深冷分离制氧流程.docx

深冷分离制氧流程.docx

《深冷分离制氧流程.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《深冷分离制氧流程.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

深冷分离制氧流程

第三章深冷分离制氧流程

第一节深冷分离空分装置的发展历程

一、深冷分离工艺技术：

我国大中型空分流程已经历了：

铝带蓄冷器冻结高低压空分流程；石头蓄冷器冻结全低压空分流程、切换式换热冻结全低压空分流程、常温分子筛净化全低压空分流程，常温分子筛净化增压膨胀空分流程等5次变革。

目前正在实现常温分子筛全低压填料精馏空分流程的变革，使我国空分设备水平能跟进世界先进水平。

铝带蓄冷器冻结高低压空分流程：

1968、年前，铝带蓄冷器冻结高低压空分流程是我国大中型空分设备采用的主导流程，典型产品为3150m3/h。

这是我国第一代产品，流程组织较为复杂，主要由空气过滤压缩、高压空气压缩、二氧化碳碱洗、氨预冷、膨胀制冷、换热精馏等系统组成。

石头蓄冷冻结全低压空分流程：

随着透平膨胀机技术的开发，蛇管式石头蓄冷器的出现及其自清除技术的改进等，1968~1969年出现了石头蓄冷器冻结全低压空分流程。

典型产品为6000m3/h空分设备，这是我国第二代产品。

流程大为简化，同样主要由空气过滤压缩、空气预冷、膨胀制冷、换热精馏等系统组成。

切换式换热器冻结全低压空分流程：

随着高效板翘式换热器的研制成功和反动式透平膨胀技术的进一步发展，空分流程水平又大大向前推进了一步，出现了切换式换热器冻结全低压空分流程。

1970~1978年，我国采用该流程自行设计了1000m3/h,6000m3/h,10000m3/h。

这是我国第三代产品。

同样主要由空气过滤压缩、空气预冷、膨胀制冷、换热精馏等系统组成。

常温分子筛净化全低压空分流程

1960年分子筛吸附剂进入市场后，德国林德公司开发出了第一台分子筛吸附器，并将这种技术应用于空分设备上。

1979年后，我在引进常温分子筛净化空气设备的设计制造技术后，进过二次开发，先后设计制造了6000m3/h，10000m3/h两种容量分子筛净化空分设备。

常温分子筛净化全低压空分流程和切换式换热器冻结空分流程之根本区别在于，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的水分和二氧化碳，在冷箱内的主换热器仅起到换热作用。

这是我国的第四代产品。

常温分子筛净化增压膨胀空分流程

在寻求降低能耗的途径上，常温分子筛净化增压膨胀空分流程的出现，是空分流程技术一大进步。

它是常温分子筛净化全低压空分流程的基础上，将膨胀机的制动发电机该成了增压机。

增压机的作用是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，膨胀机前压力的提高，就增加了单位膨胀空气的制冷量，在空分设备所需一定的情况下，膨胀量就可以减少下来，总的加工空气量也就相应降低，这就是常温分子筛净化增压膨胀空分流程氧提起率能进一步提高，能耗得以下来的原因。

1986~1989年，我国成功地为吉林化肥厂研制出了采用常温分子筛净化增压膨胀空分流程的6000m3/h空分设备，这是我国的第五代产品。

常温分子筛净化全填料精馏空分流程

常温分子筛净化增压膨胀空分流程发展至今，已作为主导流程被国内外广泛采用。

但是，为了进一步提高装置效率，降低能耗，国外在常温分子筛净化增压膨胀空分流程的基础上，对其配套的单元设备部机的设计采用了“各个击破”的战略，进行了深入的研究和开发，并取得了大幅度增效减耗得整体效应。

