深冷法分离空气的基本原理Word下载.docx
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下面对各个过程再做较深一层的叙述与介绍
二、空气中的机械杂质的除净
空气中的灰尘等固体微粒称为机械杂质。
这些固体微粒如不清除，会使高速旋转的空气透平压缩机和膨胀机的叶轮、导流器磨损加剧，如带到换热器中会污染换热器表面，导致传热系数下降,阻力增大。
这些会影响空气设备的正常运行。
空气中固体杂质的含量一般为0．０05~0.01克/立方米空气。
在冶金企业周围，可高达0.0５克／立方米空气,灰尘粒度在0．15毫米以下，一般在空压机吸风口设置空气过滤器来清除空气中的固体杂质。
三、空气的压缩
如前所述,深冷法分离空气,首先要使空气冷却和液化。
空气的液化过程使一种能量的转换的过程。
空气只要有足够的压力，才能通过膨胀机的节流效应产生足够的冷量,使它降到所需的温度，并从气态变成液态。
压缩空气的压力，根据用户对产品气压力的要求、设备的大小、空气流程的不同,是设计、制造与操作维护的水平来决定。
在空气分离设备的中，空气压缩机是最主要消耗电能的设备。
尽可能提高空气中氮、氧产品的提取率，减少分离的空气量减少设备的冷损，降低空气压力。
四、空气的净化
空气压缩后由于体积小，单位体积空气内能容纳的水蒸汽量也减少，所以空气被压缩时,其中所含的部分水分也将在压缩机的冷却器内冷凝析出，并在水分离器内排除掉。
大气中的二氧化碳含量为30０~400ｐpm，一般气体随压力和温度的不同,由气态、液态和固态三种，而在空气中二氧化碳只有气态和固态两种状态。
空气中的二氧化碳在一定的温度下也有一个最大的含量,叫饱和含量。
与饱和含量相对应有一个饱和分压。
如果二氧化碳的分压超过了他的饱和分压,那会有二氧化碳析出,析出二氧化碳成雪花状。
空气中的水分、乙炔和二氧化碳是在纯化器的吸附筒中被清除的。
吸附筒中装满了一种能吸附水、二氧化碳与乙炔的物质叫吸附剂,吸附剂吸附水份与二氧化碳的能力,与空气的压力、温度、空气在吸附筒内的流速、吸附剂床层高度等因素有关，空气的压力是由流程决定的，不能任意改变。
吸附温度降低,吸附剂对二氧化碳的吸附能力增加。
从能耗及投资两方面的综合考虑，一般吸附温度为1０°
C，为此，在空气压缩机末级冷却器与纯化器之间,还设置了预冷机组，其目的是将空气从４0°
C降低到10°
Ｃ，并除去空气中的大部分水份,以提高吸附剂的吸附能力。
吸附剂吸附水分和二氧化碳有一定的限度，达到了这个限度吸附就“饱和”了,必须将吸附在吸附剂中的水分及二氧化碳清除掉,才能恢复其工作能力，这叫做吸附剂的“再生”。
根据这一特性,何止了两只吸附筒及再生电加热器,两只吸附筒轮流工作，一只从空气中吸附水分与二氧化碳,另一只用加热再生气将吸附在分子筛中的水分与二氧化碳清除,随后再将分子筛吹冷至工作温度，恢复其工作能力。
两只吸附筒定期切换，电加热器则被用作吸附剂再生气的加热。
空气设备的运转周期与纯化器的工作情况密切相关,为保证空分设备的长期连续运转，要求出纯化器、进入冷箱的空气达到一丁点露点温度和二氧化碳含量。
如果进塔空气中水分和二氧化碳仍会冻结在换热器及精馏塔内,时间一长,积少成多，水分和二氧化碳积累到一定程度，就会影响设备的正常运转,必须停车加温。
五、空气的冷却与液化
在空气设备的分馏塔里除了精馏塔外,主要是各种换热器，有主换热器,冷凝蒸发器。
