中电投伊泰煤制天然气空分装置.docx
《中电投伊泰煤制天然气空分装置.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中电投伊泰煤制天然气空分装置.docx（52页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
中电投伊泰煤制天然气空分装置
中电投伊泰煤制天然气空分装置
第一节工作任务及管辖范围
一、概述
空分装置负责向煤气化装置提供需要的4.5MPaG高压氧气，提供全厂氮气、仪表空气、装置空气等。
本装置采用低温法空气分离技术，即利用空气中各组分沸点的不同，通过一系列的工艺过程，将空气液化，并通过精馏来达到不同组分分离的方法。
空分装置选用四套公称制氧能力85000Nm3/h的空分装置，总制氧能力为340000Nm3/h，负荷调节范围75～105%，年操作小时数：
8000小时/年。
四套空分分为两个系列，每个系列含两套空分装置。
每个系列包括两套压缩机组，共用一个压缩机厂房。
每套空分装置都设置了水泵房和膨胀机房。
每个系列通过一个独立的管廊与外部连接。
整个装置从西到东依次为空分装置，内管廊，压缩机厂房，空冷器。
两个系列之间为氮压机厂房和储槽。
空分装置还设置了机柜间、变电所、换热站和提升泵站。
二、产品、副产品
空分装置主要产品为氧气、氮气、液氧、液氮，无副产品。
1、设计工况（100%工况）
产品
流量
Nm3/h
纯度
%V
装置出口压力
MPa（G）
温度
℃
用气方式
备注
氧气（Ⅰ）
85000*
≥99.6%O2*
4.85*
常温
连续
内压缩
氧气（Ⅱ）
1500
≥99.6%O2
0.2
常温
连续
氮气（Ⅰ）
80000*
≤10ppmO2*
压力露点≤-60℃
0.45*
常温
连续
氮气（Ⅱ）
5000
≤10ppmO2
2.7
常温
间断
由储槽中抽取，详细配置见备注3）
氮气（Ⅲ）
4000*
≤10ppmO2*
6.7*
常温
连续
由储槽中抽取，详细配置见备注3）
仪表空气
5000
无油、压力露点≤-54℃、
含尘≤1μm
0.7
常温
连续
装置空气
6000
无油、含尘≤1μm
0.45
常温
连续
液氮
2000
≤10ppmO2
进入常压贮槽
-187
连续
备注10）
液氧
1000
≥99.6%O2
进入常压贮槽
-183
连续
备注10）
2、开车工况一
产品
流量
Nm3/h
纯度
%V
装置出口压力
MPa（G）
温度
℃
用气方式
备注
氧气（Ⅰ）
60000
≥99.6%O2*
4.85*
常温
连续
内压缩
氮气（Ⅰ）
40000
≤10ppmO2*
压力露点≤-60℃
0.45*
常温
连续
氮气（Ⅲ）
1500
≤10ppmO2*
6.7*
常温
连续
由储槽中抽取，详细配置见备注3）
氮气（Ⅳ）
50000
≤10ppmO2
6.7
≥75℃
间断
仪表空气
5000
无油、压力露点≤-54℃、
含尘≤1μm
0.7
常温
连续
装置空气
6000
无油、含尘≤1μm
0.45
常温
连续
液氮
2000
≤10ppmO2
进入常压贮槽
-187
连续
备注10）
液氧
1000
≥99.6%O2
进入常压贮槽
-183
连续
备注10）
3、开车工况二
产品
流量
Nm3/h
纯度
%V
装置出口压力
MPa（G）
温度
℃
用气方式
备注
氧气（Ⅰ）
60000
≥99.6%O2*
4.85*
常温
连续
内压缩
氮气（Ⅰ）
65000
≤10ppmO2*
压力露点≤-60℃
0.45*
常温
连续
氮气（Ⅱ）
5000
≤10ppmO2
2.7
常温
