空分工艺培训课件.ppt

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1、东华能源空分工艺 目 录 Q一、概述 1.1空分的含义 1.2空分分离的方法 Q二、空气的组成 Q三、空气分离的基本原理 Q四、空分工艺流程 Q五、东华能源空分流程特点 Q六、空分流程的技术发展 Q七、相关设备 空分的含义 Q 空分的含义：空分，顾名思义即空气的 分离，是利用不同的方法将空气中各组分分 离开来，从而获得所需要的氧气、氮气及一 些稀有气体的过程。 空分的分离方法 空气中主要的成分是氧气、氮气、氩气、二氧化碳以及一些其他 气体和杂质，它们在空气中分别以分子的状态存在，数目非常多，并 且永不停息做不规则的运动，均匀地相互掺混在一起，要将它们分开 ，目前主要有三种方法：低温阀、吸附法、

2、膜分离法 空气的分离方法 Q1、低温法： Q 原理：是根据空气中各组分的沸点不同，经加压、预冷、纯化， 并利用大部分有透平膨胀机提供的冷量使之液化，再进行精馏，从而 获得所需要的氧气、氮气及稀有气体的过程。具体原理为空气经过增 压膨胀对外做工处于冷凝温度，当穿过比它温度低的氧、氮组成的液 体层时，由于气、液之间温差的存在，要进行热交换，温度低的液体 吸收热量开始蒸发，其中氮组分首先蒸发，温度较高的气体冷凝，放 出冷凝热，气体冷凝时，首先冷凝氧组分，此过程一直进行到气、液 处于平衡状态。这时液相由于蒸发，氮组分减少，气相冷凝的氧液进 入液相，因此液相中的氧浓度增加，同样气相由于冷凝，使氧组分减

3、少，液相中的氮气进入气相，因此气相中的氮浓度增加。 Q 多次的重复上述过程，气相的氮浓度，液相的氧浓度不断增加， 这样经过多次的蒸发与冷凝就能完成整个精馏过程，从而将空气中的 氧和氮分离开来。 空气的分离方法 Q、吸附法： Q 利用多孔性物质分子筛对不同的气体分子具有选择性咐附的特点 ，有的分之筛（如5A、13X等）对氮具有较强的吸附性能，让氧分子通 过，可得到较高纯度的氧气。有的分之筛（碳分之筛等）对氧具有较 强吸附性能，让氮分子通过，可得到较高纯度的氮气。从而实现空气 的分离，吸附法分离空气流程简单，操作方便，运行成本较低，但不 能获得高纯度的双高产品，目前的氧气纯度只有93左右。 空气的

4、分离方法 Q3、膜分离法： Q 利用一些有机聚合膜的潜在选择性，当空气通过薄膜或中空纤维 膜时，氧气穿过膜的速度约为氮的4-5倍，从而实现氧、氮的分离。 这种分离方法得到的产品纯度不高，富氧空气只能达到28-3502含量 且规模也较小，目前只适用于生产富氧产品。 Q总结：目前运用最多是低温法（又叫深度冷冻法）。它的优点：生产 量大，生产纯度高，电耗低且可得到液态产品，故应用广泛。 空气的组成 空气的组成 Q 氧、氮、氩和其他物质一样，具有气、液和固三态。在常温常压下 它们呈气态。在标准大气压下，氧被冷凝至183，氮被冷凝至 196，氩被冷凝至186即会变为液态，氧和氮的沸点相差13， 氩和氮的

5、沸点相差10，空气的分离就是充分利用其沸点的不同来将 其进行分离。 Q 空气中除氧、氮和氩外，还有氖、氦、氪、氙等稀有气体，这些 稀有气体广泛应用在国防、科研及工业上，稀有气体的提取也直接关 系到空分装置氧气的提取率和生产运行能耗。目前大型的空分装置都 普遍带无氢制氩工艺。 空分分离的基本原理 Q 空气分离的基本原理就是利用低温精馏法将空气冷凝成液体(空气 冷凝温度),然后按各组分蒸发温度的不同将空气分离。 Q 压缩空气除去水分和二氧化碳等杂质后，经热交换系统和增压膨 胀机制冷后进入下塔，在塔板上气体与液体接触，由于气、液之间温 度差的存在,在进行传热和传质交换时,低沸点组分氮吸收热量开始蒸