各种换热器的作用,都是实现冷热流体之间的热交换，主换热器的作用是使热流体（空气）冷却并部分液化。
使冷流体（产品氧、氮及废气）复热到接近常温,然后送出冷箱,以最大限度的回收冷量。
冷凝蒸发器保证了精馏塔的正常工作。
现在空分设备用铝制板翅式换热器。
这种换热器结构紧凑、体积小,重量轻,在1立方米体积内传热面积可达１500~2500平方米，且传热效率高,传热系数大。
在一个板翅式换热器中,可以组织多股冷热流体同时进行热交换。
出主换热器冷端的空气基本上处于饱和状态，随流程和最终产品的状态不同,少量或部分空气液化,全部液化是在精馏塔中实现的。
六、空气的精馏
精馏过程是利用氧、氮的沸点不同，在精馏塔的塔板上使气、液经多次部分冷凝与部分蒸发，而使空气分离为氧、氮的过程。
在每一块塔板上，提供了液体与蒸汽充分接触的条件。
而液体与蒸汽的每一次的接触，即使一个传热的过程,又是一个传质的过程。
即上升的蒸汽从下降的液体中获得冷量，使蒸汽中高沸点的组分氧冷凝成液体；
液体则被蒸发加热,使液体中低沸点组分氮蒸发变成蒸汽。
经过每一块塔板，蒸汽中的氮含量就提高一些，含氧量就变低一点，而液体的含氧量就提高一点，含氮量就减少一些。
也就是说,上升的蒸汽中的含氮量越来越高,而下降的液体中的含氧量就越来越高,经过一定数量的塔板精馏以后，在塔的上部就得到了纯氮气,在塔下部就得到富氧液空。
前面讲过,进入精馏塔的空气一般是饱和蒸汽或者有部分液化。
那么,从塔板往下流的液体是从哪里来的呢?
这就是冷凝蒸发器的作用。
冷凝蒸发器有两个通道,一个通道通的是氮气，另一个通道是富氧液空。
设计时使氮气与富氧液空有一定的温差,而且总是使氮的冷凝温度高于富氧液空的蒸发。
因此,其结果是氮气冷凝变成液体液氮，富氧液空蒸发变成饱和的蒸汽。
一部分液氮回到塔顶部作为回流液。
另一部分液氮送到液氮罐。
下部有蒸汽上升,顶部有液体下流，这是精馏塔内每一块塔板实现精馏过程的必要条件，冷凝蒸发器具有重要作用。
七冷量的生产
空分设备中的冷箱在低温下工作,与外界有很大的温差,必然会有热量侵入进去,要实现冷热体之间的热交换,在两流体之间必须有温差。
也就是说,流出冷箱的产品和抚养弃的温度总是要比流入冷箱的空气温度低。
如果生产液体产品,低温流体就要带出更多的冷量。
空分设备安装时和加温后内外各部分均处于同样的环境温度之下,而在正常工作时冷箱内的精馏塔、花惹起、管道与阀门必须达到并始终保持在各自的低温状态下,因此需要“冷量”来维持空分设备的正常运行。
空分设备的冷量，少部分靠压缩空气的高压变成低压的等温节流效应得到,大部分冷量则靠膨胀制冷的得到。
膨胀机时靠压缩空气推动叶轮高速旋转，在压缩空气消耗能量降低压力的同时，使出膨胀机的低压气体温度降低,使之低于要冷却和液化的气体温度,创造出一个从这些低温气体中取出热量的传热温差,即获得了冷量。
在高纯氮设备
在高纯氮设备中，精馏塔的液空通过节流阀送到冷凝蒸发器时,由于压力从精馏塔压力0.6MPa左右经节流阀降低到0．3MPａ左右，液空的温度也会降低，使它具备了从冷温度的物体吸收热量的能力，这是一部分非常宝贵的冷量。
可见,无乱是膨胀机制冷还是高压气体节流制冷,都与膨胀前和节流前的压力有关，工艺流程中空压机排气压力的选定就要使这两部分冷量能补偿前面所讲到各种冷量的损失。
八、冷箱与保温
