置提供膨胀及高压液氧、高压液氮汽化的气源。 (2)空气预冷系统 采用带水冷塔的新型高效空气预冷系统，其作用是冷却和洗涤原料空气。空冷塔的上段和水冷塔采用特殊设计的散堆填料，具有传热传质效率高、操作弹性大和阻力小的特点。 (3)分子筛纯化系统 采用长周期、双层净化技术及切换系统无冲击切换技术，其作用是吸附空气中的水分、乙炔、二氧化碳和氧化亚

39、氮（部分吸附）等。 (4)精馏塔系统,这是本套空分设备的核心系统，其作用是利用低温精馏来分离原料空气中的氧、氮及氩。 下塔、主冷凝蒸发器及上塔复合布置 本套空分设备有低压、高压两组换热器，为便于检修，分别设置单独冷箱，与主冷箱隔开，为防止与主冷箱连接处型钢在低温下冷缩变形，换热器冷箱与主冷箱分开布置，采用过桥连接。 本套空分设备共有液氧产品泵、液氮产品泵和液氩产品泵三种泵，一用一备共6台，保证了运行的连续性。 对部分重要的高压、低温液体阀门采用独立隔箱，方便维修。,2-6 空气深冷分离的操作控制,一、空分系统的主要开车步骤 1启动准备 启动准备指在供电、供水、供汽正常，空分系统的各设备、仪表、

40、控制程序具备了启动条件后，启动空分系统的空气输送及净化系统，产生洁净的空气，对冷箱内的设备、管道、阀门等进行吹刷，降低冷箱内装置中的水蒸气及灰尘含量。 步骤为：启动冷却水系统；启动用户仪表空气系统；启动分子筛纯化系统切换程序；启动空气透平压缩机；启动空气预冷系统；启动分子筛纯化系统；加温、吹刷和干燥精馏系统的设备和管路。,2冷却阶段 冷却空分塔的目的，是将正常生产时的低温部分设备从常温冷却到接近空气液化温度，为积累液体及氧和氮分离准备低温条件。 步骤为：启动增压透平膨胀机制冷；按各冷却流路逐渐给装置降温，直至下塔底部出现液体。 3积液和调整阶段 主要任务为逐步建立各精馏设备的液位，调整各精馏装

41、置至正常操作状态。 步骤为：控制主换热器冷端的温度接近液化点，约为-173，中部空气温度约为-l08；建立空分塔和粗氩塔的液位；调整空分塔和粗氩塔的工况；建立精氩塔的液位并调整其工况。,二、空分的正常操作管理,（一）正常操作 1主冷凝蒸发器的液位的调节 冷凝蒸发器中液氧的液位与制冷量相关冷量增加液位上升。冷量主要由膨胀机产生，所以产冷量的调节是通过对膨胀机膨胀气量的调节来达到的 2精馏控制 主要指控制好塔内的液位，使出塔的各物料成分稳定。 下塔塔釜的液位必须稳定，可将液化空气进上塔调节阀投入自动控制，使下塔液位保持在规定的高度。 精馏过程的控制主要由液氮进上塔调节阀控制。液氮进上塔调节阀开大，

42、则液氮中的氧含量升高；关小，则液氮中的氧含量降低。, 产品气取出量的多少也将影响产品的纯度，取出量增加，纯度下降；取出量减少，则纯度升高。 3达到规定指标的调节 把全部仪表调节至设定值。 用液氮进上塔调节阀调节下塔顶部氮气的浓度和底部液化空气纯度，使其达到规定值。 上塔产品气的纯度调节，应先减少产品取出量，待纯度达标后再逐步增大取出量，直至达到规定值。 （二）维护 1热交换器维护 主要是注意压力和温度的变化。热交换器的异常情况通常由冰、干冰和粉末阻塞引起，当发生换热器阻力过大影响正常运行时，只有使装置停车，通过加温吹除来消除。,通过分析热交换器进、出口气体的组分，判断热交换器有无渗漏。 2主冷

43、凝蒸发器维护 需控制冷凝蒸发器中液氧的乙炔及其他烃类化合物含量不超过0.1mgm3。当乙炔含量过高时，应尽可能多地加大排液量，同时需加大膨胀量以保持液氧液位，并对冷凝蒸发器中的液氧成分不断进行分析。 3空分塔 在空分塔上、下设有压差计，可以测定精馏过程中的压降。第一次启动空分设备时，应将工况调整正常以后所测的压降作为运转的依据。 4分子筛吸附器,分子筛吸附器管理的一个重要的方面是切换程序管理。需定时对吸附器检查，看再生和冷却期间有否达到规定的温度，切换时间是否符合规定。如有异常，应进行调整。吸附器使用两年后，要测定分子筛颗粒破碎情况。 （三）变工况操作 空分设备在正常运行中的主要生产成本是电力