6、发,氮组分首先蒸发出来,温度较高的气体冷凝,放出冷凝热,气体冷凝 时,首先冷凝氧组分.这过程一直进行到气相和液相的温度相等为止,也 即气、液处于平衡状态。这时,液相由于蒸发,使氮组分减少,同时由于 气相冷凝的氧也进入液相,因此液相的氧浓度增加了,同样气相由于冷 凝,使氧组分减少,同时由于液相的氮进入气相,因此气相的氮浓度增加 了.多次的重复上述过程,气相的氮浓度就不断增加,液相的氧浓度也能 不断的增加.这样经过多次的蒸发与冷凝就能完成整个精馏过程, 从而将空气中的氧和氮分离开来。 空气分离的基本原理 Q 空气在下塔被初步精馏为气氮、污液氮和富氧液空，以节流阀减 压降温后送至上塔作为上塔的回流液

7、，进一步实现精馏，最终在上塔 顶部得到纯氮气，下部得到合格的液氧产品。 Q 主冷凝蒸发器是连接上下塔实现精馏过程的纽带，起到承上启下 的重要作用。根据压力对应液化温度成正比的特性，在主冷凝蒸发器 中通过液氧将压力氮气冷凝为液氮，为上下塔提供回流液建立精馏工 况，同时主冷氧侧的液氧被蒸发成气氧，进入上塔作为上升蒸气，主 冷凝蒸发器换热工况的平衡直接关系到精馏工况的稳定。 空气分离原理 Q 以空气为原料,先将空气液化,然后利用各组份沸点不同将其分离. 空气液化必须将空气温度降到临界温度140.7以下才能实现.在标 准状态下,O2的沸点183,N2的沸点196,相差13,故采用精馏 的方法将氧氮分离

8、成纯氧、纯氮组分。 Q 空气中还含有一些机械杂质,少量的水蒸气和CO2、C2H2等,虽然数 量不多,但直接影响空分装置安全稳定运行,带来较大的危害.如水蒸气 和CO2被带入空分装置,在空气液化前先被冻结成固体颗粒,他们将堵塞 阀门、换热器、精馏塔的塔板筛孔；固体杂质会磨损空压机的运转部 件,堵塞冷却器,降低冷却效率及空压机的等温效率；更严重的是,乙炔 及其它碳氢化合物在空分装置中积聚会导致爆炸事故的发生,因此必须 将其清除.此外稀有气体氦、氖、氩、氪、氙、氡,因其含量甚微,化学 性质十分稳定,除氦、氖外其余都不影响空气分离过程.由于氖、氦沸 点很低,在分离过程中始终保持气态,故空分装置设有氖氦

9、排放阀。 冷量的制取 Q 由于换热器和保温材料的效果都是非理想的,即换热器存在热端温 差；设备保温后仍存在辐射损失；同时液体产品的输送也损失一部分 冷量,故在生产过程中必须补充冷量来弥补冷量损失；另外,装置在热开 车时,必须得到大量冷量,采用普通相变制冷不能使空气达到液化温度, 必须采取深度制冷的方法.全低压空分装置获得低温的方法有两种:即不 对外做功的等温节流效应制冷(等焓过程)和对外做功的绝热膨胀(等熵 过程).前者是通过节流装置实现的,后者是在膨胀机中实现的。 空气的精馏 Q 利用空气中氧、氮沸点的不同,在塔板上进行混合液体的多次部分 蒸发和混合气体的多次部分冷凝,将其分离出氧、氮产品。