空分设备中的换热器、冷凝蒸发器、精馏塔等,以及连接这些部机的管道、阀门和其内流动的各种流体,都处于不同的温度下，温度最低的地方接近~190℃，所以保温（保冷）也是空分设备一个重要课题。
保温做得好,冷量损失就低,操作压力就可以降低或者可以出更多的产品。
上述所有换热器、塔管及管道、阀门都装在冷箱内,冷箱四壁与所有容器、管道之间都有约30０～500mm的距离，用来填装保温材料——珠光砂（也叫膨胀珍珠岩）。
在保管、填装珠光砂过程中，必须注意以下问题
谨防受潮，受潮后很难处理，其保温性能也会明显下降， 使冷量损失增大
填充时要注意安全,防止工作人员不慎跌入冷箱，出现事故
空分设备投入运转后，因管道的微小震动等原因珠光砂会变实而下沉,有时甚至使顶部裸露在冷箱中,而设备顶部的温度是最低的,这就导致冷量损失，因此,在开车一段时间后,从后视镜观察顶部情况,必要时打开顶部入孔，补充珠光砂致装满。
防止潮湿空气侵入冷箱使珠光砂受潮。
大家知道，温度与压力是有对应关系的，冷箱内的体积是一定的,当冷箱内的温度降低时，压力也随之降低到大气压以下。
外界的湿空气就会因为出现了压差而侵入冷箱,使珠光砂逐步受潮。
为避免这个问题，冷箱采用密封结构,并向冷箱内充入干燥的富氧气，使冷箱内部在任何时候都保持正压，杜绝外界湿空气侵入的可能性，操作时要注意冷箱充气阀的开度，如设备停车扒珠光砂时，必须先关闭充气阀,并稍打开入孔将箱内压力放掉，然后再扒珠光砂。
九、检测与控制
空分设备各部机分别有流量、温度、压力、液位、纯度等要求,操作人员就是根据这些参数的设计要求与实际指标值的差别，来进行调整和操作的。
空压机、预冷机等运行参数与它们的调节控制比较直观，使看得见，摸得着的。
而冷箱内各种参数的变化与控制,就只能靠仪表指示和操作人员的判断。
这就要求这些仪表的可靠准确，平时要认真维护保养,使用时要正确操作。
KDN～2400/80Y型高纯氮设备
主要技术参数
1.１加工空气量
气量：
65０0Ｎm^3/ｈ
压力：
0.6ＭPa
温度:
10°
C～15℃
１.2产品产量、纯度及压力（出高纯氮设备冷箱）
氮气产量:
2４00Ｎm^3／h
液氮产量:
８0Ｌ／h
纯度:
≤３ppm^
露点：
≤~70℃
1.3仪表气及轴承、密封气
仪表气压力:
0.5MＰａ
轴承气压力:
０.5Mｐa
密封气压力:
０.25～0.３MPa
注：
１.标准状态（N）系指0℃，0.10１3ＭPa（760mmＨg）时状态
2.压力单位MPa表示兆帕,无注明时压力均指表压
二、技术经济指标
2．1电耗
空压机 710kW
预冷机组 4４kW
纯化器电加热器 8６kＷ
仪表系统 １ ｋＷ
总电耗 ~84ｋW
冷却水耗量
运转周期≥２年
装置加温解冻时间 ~24小时
装置启动时间（启动膨胀机到纯度达到要求）～12小时
三、流程简述
空气经过滤器除去绝大部分灰尘等机械杂质，经压缩和冷却，压力提高到～0.6MPa，压缩空气在末级冷却器中北冷却到～40℃左右
随后,压缩空气进入预冷机组,在氟利昂蒸发器中北冷却到５～８℃，空气中的含水量也从～40℃时的饱和含水量降低到5～8℃时的饱和含水量,绝大部分水蒸气被冷凝析出，在水分离器中排放掉。
冷却水后的压缩空气进入分子筛纯化器,空气中的剩余水蒸气及二氧化碳被吸附筒里的１3Ｘ分子筛吸附
经过彻底清除水分与二氧化碳的压缩空气大部分进入分馏塔，少部分作为整个系统的仪表气和膨胀机的轴承气,已经在冷箱加温时的加温气源。
