1、深冷液化技術的空氣分離一、空氣分離的方法和原理一、空氣分離的方法和原理空分的含義：簡單說就是利用物理或者化學方法將將空氣混合物空分的含義：簡單說就是利用物理或者化學方法將將空氣混合物各組進行分開，獲得高純氧氣和高純氮氣以及一些稀有氣體的過各組進行分開，獲得高純氧氣和高純氮氣以及一些稀有氣體的過程。程?？辗址蛛x的方法和原理：空分分離的方法和原理：空氣中的主要成分是氧和氮，它們分別以分子狀態存在，均空氣中的主要成分是氧和氮，它們分別以分子狀態存在，均勻地混合在一起，通常要將它們分離出來比較困難，目前工業上勻地混合在一起，通常要將它們分離出來比較困難，目前工業上主要有種實現空氣分離方法。主要有種實現

2、空氣分離方法。）深冷法（也稱低溫法）：先將混合物空氣通過壓縮、膨脹和降）深冷法（也稱低溫法）：先將混合物空氣通過壓縮、膨脹和降溫，直至空氣液化，然后利用氧、氮汽化溫度（沸點）的不同溫，直至空氣液化，然后利用氧、氮汽化溫度（沸點）的不同（在標準大氣壓下，氧的沸點為（在標準大氣壓下，氧的沸點為；氮的沸點為；氮的沸點為 ，沸點低的氮相對于氧要容易汽化這個特性，在精餾塔內，沸點低的氮相對于氧要容易汽化這個特性，在精餾塔內讓溫度較高的蒸氣與溫度較低的液體不斷相互接觸，低沸點組分讓溫度較高的蒸氣與溫度較低的液體不斷相互接觸，低沸點組分氮較多的蒸發，高沸點組分氧較多的冷凝的原理，使上升蒸氣氮氮較多的蒸發，高

3、沸點組分氧較多的冷凝的原理，使上升蒸氣氮含量不斷提高，下流液體中的氧含量不斷增大，從而實現氧、氮含量不斷提高，下流液體中的氧含量不斷增大，從而實現氧、氮的分離。要將空氣液化，需將空氣冷卻到的分離。要將空氣液化，需將空氣冷卻到 以下的溫以下的溫度，度，這種制冷叫深度冷凍（深冷）；而這種制冷叫深度冷凍（深冷）；而第一節概述空氣分離的方法和原理空氣分離的方法和原理利用沸點差將液態空氣分離為氧、氮、氬的過程稱之為精餾過程。利用沸點差將液態空氣分離為氧、氮、氬的過程稱之為精餾過程。深冷與精餾的組合是目前工業上應用最廣泛的空氣分離方法；深冷與精餾的組合是目前工業上應用最廣泛的空氣分離方法；）吸附法：利用多

4、孔性物質分子篩對不同的氣體分子具有選擇性咐）吸附法：利用多孔性物質分子篩對不同的氣體分子具有選擇性咐附的特點，對氣體分子不同組分有選擇性的進行吸附，達到單高純附的特點，對氣體分子不同組分有選擇性的進行吸附，達到單高純度的產品。吸附法分離空氣流程簡章，操作方便運行成本較低，但度的產品。吸附法分離空氣流程簡章，操作方便運行成本較低，但不能獲得高純度的的雙高產品。不能獲得高純度的的雙高產品。）膜分離法：利用一些有機聚合膜的潛在選擇性，當空氣通過薄膜）膜分離法：利用一些有機聚合膜的潛在選擇性，當空氣通過薄膜或中空纖維膜時，氧氣穿過膜的速度比氮快的多的特點，實現氧、或中空纖維膜時，氧氣穿過膜的速度比氮快

5、的多的特點，實現氧、氮的分離。這種分離方法得到的產品純度不高，規模也較小，目前氮的分離。這種分離方法得到的產品純度不高，規模也較小，目前只適用于生產富氧產品。只適用于生產富氧產品。二、空氣的組成二、空氣的組成空氣的組成空氣的組成氧、氮、氬和其他物質一樣，具有氣、液和固三態。在常溫常壓氧、氮、氬和其他物質一樣，具有氣、液和固三態。在常溫常壓下它們呈氣態。在標準大氣壓下，氧被冷凝至下它們呈氣態。在標準大氣壓下，氧被冷凝至1818，氮被冷，氮被冷凝至凝至1 1，氬被冷凝至，氬被冷凝至1818即會變為液態，氧和氮的即會變為液態，氧和氮的沸點相差沸點相差 ，氬和氮的沸點相差，氬和氮的沸點相差 ，空氣的分

6、離就是，空氣的分離就是充分利用其沸點的不同來將其進行分離。充分利用其沸點的不同來將其進行分離?？諝庵谐酢⒌蜌逋?，還有氖、氦、氪、氙等稀有氣體，這些空氣中除氧、氮和氬外，還有氖、氦、氪、氙等稀有氣體，這些稀有氣體廣泛應用在國防、科研及工業上，稀有氣體的提取也直稀有氣體廣泛應用在國防、科研及工業上，稀有氣體的提取也直接關系到空分裝置氧氣的提取率和生產運行能耗。目前大型的空接關系到空分裝置氧氣的提取率和生產運行能耗。目前大型的空分裝置都普遍帶無氫制氬工藝。分裝置都普遍帶無氫制氬工藝。我國空分流程的技術發展我國空分流程的技術發展空分設備是由諸多配套部機組成的成套設備，我國空分于空分設備是由諸多配套