10、 Q 双级精馏塔中空气精馏过程:压缩并被冷却至液化温度的空气首先 进入下塔底部,气体自下而上穿过每一段塔板,在塔板上处于冷凝温度的 氧、氮混合气体以对流方式与比它温度低的氧、氮混合液体换热,气体 冷凝放出冷凝潜热,液体则吸收热量而产生部分蒸发.由于氧比氮沸点高 ,因此混合气体中的氧逐步冷凝到液体中去,而混合液体中的氮蒸发到气 体中去,每经一段塔板,气体中氮纯度提高一次，经过一定数量的塔板在 精馏塔顶部得到高纯度氮气 空气的精馏 Q一部分氮气经回收冷量后作为产品输出，另一部分进入主冷凝蒸发器冷 凝侧由于它的温度比主冷凝蒸发器蒸发侧温度高，因而氮气被冷凝成液 体作为下塔回流液自上而下沿塔板逐块流下

11、，每经过一块塔板，液体中氧 浓度便提高一次，在下塔塔釜中便得到含氧3638的富氧液空。富氧 液空再经过冷节流进入上塔提留段，沿塔板逐块流下，与上升蒸气接触， 每经过一块塔板下流液体中蒸发一部分氮同时从上升蒸气中冷凝一部分氧 ，经过一定数量塔板后，在塔底得到纯度较高的液氧液氧再流入主冷凝 蒸发器蒸发侧：一部分液氧经液氧泵加压后经主换热器换热后作为产品输 出；一部分液氧节流后送入液氧储槽；另一部分液氧在主冷凝蒸发器中与 气氮换热蒸发，蒸发的氧气作为上塔底部上升蒸气，与塔板上的液体接触 ，由于气体温度较高，所以气液接触后使气体中氧冷凝到液体中去，而液 体中的氮被蒸发进入气体中气体越往上升，氮浓度越高

12、，由于上塔液空 进料口以上蒸气中含有很多的氧，为提高氧提取率，利用下塔中部抽出的 污液氮作为上塔顶部精馏段回流,继续精馏,使塔顶部气体带出装置的氧含 量减少到装置允许的最低限度。 空气的精馏 Q 主冷凝蒸发器是上、下塔的联结纽带,是上塔的蒸发器,液氧在其中被 蒸发；是下塔的冷凝器,气氮被冷凝.液氧的蒸发需要吸收热量,而气氮的 冷凝则需要放出热量.在同一压力下,氧的沸点高于氮,但随着压力的不同, 氧、氮沸点也会不同.要使液氧蒸发气氮冷凝,只有提高氮气压力或降低氧 压力.由于低压下操作比较困难,故采用提高氮侧压力方法,这就是为何采 取下塔压力高于上塔的原因,即冷凝蒸发器液氧的蒸发和气氮的冷凝所需

13、要的温差是由上下塔压力差来保证的。 工艺流程叙述 Q 原料空气经吸入口进入自洁式空气过滤器，除去灰尘和机械杂质 ，过滤精度10um进入空压机（C2401A），气体经四级三段压缩送入 空气冷却塔（T2301A），在塔中被水冷却、洗涤。空气冷却塔采用循 环冷却水和冷冻水直接换热进行分段冷却，以尽可能降低空气温度减 少空气中水含量从而降低分子筛吸附器的工作负荷。空气冷却塔顶部 设有游离水分离装置，以防止空气中游离水份带入分子筛。 Q 出空冷塔的气体进入纯化系统，除去水份、二氧化碳、碳氢化合 物及其他杂质。纯化系统中的吸附器由两台卧式容器组成；两台吸附 容器采用双层床结构，当一台运行时，另一台则再生。

14、分子筛再生污 氮气来自上塔顶部，进入纯化器的工艺空气中的CO2含量约为400ppm, 经吸附后含量1ppm.分子筛吸附器“吸附”与“再生”及切换由程序 自动控制。经过净化和干燥后的空气分成四路： 工艺流程叙述 1.2.1第一路气体(0.49MpaG ,22,97000Nm3/h) 进入低压主换热器(EO230712A)，与污氮、中压 氮气、粗氩气换热冷却至接近液化温度后进入精 馏塔下塔（T2303A）底部作首次分离。上升气体 和下降液体接触后在塔顶得到高纯度的氮气 (99.99%)。所需回流液来自下塔顶部的氮气在 主冷凝蒸发器(E2318A)中被液氧冷凝的液氮。 工艺流程叙述 1.2.2第二路