间断
由储槽中抽取，详细配置见备注3）
氮气（Ⅲ）
1500
≤10ppmO2*
6.7*
常温
连续
由储槽中抽取，详细配置见备注3）
氮气（Ⅳ）
50000
≤10ppmO2
6.7
≥75℃
间断
仪表空气
5000
无油、压力露点≤-54℃、
含尘≤1μm
0.7
常温
连续
装置空气
6000
无油、含尘≤1μm
0.45
常温
连续
液氮
2000
≤10ppmO2
进入常压贮槽
-187
连续
备注10）
液氧
1000
≥99.6%O2
进入常压贮槽
-183
连续
备注10）
4、开车工况三
产品
流量
Nm3/h
纯度
%V
装置出口压力
MPa（G）
温度
℃
用气方式
备注
氧气（Ⅰ）
60000
≥99.6%O2*
4.85*
常温
连续
内压缩
氮气（Ⅰ）
80000
≤10ppmO2*
压力露点≤-60℃
0.45*
常温
连续
氮气（Ⅱ）
5000
≤10ppmO2
2.7
常温
间断
由储槽中抽取，详细配置见备注3）
氮气（Ⅲ）
6500
≤10ppmO2*
6.7*
常温
连续
由储槽中抽取，详细配置见备注3）
仪表空气
5000
无油、压力露点≤-54℃、
含尘≤1μm
0.7
常温
连续
装置空气
6000
无油、含尘≤1μm
0.45
常温
连续
液氮
2000
≤10ppmO2
进入常压贮槽
-187
连续
备注10）
液氧
1000
≥99.6%O2
进入常压贮槽
-183
连续
备注10）
5、操作工况
产品
流量
Nm3/h
纯度
%V
装置出口压力
MPa（G）
温度
℃
用气方式
备注
氧气（Ⅰ）
79300
≥99.6%O2*
4.85*
常温
连续
内压缩
氧气（Ⅱ）
1500
≥99.6%O2
0.2
常温
连续
氮气（Ⅰ）
80000
≤10ppmO2*
压力露点≤-60℃
0.45*
常温
连续
氮气（Ⅲ）
4000
≤10ppmO2*
6.7*
常温
连续
由储槽中抽取，详细配置见备注3）
仪表空气
5000
无油、压力露点≤-54℃、
含尘≤1μm
0.7
常温
连续
装置空气
6000
无油、含尘≤1μm
0.45
常温
连续
液氮
2000
≤10ppmO2
进入常压贮槽
-187
连续
备注10）
液氧
1000
≥99.6%O2
进入常压贮槽
-183
连续
备注10）
注：
1）所有产量单位Nm3/h是指在0℃和0.1013MPa（A）条件下测得体积流量，称为标态流量；
2）氮气（Ⅳ）可采用内压缩或外压缩。
若采用内压缩，则每套套空分设置1台50000Nm3/h6.7MPaG液氮泵；若采用外压缩，则4套空分共用2台50000Nm3/h6.7MPaG氮气压缩机，气化开车用氮气由下塔顶部或由上塔顶部抽出进氮压缩机增压到6.7MPaG后供下游用户。
具体方案由卖方确定。
3）4套空分共用一套液氮贮存系统，表中氮气（Ⅱ）和氮气（Ⅲ）由液氮贮存系统提供，表中流量为4套空分总量。
液氮贮存系统配置如下：
（a）一套1200m3常压贮槽和一套100m31.2MPaG真空贮槽（真空贮槽配套的自增压器能力需保证真空贮槽系统最大外供80000Nm3/h氮气时罐内压力的稳定）；
（b）一台80000Nm3/h0.45MPaG离心式液氮泵、三台4000Nm3/h6.7MPaG活塞式液氮泵（两开一备，两台液氮泵50%负荷运行，一台故障时，另一台泵立刻由50%负荷提升到100%负荷）和两台12000Nm3/h6.7MPaG离心式液氮泵；
（c）一台80000Nm3/h0.45MPaG水浴式汽化器和一台4000Nm3/h6.7MPaG水浴式汽化器和一台24000Nm3/h6.7MPaG水浴式汽化器；