7、部機組成的成套設備，我國空分于19531953年年起步，經過多年的發展，從第一代小型空分流程發展到目前起步，經過多年的發展，從第一代小型空分流程發展到目前的第六代大型全精餾無氫制氬工藝流程。每一次空分設備流程的的第六代大型全精餾無氫制氬工藝流程。每一次空分設備流程的變革和推進，都是新技術、新工藝的創新。透平膨脹機的產生，變革和推進，都是新技術、新工藝的創新。透平膨脹機的產生，實現了大型空分設備全低壓流程；高效板翅式換熱器的出現，使實現了大型空分設備全低壓流程；高效板翅式換熱器的出現，使切換板翅式流程取代了石頭蓄冷器、可逆式換熱器流程，使裝置切換板翅式流程取代了石頭蓄冷器、可逆式換熱器流程，使裝

8、置冷量回收效率更高；增壓透平膨脹機的出現極大的提高了膨脹機冷量回收效率更高；增壓透平膨脹機的出現極大的提高了膨脹機的制冷效率并把輸出的外功有利的得到回收；常溫分子篩凈化流的制冷效率并把輸出的外功有利的得到回收；常溫分子篩凈化流程替代了切換式換熱器，使空分裝置凈化系統的安全性、穩定性程替代了切換式換熱器，使空分裝置凈化系統的安全性、穩定性得到極大提高并使能耗大大降低，隨著規整填料和得到極大提高并使能耗大大降低，隨著規整填料和低溫液體泵低溫液體泵在空分裝置中的應用，進一步降低了空分設備的能耗，實現了全在空分裝置中的應用，進一步降低了空分設備的能耗，實現了全精餾無氫制氬，使空分設備在高效、節能、安全

9、等精餾無氫制氬，使空分設備在高效、節能、安全等我國空分流程的技術發展我國空分流程的技術發展方面取得了進步。隨著計算機的廣泛應用，空分裝置的自動控制、方面取得了進步。隨著計算機的廣泛應用，空分裝置的自動控制、變負荷跟蹤調節等變得更為先進。變負荷跟蹤調節等變得更為先進。第一代：高低壓循環，氮氣透平膨脹，吸收法除雜質；第一代：高低壓循環，氮氣透平膨脹，吸收法除雜質；第二代：石頭蓄冷器，空氣透平膨脹低壓循環；第二代：石頭蓄冷器，空氣透平膨脹低壓循環；第三代：可逆式換熱器；第三代：可逆式換熱器；第四代：分子篩純化；第四代：分子篩純化；第五代：規整填料，增壓透平膨脹機的低壓循環；第五代：規整填料，增壓透平

10、膨脹機的低壓循環；第六代：內壓縮流程，規整填料，全精餾無氫制氬。第六代：內壓縮流程，規整填料，全精餾無氫制氬。三、空氣分離的基本過程三、空氣分離的基本過程從原理上劃分空氣分離包括下列過程：從原理上劃分空氣分離包括下列過程：1 1空氣的過濾和壓縮空氣的過濾和壓縮2 2空氣中水分和二氧化碳等雜質的去除空氣中水分和二氧化碳等雜質的去除3 3空氣冷卻和液化空氣冷卻和液化4 4冷量的制取冷量的制取5 5精餾精餾6 6危險雜質的去除危險雜質的去除三、空分裝置類型n跟據冷凍循環壓力的大小,空分裝置分為高壓(7MPa)、中壓(52.5MPa)和低壓(小于1MPa)三種基本類型。四、氧、氮的應用n1.氧的應用n

11、A工業應用，nB醫療保健n2.氮的應用n氮氣主要用于生產合成氨,另外還廣泛地用于化工、冶金、原子能、電子(石油、玻璃、食品等工業部門作保護氣。n液氮可用于國防工業,作為火箭燃料的壓送劑和作宇宙航行導彈的冷卻裝置。此外,液氮還廣泛地用于科研部門作低溫冷源,以及用于金屬的低溫處理、生物保存、冷凍法醫療和食品冷藏等。第二節 空氣的凈化n空氣凈化的目的是脫除空氣中所含的機械雜質、水分、二氧化碳、烴類化合物(主要為乙炔)等雜質,以保證空分裝置順利進行和長期安全運轉。這些雜質在空氣中的一般含量見表3。一、機械雜質的脫除n機械雜質一般用設置在空氣壓縮機入口管道上的空氣過濾器脫除。n常用的空氣過濾器分濕式和干

12、式兩類。濕式包括拉西環式和油浸式;干式包括袋式、干帶式和自潔式n1.拉西環式過濾器n拉西環式過濾器由鋼制外殼和裝有拉西環的插人盒構成見圖1,拉西環上涂有低凝固點的過濾油?？諝馔ㄟ^時,灰塵等機械雜質便附著在拉西環的過濾油上,拉西環式過濾器通常適用于小型空分裝置。n2.油浸式過濾器n油浸式過濾器由許多片狀鏈組成,鏈借鏈輪的作用以2mm/min的速度移動或間歇移動(見圖2)。片狀鏈上有鋼架,鋼架懸掛在鏈的活動接頭上,架上鋪有孔為1mm2的細網。n空氣通過網架時,將所含灰塵留在網上的油膜中。隨著鏈的回轉,附著的灰塵通過油槽時被洗掉,并重被覆蓋一層新的油膜。油浸式過濾器的效率一般為93%99%n3.袋式