在主换热器E1中，空气与返流的富氧气、产品氮气换热,被冷却到液化温度,然后进入分馏塔的底部作为上升气流进行分离，上升气与下降液体在每块塔板上进行热质交换，最后在精馏塔顶部得到纯氮气,精馏塔底部得到富氧液空,一部分富氧液空自精馏塔底部抽出后经V503阀节流后送至冷凝蒸发器K5０1，与冷凝蒸发氮通道中纯氮气进行热交换，由于氮气与富氧液空的压力不同,饱和温度也不同，因而使富氧液空汽化,纯氮气冷凝成液氮,液氮一部分作为精馏塔的回流液继续参加精馏，另一部分抽出进入液氮计量器罐作为液体产品。
从塔顶抽出的纯氮气一部分进入冷凝蒸发器被液化成液氮,另一部分出氮气与冷凝蒸发器顶箱的富氧空气一起作为返流气体，通过主换热器E1，E2回收冷量，复热到常温后送出冷箱。
出冷箱后的纯氮气即可作为产品送往用气点,富氧空气中的一部分被送往纯化器作为再生气即可作为产品送往用气点,富氧空气中的一部分被送往纯化器作为再生气，一小部分作为空分装置的密封气充进入冷箱,使冷箱内保持一定的正压，以免外界大气侵入保冷箱而使冷箱中的绝热材料受潮,降低保温效果。
多余部分富氧空气则放空。
四、配套机组、设备和系统的组成
本成套高纯氮设备主要由以下一些配套机组、设备和系统组成:
离心式空气压缩机
型号:
ＺH700０-6-７型
型式:
整体撬装式
排气量:
≥6５00Nm^3／h
排气压力:
≥0.６ＭPa
排气温度：
≤40℃
空气预冷机组
BAYL-6500W／８型
整体撬装式
处理空气量:
6500Nm＾3/h
工作压力：
~0.6ＭPa
空气出预冷器温度：
5~8℃
主要设备：
制冷压缩机:
1台
冷发起：
1只
冷凝器:
1只
水分离器：
1只
仪表电气控制箱：
1只
纯化器
型号：
HXK-6５00／8型
厂内制作完毕,现场安装
６５00Nm^3/h
工作压力:
~0.６MPa
空气进口温度：
～10℃
空气出口温度：
~15℃
纯化后空气中CO2含量：
≤1pｐm
露点:
﹤-7０℃
切换周期：
6小时
加热再生气进纯化器温度：
～２0０℃
再生用富氧气耗量:
~21０0Nm^３／h
每只纯化器填装13X分子筛量：
22４7ｋｇ
每只纯化器装填活性氧化铝量:
６00kg
电加热器功率：
16８kｗ
主要设备
分子筛吸附器：
2台
电加热器 1台
管道过滤器 １台
管道、阀门:
1套
纯化器控制柜：
1只
分馏塔
FＮ-2400/Y型
加工空气量:
~５９0０Nm^３／h
氮气产量：
2400Nm^3/h
80L／h
≤3ppmO
≤－7０℃
出冷箱压力 ≥0.４5MＰa
主要设备:
主换热器:
1组
精馏塔：
1台
冷凝蒸发器：
1台
透平膨胀机:
２台
仪表空气系统 1套
仪表空气过滤器:
1只
KDＮ-200／80Y型高纯氮设备的操作
概述
成套空分设备的运行有以下两个阶段：
各单位的调试,即成套设备的联动运行前的试验、调整、吹除
成套设备的启动和投入正常运行
二、单机调试钱的准备与检查工作
在本装置中,空压机要单独进行试车，预冷机组与纯化器可在空压机调试完成后,与空压机一起进行试车，透平膨胀则必须与分馏塔一起进行试车,到分馏塔与膨胀机投入运行时,实际就是装置的联动试车
在进行单机调试前,必须检查和完成以下工作:
认真检查各接管及阀门的安装位置是否正确无误，管道、阀门的支架是否牢固可靠,气体排放口、冷凝水吹除的位置是否合理；