（1）规整填料塔技术。

（2）全精馏制氩技术。

（3）膜式蒸发技术。

（4）变压解吸技术。

（5）水冷塔蒸发降温技术。

内压缩流程：

内压缩流程是最近几年新兴的空分流程。

来自主冷凝蒸发的液氧被液氧泵压缩到所需要的压力，然后再换热器中被气化和复热。

为了使加压后液氧的低温冷量能够转换成为同一质量等级（或同一低温级）的冷量，使装置实现能量（冷量）的平衡。

必须要有一股逆向流动的压缩空气在换热器中与加压后的液氧进行换热。

在始液氧气化和复热的同时，这股压缩空气则被冷却和液化，然后送入塔内参与精馏，使加压的液氧的低温冷凉被吸收后保存下来，如此循环不断，达到最经济运行的目的。

由于热动力学的原因，这股压缩空气必须在增压机中被压缩到高于液氧的压力。

在一些不同的流程中，也可以用氮气作为循环介质来吸收和转移加压液氧的低温冷量。

对高压压力氮有大量需求的工艺过程，常用以氮气作为在循环介质的内压缩流程，这样可以减少转动设备，因而可以节约投资。

利用高压氮气来使加压液氧气化复热并回收其低温冷量的缺点是：

由于氮气的冷凝温度比空气低，氮气的潜热比空气小，这就意味着为气化同样数量的加压液氧，需要被压缩的氮气量要比空气气量更多，而且，氮气的压力高于空气的压力。

由于被压缩的氮气来自冷箱，在冷箱里德氮气流路由压力损失。

因此，循环氮压机的吸入压力要低于相应的增压空气压缩机的吸入压力，这意味着氮压缩机的压缩比要大于增压增压空气压缩机的压缩比。

因此，在同样规模的内压缩流程中，氮压机的尺寸要比增压控股器压缩机的尺寸大，耗功也要高一些。

因此，在对氮产品米有特别要求的情况下，常用空气来压缩使加压液氧气化复热并回收其低温冷量。

另外，再循环氮气主要作为吸收和转移低温冷量的一种载体，而空气则不仅完成了这种功能，还与精馏有机地结合起来了，能使精馏过程更加有效。

第二节深冷分离空分流程的组成

一、制氧流程的组成：

空气压缩和预冷却系统；

分子筛吸附系统：

以去除空气中的水分、二氧化碳以及大部分碳氢化合物；

主换热器：

将加工空气冷却至露点附近，同时复热其余产品；

空气增压系统：

高压液氧的汽化提供热源；

制冷设备：

包括透平膨胀机和氨换热器；

精馏系统：

分离空气；

内压缩液氧泵：

液氮贮存：

后备系统：

（一）、空气压缩系统和预冷系统：

1、空气中固体杂质的净除：

空气经空气过滤器过滤，清除掉其中的灰尘及机械杂质。

过滤后的空气由离心式多级空气压缩机压缩到所需压力。

空气中灰尘等固体杂质的含量一般为0.005~0.02g/m3，灰尘的粒度通常在0.15mm以下。

虽然这些杂质在每立方米中的含量不大，但由于大型空分设备每小时的加工空气量都在几万甚至十几万立方米，因此，每小时带入空分设备的总量还是客观的。

一般在0.15mm以上的粒子由于重力作用会很快降落的。

目前作为固体杂质的除尘对象，其粒度在0.1~0.0001mm之间。

如果空气不经过除尘直接被空压机吸入，其中固体杂质会使空压机的气缸、叶片和阀门摩擦加剧。

固体灰尘带到冷却器中会造成换热表面污染，导致传热系数下降。

一般要求空气净除后的固体杂质含量应小于0.001g/m3。

常见除尘方法：

常见的过滤除尘装置有拉西环式过滤器，链带式过滤器、干式空气过滤器（干带传动过滤器，袋式过滤器）。

主要设备及工作原理：

空气过滤器（脉冲反吹自洁式空气过滤器）：

自洁式空气过滤器是工业发达国家上世纪70年代开发的新型设备，其最大的特点是结构简单，维护使用方便。

国内厂家生产自洁式空气过滤器仅有十几年的历史。

自洁式空气过滤器由空气滤筒、脉冲反吹系统、净气室、框架、控制系统组成。

反吹系统由气动隔膜阀、电磁阀、专用喷嘴及压缩空气管路组成。

控制系统主要由脉冲控制仪、差压变送器、控制电路等组成。

其结构如图所示。

在空气进入空压级之前清洁介质中的固体颗粒和微尘。

自洁式空气过滤器的净气室出口与空压机入口连接，在负压的作用下，从大气中吸入加工空气。

空气径过过滤滤筒，灰尘被滤料阻挡。

无数小颗粒粉尘在滤料的迎风面形成一层尘膜。

尘膜可使过滤效果有所提高，同时也使气流阻力增大。

当阻力增至高限600Pa时，由压差变送器将阻力信号传给脉冲控制仪中的电脑，电脑发出指令，直接系统开始工作。

电磁阀接到指令后，按程序控制、驱动隔膜阀，隔膜阀瞬间释放出压缩空气，其压力为600~800KPa，径喷嘴整流后，自虑筒内部反吹滤筒，将滤料表面的粉尘吹落，阻力随之下降。