15、空气(0.49MpaG ,22,120000KNM3/h)去空气增压机 (C2402A)进一步压缩。在C2402A中,空气经七级压缩三段冷却。冷却后 的空气又分成三路： 1.2.2.1一路(2.7MpaA,33,52000NM3/h)去增压透平膨胀机 (C2301A)的增压端，增压后空气经出口冷却器(E2303/4A)冷却后进入 高压板式换热器（E23056A）与高压氧和污氮气换热、冷却至-110 进入膨胀端，膨胀后（173.3，0.49MPa）与正流空气汇合入下塔 。 1.2.2.2 一路空气(7.1MpaA，65000NM3/h)直接进入高压主换热器 （E23056A）换热冷却，经节流阀H

16、V23605降压后经气液分离器，温 度170左右进入下塔精馏 ，经V2301A分离后的液体,抽出一部经过 节流阀HV23602节流后经分离器V23303进入上塔参与精馏，调节此流量 以保持两个塔的回流比。 1.2.2.3一路经增压机一级冷却器后抽出(1.3MPaG，3000 NM3/h) 进入仪表气球罐，经调节阀PCV26001(压力0.75Mpa)送入仪表气管网。 工艺流程叙述 在下塔获得的产品有:自上向下 高纯氮气 10 ppm 污液氮 05% O2 富氧液空 36%38% O2 污液氮、富氧液空在过冷器(E231417A)中过冷后， 经节流送入上塔(T2304A) 从主冷凝器（E2318

17、A）氮侧抽出的纯液氮，一部分作 为下塔(T2303A)回流液,一部分经过冷器(E2314A 17A)经节流阀HV23601降压后送入储槽V2304。 工艺流程叙述 液氮储槽V2304 (500M3):当空分装置停车时,经后备低 压液氮泵P2309/10加压至0.4MPa(G)经水浴式汽化器 E2323气化后供后工段使用；液氮经中压液氮泵 P2311/12加压至5MPa(G)在水浴式汽化器E2324B气化后 送入高压氮气储罐V2306作为事故氮气。 从下塔(T2303A)顶部抽出的氮气（0.42MPaA）经E2307 12A换热后送入氮气管网。 工艺流程叙述 在上塔获得的产品有:自上向下 污 氮

18、 气 05% O2 高纯液氧 99.6% O2 从主冷(E2318A)的底部抽出液氧，大部分经高压液氧泵 (P2307/8)增压至8.3Mpa(A)后进入主换热器(E23056A) ，在其中与高压空气换热被气化并复热至接近空气温度 后送入氧气管网；多余部分经过冷器(E231417A)过冷 后经节流阀LCV23602A降压送入储槽V2305。 从上塔(T2304A)顶部抽出的污氮气经过冷器（E2314A 17A）一部分进入主换热器（E230712A）复热后用作分 子筛吸附器S2301A/2的再生气，多余部分经调节阀 PCV23602A后与经E23056A复热后的污氮气汇合送入水 冷塔（T2302

19、A）,将循环水冷却后放空。 我国空分流程的技术发展 空分设备是由诸多配套部机组成的成套设备，我国空分于1953年 起步，经过多年的发展，从第一代小型空分流程发展到目前的第 六代大型全精馏无氢制氩工艺流程。每一次空分设备流程的变革和推 进，都是新技术、新工艺的创新。透平膨胀机的产生，实现了大型空 分设备全低压流程；高效板翅式换热器的出现，使切换板翅式流程取 代了石头蓄冷器、可逆式换热器流程，使装置冷量回收效率更高；增 压透平膨胀机的出现极大的提高了膨胀机的制冷效率并把输出的外功 有利的得到回收；常温分子筛净化流程替代了切换式换热器，使空分 装置净化系统的安全性、稳定性得到极大提高并使能耗大大降低

