河北工业大学成人高等教育毕业论文.docx
《河北工业大学成人高等教育毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《河北工业大学成人高等教育毕业论文.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
河北工业大学成人高等教育毕业论文
河北工业大学成人高等教育
毕业设计说明书（论文）
姓名：
张军平学号：
20138519
教学管理单位：
河北工业大学伊犁函授站
专业：
化学工程与工艺
题目：
深冷法在空气分离中的应用
指导者：
评阅者：
年月日
毕业设计（论文）摘要
分离过程在化工生产过程中起着举足轻重的重要作用，本文并阐述了它在当今工业生深冷法空气分离中的应用以及重要性。
关键字：
空分 分子筛吸附器 双级精馏塔
空气中的主要成分是氧和氮，它们分别以分子状态存在，均匀地混合在一起，通常要将它们分离出来比较困难，目前工业上主要有３种实现空气分离方法。
吸附法：
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，对气体分子不同组分有选择性的进行吸附，达到单高纯度的产品。
吸附法分离空气流程简章，操作方便运行成本较低，但不能获得高纯度的的双高产品。
膜分离法：
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，氧气穿过膜的速度比氮快的多的特点，实现氧、氮的分离。
这种分离方法得到的产品纯度不高，规模也较小，目前只适用于生产富氧产品。
深冷法（也称低温法）：
先将混合物空气通过压缩、膨胀和降温，直至空气液化，然后利用氧、氮汽化温度（沸点）的不同进行精馏分离。
深冷与精馏的组合是目前工业上应用最广泛的空气分离方法。
关键词：
空分 分子筛吸附器 双级精馏塔
1引言42
2深冷法空分原理42
3KDON48000/80000型空分装置简易流程分析43
3.1空气净化44
3.1.1过滤及压缩44
3.1.2预冷44
3.1.3纯化：
44
3.2空气液化44
3.3空气精馏45
3.3.1下塔精馏45
3.3.2上塔精馏45
4空分工艺设备介绍45
4.1洁式空气过滤器46
4.2空气压缩机46
4.3 分子筛吸附器47
4.4膨胀机47
4.5双级精馏塔48
结论48
参考文献48
致谢48
1引言
空气中的主要成分是氧和氮，它们分别以分子状态存在，均匀地混合在一起，通常要将它们分离出来比较困难，目前工业上主要有３种实现空气分离方法。
吸附法：
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，对气体分子不同组分有选择性的进行吸附，达到单高纯度的产品。
吸附法分离空气流程简章，操作方便运行成本较低，但不能获得高纯度的的双高产品。
膜分离法：
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，氧气穿过膜的速度比氮快的多的特点，实现氧、氮的分离。
这种分离方法得到的产品纯度不高，规模也较小，目前只适用于生产富氧产品。
深冷法（也称低温法）：
先将混合物空气通过压缩、膨胀和降温，直至空气液化，然后利用氧、氮汽化温度（沸点）的不同进行精馏分离。
深冷与精馏的组合是目前工业上应用最广泛的空气分离方法。
2深冷法空分原理
空气中氧和氮占99.23%（容积）,因此在一般计算中,可以近似地将空气当做氧和氮的二元混合物,将氩归并到氮中去,其它气体忽略不计,即认为空气中含氧20.9%，含氮79.1%（容积）。
干燥空气的主要成份如下:
名称
化学代号
体积百分比
重量百分比
氧
O2
20.95
23.1
氮
N2
78.08
75.5
氩
Ar
0.932
1.29
空气中其它组成成份，如氢、二氧化碳、碳氢化合物的含量在一定范围内变化，而水蒸汽含量则随着温度和湿度而变化。
空气中的主要成份的物理特性如下:
名称化学符号
标准大气压下的液化温度（℃）
标准大气压下的固化温度（℃）
临界温度（℃）
临界压力MPa（A）
氧O2
-183
-218.4
-119
5.079
氮N2
-195.8
-209.86
-147
3.394
氩Ar
-185.7
-189.2
-122
4.862
空气的精馏就是利用空气的各种组份具有不同的挥发性,即在同一温度下各组份的蒸汽压不同，将液态空气进行多次的部分蒸发与部分冷凝，从而达到分离各组份的目的。
当处于冷凝温度的氧、氮混合气穿过比它温度低的氧、氮混合液体时，气相与液相之间就发生热、质交换，气体中的部份冷凝成液体并放出冷凝潜热，液体则因吸收热量而部份蒸发。
因沸点的差异，氧、氩的蒸发顺序为：
氮>氩>氧，冷凝顺序为：
氧>氩>氮。
在本系统中，该过程是在塔板上进行的，当气体自下而上地在逐块塔板上通过时，低沸点组份的浓度不断增加，只要塔板足够多，在塔的顶部即可获得高纯度的低沸点组份。
同理，当液体自上而下地在逐块塔板上通过时，高沸点组份的浓度不断增加，通过了一定数量的塔板后，在塔的底部就可获得高纯度的高沸点组份。
由于氧、氩、氮沸点的差别，在上塔的中部一定存在着氩的富集区，制取粗氩所需的氩馏份就是从氩富集区抽取的
处于冷凝温度的氧、氮混合气穿过比它温度低的氧、氮组成的液体时，气体要部分冷凝，转变为液体并放出冷凝潜热，沸点较高的氧较多的冷凝，这样蒸气中的氮浓度越来超高 ；液体则吸收热量而蒸发。
沸点较低的氮较多的蒸发，液体中的氧浓度也越来越高，每经过一次蒸发—冷凝过程，气体中氮组分就增加，而液体中氧组分也增加。
如果这种同时发生的蒸发—冷凝过程进行多次，混合物中的氧和氮便可分离。
3KDON50000/50000型空分装置简易流程分析
3.1空气净化
3.1.1过滤及压缩
含尘空气入空气过滤器，过滤掉其中机械颗粒、粉尘等。
经过滤的空气再入空气压缩系统，被空气压缩系统压缩到0.53MPa.G后进入空气预冷系统。
空气冷却塔为装有两层塔料的填料塔，空气由空气压缩机送入空气冷却塔底部，由下往上穿过填料层，被从上往下的水冷却，并同时洗涤部分NOx，SO2，C1+等有害杂质，最后穿越顶部的丝网分离器，进入分子筛纯化系统，出空冷塔空气的温度约为14.5℃。
3.1.2预冷
进入空冷塔的水分为两段。
下段为由凉水塔来的冷却水，经循环水泵加压入空冷塔中部自上而下出空冷塔回凉水塔。
上段为由水冷塔来的冷却水，经水冷塔与由分馏塔来污氮气热质交换冷却后由冷冻水泵加压，送入空气冷却塔顶部，自上而下出空气冷却塔回凉水塔。
空气经空气冷却塔冷却后，温度降至18℃。
3.1.3纯化
空气经空气冷却塔冷却后进入切换使用的分子筛纯化器1#或2#，空气中的二氧化碳、碳氢化合物及残留的水蒸汽被吸附。
分子筛吸附器为卧式双层床结构，下层为活性氧化铝，上层为分子筛，两只吸附器切换工作。
当一台吸附器工作时，另一台吸附器则进行再生、冷吹备用。
由分馏塔来的污氮气，经蒸汽加热器加热至-170℃后，入吸附器加热再生（高温再生时，再生气经蒸汽加热器及电加热器加热至260℃后，入吸附器加热再生），脱附掉其中的水份及CO2，再生结束由分馏塔来的污氮气冷吹，然后排入大气放空。
3.2空气液化
空气经净化后，由于分子筛的吸附热，温度升至～20℃，然后分两路：
第一路：
空气在低压主换热器中与返流气体（纯氮气、压力氮气、污氮等）换热达到接近空气液化温度约-173℃后进入下塔进行精馏；
第二路：
空气进入增压空气压缩机1段进行增压，压缩后的这部分空气又分为二部分：
① 相当于膨胀空气的这部分空气从增压空气压缩机的Ⅰ段抽出，经膨胀机驱动的增压机，消耗掉由膨胀机输出的能量，使空气的压力得以进一步提高，增压后进入高压主换热器。
在高压主换热器内被返流气体冷却至152k（-121℃）抽出，进入膨胀机膨胀制冷，膨胀后的空气，经汽液分离器分离后气体部分进入下塔，液体经节流后送入粗氩冷凝器（液空冷源）。