当阻力达到滤料的初始阻力约150Pa时，自洁系统停止工作。

原理草图

2、空气压缩系统：

目的：

将空气压缩至工艺所需的压力。

（见压缩机工作原理。

）

3、空气预冷系统：

目的：

空分装置希望压缩空气进装置时的温度仅可能低。

以降低空气中的饱和水含量和主换热器的热负荷。

而空压机实际上部可能实现等温压缩，末级压缩后的空气温度可高达80~90℃。

因此空气在空压机后，进空分装置前，要对空气进行冷却。

尤其是对分子筛吸附进化流程，由于分子筛的吸附容量与温度有关，温度越低，吸附量越大。

空气进空分设备的温度升高将会造成：

等温节流效应下降，膨胀空气量增加，产品能耗增大；主换热器的热负荷增大，这是由于进气温度升高以及空气中水蒸气含量增加的缘故；空分设备的净化工作条件恶化，由于清除水负荷加重，吸附器工作周期短；使空分设备的工况不温度。

氮水预冷器主要有以下类型：

直接接触式氮水预冷器（关键因素是水气比）、非接触式氮水冷却器、组合式氮水预冷器。

流程描述：

压缩后的空气通过空气冷却塔直接接触洗涤并冷却，冷却水分两段注入冷却塔。

在较低段空气由循环水预冷，在较高段，冷却空气的冷冻水来自蒸发冷却塔，（并经过氨冷却器进一步冷却）。

冷却水下降过程中同时也将空气中的可溶性杂质洗涤掉。

当空气经过两个填满分子筛的吸附器时，其他的有害物质如水蒸气、CO2、N2O以及碳氢化合物被吸附掉。

吸附器再生气为来自分馏塔的污氮气，经由蒸汽加热器加热到再生所需的温度。

（1）空气冷却塔、水冷却塔

空气冷却塔的工作原理：

从压缩机出来的高温空气自下而上流动，冷却水自上而下喷淋，如图所示。

空气与水直接接触，既换热又受到了洗涤，能够清除空气中的灰尘，并将一些有腐蚀性的气体溶解于水中，例如H2S、SO2、SO3等，避免主换热器等被腐蚀，延长使用寿命。

由于空气冷却塔的容积较大，对加工空气还能起到缓冲的作用。

空气冷却塔工作原理图

水冷却塔的工作原理：

温度较高的冷却水（35℃左右），从顶部喷淋向下流动，温度较低的污氮气（27℃左右）自下而上地流动，二者直接接触，既传热又传质，是一个比较复杂的换热过程。

另一方面，由于污氮比较干燥，相对湿度只有30%左右，所以水分子能不断蒸发、扩散到污氮中去。

而水蒸汽需要吸收气化潜热，从水中带走热量，这就使得水的温度不断降低。

必须指出，污氮吸湿是使水降温的主要原因，因此污氮的相对湿度是影响冷却效果的关键，这也是为什么有可能出现冷却水出口温度低于污氮进口温度的原因。

（二）前端净化系统

1、空气中水分的清除（干燥）：

2、清除空气中的水分、二氧化碳和乙炔的方法

清除空气中的水分、二氧化碳和乙炔的方法最常用的是吸附法和冻结法（乙炔是不能冻结的）。

空气中的水分、二氧化碳和乙炔等采用吸附法清除。

吸附法就是用硅胶或分子筛等作为吸附剂，把空气中所含的水分、二氧化碳和乙炔等杂质分离出来，浓聚在吸附剂的表面上（没有化学反应），加温再生时再把它们吹走，从而达到净化的目的。

吸附过程

分子筛是人工合成的晶体铝硅酸盐，也有天然的，俗称泡沸石。

分子筛内空穴占体积的50%左右，平均每克分子筛有700～800m2的内表面积。

吸附过程产生在空穴的内部，它能把小于空穴的分子吸入孔内，把大于空穴的分子档在孔外，起到筛分分子的作用。

吸附剂存在最大的吸附能力，当吸附剂达到其最大吸附量（饱和）时，就失去了吸附能力，必须再生。

再生就是吸附的逆过程，使吸附剂恢复吸附能力。

常见的吸附剂有：

活性碳、硅胶、活性氧化铝、沸石分子筛。

沸石分子筛具有以下特点：

有极强的吸附选择性、在气体组分浓度很低的情况下具有较大的吸附能力，它的比表面达800~1000m2/g。

（TSA法）再生的方法有两种，一种是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，被吸组份解吸，然后被加温气体带出吸附器。

再生温度越高，解吸越彻底。

这种再生方法叫加温再生或热交换再生，是最常用的方法。

再生气体用于干燥氮气较好，或用空气。

（PSA法）另一种再生方法叫降压再生或压力交变再生。

再生时，降低吸附器内的压力，甚至抽成真空，使被吸附分子的分压力降