（d）一台80m31.2MPaG氮气缓冲罐和一台100m36.7MPaG的氮气储罐。
4）液氮贮存系统流程描述如下：
（a）常压贮槽中液氮经由4000Nm3/h6.7MPaG液氮泵加压，通过4000Nm3/h6.7MPaG水浴式汽化器气化后，送入100m36.7MPaG的氮气储罐，进入氮气（Ⅲ）管网；
（b）常压贮槽中液氮经由12000Nm3/h6.7MPaG液氮泵加压，通过24000Nm3/h6.7MPaG水浴式汽化器气化后分两股，一股送后续装置做为开停车等间断用气；另一股经减压阀将压力降低到2.7MPaG，送入氮气（Ⅱ）管网；
（c）真空贮槽系统一方面用来为全厂低压氮气管网调峰，另一方面为单套空分跳车后后备液氮泵提转速提供缓冲时间。
为达到这两个目的，应设置两个规格的调节阀。
当低压氮气管网压力降低时真空贮槽系统自动向低压氮气系统输送氮气，此调节阀设计能力为：
15000Nm3/h。
当单套空分跳车时，应联锁打开另外一个调节阀（此调节阀的设计能力为：
80000Nm3/h），为低压系统供气，同时后备低压氮泵应从冷备惰转迅速达到设计转速并向气管网压力供气，之后真空贮槽系统调节阀自动关闭。
5）上表中所有产品气流量，除特殊注明外，均为单套空分装置的流量；
6）压缩机组应保证仪表空气在中抽和不中抽两种工况下，均应能正常运转；
7）正常生产时全厂的仪表空气由空分装置增压机一级中抽减压后提供，空分开车时的仪表空气由空压站提供。
装置空气由空分装置分子筛后管路抽取。
表中仪表气量不包含空分装置正常运行时的自身用气。
8）设置事故仪表空气缓冲罐，接收来自增压机一级中抽气体，容积按至少30分钟的储量；
9）4套空分共用一套液氧贮存系统，液氧贮存系统按一套1000m3常压贮槽考虑，贮槽后设置一台85000Nm³/h4.85MPaG液氧泵，冷备惰转，液氧经泵加压后，由一台85000Nm³/h4.85MPaG水浴式汽化器复热后送入管网。
10）表中液体产量为正常运行时产量。
在实际操作中，可根据储槽液位及实际生产需要，调整液体产品产量。
第二节工艺原理
一、空气的一般性质
空气是一种混合物,除含有其固定的氧、氮、氦、氖、氩、氪、氙、氡组份外，还含有水蒸气、二氧化碳、乙炔以及少量机械杂质，其组成如表1所示，各组分气体的物化参数如表2所示:
表1空气的组成
成分
体积%
重量%
成分
体积%
重量%
氧
20.93
23.1
氪
1.08×10-4
3×10-4
氮
78.03
75.6
氙
0.08×10-4
0.4×10-4
氩
0.932
1.286
氡
6×10-10
二氧化碳
0.03
0.046
氢
0.5×10-4
0.036×10-4
氖
（15-18）×10-4
12×10-4
臭氧
（0.01-0.02）×10-4
0.2×10-4
氦
（4.6-5.3）×10-4
0.7×10-4
表2几种气体的基本物化常数
名称
分子式
分子量
气体重度
正常沸点（760mmHg）
临界点
760mmHg
温度
液体重度
温度
压力
kg/m3
K/℃
kg/m3（℃）
K/℃
大气压
空气
28.95
1.293
78.81/-194.35
861（-194）
132.51/-140.65
38.4
氧
O2
32
1.429
90.19/-182.97
1140（-182.8）
154.34/-118.82
49.71
氮
N2
28.016
1.2507
77.35/-195.81
808（-196）
126.03/-147.13
33.49
氩
Ar
39.94
1.782
87.46/-185.7
1374（-183）
150.73/-122.43