20、， 随着规整填料和低温液体泵在空分装置中的应用，进一步降低了空分 设备的能耗，实现了全精馏无氢制氩，使空分设备在高效、节能、安 全等方面取得了进步。随着计算机的广泛应用，空分装置的自动控制 、变负 荷跟踪调节等变得更为先进。 我国空分流程的技术发展 第一代：高低压循环，氮气透平膨胀，吸收法除杂质； 第二代：石头蓄冷器，空气透平膨胀低压循环； 第三代：可逆式换热器； 第四代：分子筛纯化； 第五代：规整填料，增压透平膨胀机的低压循环； 第六代：内压缩流程，规整填料，全精馏无氢制氩。 东华能源空分流程特点 采用常温分子筛净化，清除空气中的有害物质更有效，切换损失小， 装置设计连续运行周期大于二年；

21、采用规整填料上塔替代筛板上塔，使上塔阻力大大降低（只有筛板阻 力的），使空压机的排气压力降低，装置运行能耗下降 ； 空分设备氧的提取率提高，空分设备氧的氧提取率可达.1 ，氧 气纯度在99.8以上； 精馏采用全精馏无氢制氩技术，氩塔采用规整填料塔，省略了制氢设 备，流程简化，节省投资和运行费用； 分子筛纯化系统采用双层床结构，大大延长了分子筛的使用寿命和降 低了床层阻力，使空分装置的运行更安全可靠； 东华能源空分流程特点 采用高效增压透平膨胀机技术，能很好的回收部分能量，膨胀机制冷 效率在85以上； 机组采用ITCC控制技术，实现了中控、机房和就地一体化的控制，可 有效地监控整套空分设备的生产

22、过程； 分馏塔系统是本套空分装置的核心系统，其作用是利用低温精馏法将 原料空气分离为氧、氮产品。分馏塔系统采用规整填料塔技术，具有 氧提取率高，能耗低，下塔采用专用于大型空分设备的四溢流塔板技 术流程，设置增加粗氩增效塔，提高空分氧提取率，减少原料空压机 的排量，降低能耗。 东华能源空分流程特点 采用全浸式操作方式，不会产生干蒸发，使单元内部液氧中碳氢化合 物不浓缩。 采用截距较大的翅片，使液氧流动更通畅不易堵塞通道，并降低微小 颗粒所产生的静电，从结构上根本解决了主冷内部的安全防爆问题。 在液氧侧设有接地保护装置。 在整个液氧大池中，保持液氧侧较高的循环倍率，并通过加大液氧排 放量使液氧底部

23、不会出现易燃化合物的凝结。 空气过滤器 空气中含有大量的尘埃 ，空压机在长时间的高速 运行中，粉尘会造成机器 内部的叶轮、叶片等部件 的磨损、腐蚀和结垢，缩 短机器的使用寿命，因此 设置空气过滤器，清除掉 空气中的灰尘及杂质。 空气过滤器 作用：清除原料空气中的机械杂质、 灰尘。 结构：由高效过滤筒、文氏管、自洁 专用喷头、反吹系统、控制系统、 净气室出风口、柜架等组成。 原理：在吸气负压作用下，空气穿过 高效过滤筒，粉尘由于重力、静电 和接触被阻留，净化空气进入净气 室。可对大于1UM以上的灰尘过滤效 率达99.9%，滤筒上的灰尘通过专用 喷头吹除达到清除。 空气压缩机 原料空气压缩机和增压

24、空气压缩机 作用：为提供带压原料空气 结构：陕鼓动力有限公司的产品， 由曼透平汽轮机拖动两台离心式 压缩机 原料空压机排气量： 224000Nm/h,0.61MPa(A)120000 Nm/h进入低压换热器 增压机 流量 压力 二段： 52000Nm3/h, 2.8MPa(G) 三段： 65000Nm3/h, 7.0MPa(G) 一段仪表气3000Nm3/h 1.2MPa(G) 原料空气压缩机增压空气压缩机均采用离心式压缩机，由透平蒸汽汽 轮机驱动 离心式压缩机是利用装于轴上带有工作轮的叶片在原动机的带动下做 高速旋转运动，叶轮对气体做功，使气体获得动能，然后气体在扩压 器中速度下降，动能转变