13、過濾器n袋式過濾器一般由濾袋、清灰裝置、清灰控制裝置等組成(見圖3)。濾袋是過濾除塵的主體,它由濾布和固定框架組成n4.干帶式過濾器n干帶式過濾器的結構如圖4所示。n干帶式過濾器所用的干帶,是一種尼龍絲組成的長毛絨狀制品或毛質濾帶。n干帶上、下兩端裝有滾筒,滾筒由電動機及變速器傳動。當通過干帶的空氣阻力超過規定值(200Pa)時,滾筒電動機啟動,使干帶轉動,臟帶存人上滾筒。當阻力恢復正常后,即自動停n5.自潔式空氣過濾器n自潔式空氣過濾器的結構如圖5所示。主要由高效過濾桶、文氏管、自潔專用噴頭、反吹系統、控制系統、凈氣室、出風口和框架等組成。n(1)過濾過程n(2)自潔過程二、水分、二氧化碳和

14、乙炔的脫除n脫除水分、二氧化碳和乙炔的方法有吸附法和凍結法等。不同的裝置采用不同的方法。n現只介紹空氣預冷和分子篩吸附法。(一)空氣預冷系統n空氣預冷系統是空氣分離設各的一個重要組成部分,它位于空氣壓縮機和分子篩吸附系統之間,用來降低進分子篩吸附系統空氣的溫度及H20(g)、CO2含量,合理利用空氣分離系統的冷量。n在填料式空氣冷卻塔(簡稱空冷塔)的下段,出空壓機的熱空氣被常溫的水噴淋降溫,并洗滌空氣中的灰塵和能溶于水的N02、S02、C12、HF等對分子篩有毒害作用的物質;在空冷塔的上段,用經污氮降溫過的冷水噴淋熱空氣,使空氣的溫度降至1020。(二)分子篩吸附法n自世紀70年代開始,在全低

15、壓空分設備上,逐漸用常溫分子篩凈化空氣的技術來取代原先使用的堿洗及干燥法脫除水分和二氧化碳的方法。n此法讓空冷塔預冷后的空氣,自下而上流過分子篩吸附器(以下簡稱吸附器),空氣中所含有的H2O、C02、H2等雜質相繼被吸附劑吸附清除。n吸附器一般有兩臺,一臺吸附時,另一臺再生,兩臺交替使用。此種流程具有產品處理量大、操作簡便、運轉周期長和使用安全可靠等許多優點,成為現代空分工藝的主流技術。n1.吸附劑n空分系統中常用的吸附劑有硅膠、活性氧化鋁和分子篩等。1 硅膠n 硅膠的化學式是SiO2nH20。 是一種堅硬、無定形鏈狀和網狀結構的硅酸聚合物顆粒。n 硅膠處于高親水和高疏水性質的中間狀態，常用于

16、各種氣體的脫水可用于烴類的分離。 2活性氧化鋁n沽性氧化鋁的化學式是Al2O3nH20。用無機酸的鋁鹽與堿反應生成氫氧化鋁的镕膠，然后轉變為凝膠，經灼燒脫水即成活性氧化鋁。 n主要用于深度脫水，干燥深度可達-70度。 3分子篩 n沸石分子篩又稱合成沸石或分子篩，其化學組成通式為M(I)M()OAl2O3nSiO2mH20n式中，M(I)和M()分別為一價和二價金屬離子，多半是鈉和鈣，n稱為沸石的硅鋁比，硅主要來自于硅酸鈉和硅膠，鋁則來自鋁酸鈉和Al(OH)3等，它們與氫氧化鈉水溶液反應制得的膠體物，經干燥后便成沸石.n沸石的特點是具有分子篩的作用,它有均勻的孔徑,如0.3nm、0.4nm、0.

17、5nm、1nm細孔。有0.4nm孔徑的0。4nm沸石可吸附甲烷、乙烷，而不吸附三個碳原子以上的正烷烴。它已廣泛用于氣體吸附分離、氣體和液體干燥以及正異烷烴的分離。4.吸附原理n吸附是利用一種多孔性固體物質去吸取氣體(或液體)混合物中的某種組分,使該組分從混合物中分離出來的操作。5.吸附劑的吸附容量n吸附劑的吸附容量指單位數量的吸附劑最多吸附的吸附質的量。n吸附容量大,吸附時間長,吸附效果好。n吸附容量通常受吸附過程的溫度和被吸附組分的分壓力(或濃度)、氣體流速、氣體濕度和吸附劑再生完善程度的影響。n吸附容量隨吸附質分壓的增加而增大,但增大到一定程度以后,吸附容量大體上與分壓力無關。n吸附容量隨