48
二氧化碳
CO2
44.01
1.977
194.96/-78.2
1155（-50）
304.26/-31.1
72.9
乙炔
C2H2
26.02
1.1747
升华189.56/-83.6
613（-80）
308.71/35.55
61.65
氙
Xe
131.3
5.86
165.15/-108
氪
Kr
83.8
3.74
119.95/-153.2
209.4/-63.75
54.3
二、空气分离的基本原理
空气压缩、空气净化、换热、制冷与精馏是空分的五个主要环节。
现以此来做理论介绍：
1、制冷
空气是在-170℃以下的精馏塔中进行分离的,所以说通过制冷,获得所需的低温并维持这个环境,是空气分离的基本前提条件。
制冷的方法有两种:
节流与膨胀。
为了直观地描述这两种热力学过程，先引入温—熵图。
1）温熵图（T---S图）
温熵图是以温度为横坐标，熵为纵坐标的热力学函数图。
图中向上凸起的曲线叫“饱和曲线”，饱和曲线有两部分组成，左半边称为饱和液体线，右半部分称为饱和蒸汽曲线,两条曲线的汇合点称为临界点.在临界点所对应的温度称为临界温度,对应的压力称为临界压力。
临界点是气体与液体相互转化的极限（见图1）
图1温熵图（T—S图）
饱和曲线和临界点将此图分为三个区域（见图2）:
I区：
临界温度以下，饱和液体曲线左边的区域为过冷液相区。
II区：
饱和液体曲线和蒸汽曲线下面的区域为气液共存区。
III区：
临界温度以上，饱和蒸汽曲线右测区域为过热蒸汽区。
临界点的存在说明：
只有气体的温度低于其临界温度时，该气体才可能变成液体。
焓、熵与压力温度一样，都是状态参数，当物质的状态确定后，它的焓、熵也随之确定。
熵代表了流体在流动时所携带的能量，单位是KJ/Kmol。
焓（单位质量的焓）＝比内能＋PV，其中PV为流体受到的推动力，P为流体的压力，V为流体的比容。
流体的内能由内动能与内位能组成。
温度越高，内动能越大。
内位能不仅与温度有关，更主要的取决于分子间的距离，即决定于比容，比容越大内位能越大。
流体的熵的变化等于外界传递进来的热量与传热时流体的绝对温度之比：
△S=△Q/T
如果传递热量过程中温度不是常数，则当流体由状态1→状态2的熵变应为：
△S=∫12dQ/T
熵的绝对值和焓及内能一样,在工程计算中无关紧要,我们所关心的只是它们的相对变化量.
2）节流过程
当一定压力的流体在管内流经一个缩孔或阀门时,由于流通截面突然缩小,流体中会发生激烈扰动,产生旋涡、碰撞、摩擦，流体在克服这些阻力的过程中，压力下降，使阀门后的压力P2低于阀门前的压力P1（见图3），我们把这种因流体流动遇到局部阻力而造成的降压过程称之为节流。
流体在管道内流动和流经各种设备时也存在着流动阻力，压力也有所下降，所以如果泛指节流过程，也包括流体流经管道与设备时的压降过程。
从能量转换的观点来看，由于工质流经节流阀的速度很快，膨胀后来不及与周围环境进行热量交换，并且节流阀安装在保冷箱内，四周传给的热量可以忽略不计，因此节流过程可看成是绝热过程。
同时，流体流经阀门时与外界没有功交换，在既无能量收入又无支出的情况下，流体在节流前后的能量应不变，即节流前后的焓值相等i1=i2,这说明节流本身并不产生冷量。
节流过程是一个等焓过程，理想气体的焓只是温度的函数，所以理想气体节流后温度并不发生变化。
而实际气体的焓值是温度和压力的函数，因此实际气体
图3节流示意图
节流后的温度存在变化，归纳为三种情况：
下降、不变、上升。
温度变化与否同节流工质的性质和节流前的状态有关。
图4给出的是由实验方法得到的空气节流转化曲线。