所有的管路、阀门是否吹除干净;
系统已进行可气密性试验,并完全达到了规定的要求;
所有安全阀的起跳压力已调整好,并做过起跳试验和加上铅封;
仪、电气控制柜的工作已处于正常状态，所有阀门仪表已能正常工作;
需要保温的容器、阀门与管路已做好保温和防护；
备用气源必须是无油和干燥的气体;
个单机的说明书中规定的试车前应完成的各项工作与要求已全部完成;
经全面检查合格后，可以按以下步骤进行试车。
三、空压机单机调试
目前是考核空压机的安装质量和性能参数（气量、排压、排温、电流等）以及机械运转情况（噪音、震动等）。
具体步骤与要求按空压机的说明书进行。
检查和彻底清扫空压机空气吸入管线，不得残存有焊渣、铁屑等杂物。
检查吸气过滤是否完好无损。
然后打开V103阀,预冷机进口法兰用盲板隔开，以防杂质进入预冷机蒸发器内。
空压机的满负荷试车按该机说明书的要求进行，并在制造场地技术人员指导下进行操作。
此时，对空压机至预冷机组之间的管路进行吹扫,进纯化器的空气阀门应关闭。
预冷机组的调试
详见《ＢAYL-6500W／8型遇冷机组使用维护说明书》
空压机单机调试已结束，空压机至预冷机组之间的管路吹扫结束
打开预冷机组冷却水的进出口阀，启动空压机
按《BAYL－６5０0W/8型遇冷机组使用维护说明书》之要求启动压缩冷凝机组
此时，可对预冷机组之纯化器管路及吸附筒进行吹扫
分子筛的填装
打开吸附筒手孔，检查吸附筒内奸是否完好,丝网与壁筒间是否有些脱焊和漏焊（要求无间隙,以防吸附剂漏入空气管道）。
拆掉吸附筒顶部空气口管，取出上过滤筒，装入活性氧化铝到指定高度并平整，连接手孔法兰，装入不锈钢丝网，从顶部装入13Ｘ分子筛至规定量，整理平
装上过滤筒，装好顶部空气出口管。
注意：
活性氧化铝和13X分子筛很容易吸水,因此，它们暴露在空气中的时间应尽可能短,为此，要在使用吸附器前再填装吸附剂,而不要提前装入。
而且,预先要做好准备，吸附剂要开一桶装一桶，中间不要停顿。
全部装好后腰管严所有阀门，并尽快开车。
上述各项工作完成后可进行吸附剂的活化，同时对分馏塔、膨胀机的部件与管路、阀门进行加温吹除
系统管道设备吹扫
空压机遇冷机组单机试车结束,纯化器活性氧化铝和分子筛填装完毕，分馏塔、膨胀机等各项准备工作全部完成,已处于可运行状态。
为缩短这一步的时间,充分利用空压机排出空气,减少电能的消耗,以下各项工作可同时进行。
但是必须注意,这时必须有专职人员进行统一指挥,必须随时关注空压机的运行工况,使空压机的排气流量和排气压力控制在正常的工作范围内。
管路吹除的原则使就近放空,不能将吹除的脏物带入后面的设备及管路中。
打开V61１阀，接通膨胀机轴承气、密封气；
打开分馏塔冷箱吹除阀门V606、V９０7,打开分馏塔加温阀门V９05,V906,打开加温气源阀V612，其余阀门全关
膨胀机轴承气、密封气管道及仪表气管路的吹扫
拆开膨胀机轴承气精过滤器的进口接头。
卸开膨胀机身上的轴承气、密封气供气管接头
启动空压机,接空压机，按说明书的要求,通过调整放空阀，使空压机排气压力逐渐达到０.６MPa
启动预冷机组，使其进入正常工作状态。
启动纯化器,将纯化器运行程序进行到第７步,使MS３01吸附,压力升至~0.6MＰa，缓慢打开V6０7阀，观察PI６05，使之维持在～0.0１２MＰa,接通电加热器电源,使MＳ302开始加温。
电加热器的工作原则是：