18、吸附溫度的降低而增大,所以應盡量降低吸附溫度n流速越高,吸附劑的吸附容量越小吸附效果越差。流速不僅影咱吸附能力,而且影響氣體的干燥程度。6.大氣中有害雜質的吸附及其影響n對分子篩有害的雜質有:二氧化硫、氧化氮、氯化氫、氯、硫化氫和氨等n這些成分被分子篩吸附后又遇到水分的情況下,會與分子篩起反應而使分子笫的晶格發生變化。它們與分子篩的反應是不可逆的,因而降低了分子篩的吸附能力。其結果是:隨著使用時間的延長,吸附器的運轉周期就會縮短。n一般情況下,在分子篩吸附器前面有空氣預冷系統時,要求空氣中二氧化硫、氧化氮、氯化氫、氯、硫化氫和氨等有害物質的總量小于1mg/m3;沒有呀中要求空氣中有害物質的總量

19、小于0.1mg/m3。7.吸附劑的再生n吸附劑的再生是吸附的吸附質脫附的過程。用干燥的熱氣流流過吸附劑床層,在高溫的作用下,被吸附的吸附質脫附,并被熱氣流帶走。第三節 空氣的液化n空氣的液化指將空氣由氣相變為液相的過程,目前采用的方法為給空氣降溫,讓其冷。n在空氣液化的過程中,為了補充冷損、維持工況以及彌補換熱器復熱的不足,需要用到制冷循環,而制冷循環與空氣的許多熱力學性質有關。下面首先對制冷循環所用到的主要熱力學性質和溫-熵(T-S)圖做一簡單介紹。一、制冷的熱力學基礎n1.空氣的一些熱力學參數n(1)內能 氣體是由分子組成的,其內部分子不停的運動而具有動能。氣體分子之間存在著作用力,因而具

20、有位能。分子的動能和位能之和稱為氣體的內能,通常用U來表示,單位為J(焦)。n分子動能和位能的變化都會引起內能的變化。分子動能的大小與氣體的溫度有關,溫度越高分子的動能越大。而分子位能的大小取決于分子之間的距離,即由氣體的體積來決定。n由于溫度與體積都是狀態函數,所以內能也是狀態參數。也就是內能只與狀態n有關,與變化過程無關。內能的改變通常通過傳熱和做功兩種方式來完成。n(2)焓 用符號H表示,其單位也為J(焦)。n H=U+pVn(3)可逆過程和不可逆過程 當物系由某一狀態變化到另一狀態時,若過程進行得足夠緩慢,或內部分子能量平衡的時間極短,則這個過程反過來進行時,能使物系和外界完全復原,稱

21、此過程為可逆過程。如不能完全復原,稱為不可逆過程。n(4)熵 自然界許多現象都有方向性,即向某一個方向可以自發地進行。n熵可以用來度量不可逆過程前后兩個狀態的不等價性。自發過程總是朝著熵增大的方向進行,或者說,熵增加的大小反映了過程不可逆的程度。n熵的定義為ndS=dQ/T或S=Q/Tn式中表明,熵的增量等于系統在不可逆過程中從外界傳入的熱量,除以傳熱當時的絕對溫度所得的商。2.空氣的溫-熵圖n以空氣的溫度T為縱坐標,以熵S為橫坐標,并將壓力夕、焓H及它們之間的關系,直觀地表示在一張圖上,這個圖就稱為空氣的溫-熵圖,簡稱空氣的T-S圖。n在空氣的液化過程,用T-s圖可表示出物系的變化過程,并可

22、直接從圖上求出溫度、壓力、熵和焓的變化值.n在溫度、壓力、熵、焓四個狀態函數中已知任意兩個,便可利用空氣的T-S圖確定空氣的狀態。二、空氣液化時的制冷原理n工業上空氣液化常用兩種方法獲得低溫,即空氣的節流膨脹和膨脹機的絕熱膨脹制冷。n1.節流膨脹 :n連續流動的高壓氣體,在絕熱和不對外做功的情況下,經過節流閥急劇膨脹到低壓的過程,稱為節流膨脹。n由于節流前后氣體壓力差較大,因此節流過程是不可逆過程。氣體在節流過程既無能量收人,又無能量支出,節流前后能量不變,故節流膨脹為等焓過程。n氣體經過節流膨脹后,一般溫度要降低。溫度降低的原因是因為氣體分子間具有吸引力,氣體膨脹后壓力降低,體積膨脹,分子間

23、距離增大,分子位能增加,必須消耗分子的動能。n2.膨脹機的絕熱膨脹n壓縮氣體經過膨脹機在絕熱下膨脹到低壓,同時輸出外功的過程,稱為膨脹機的絕熱膨脹。由于氣體在膨脹機內以微小的推動力逐漸膨脹,因此過程是可逆的。可逆絕熱過程的熵不變,故膨脹機的絕熱膨脹為等熵過程。n氣體經過等熵膨脹后溫度總是降低的,主要原因是氣體通過膨脹機對外做了功,消耗了氣體的內能,另一個原因是膨脹時為了克服氣體分子間的吸引力,消耗了分子的動能。n線段21表示節流膨脹過程,1點的溫度Tl即為節流膨脹后的溫度,T2Tl為節流膨脹前后的溫度差。n線段2-3表示氣體由壓力為p2、溫度T2的2點,等熵膨脹到p1時的過程,T2T3為膨脹前

