空分原理.docx

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空分原理

空分原理

绪论

一、空气分离的几种方法：

C2

K

C1

1、低温法：

（经典法）

先将空气→压缩→膨胀→液化

然后在精馏塔内利用氧、氮沸点的不同，用精馏方法分离

是两个过程：

液化和精馏

是深冷和精馏的统一

上塔主要是分离，下塔是液化和初步分离

特点：

产量大，纯度高

缺点：

能耗大，设备投资大

2、吸附法：

利用固体吸附剂对气体混合物种某些组分吸附能力的差异进行的。

（1）、变压吸附制氧，用pu-8型分子筛

（2）、变压吸附制氮专用分子筛

工艺特点：

优点：

方便，能耗小，投资小，只是再生时才有能量损耗

缺点：

产量小，纯度不够，易损件多

O2目前能做到8000Nm3/h，纯度95%，N299.9%

3、薄膜渗透法：

利用有机聚合膜的渗透选择性从流体混合物中使特定组分分离的方法。

主要用来制氮。

特点：

同变压吸附法基本相同，不同的是基本没有能耗。

二、学习的基本内容

1、热力学第一、第二定律、传热机理、流体力学

2、获得低温的方法

（1）相变制冷、

（2）、等熵膨胀（3）、绝热节流

3、溶液热力学基础：

拉乌尔定理、康诺瓦罗夫定理

4、低温工质的一些物性

5、液化循环

6、气体分离

三、空分的应用领域

1、钢铁，1t钢50-60Nm3O2

2、能源，城市煤气化

3、化工领域，化肥、电子、玻璃

4、造纸，Ca2ClO3

5、国防工业火箭研究、太空研究

6、机械行业焊接、切割

Ar：

不锈钢、保护气

Ke：

发光材料、灯泡绝缘玻璃

四、发展趋势

（1）大型、超大型

（2）四大启动：

煤化工、煤化工联合循环发电、液化天然气接受站、还原法炼铁（1t铁500-600Nm3O2）

煤化工：

包括煤代油：

甲醇混合燃料85%甲醇、15%汽油

煤制油：

煤直接制油C+H=CnHm代表shell炉

煤间接制油：

水煤气C+H2O=高温高压→CO+H2→德士古炉→甲醇

液化天然气接受站主要回收冷量。

（3）、二次采油：

产量下降用挤海绵的方法向油井注氮气

（4）、托卡马克装置（人造太阳），受控热核聚变

空分装置最大的是南非索萨尔的11.388万方/h

制氮装置理论上和实际上能做到18万方/h，目前国内最大的是杭氧的6万方/h，在杭州还有一个液空杭州，是独资企业，给加拿大做了一套10万方

第一章空分工艺流程的组成

压缩系统

预冷系统

一、工艺流程的组织：

过滤系统

纯化系统

分馏塔系统

压氧压氮

储存及汽化系统

Air

气体液体

氧气用户氮气用户

分馏塔系统分为：

制冷、换热、精馏；预冷系统分为氨水冷和冷气机组

仪控和电控系统贯穿整个系统。

各系统功能：

过滤系统：

防堵、防腐蚀；

压缩系统：

提高气体能量，使气体具备做功能力，熵增过程

预冷系统：

降低气体进分馏塔温度、降低能耗、提高经济性

纯化系统：

提纯，清除CO2和H2O等；

分馏塔：

气体分离；

其中制冷：

补偿冷量、冷损

换热：

热量传递、回收热量

精馏：

空气分离

1.1、空气过滤系统

（一）、过滤法：

除尘

（1）、惯性除尘装置

（2）、过滤除尘装置；利用滤料

（3）、离心力除尘装置

（4）、洗涤除尘装置

（5）、电除尘除尘装置

（二）、对除尘的要求

1µm—100µm99.9%以上的过滤掉

0.1µm—1µm之间不做要求，因为阻力太大，能耗高

100µm以上的靠自身重力就可清除

（三）、自洁式空气过滤器

特点：

1、过滤阻力小，150Pa（小型机），300—500Pa（大型机）

2、过滤效率高，比其他的高10%左右

3、使用性广，一般采用进口RK100-300高效防水过滤纸

4、耗气量小（针对反吹时），一般1-2Nm3/h，损失能量100W