先通气，再通电：
先停电，再停气。
快速开—关—开V611阀门数次，吹除精过滤器前的管路，同时开—关—开精过滤器前阀门数次,吹除结束后连接好管路。
快速开—关—开精过滤器后阀门,吹除膨胀机轴承气和密封气管路。
通过控制Ｖ611阀门快速开—关—开操作数次,对整个仪表气、膨胀机气、密封气管路进行吹扫。
用干净软纸在出口检查，无脏物、水渍后，可结束吹扫。
然后接好轴承气、密封气供气管接头。
伺候,轴承气、密封气应一直保持可通状态。
吸附剂的高温再生
吸附筒正常再生时的进气温度为1８0℃~200℃,出气温度为1０0℃以上。
对于首次使用的吸附筒,适当提高再生温度,可使残留在吸附剂中的水分尽可能被脱附，以提高其吸附能力。
冷箱的吹扫
在分馏塔（冷箱）、透平膨胀机组首次投入运行前,都要进行全面的吹扫。
目的是去除管路内留存的杂质和湿空气,吹扫所用气体为出分子筛纯化器到常温干燥空气,或接分馏塔电加热器后的加温气,在吹刷的过程中每一只吹除阀均应打开吹除,一直到没有灰尘和水汽为止，如果连续三次打开吹除阀均发现有水汽吹出,则应重新加温吹除。
注意:
吹扫膨胀机管路时,膨胀机先不安装,以保护膨胀机，等吹扫完段管路后再连接膨胀机。
冷箱吹扫的原则是逐个设备、逐条管线进行吹除,不留死角，并且吹除气体只能往前,向未吹除的容器、管线推进而不要往回流动,以免已除吹好的容器、管道又被脏物污染,要视气量多少依次吹除一部分容器和管线，使吹除气体保持一定的流速,而不要全面铺开同时对所有设备管线进行吹除,以免气量太少达不到吹除的目的，反而延长吹除的时间。
拆开空气进冷箱管路法兰并加盲板，打开V606阀,吹扫空气进冷箱的外部管线,直到管口无脏物、水汽为止。
拆除盲板，连接号管路，往冷箱内送气,吹扫冷箱内设备、阀门、管道。
打开膨胀机进口阀Ｖ４０1、Ｖ４０2、膨胀机吹除阀Ｖ903、Ｖ９０4、膨胀机出口阀门V4０3、V404、旁通阀V5０5、开车旁通阀V5０８、塔底液空节流阀V503、液氮回流阀V50４、不纯氮放空阀V6０2、Ｖ603、污氮气放空阀V609,全开液空排放阀V90７，氖氦吹除阀V９16。
低温液体贮槽的全部阀门吹除，可通过V905，精馏塔，Ｖ５0６到达低温液体贮槽,汽化器。
同时逐步关小V10３阀,保持空气压力稳定直到V１03阀关闭为止。
用干燥空气吹除7～8小时左右，在吹除过程中，要逐只检查向冷箱外排气的阀门，都要有气体排出,气量也不要太大,逐个开—关—开计气管出口阀门，注意空气压力高压不要超压０.6MＰa,低压不低于0,4MＰa。
上述各吹管路吹除时,要先开放空阀,再开吹除气进口阀，以免超压。
在上述各条管线吹除结束前,要拆开各管线在冷箱上所有计气管接口出口接头,吹除各计气接管与阀门约60分钟（要快速开—关—开计气接管与阀门几次）然后接好接头,关闭该系统所有阀门。
上述吹除流路可适当组合,保证每条流路有足够的气量。
也可改变次序,只要符合“不留死角”的原则即可。
吹除结束后，关闭全部阀门
裸冷操作
打开全部计气管阀门
按空压机说明书的规定,启动空压机，通过调节Ｖ104开度，使其逐步升压到0.6MＰa
按预冷机组说明书的规定,使预冷机组投入正常运行。
纯化器投入运行。
程序步进第２步，使ＭＳ302吸附筒处于再生状态。
按膨胀机说明书的操作方法和要求
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