44、消耗。减少无功生产，降低氧气放空率，是节约电耗的重要措施。 当氧气等产品需要减少时，需要进行变工况的操作。此时需降低气体产品量，或在进气量不变的情况下，增加液体产品量。 1减少氧气产量的变负荷操作： 先减少氧气产品的输出量，同时按比例减少氮气产品量。, 根据已减少的氧化量，以大于或等于5倍的比例减少进冷箱空气量 ，即关小空压机导叶开度。 通过调节（微关）下塔纯液氮回流阀，保持下塔底部压力基本不变。 通过调节纯液氮进上塔阀，保持下塔液化空气中氧含量不变。 根据冷凝蒸发器液氧液位和液氧产品量的需求情况，调节膨胀空气量。 适当降低粗氩冷凝器液化空气液位，调低粗氩冷凝器负荷，同时关小粗氩产品输出量。

45、2增加氧气产量的变负荷操作 适当开大空压机的导叶，增加加工空气量。, 通过调节下塔纯液氮回流阀，控制下塔底部压力，使其压力保持不变。 调节液氮进上塔调节阀，注意下塔液化空气氧含量。 缓慢增加氧气取出量。 同比例增加氮气产量。 根据冷凝蒸发器液氧液位，可以适当增加膨胀空气量。 3增加液氧产量的变负荷操作 关小氧气输出阀，减少氧气产量。 缓慢增加膨胀空气量，必要时可以增开一台膨胀机。 缓慢关小下塔纯液氮回流阀，使下塔底部压力保持不变。, 调节液氮进上塔调节阀，使下塔液化空气纯度不变。 适当降低粗氩冷凝器液化空气液位，使粗氩塔负荷下降，同时关小粗氩产品输出量。 4手动变负荷操作中应注意的问题 必须遵

46、循“稳中求变，变中求稳”的原则。 5变负荷范围的技术限制 在变负荷操作过程中，最容易受影响的是粗氩塔的运行工况。提取粗氩是以从上塔下部抽出的氩馏分气为原料的，上塔精馏工况的好坏直接影响到粗氩塔的精馏工况。但是，有时氧、氮产品纯度未被破坏，上塔精馏工况也达到了正常状态，粗氩塔的精馏工况反而被破坏了。这是因为上塔的上升蒸气和下流液体自上而下的浓度梯度分布发生了变化。,在不带制氩系统的空分设备上进行变负荷操作比较简单，仅需考虑上塔顶部氮气的纯度和底部氧气的纯度，但在带制氩系统的空分设备上，还要考虑到上塔每段浓度梯度的分布情况，否则就无法保证制氩系统的正常生产。 三、停车和升温 1正常停车 停止供产品

47、气。 开启产品管线上的放空阀。 把仪表空气系统切换到备用仪表空气管线上。 停运透平膨胀机。 开启空压机空气管路放空阀。 停运空气压缩机。, 停运空冷系统的水泵。 停运分子筛纯化系统的切换系统。 关闭空气和产品管线，打开冷箱内管线上的排气阀 停运液氧、液氮泵。 a. 如停车时间超过48h，应排放液体。 b. 关闭所有的阀门（不包括上面提到的阀门）。 c. 对各装置进行升温。 如停车时间较短，则只按步进行操作。,注意：在室外气温低于零度时，停车后需把容器和管道中的水排尽，以免冻结；低温液体不允许在容器内低液位蒸发，当容器内液体只剩下正常液位的20%时，必须全部排放干净。,2临时停车 由于发生故障，

48、需短时间停车处理时，可对精馏塔进行保冷停车。执行正常停车的步操作，并视消除故障时间快慢，决定执行第步，直至第步。一般停车时间大于48h应进行全系统加温再启动。 3临时停车后的启动 空分设备在临时停车后重新启动时，其操作步骤应从哪一阶段开始，应视冷箱内的温度来决定，保冷状态下的冷箱内设备不必进行吹扫。 启动空气压缩机，缓慢提高压力。 启动空气预冷系统的水泵。 启动分子筛纯化系统。为避免湿空气进入主换热器，应将另一只吸附器再生彻底，需在空气送入精馏塔前,经过一个切换周期。 慢慢向精馏塔送气、加压。 启动和调整透平膨胀机。 调整精馏塔系统。 调整产品产量和纯度到规定指标。 4全面加温精馏塔 空分设备经过长期运转，在精馏塔系统的低温容器和管道内可能产生冰、干冰或机械粉末的沉积，阻力逐步增大。因此，运转一定时间后，一般应对精馏塔进行加温解冻以除去这些沉积物。 5紧急停车 (1)空压机任何部位冒烟着火，发生异响，机械强烈振动，严重脉振处理无效。,(2)油压急剧下降，大量漏油，油过滤器严重堵塞，轴承温度超过75。 (3)轴位移超过规定而未跳车时。 (4)超过“自动停车”联锁值而未动时。 (5)冷却水中断，油温