5、占地面积小，可以多层布置

6、日常维护工作量小，工作时可更换滤筒

（四）、性能评定指标

1、处理空气量

2、阻力损失，最大1.5Kpa

3、过滤效率η，即1µm—100µm达到99.9%以上的过滤掉

4、滤料寿命，要求至少两年以上

（五）、系统组成

调节阀在PLC系统控制下，在空气达到一定压力后，通过节流装置即一文丘里管控制

1.2预冷系统

一、作用：

1、实现等温压缩；（主要是省功）

2、降低空气进主换热器的温度；一般来说，温差增加1度，提高2-3%能耗Δ

3、保证纯化系统的工作条件；8-15度最好

二、分类及配用情况

预冷系统一般分两类：

（1）冷气机组：

附加制冷循环；适用于小型空分，4000-4500Nm3/h等级，空气量20000-23500m3/h左右，主要受蒸发器限制

（2）氮水预冷系统：

空压机设末级冷却器

空压机不设末级冷却器（国内一般是）；热负荷大

适用于任何等级

三、设置预冷系统的优点

1、保证冷量充足意味着能耗降低

2、换热器热负荷减小意味着换热面积减小，投资减小

3、缓解纯化系统的工作压力空气温度高1度则饱和含水量增加，则分子筛量增加5%

4、温度越低，工况越稳定意味着分子筛能吸收更多的二氧化碳，若超过1ppm，则要做调整

以上四条是通用的

5、对空气进行一次洗涤空气中有SO2、NO2、NH3、HClH2SNO等，进了分子筛将引起分子筛的中毒，H2SNO之外的都可以洗涤掉

6、缓冲器起一级缓冲器的作用，在纯化系统切换时，保证空压机出口压力Pout的稳定

四、氮水预冷系统组成

1、空冷塔

2、水冷塔

3、冷水机组当氧：

氮=1：

1时，可以取消，但有时候还是保留的原因是考虑到空冷塔的使用年限引起的效能减退；为1：

1.5时，必须保留

4、水泵

扬程常温水泵的一般为65m，

冷冻水泵一般90m

五、工作原理

在水冷塔中，利用返流污氮的含水不饱和度，与循环水进行热质交换，使循环水降温。

含义：

返流污氮的相对湿度20-30%，12-15度，热质交换既有热也有质的交换，水温30度左右，所以只有在空冷塔中可能出现负温差，因为有潜、显热的交换。

空冷塔与水冷塔的工作对比：

空气水WN2水

WT

AT

热冷冷热

空冷塔水冷塔

比较如下：

空冷塔水自上而下，水温逐渐升高水冷塔相反

水量自上而下越来越大，水冷塔相反

空气温度升高，含水量下降水冷塔相反

六、结构型式：

空冷塔，水冷塔一样

喷淋式：

水洗

塔板式：

大孔径穿流塔板，阻力比较大

填料式：

散堆空冷塔只能用散堆，因为水垢的影响

规整水冷塔的水温是常温，所以都可以采用上述两种形式

填料式的特点：

流通能力大塔径可以减小，投资少

阻力小3-5Kpa，能耗少

传热传质优空冷塔几乎可以做到与水温零温差

操作弹性大，兼容性好

1.3纯化系统

一、作用

1、提纯

2、防堵针对H2OCO2防止浓缩后堵塞换热器

3、防爆针对C2H2

（目前还有防止NO，浓缩后占用换热面积，有时候可以浓缩几十公斤，降低主冷热负荷，导致空气不能完全被消化，导致减产，所以这是对分子筛赋予的新任务）

二、清除H2O、CO2、CmHn的几种方法

1、吸附法：

利用固体吸附剂对气体混合物中各组分吸附能力的差异所进行的方法。

（是共吸，是全部被吸附）

可以将氧氮比做到1：

2甚至1：

3

2、冻结法：

空气流经蓄冷器和切换板式时，把其中的水、二氧化碳冻结下来，然后被干燥的返流气体带出装置，即自清除。

（乙炔不能被冻结）

氧氮比只能做到1：

1，投资太大，目前国内仅剩100套左右

3、吸收法（碱洗法）：

NaOH+CO2=Na2CO3+H2O已经落伍，排除

三、吸附过程的基本原理

当气体与固体相接触时，在固体表面或内部将会发生容纳气体的现象，称为固体对气体的吸附，吸附现象也能在固体与液体之间发生，已被吸附的分子或原子返回到气相或液相中去的现象称为解吸或脱附。