② 另一部分继续进增压空气压缩机的Ⅱ段增压，从增压空气压缩机的Ⅱ段抽出后，进入高压主换热器，与返流的液氧和其他气体换热后冷却至106K（-167℃）经节流后进入下塔中部；
3.3空气精馏
3.3.1下塔精馏
在下塔中，空气被初步分离成顶部氮气和底部富氧液态空气。
顶部氮气：
顶部气氮在主冷凝蒸发器中液化，同时主冷凝蒸发器的低压侧液氧被气化。
绝大部分液氮作为下塔回流液回流到下塔，其余液氮经过冷器，被纯气氮和污气氮过冷并节流后送入上塔顶部作为上塔回流液。
压力氮气：
压力氮气从下塔顶部引出来，在低压主换热器中复热后出冷箱。
污液氮：
在下塔下部得到污液氮，经过冷器过冷后，节流至上塔上部参与精馏。
富氧液态空气：
从下塔底部抽出的富氧液空在过冷器中过冷后，一部分作为粗氩冷凝器冷源，另一部分经节流送入上塔中部作回流液。
3.3.2上塔精馏
经上塔的精馏，在顶部得到产品氮气，在上部得到污氮气，底部得到液氧。
液氧：
液氧从上塔底部通过管道导入主冷凝蒸发器中，在主冷凝蒸发器中被来自下塔的压力氮气汽化,汽化后的低压工艺氧气通过管道导入上塔。
液氧在主冷凝蒸发器底部导出经高压液氧泵加压，然后在高压换热器复热后以4.8MPa（G）的压力作为气体产品出冷箱。
污气氮：
污气氮从上塔上部引出，并在过冷器中复热后，部分低压主换热器中复热后做为分子筛纯化器的再生气体；其在余高压主换热器中复热后，进入水冷塔作为冷源。
纯气氮：
纯气氮从上塔顶部引出， 在过冷器及低压主换热器中复热后出冷箱，作为产品送往氮压机，多余部分送往水冷却塔中作为冷源冷却外界水。
氩馏份：
从上塔相应部位抽出氩馏份送入粗氩冷凝器，粗氩冷凝器采用过冷后的液空作冷源，氩馏份直接从增效塔的底部导入，上升气体在粗氩冷凝器中液化，得到粗液氩和粗氩气，前者作为回流液入增效塔，而后者经进入低压换热器复热到常温送出冷箱；在粗氩冷凝器蒸发后的液空蒸汽和底部少量液空同时返回上塔。
4空分工艺设备介绍
4.1洁式空气过滤器
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。
作用为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。
4.2空气压缩机
原料空气压缩机和增压空气压缩机作用是为提供带压原料空气。
结构：
成套进口德国曼透平公司的产品，由汽轮机拖动两台离心式压缩机， 原料空压机排气量：
266000Nm3/h, 0.53MPa（A）、125000Nm3/h进入低压换热器；增压机中抽：
54000Nm3/h,2.7MPa（G）；末级抽出：
70000Nm3/h,7.0MPa（G） 。
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0.5MPa（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（54000Nm3/h、2.7MPa）抽出送到膨胀机的增压端，另一部分（70000 Nm3/h）进入增压机二段，继续压缩至7.0MPa（G）在高压板式换热器与返流介质换热后进入下塔。
4.3 分子筛吸附器
作用是吸附空气中水分、乙炔、CO等碳氢化合物。
结构：
卧式圆筒体，内设支承栅架。
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18℃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。
4.4膨胀机
作用是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。
4.5双级精馏塔
利用混合气中各组分的沸点不同，将其分离成所要求纯度的组分；塔体为圆筒型，下塔为多层筛板筛板，上塔内装规整填料及液体分布器。
下塔初步精馏，上塔进一步精馏得到氧气和氮气，二者联系纽带为主冷。
精馏塔是设有多层塔板（对筛板塔，填料塔的工作原理相同）的设备。
在塔板上有一定厚度的液体层。