24、后氣體的溫度差。三、空氣的液化循環n目前空氣液化循環主要有兩種類型:以節流為基礎的液化循環;以等熵膨脹與節流相結合的液化循環。n1.以節流膨膿為基礎的循環n節流膨脹循環,由德國的林德首先研究成功,故亦稱簡單林德循環。n如前所述,節流的溫降很小,制冷量也很少,所以在室溫下通過節流膨脹不可能使空氣液化,必須在接近液化溫度的低溫下節流才有可能液化。n因此,以節流為基礎的液化循環,必須使空氣預冷,常采用逆流換熱器,回收冷量預冷空氣。n2.以等熵膨脹與節流相結合的液化循環n林德循環是以節流膨脹為基礎的液化循環,其溫降小,制冷量少,液化系數及制冷系數,而且節流過程的不可逆損失很大并無法回收。而采用等熵膨脹

25、,氣體工質對外做功,能夠有效地提高循環的經濟性。n(1)克勞特循環 1902年,克勞特提出了膨脹機膨脹與節流相結合的液化循環稱之為克勞特循環,其流程及在T-S圖中的表示見圖10。n(2)卡皮查循環 n該循環是一種低壓帶澎脹機的液化循環,由于節流前的壓力低, 節流效應很小,等焓節流制冷量也很小,所以這種循環可認為是以等熵膨脹為主導的液化循環,此液化循環是在高效離心透平式膨脹機問世后,1937年原蘇聯院士卡皮查提出的,因此稱為卡皮查循環。其流程示意圖及在T-S圖中的表示見圖11。n通?？ㄆげ檠h的高效透平膨脹機制冷量占總制冷量的80%9o%,而且應用高效換熱器減少了傳熱過程中的不可逆損失。但由于壓

26、力只有0.50.6MPa,所以循環的液化系數不超過5.8%。n由于卡皮查循環在低壓下運行,運行安全可靠、流程簡單、單位能耗低,已在現代大、中型空分裝置中得到廣泛地應用。第四節 空氣的分離n空氣分離的基本原理是利用低溫精餾法,將空氣冷凝成液體,然后按各組分蒸發溫度的不同將空氣分離。n空氣的精餾根據所需的產品不同,通常有單級精餾和雙級精餾,兩者的區別在于:單級精餾以僅分離出空氣中的某一組分(氧或氮)為目的;而雙級精餾以同時分離出空氣中的多個組分為目的。-、單級精餾n單級精餾塔有兩類:一類是制取高純度液氮(或氣氮);一類是制取高純度液氧(或氣 氧),如圖1.12所示。n單級精餾塔分離空氣是不完善的,

27、不能同時獲得純氧和純氮,只有在少數情況下使用。為了彌補單級精餾塔的不足,便產生了雙級精餾塔。二、雙級精餾n雙級精餾塔如圖13所示,雙級精餾塔由下塔、上塔和上、下塔之間的冷凝蒸發器組成。三、空分塔的種類n目前工業上用的空分塔主要有板式塔和填料塔兩大類。n在板式塔中有篩板塔和泡罩塔之分。n在填料塔中又有散裝填料和規整填料。下面對它們的結構和特點做一簡要介紹。1.篩板塔n篩板塔是空分裝置中最常用的一種塔。n篩板塔主要由塔體和一定數量的篩孔塔板組成2.泡罩塔n泡罩塔是由很多構造相同的泡罩塔板組成的。泡罩由罩帽、升氣管、支撐板等組成。泡罩塔板 n泡罩塔與篩板塔相比有下列特點。n變負荷的適應性較強,在減少

28、蒸氣量和短期停車時,不易發生塔板上液體的泄漏。穩定性要求較高的塔段,采用泡罩塔與篩孔板間隔設置的方案比較好。n泡罩塔板水平度的要求比篩板塔可適當降低。n泡罩板壓力降大,結構復雜,造價高。在設計工況下的塔板效率不如篩板塔,同時在停車時還容易發生爆炸,使它的使用受限。n由于泡罩塔板上蒸氣流道較大,不易被CO2等固體顆粒堵塞,所以在空分裝置下塔的最下面一塊塔板通常采用泡罩塔板,用于洗滌空氣中的固體雜質。3.填料塔n填料塔內裝有一定高度的填料,液體自塔頂經噴淋裝置噴淋下來,均勻地沿著填料的表面自上而下地流動,氣體自塔底沿著填料的空隙均勻上升。氣液兩相間的熱量和質量交換是借助于在填料表面上形成的較薄的液

29、膜表面進行的。n根據上升蒸氣速度和噴淋液體強度的不同塔內流動工況基本可分為下列5種工況n(1)穩流工況n(2)中間工況n(3)湍流工況n(4)乳化工況n(5)液泛工況填料塔的特點在于:n結構簡單,造價低,安裝檢修方便,特別適用于小直徑的精餾塔;n流體流動阻力較小;n隨著裝置容量的增加,填料塔徑增加,這樣容易產生氣液分配不均勻,使傳質效率降低。4.規整填料塔n填料塔傳質效果的好壞與填料的結構形式有很大關系。過去所用的填料主要是散裝環填料(如拉西環等)。這種填料笨重,傳質效果差,現已很少使用。目前在空分裝置中使用較多的為規整金屬波紋填料。n規整填料片以網絡狀接觸,氣液的流道是完全對稱均-的,因此氣