吸附和脱附是同时进行的。

1、吸附的两种类型：

物理吸附：

靠范德瓦尔力，即分子间作用力静电作用

化学吸附靠化学键，吸附剂和吸附质的化学成分、物理性质有改变。

2、吸附过程中的几种扩散运动

吸附是一个传质过程，有物质交换，可以分为两个阶段：

外扩散

内扩散：

分为表面扩散和孔扩散。

四、对吸附剂的主要性能要求

1、多孔性物质根据比表面积，过去1g有500-600m2目前达到800-1000m2。

比表面积

越大，吸附容量越大

2、高度的选择性针对性

3、吸附容量要大指静吸附容量

4、能再生和多次使用一般寿命5-8年

5、有足够的机械强度针对切换时保证强度

6、价格便宜15000元目前

五、吸附剂的分类

1、活性炭分为植物型和矿物型一般处理水

2、硅胶低温下吸附性能比较好，机械强度不好易碎，已被淘汰

3、活性氧化铝也叫铝胶，再生温度比较低常温下对水的吸附能力稍强于分子筛，是双层床采用的原因之一

4、沸石分子筛硅铝酸盐靠黏结剂的作用黏结在一起，有球、条、叶状等，吸附能力叶、条、球，机械强度相反

有A、X、Y型

X型化学式：

Na86[（AlO2）86.（SiO2）106].Mh2O

13X静吸附容量：

28.5%水，2.5%CO2

动吸附容量是静吸附容量的50-70%

六、分子筛的共吸附

一般来将极性最强的最先被吸附

H2O>CmHn>CO2

分子筛对不饱和分子亲和力强，

炔烃>烯烃>烷烃

七、吸附过程的进行

吸附平衡：

在一定T、P下，当脱附速度和吸附速度相等时，便达到了吸附平衡。

即达到饱和。

吸附过程的进行：

传质区、平衡区，保护区

（空分吸附塔CO2出口浓度小于1ppm）

转效点：

当传质区前缘开始达到吸附器出口截面时，流体流出吸附剂层被吸附组分浓度明显增加的点。

八、吸附能力的衡量

静吸附容量：

在一定T和被吸附组分浓度下，每单位质量（体积）的吸附剂达到吸附平衡时所能吸附的最大量。

即吸附剂所能达到的最大吸附量与吸附剂量之比。

动吸附容量：

当吸附器后刚出现吸附质时，吸附器内单位质量（体积）吸附剂的平均吸附量。

也就是吸附剂到达转效点时的吸附量。

通常用转效时间来计算，即从流体开始接触吸附剂层到“转效点”的时间。

动吸附容量<静吸附容量，50-70%

九、影响动吸附容量的因素

1）、吸附过程的温度和被吸附组分的分压力。

T↑→热运动剧烈，动能大→脱附能力强→动吸附容量↓

2）、气体流速流速高，吸附剂吸附容量小

3）、吸附剂的再生完善程度

4）、吸附剂层厚度。

十、结构型式

立式单层床、双层床。

占地面积小，用与小型15000m3/h以下

卧式：

轴向、径向占地大，大型，超大

十一、再生的两种方法

1、加温再生（TSA）：

利用吸附剂高温时，吸附容量降低的原理，把加温气体通入吸附剂层，使吸附剂温度升高，被吸组分解吸。

也叫热交变再生

2、降压再生（PSA）：

再生时，降低吸附器内内力，甚至抽真空，使被吸组分的分压力降低，分子浓度减小，则吸附剂表面的分子数目也相应减小。

十二、再生温度：

再生温度是指使吸附剂吸附容量等于零时对应的温度。

目前170℃。

再生完时出口温度90℃。

再生温度/℃

200

170

150

120

冷吹温度/℃

160

130

100

80

CO2、H2O、CmHn解吸情况

效果最好

均能解吸

基本解吸

1-2%残留

能耗大

目前用

有余量可以接受

不能接受

十三、延长分子筛使用寿命几点措施：

1、分子筛床层应尽量避免受气体冲击。

所以冲泄压时分层进行，设压差联锁。

2、应避免空冷塔误操作将水带进吸附塔或改进空冷塔设计。