转化曲线将坐标分割成两部分,内侧为制冷区，即工质节流前处于该区域的某个状态，经节流后温度将下降；外侧为制热区，即工质在节流前处于该区域的某个状态，节流后温度将升高。
氧、氮、氢、二氧化碳等工质均存在相似的转化曲线。
图4空气转化曲线
从上图可以得知，在相当大的范围内，空气节流后温度都会下降（氧、氮也是如此）。
在常温范围内，空气节流后的温度变化，可以用每降低一个大气压所降低的温度ai来表示:
ai=（0.268－0.00086P）（273/T）2℃/大气压
式中P、T分别表示节流前空气的绝对压力（大气压）和绝对温度（K）。
这样，当空气从压力P1节流到P2时，产生的温降为:
△T＝ai（P1-P2）=ai△P
从温降的表达式可以看出，节流前的气体温度越低，节流前后压差越大，节流所获得的温降就越大。
氧、氮气节流温降的计算经验公式也与此类似。
利用以上公式，可以指导我们进行空气节流制冷的实际应用。
3）等温节流制冷量
既然通过节流可以降低温度，那么节流后的工质相对于节流前的温度就具备一定的制冷能力，我们把这个制冷能力称为等温节流制冷量（图5）
单位质量工质的制冷量:
q=CP1△T
即：
q=CP1ai（P1-P2）＝H3–H2（H1=H2，H0=H3）
＝H0–H1
（CP1：
工质在P1下的平均定压比热）
图5一次节流循环示意图
从计算结果来看，等温节流制冷量等于压缩机等温压缩前后的焓差。
事实上，如前所述，节流并不产生冷量，只是通过节流，把工质在等温压缩时已具备的制冷量表现出来而已。
真正的制冷量是在等温压缩过程中产生的，即冷却水从压缩机带走的能量大于驱动机传给压缩机的能量，致使压缩机出口工质的焓值H1小于入口工质的焓值H0。
另外，等温节流制冷量与节流前有无换热器无关，压缩工质经换热后，在节流时，并不增加制冷量，而是影响节流前后的温度，。
单位质量的工质节流后，恢复到换热器I进口温度T1时，吸收的热量等于h3-h4.其中h1-h2这部分热量用来冷却了压缩工质，因此制冷量；
q/＝（h3-h4）—（h1-h2）
而h2=h4故q/＝h3-h1
即制冷量q/与上面推导出来的没有换热器的制冷量q相同，都等于h3—h1。
4）膨胀制冷
利用透平膨胀机制冷是空分装置制取冷量获得低温的主要途径，工质在膨胀机内膨胀，同时对外作功，使膨张后的工质大大降温，膨胀机安置在保冷箱内，而且由于过程进行的很快，来不及与外界进行热交换．所以膨胀过程近似可以看成是绝热过程，在理想状况下（即工质在膨胀机内没有任何摩擦），膨胀过程熵值不发生变化。
如图6中1→2所示：
实际上，由于气体与气体之间，气体与机器壁面之间不可避免地要产生摩擦，摩擦热又传给气体，使膨胀后气体的温度及焓值增加，熵也增加。
实际的绝热膨胀过程应如图6中1→3所示，实际的绝热膨胀焓降为i1—i3,它比理想的绝热膨胀焓降i1—i2要小。
图6T–S图
通常把气体实际的绝热膨胀焓降与理想的绝热膨胀焓降之比，称为膨胀机的等熵效率，用ηs表示；
ηs=（i1-is）/（i1-i2）
透平膨胀机的等熵效率与设计制造的质量有关，同时与安装、维修也密切相关。
正常情况下，现在的透平膨胀机的等熵效率一般都能达到85％以上。
经膨胀机膨胀后的降温效果要比节流好的多，这是由于当气体经膨胀机膨胀时，除了产生节流降温效果．气体还同时在膨胀机中对外作功，消耗气体自身的能量，使分子的动能进一步减少，因此降温更显著。
膨胀机前后的压差及膨胀机进口的工质温度，直接影响着膨胀机的制冷效果。
如果膨胀机的等熵效率保持不变，进口温度一定时，当压差越大，那么单位质量的工质膨胀后的焓降也越大，对外作功也越多，温度降低越显著，当膨胀机前后的压差一定时，提高进膨胀机的温度，膨胀后的工质温度升高，则降温效果变大，单位质量工质的制冷量增加。