30、液兩相流動的分布質量好、效率高。n規整填料的網絡接觸,使得裝填后的規整填料具有很高的強度,制造規整填料所用板材的厚度只裝填料的1/21/3,而且加工制造相對簡單,所以規整填料比相近規格(指比表面積)的散裝填料要便宜得多。優點四、空分塔中稀有氣體的分布n氖、氦、氪、氙和氧、氮的沸點不同,它們在空氣中的數量不同,因此在空分塔中它們集的部位也不同。圖16表示出了雙級精餾塔內稀有氣體匯集的部位。五、純氬的制取n圖17是氬提取裝置的示意圖n從上塔浪化空氣進料口之下適當部位抽出氬餾分,壹餾分中氮組分0.1%以下,氬組分8%1o%以上,余者為氧,引人粗氬塔精餾后得95%左右的粗氬。粗氬經熱交換器升溫后加人氫

31、氣,使殘留的氧氣在催化反應爐內生成水分,冷卻干燥后在精氬塔中精餾,得99.99%以上的純氬。也有的流程是粗氬在低溫下(液氧溫度）用分子篩吸附去除氧、氮,得99.99%的純氬。全精餾無氫制氬n全精餾無氫制氬指粗氬塔和精氬塔全部采用規整填料塔,在低溫下精餾直接獲得精氬。n全精餾無氫制氬技術,取消了加氫催化脫氧設備和制氫設備,簡化了流程，節省了廠房投資和運行費用,節約了制氫能耗。同時,氬提取率大大提高,可達65%-84%。第五節 空分流程n我國的空分裝置經歷了五代的發展n空分流程從原理來看,都包括空氣的壓縮、凈化、熱交換、制冷、精餾等過程,有包括氬和其他稀有氣體的提取過程。流程的主要區別在于各過程所

32、用的設備不同,操作條件不同,所生產的氧產品的量和壓力不同。二、空分流程的演變n1、鋁帶蓄冷器凍結高低壓空分流程n主要由空氣過濾壓縮、CO2堿洗、氨預冷、膨脹制冷、換熱精餾等系統組成。n缺點如下。n流程復雜。n蓄冷器的自清除問題沒有得到妥善解決,氧氣(或氮氣)和空氣的傳質和傳熱雖按時間間隔錯開,但卻在同一腔內進行,使產品的純度受到較大污染。n膨脹機為沖動式固定噴嘴的結構形式,效率較低,只有60%n氧提取率低,一般只有83.3% 。n能耗高,設計值為0.66kWVm3O2,而實際運行值高達0.70.9kWVm3O2。2、石頭蓄冷凍結全低壓空分流程n隨著透平膨脹機技術的開發、蛇管式石頭蓄冷器的出現及

33、其自清除技術的改進等,1969年出現了石頭蓄冷器凍結全低壓空分流程。n該流程大為簡化,主要由空氣過濾空氣預冷、膨脹制冷、換熱精餾等系統組成。 n缺點如下。n石頭蓄冷器中的石頭填料單位體積所具有的比表面積只有鋁帶的1/5,而密度卻遠比鋁帶大。n由于采用中間抽氣法來保證蓄冷器的不凍結性,因而設置了相應所需的抽氣閥箱和CO2吸附器,使冷箱內設備及配管復雜化。n膨脹機采用的固定噴嘴,只能依靠調節壓力來調節氣量,因而膨脹量調節范圍較小。n冷凝蒸發器為長列管式,管子數目仍然較多,體積大,制造難。n3、切換式換熱器凍結全低壓空分流程n4、常溫分子篩凈化全低壓空分流程n5、常溫分子篩凈化增壓膨脹空分流程n6、

34、常溫分子篩凈化規整填料精餾空分流程n7、外壓縮與內壓縮流程空分流程框圖空分流程框圖空壓機空壓機預冷系統預冷系統純化系統純化系統熱交換器熱交換器精餾系統精餾系統氧氮產品氧氮產品膨脹機膨脹機增壓機增壓機貯存系統貯存系統二、空分流程空分工藝流程圖空分工藝流程圖蒸汽蒸汽空冷塔空冷塔膨脹機膨脹機汽輪機汽輪機過冷器過冷器上塔上塔增效塔增效塔 主冷主冷壓力氮氣去壓縮機壓力氮氣去壓縮機分子篩分子篩高壓氧氣高壓氧氣污氮氣去水冷塔污氮氣去水冷塔粗氬氣粗氬氣污氮氣去分子篩污氮氣去分子篩水冷塔水冷塔水冷塔水冷塔液氧泵液氧泵冷卻水冷卻水增壓機增壓機下塔下塔氮氮 氣氣空分工藝流程空分工藝流程空分裝置為分子篩凈化空氣、空氣

35、增壓、膨脹空氣進下塔、液氧內壓縮流程，空分裝置為分子篩凈化空氣、空氣增壓、膨脹空氣進下塔、液氧內壓縮流程，帶中壓空氣增壓透平膨脹機，采用規整填料上塔、增效氬塔工藝；帶中壓空氣增壓透平膨脹機，采用規整填料上塔、增效氬塔工藝；原料空氣自吸入口吸入，經自潔式空氣過濾器除去灰塵及其它機械雜質。過濾原料空氣自吸入口吸入，經自潔式空氣過濾器除去灰塵及其它機械雜質。過濾后的空氣進入離心式空壓機，經原料空氣壓縮機壓縮后進入空氣冷卻塔冷卻。后的空氣進入離心式空壓機，經原料空氣壓縮機壓縮后進入空氣冷卻塔冷卻。冷卻水為經水冷塔冷卻后的低溫水?？諝庾韵露洗┻^空氣冷卻塔，在冷卻的冷卻水為經水冷塔冷卻后的低溫水?？諝庾?/p>