主要存在问题

3、空冷塔用循环水，水的PH值保证在7-8之间。

十四、分子筛纯化系统节能降耗的几点措施

1、设置预热器

2、设置蓄热器

3、蒸汽加热器代替电加热器。

电能属于有序能，品位高，热能属于无序能，品位低。

4、充分利用分子筛热容量。

1.4制冷系统

1.4.1、基本概念：

一、理想气体

两个特征：

1）不考虑分子间作用力

2）分子不占有体积

二、范德瓦尔方程

（p+a/v2）（v-b）=RT实际气体a/v2——分子间内压力b—分子体积

范德瓦尔等温线P

1个点：

临界点c

2条线饱和蒸汽线饱和液体线

3个区域：

液相域、气液两相区，气相区气体区

5种状态：

过冷液体、饱和液体、c

气液混合物、过热气体、饱和气体

液体区

饱和液体线

饱和气体线

气液两相区V

超临界：

温度、压力在临界温度、压力以上

即是气体具有液体的性质，典型特征是密度相等

三、温度范围的介定

环境约-15℃空调专业

-15℃——-153℃（120K）普冷相变制冷

120K——0.3K低温（深冷）节流膨胀

0.3K以下超低温磁制冷（低温工质相变）

1.4.2获得低温的方法

一、低温技术中（120K—1K）：

绝热节流，等熵膨胀

4He减压蒸发

绝热放气：

相当于分子筛泄压

1K以下：

氦稀释

绝热退磁包括前一种用于太空环境模拟。

3He减压蒸发、3He绝热压缩适用于超导

二、制冷技术中

相变制冷（NH3，氟里昂的气化，干冰升华，液体汽化，固体升华）吸热过程

涡流制冷，产生涡运动，分离为冷热两种流体

温差电制冷，热电效应。

适用潜水艇

三、相变制冷量

q0=r（潜热）=h2（气相焓）-h1（液相焓）=T（s2-s1）即气相熵-液相熵

一般说，沸点低，饱和压力低的潜热高

1.4.3绝热节流

一、节流：

流体在流动时，由于流动受到局部阻力而造成压力有较大降落的过程。

称为节流过程。

主要有阀门，变径管、孔板等，

1、由于流动速度快，来不及换热，可理解为绝热过程

2、由于摩擦损耗，熵增过程，不可逆过程

3、节流前后焓值相等。

二、实际气体的节流

1、理想气体的节流（前后温度不变）：

1）、h=φ（T）焓值是温度的函数

2）、ah=0微分节流效应

2、实际气体焓值是温度和压力的函数，所以节流前后，温度一般要发生变化。

三种可能：

温度上升，不变、降低

三、微分节流效应

单位压力降引起的压力变化

h=U+Pv

du=-d（pv）

du=duk+dup=-d（pv）

duk=-dup-d（pv）duk——内动能dup———内势能

四、转化温度与转化曲线

T

Tinv制热区

制冷区

温度不变

Pmax—最大转化压力

P

Air、N2、O2——由于其临界温度比较高—制冷

H2、Ne、H2——临界温度低——制热T21

分子量大临界温度高，反之一样

五、等温节流效应ΔT

复热：

节流后的气体在等压下吸热，

所能吸收热的效应。

3

如图：

1-2等温压缩

2-3节流前后焓值不变

3-1等压复热

等温节流效应的实质：

1）等温压缩时获得

2）、、节流元件中释放S

3）、复热中体现

-ΔHT只降温不制冷等温压缩过程是一个焓降的过程

绝热压缩P↑→T↑→V↓→W↑

等温压缩P↑→U=UK+UP→T=常数→UK=常数→h↓

六、影响节流降温的因素

1）节流前温度T前↓→T后↓

2）节流前压力P↑→ΔHT↑

1.4.4等熵膨胀

一、微分等熵效应

αs=

二、理想气体的膨胀过程温差

ΔTs=T2-T1=T1[（P2/P1）（K-1）/K-1]