25、为静压能，压力得到进一步提高的过程。 汽轮机的工作原理：利用高温高压蒸气进入喷嘴静叶栅中蒸气内能减 少，动能增加，获得了很大的流速，蒸气的温度压力下降，高速气流 冲击动叶片，使叶轮旋转，蒸气的热能又转化为转子的机械能，同时 蒸气的温度压力下降。空气经自洁式过滤器过滤其中的机械杂质、灰 尘等，然后进入原料空气压缩机（MAC）经过四级压缩到0.495MPa（G ），送至空气冷却塔冷却。 来自分子筛纯化器的空气压力0.475MPa（G）温度20，进入循环增压 机（BAC），经三级压缩之后的空气一部分（25000Nm3/h、2.82MPa） 抽出送到膨胀机的增压端，另一部分(83000 Nm3/h)进

26、入增压机二段， 继续压缩至7.3MPa（G）在高压板式换热器与返流介质换热后进入下塔 。 空冷塔作用： 用冷却水和从水冷却塔来的冷冻水对空压机 排出的高温空气进行冷却，使进入纯化系统的空 气温度降低到15.5，从而减少进纯化器的空气 含水量；并通过水的洗涤，除去空气中的大部分 水溶性有害物质，以确保纯化器安全正常地工作 。 空冷塔结构特点: 塔的顶部设有防带水装置填料支撑为喷射式 支撑水分布器为压力排管式。 使用方式： 空气从空冷塔下部进入，在填料表面与自上 而下流过的冷却水和常温水进行热质交换，使空 气冷却并洗除空气中的一些有害杂质。 空气冷却塔 压缩后的高温空气进入空气冷却塔下部， 由下向

27、上穿过空气冷却塔中的传热传质单 元，依次与常温水和和冷却水进行逆流接 触而进行传热传质以达到冷却空气的目的 ，并除去大部分水溶性有害物质等。 水冷塔利用来自冷箱内污氮、氮气含水的 不饱和性吸收蒸发潜热使循环水降温；通 过低温水泵加压送入空冷塔上部对空气进 行冷却，空冷塔和水冷塔为堆散填料塔， 水泵为多级卧式离心泵。 l 分子筛吸附器 作用： 吸附空气中水分、乙炔 、CO等碳氢化合物。 结构： 卧式圆筒体，内设支承 栅架。 使用方式： 由于分子筛的吸附特性 将空气中的水份、乙炔、 CO2等吸附，后被高温气 体反向再生。分子筛吸附 器成对交替使用，一只工 作时，另一只被再生。 空气由多组分组成，除

28、氧气、氮气等气体组分外，还有水蒸汽、 二氧化碳、乙炔及少量的灰尘等归体杂质。这些杂质随空气进入空压 机与空气分离装置中会到来较大危害，固体杂质会磨损空压机运转部 件，堵塞冷却器，降低冷却效果；水蒸气和二氧化碳在空气冷却过程 中会冻结析出，将堵塞设备及气体管道，致使空分装置无法生产；乙 炔进入空分装置后会导致爆炸事故的发生，所以为了保证制氧机的安 全运行，清除这些杂质是非常有必要的。 分子筛吸附原理： 经空冷塔冷却后的空气一般在15左右进入吸附器内吸附纯化。 水分乙炔、二氧化碳都是极性或不饱和分子。分子筛对它们都有很强 的亲和力。分子筛的共吸附性能使它可以在吸水的同时还可以吸附其 它物质，这种亲和力的顺序是：H2O C2H2 CO2。 分子筛吸附系统采用长周期，双层 床净化技术，切换系统采用无冲击切换 控制技术，其作用是吸附空气中的水份 、二氧化碳、乙炔、丙稀、丙烷、重烃 等杂质。分子筛吸附器采用双层床结构 ，底层活性氧化铝床层可有效地保护分 子筛，延长分子筛使用寿命，同时采用 双层床也使吸附器再生阻力下降，再生 温度降低，节约了再生能耗。 膨胀机 作用：膨胀机是空分设备的心脏部机之一，由气体在膨胀机中等熵膨 胀而制取冷量，正常生产中为系统补充冷损。 工作原理：工质在透平膨胀机的通流部分膨胀获得动能，并由工作轮 轴端输出外功，因而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。 膨胀机