36、下而上穿過空氣冷卻塔，在冷卻的同時，又得到清洗；同時，又得到清洗；經空冷塔冷卻后的空氣進入切換使用的分子篩純化器，空氣中的二氧化碳、碳經空冷塔冷卻后的空氣進入切換使用的分子篩純化器，空氣中的二氧化碳、碳氫化合物和水分被吸附。分子篩純化器為兩只切換使用，其中一只工作時，另氫化合物和水分被吸附。分子篩純化器為兩只切換使用，其中一只工作時，另一只再生。純化器的使用周期約為一只再生。純化器的使用周期約為240240分鐘，定時自動切換；凈化后的空氣分分鐘，定時自動切換；凈化后的空氣分為兩股：一股進入低壓板式換熱器，與為兩股：一股進入低壓板式換熱器，與空分工藝流程空分工藝流程返流的氣體換熱后出換熱器底部后

37、進入下塔，另一股去空氣增壓機；返流的氣體換熱后出換熱器底部后進入下塔，另一股去空氣增壓機；進入空氣增壓機的空氣經增壓機第一段增壓后分為兩股：一股直接出進入空氣增壓機的空氣經增壓機第一段增壓后分為兩股：一股直接出增壓機，經后過冷器冷卻后進入膨脹機的增壓風機中增壓，然后被冷增壓機，經后過冷器冷卻后進入膨脹機的增壓風機中增壓，然后被冷卻器冷卻至常溫后進入高壓板式換熱器，再從高壓板式換熱器中部抽卻器冷卻至常溫后進入高壓板式換熱器，再從高壓板式換熱器中部抽出進入膨脹機去膨脹。膨脹后的空氣進入送入下塔；出進入膨脹機去膨脹。膨脹后的空氣進入送入下塔；另一股空氣在增壓機的第二段繼續增壓并經后過冷器冷卻至常溫后

38、進另一股空氣在增壓機的第二段繼續增壓并經后過冷器冷卻至常溫后進入高壓板式換熱器，與高壓液氧及返流污氮氣體換熱。這部分高壓空入高壓板式換熱器，與高壓液氧及返流污氮氣體換熱。這部分高壓空氣從換熱器底部抽出經節流進入下塔；氣從換熱器底部抽出經節流進入下塔；空氣經下塔初步精餾后，獲得液空和污液氮，并經過冷器過冷后節流空氣經下塔初步精餾后，獲得液空和污液氮，并經過冷器過冷后節流進入上塔。經上塔進一步精餾后，在上塔底部獲得液氧，并經液氧泵進入上塔。經上塔進一步精餾后，在上塔底部獲得液氧，并經液氧泵空分工藝流程空分工藝流程壓縮后進入高壓板式換熱器，復熱后出冷箱，進入氧氣管壓縮后進入高壓板式換熱器，復熱后出冷

39、箱，進入氧氣管網。另抽取液氧送入液氧貯存系統；網。另抽取液氧送入液氧貯存系統；在下塔頂部獲得純液氮，送入液氮貯存系統；在下塔頂部獲得純液氮，送入液氮貯存系統；在下塔頂部抽取壓力氮氣，經低壓板式換熱器復熱后出冷在下塔頂部抽取壓力氮氣，經低壓板式換熱器復熱后出冷箱，進入氮氣管網；箱，進入氮氣管網；從上塔中部抽取一定量的氬餾份送入增效粗氬塔，氬餾份從上塔中部抽取一定量的氬餾份送入增效粗氬塔，氬餾份經增效粗氬塔精餾后得到粗氬氣。粗氬氣經過低壓板式換經增效粗氬塔精餾后得到粗氬氣。粗氬氣經過低壓板式換熱器復熱后出冷箱，可以與污氮氣匯合去水冷塔也可以單熱器復熱后出冷箱，可以與污氮氣匯合去水冷塔也可以單獨作為

40、粗氬氣產品；獨作為粗氬氣產品；空分工藝流程空分工藝流程從上塔頂部抽取低壓純氮氣經過冷器、低壓板式換熱從上塔頂部抽取低壓純氮氣經過冷器、低壓板式換熱器復熱后送入水冷塔或送入用戶管網；器復熱后送入水冷塔或送入用戶管網；從上塔上部引出污氮氣經過冷器、低壓板式換熱器和從上塔上部引出污氮氣經過冷器、低壓板式換熱器和高壓板式換熱器復熱出冷箱后分成兩部分：一部分進高壓板式換熱器復熱出冷箱后分成兩部分：一部分進入分子篩系統的蒸汽加熱器，作為分子篩再生氣體，入分子篩系統的蒸汽加熱器，作為分子篩再生氣體，其余污氮氣去水冷塔。其余污氮氣去水冷塔。自潔式空氣過濾器自潔式空氣過濾器n空氣過濾器空氣中含有大量的塵埃，空壓