T1——膨胀前温度→高温高焓降

P1/P2——膨胀比越大→温降越明显→增压透平膨胀机

三、膨胀制冷量

qos=-ΔhT+We

-ΔhT———等温节流效应——喷嘴中获得TP2P1

We——膨胀功——叶轮中获得

1-2等温压缩21

2-3等熵膨胀

3-1等压复热

3

S

P1

四、绝热效率T1P2

Δht=h1-h2t（理想绝热）h

Δh=h2-h1（实际膨胀）T2

hp=（绝热效率）=Δh/Δht

=（h1-h2）/（h1-h2t）h2

绝热效率：

实际膨胀过程偏离理想

膨胀过程的程度

一般0.82h1

国内最好0.85-0.86

过外0.88-0.92焓熵图s

五、影响膨胀机制冷量大小的因素

1）、膨胀量

2）、机前初温3）机前压力4）膨胀后压力5）绝热效率

膨胀机制冷量：

Q0=qmhsηs

qm——质量流量hs——理想焓值ηs——绝热效率

六、绝热节流和等熵膨胀的比较如图：

P1P2

T-S比较温降和制冷量T

温降节流：

ΔTh=T1-T2T110

膨胀：

ΔTs=T1-T3ΔTs2ΔTh

ΔT实际=T1-T434T2

制冷量：

qos=-ΔhT+We

节流：

-ΔhT就是0-2-b-c

膨胀：

0-3-a-c（理想）adbc

0-4-d-c（实际）S

文字比较：

节流元件

膨胀机

结构简单，便于调节

结构复杂

可工作在气液两相区

不能大量带液

制冷量小

制冷量大，但实际膨胀过程偏离

初温越低，差别越小，节流越有优势

理想膨胀过程温降、制冷量需打一折扣

机前温度不能太低影响效率

七、透平膨胀机的调节

Q0=qmhsηs

调qm——量调节（膨胀量的大小）hs—质调节（膨胀空气所具有的品质）：

统称节流调节（机前、机后），通过改变膨胀机进出口参数（P、T）

机前调节：

效率下降太快

机后调节：

主要内压缩流程。

量调节：

1）多机组：

大小一样或一大一小皆可

2）改变喷嘴的结构：

a、部分进气比较常见

b、转动喷嘴最多，可以改变流道面积还可以无级调速，缺点是损失比较大

c、移动喷嘴不常用也是损失大

d、改变叶轮高度（原苏联，现基本不用）

绝热效率调节：

改变制动功率

a、风机制动

b、增压机制动

c、电机制动量调节使用效果好

d、油制动

前两种是质调节，常用，核心是改变转速

1.5换热系统

1.5.1基本概念

一、热量传递的三种基本形式

1、导热：

当物体内有温度差或两个不同温度的物体接触时，在物体各部分之间不发生相对位移的情况下，物质微粒的热运动传递热量的过程。

导热可以发生在一个或多个物体之间，只要有温差存在就可以由高温传向低温物体，即只要有能量差值，就能产生动力。

气体之间：

热运动液固：

分子不规则碰撞固体：

自由电子

q0=λ（FΔt）/L

q0：

热流密度

λ：

导热系数

F：

传热面积

L：

传热距离

Δt：

温差

2、对流：

流体中，温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热传递过程。

分为：

1）有相变：

a、沸腾（如液氧蒸发）；b、冷凝（如N2）

2）无相变：

a、自然对流：

流体中的密度差

b、受迫对流：

外界做功

Q=αFΔt

α：

放热系数

影响α的几个因素：

1）流体的流动状态

2）流速

3）放热面形状

4）流体有无相变

5）流体物性

（层流：

流体在管内流动，流束之间互不干扰，流速曲线是抛物线。

紊流：

当流速很大时，流束被破坏，流速抛物线是梯形。

紊流的换热系数大于层流换热系数）

几种对流换热的放热系数范围[w/（m2.K）]：

水蒸汽冷凝：

4652-17445

水加热或冷却：

233-1163

水沸腾：

582-52335（压力的变化）

氮冷凝：

1977-2326