对于理想气体，膨胀温降可以用下面的关系式精确表达：
（双原子的理想气体R=1.4）
对于实际气体，膨胀过程的温降常用热力学图（T一S图）查找。
5）膨胀机的制冷量
膨胀机的作用相当于—个对外作功的节流阀。
所以单位质量的膨胀工质的制冷量分为两部分：
见图7
图7膨胀机制冷循环示意图
q＝等温节流制冷量+膨胀机的输出功=（i1–i4）+（i2–i3）．
6）膨胀机工作时的能量转移
压力工质进入膨胀机进行绝热膨胀后，以较低的温度和压力排出机外，同时膨胀机对外作功。
过去常用电机或风机作为膨胀机的制动设备。
现在往往用单级离心压缩机（增压器）作为制动装置。
增压器获得膨胀功后，将送入膨胀机的工质进一步升压。
随着膨胀机入口压力增加，单位质量的工质制冷量也将增大。
当空分装置的冷量要求一定时，膨胀量就可以因此减少。
图8膨胀机工作能量转移示意图
另外，采用增压器这种制动方式还避免了机械能转变成电能所导致的损失，提高了膨胀功的回收效率。
所以说它是先进的。
膨胀机在绝热条件下工作，根据能量守恒：
G膨i1=W膨十G膨i2
所以：
W膨=G膨（i1-i2）
7）节流制冷与膨胀制冷的比较：
（1）从降温效果看，膨胀制冷要比节流制冷强烈得多。
（2）比结构来看，节流阀结构很简单，操作也方便，而膨胀机是一套机组，结构复杂，操作、维修要求高。
（3）从使用范围来看，节流阀适用于气液两相区内工作，即节流阀出口可以允许有很大的带液量，但目前带液的两相膨胀机，其带液量尚不能很大。
根据以上特点，在全低压空分装置中．一般都同时采用节流制冷与膨胀制冷，互补所缺。
8）装置的冷量平衡
维持系统的冷量平衡，是空分装置正常运行的基本保证，空分装置的冷量损失主要包括以下几项：
（1）跑冷损失：
透过保冷层，周围大气传递给冷箱内低温设备及管道的热量，即相对冷箱而言损失了的冷量，叫跑冷损失。
（2）热交换不完全损失：
低温气体离开冷箱时，在理想状态下它应复热到正流工质进入冷箱的温度，这样冷量可全部回收，但由于存在传热温差，在换热器热端，复热工质不能达到正流工质的进口温度而带走的冷量损失。
（3）生产液态产品带走的冷损（如果不生产液态产品，就没有这项冷损）。
（4）其它冷损：
当装置有泄漏时，损失了一部分低温液体或气体，这种损失属于其它冷损。
在正常生产过程中，空分装置处于稳定流动状态。
根据能量守恒定律，则有：
等温节流制冷量+膨胀机制冷量=跑冷损失+热交换不完全损失+液体产品带走的冷损。
如图9所示。
（注：
对于内压流程而言，冷损中还包括高压氧气带走的冷，该项冷量相当于等温压缩制冷的逆过程。
）
图9空分装置其它冷损示意图
该等式也可以用焓值来表示：
跑冷损失十进入冷箱各项工质的焓值之和=离开冷箱的各项工质的焓值之和十膨胀机的输出功，即：
2、精馏
空气在低温下变成液体，由于其中氧和氮的蒸发温度不同，就可以通过专门设备（精馏塔），将它们彼此分离。
在第二节开始介绍了空气是混合物，其中氧和氮占了99%，因此在一般情况下可以近似地把空气当成二元混合物，将氩归到氮组分中去。
其他微量气体可以忽略不计，即认为空气中含氧20.9%，含氮79.1%（体积比）
在介绍精馏分离过程中，为方便起见，我们把空气当做两元体系。
1）氧-氮二元体系气液平衡
某物质在一定温度、压力下，如果单位时间内离开液体的分子数目和回到液体内的分子数目相等，这时整个气液系统便处于平衡状态。
当气-液处于平衡状态时，液面上方的蒸汽叫饱和蒸汽，饱和蒸汽压力称为饱和压力，其对应温度称饱和温度，也叫沸点。
对于单一物质，例如氧、氮等，其饱和蒸汽压与沸点相对应，而沸点随饱和蒸汽压的升
升级会员 