41、機在長時間的高速運行中，粉塵會造成機器內部的葉輪、葉片等部件的磨損、腐蝕和結垢，縮短機器的使用壽命，因此設置空氣過濾器，清除掉空氣中的灰塵及雜質。自潔式空氣過濾器自潔式空氣過濾器作用：清除原料空氣中的機械雜質、灰塵。作用：清除原料空氣中的機械雜質、灰塵。結構：由高效過濾筒、文氏管、自潔專用噴頭、反吹系結構：由高效過濾筒、文氏管、自潔專用噴頭、反吹系統、控制系統、凈氣室出風口、柜架等組成。統、控制系統、凈氣室出風口、柜架等組成。原理：在吸氣負壓作用下，空氣穿過高效過濾筒，粉塵原理：在吸氣負壓作用下，空氣穿過高效過濾筒，粉塵由于重力、靜電和接觸被阻留，凈化空氣進入凈氣室。由于重力、靜電和接觸被阻留

42、，凈化空氣進入凈氣室?？蓪Υ笥诳蓪Υ笥?UM1UM以上的灰塵過濾效率達以上的灰塵過濾效率達99.9%99.9%，濾筒上的，濾筒上的灰塵通過專用噴頭吹除達到清除?；覊m通過專用噴頭吹除達到清除?？諌簷C組空壓機組n空氣壓縮機空氣壓縮機原料空氣壓縮機和增壓空氣壓縮機原料空氣壓縮機和增壓空氣壓縮機 作用：為提供帶壓原料空氣作用：為提供帶壓原料空氣結構：成套進口德國曼透平公司的產結構：成套進口德國曼透平公司的產品，由汽輪機拖動兩臺離心式壓品，由汽輪機拖動兩臺離心式壓縮機縮機原料空壓機排氣量：原料空壓機排氣量：251000Nm251000Nm3 3/h, /h, 0.595MPa(A)0.595MPa(A)

43、 1 10Nm0Nm3 3/h/h進入低壓換熱器進入低壓換熱器增壓機增壓機 流量流量 壓力壓力一段：一段：25000Nm25000Nm3 3/h,2/h,2. .MPa(G)MPa(G)二段：二段：83000Nm83000Nm3 3/h,/h,. .MPa(G) MPa(G) 空壓機組空壓機組空壓機組空壓機組離心式壓縮機是利用裝于軸上帶有工作輪的葉片在原動機的帶動下做離心式壓縮機是利用裝于軸上帶有工作輪的葉片在原動機的帶動下做高速旋轉運動，葉輪對氣體做功，使氣體獲得動能，然后氣體在擴壓高速旋轉運動，葉輪對氣體做功，使氣體獲得動能，然后氣體在擴壓器中速度下降，動能轉變為靜壓能，壓力得到進一步提高

44、的過程。器中速度下降，動能轉變為靜壓能，壓力得到進一步提高的過程。汽輪機的工作原理：利用高溫高壓蒸氣進入噴嘴靜葉柵中蒸氣內能減汽輪機的工作原理：利用高溫高壓蒸氣進入噴嘴靜葉柵中蒸氣內能減少，動能增加，獲得了很大的流速，蒸氣的溫度壓力下降，高速氣流少，動能增加，獲得了很大的流速，蒸氣的溫度壓力下降，高速氣流沖擊動葉片，使葉輪旋轉，蒸氣的熱能又轉化為轉子的機械能，同時沖擊動葉片，使葉輪旋轉，蒸氣的熱能又轉化為轉子的機械能，同時蒸氣的溫度壓力下降?？諝饨涀詽嵤竭^濾器過濾其中的機械雜質、灰蒸氣的溫度壓力下降。空氣經自潔式過濾器過濾其中的機械雜質、灰塵等，然后進入原料空氣壓縮機（塵等，然后進入原料空氣壓

45、縮機（MACMAC）經過四級壓縮到）經過四級壓縮到0.495MPa0.495MPa（G G），送至空氣冷卻塔冷卻。），送至空氣冷卻塔冷卻。 n來自分子篩純化器的空氣壓力來自分子篩純化器的空氣壓力0.475MPa0.475MPa（G G）溫度）溫度2020，進入循環，進入循環空壓機組空壓機組n增壓機（增壓機（BACBAC），經三級壓縮之后的空氣一部分），經三級壓縮之后的空氣一部分（25000Nm3/h25000Nm3/h、. .MPaMPa）抽出送到膨脹機的增壓）抽出送到膨脹機的增壓端，另一部分端，另一部分(83000 Nm3/h)(83000 Nm3/h)進入增壓機二段，繼續壓進入增壓機二段，繼續壓縮至縮至7.3MPa7.3MPa（G G）在高壓板式換熱器與返流介質換熱后）在高壓板式換熱器與返流介質換熱后進入下塔。進入下塔?？諝忸A冷系統空氣預冷系統n空冷、水冷塔空冷、水冷塔 空氣冷卻塔空氣冷卻塔 作用：用來降低進分子篩吸作用：用來降低進分子篩吸附器的空氣溫度與含水量，附器的空氣溫度與含水量，把空壓機出來的高溫氣體（把空壓機出來的高溫氣體（116 CO C2 2H H2