精馏塔一般多为双级精馏塔，分为上塔和下塔两部分。
压缩空气经清除水分、二氧化碳，并在热交换器中被冷却及膨胀（对中压流程）后送入下塔的下部，作为下塔的上升气。
因为它含氧21%，在0.6MPa下，对应的饱和温度为100.05K。
在冷凝蒸发器中冷凝的液氮从下塔的顶部下流，作为回流液体。
因其含氧为0.01%～1%，在0.6MPa下的饱和温度约为96.3K。
由此可见，精馏塔下部的上升蒸气温度高，从塔顶下流的液体温度较低。
下塔的上升气每经过一块塔板就遇到比它温度低的液体，气体本身的温度就要降低，并不断有部分蒸气冷凝成液体。
由于氧是难挥发组分，氮是易挥发组分，在冷凝过程中，氧要比氮较多地冷凝下来，于是剩下的蒸气中含氮浓度就有所提高。
就这样一次、一次地进行下去，到塔顶后，蒸气中的氧绝大部分已被冷凝到液体中去了，其含氮浓度高达99%以上。
这部分氮气被引到冷凝蒸发器中，放出热量后全部冷凝成液氮，其中一部分作为下塔的回流液从上往下流动。
液体在下流的过程中，每经过一块塔板遇到下面上升的温度较高的蒸气，吸热后有一部分液体就要气化。
在气化过程中，由于氮是易挥发组分，氧是难挥发组分，因此氮比氧较多地蒸发出来，剩下的液体中氧浓度就有所提高。
这样一次、一次地进行下去，到达塔底就可得到氧含量为38%～40%的液空。
因此，经过下塔的精馏，可将空气初步分离成含氧38%～40%的富氧液空和含氮99%以上的液氮。
然后将液空经节流降压后送到上塔中部，作为进一步精馏的原料。
与下塔精馏的原理相同，液体下流时，经多次部分蒸发，氮较多地蒸发出来，于是下流液体中的含氧浓度不断提高，到达上塔底部可得到含氧99.2%～99.6%的液氧。
从液空进料口至上塔底部塔板上的精馏是提高难挥发组分的浓度，叫提馏段。
这部分液氧在冷凝蒸发器中吸热而蒸发成气氧，在0.14MPa下它的温度为93.7K左右。
一部分气氧作为产品引出，大部分作为上塔的上升气。
在上升过程中，部分蒸气冷凝，蒸气中的氮含量不断增加。
由于上塔中部液空入口处的上升气中还有较多的氧组分，如果将它放掉，氧的损失太大，所以应再进行精馏。
从冷凝蒸发器中引出部分含氮99%以上的液氮节流后送至上塔顶部，作为回流液，蒸气再进行多次部分冷凝，同时回流液多次部分蒸发。
其中氧较多地留在液相里，氮较多地蒸发到气相中，到了上塔顶，便可得到含氮99%以上的氮气。
从液氮进料口到液空进料口是为了进一步提高蒸气中低沸点组分（氮）的浓度，叫精馏段。
如果需要纯氮产品还需要再次精馏，才能得到含氮99.99%的纯氮产品。
这就是精馏塔内将空气分离成氧、氮的过程。
结论
深冷法空分技术将过滤、精馏、吸附等多种分离技术结合来优化工艺，实现空气的氧氮分离，同时高纯度的产品，对化工类的工业起着至关重要的作用。
参考文献
1李化治.制氧技术.冶金工业出版社.2009.
2李耀,张卫.气体深冷分离操作指南.机械工业出版社，2011.
3 汤学忠,顾福民.新编制氧工问答.冶金工业出版社,2004.
4刘佳琪.分离过程.化学工业出版社,2010.
5许祥静.煤炭气化技术.化学工业出版社,2010.
致谢
本论文是在胡老师的亲切关怀和悉心指导下完成的，她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。
胡老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向胡老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
我还要感谢在一起愉快的度过毕业论文小组的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!
最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！
最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！
升级会员 