氧沸腾：

1397-2093

空气加热或冷却：

10-115

3、热辐射：

物体通过电磁波传递热量的过程称为辐射。

由于热的原因，物体的内能转化成电磁波的能量而进行的辐射过程称为热辐射。

在空分中主要体现在储槽中。

因为热辐射是真空中热量的唯一传递过程。

δα

tf1Ⅰ（热）Ⅱ（冷）

二、实际传热过程α2

定义：

热流体对流热侧壁面热冷

热传导对流流tw1流

冷侧壁面tw2

体体

冷流体

α1tf2

δ

Q=KFΔt=KF（tf1-tf2）

Q1=Q2=Q3Q1=α1F（tf1-tw1）

Q2=λ/ΔF（tw1-tw2）tw1-tw2=Q2δ/δF（2-1）

Q3=α2F（tw2-tf2）tw2-tf2=Q/α2F（3-1）　

tf1-tw1=Q/α1F（1-1）计算得：

K=1/（1/α1+δ/λ+1/α2）传热系数

α1和α2越大越好→相变传热

δ/λ：

板式→材料：

λ，208（铝）384（铜）

δ：

翅片：

0.15-0.3-0.8

隔板1.1-1.2

侧板：

6

三、几种传热温差h

1、流体相对流向的分类及其温度分布：

t12

t22

（1）：

顺流t11

t11

t12t21

t21t2

（2）

顺流温度分布温差不均匀。

（2）逆流

t11

t22t12

t11t12t21

t22t21

热流体出口温度比冷流体出口温度较低，换热性比较好。

一般用这种方式

（3）叉流

t22

t11t12

t21

算术平均温差：

（只适用于冷热温差比小于1：

2）

Δtm算=[（t11-t22）+（t12-t21）]/2

对数平均温差：

第一个针对两股流，第二个针对多股流

Δtm对=（Δtm热-Δtm冷）/㏑（Δtm热/Δtm冷）

=（Δtmax-Δtmin）/㏑（Δtmax/Δtmin

积分平均温差：

适用于临界和超临界状态。

尤其在压力高，液化点适用。

MTD=∑Q/∑MTD

四、强化传热的措施

根据Q=KFΔT

（1）传热面积F：

增大F则投资成本高，不紧凑

（2）传热温差ΔT：

增大则复热不足，冷损大，膨胀功率Vpk大，氧吸取率降低，能耗增加

（3）传热系数K增大，流体流速增加，空气阻力增大，排气压力增高，能耗增加

所以只能选择一个，牺牲另两个。

五、液氧沸腾和氮气冷凝

液氧沸腾：

管间→短管式主冷→大容器消化→Δt

管内→板式

主冷换热特点：

Δt1.4-1.6K

几乎不变：

液氧蒸发压力：

自上塔+主冷液面高度

蒸气冷凝压力

浓度

6

过热蒸气

蒸气强迫对流传热

湿蒸气

5

环行液膜流

液膜强迫对流换热

4

活塞流

饱和沸腾传热

3

汽化区（汽泡流）

始沸区

2

1

液体单向流

过冷流体

饱和蒸气区

沸腾区

预热区

流动形式换热形式

1、预热段：

过冷流体（加热）饱和流体，达到饱和温度

2、沸腾段：

凹穴裂缝长链式气泡产生汽化核心小气泡生成

3、汽化段：

吸收热量小气泡大气泡

4、活塞段：

大气泡活塞状气泡

5、膜状段：

活塞团挤迫液氧

生成薄层环行液膜

换热面积最大，液层最薄则热阻最小，α最大

在饱和蒸气区为气体，α减小

沸腾区为气液混合物，板式主冷，应加强沸腾区

沸腾传热强化：

（1）L/d增大，α增大L板式长度，d水力学直径

（2）视观液面h=0.3-0.4L时，K最高，换热最好

氮气冷凝：

分类：

1）膜状冷凝，特点：

液膜覆盖通道整个表面。

α小，膜占用了换热面积

2）珠状冷凝。

不能长久保持，α大，是膜状的4-7倍，但由于不能长久保持，所以大部分采用膜状冷凝。

影响氮气膜状冷凝的因素：

（1）不凝性气体：

指He，Ne，氮气冷凝后→N2蒸气分压力↓He，Ne的分压力↑→N2必须穿过不凝性气体层才能到达液体表面→产生附加热阻，导致换热恶化。

所以设置He，N