空气分离的基本原理空气分离的基本原理是利用低温精馏法1.docx

1、空气分离的基本原理 空气分离的基本原理是利用低温精馏法1空 气 分 离 流 程 工 艺 课程：过程装备成套技术 姓名：刘小菲学号: 08180224学院：石油化工学院班级：基地一班 一空气分离简介及基本原理 空气分离简称空分，利用空气中各组分物理性质不同（见表），采用深度冷冻、吸附、膜分离等方法从空气中分离出氧气、氮气，或同时提取氦气、氩气等稀有气体的过程。空气分离最常用的方法是深度冷冻法（如图示）。此方法可制得氧、氮与稀有气体,所得气体产品的纯度可达98.099.9。此外,还采用分子筛吸附法分离空气(见变压吸附),后者用于制取含氧7080的富氧空气。近年来，有些国家还开发了固体膜分离空气的技

2、术。氧气、氮气及氩气、氦气等稀有气体用途很广，所以空气分离装置广泛用于冶金、化工、石油、机械、采矿、食品、军事等工业部门。空气分离的基本原理是利用低温精馏法，将空气冷凝成液体，按 照各组分蒸发温度的不同将空气分离。双级精馏塔在上塔顶部和 底部同时获得纯氮气和纯氧气；也可以在主冷的蒸发侧和冷凝侧 分别取出液氧和液氮。精馏塔中空气分离分为两级，空气在下塔 进行第一次分离，获得液氮，同时得到富氧液空；富氧液空被送 向上塔进行精馏，获得纯氧和纯氮。上塔又分为两段:以液空进料 口为界，上部为精馏段，精馏上升气体，回收氧组分，提纯氮气 纯度，下段为提馏段，将液体中的氮组分分离出来，提高液体的 氧纯度。 二

3、空气设备简史到50年代，由于吹氧炼钢和高炉鼓风工艺的推广应用以及氮肥工业的迅速发展，空气分离设备向大型化发展，并应用了近代的科研成果，如采用透平压缩机、透平膨胀机、板翅式换热器、微型计算机和分子筛吸附器等设备之后，空气分离设备不断得到改进和完善，设备中的空气压力从高压（20兆帕）降到低压（小于1兆帕）,单位产品的电耗也逐渐下降（每立方米氧的电耗从1.5降至0.6千瓦小时）。现代空气分离设备能生产各种容量、不同纯度的气态或液态产品，也能制造超高纯度的氧和氮（如含氧99.998和含氮99.9995）空气分离设备还能根据用户的需要，通过电子计算机的控制，随时增减产品的数量，达到经济用氧的目的。到80

4、年代，大型空气分离设备的氧气生产能力已达到70000米(时；空气压力下降到0.36兆帕；连续运转周期可达2年以上。分类空气分离设备是由多种机械和设备组成的成套设备，常按空气压力来分类。常用的有高压、中压和低压3种 低压设备由于电耗低、连续运转周期长、经济效益高，被广泛采用。 低压空气分离设备 。整个设备由空气压缩系统、杂质净化和换热系统、制冷系统和液化精馏 4个主要系统组成。相应的机械设备有空气透平压缩机、空气冷却塔、透平膨胀机和分馏塔等。低压空气分离设备的工作原理建立在液化循环和精馏理论基础上进入的空气先经空气过滤器,而后由透平压缩机空气冷却塔压缩和冷却到压力为0.5兆帕、温度为303K左右

5、,再进入切换式换热器(E1、E2)两换热器能清除空气中的水和二氧化碳,并进行热交换,把空气冷却到接近液化温度(101K)后送入下塔，从下塔抽出一部分空气送到换热器(E2)加热。加热的空气与下塔来的少量冷空气汇合后进入透平膨胀机绝热膨胀，产生需要的冷量，然后被送往上塔精馏。余下的空气在下塔初步精馏。在底部得到含氧38的液化空气，在下塔的顶部得到含氮 99.99的纯液氮，在中部获得含氮约95的污液氮。液化空气、纯液氮、污液氮分别从下塔抽出通过节流阀减压到约0.05兆帕，送入上塔作回流液，在此进行第二次深低温精馏,在上塔底部得到含氧99.699.8的高纯度氧气，流经换热器(E4、E2、E1)与空气进

6、行热交换，升温到大气温度后排出塔外。在上塔顶部获得含氮99.999的高纯度氮气，在上塔中部得到含氮约96的污氮，均经换热器(E3、E4、E2、E1)复热到大气温度后排出装置。位于上、下塔之间的冷凝蒸发器也是一种换热器，它的功用是通过换热，将上塔底部的液氧蒸发，而将下塔的气氮冷凝，故称冷凝蒸发器。液氧蒸发后一部分作为产品输出，其余部分作为上塔精馏所需的上升蒸气。下塔冷凝的液氮，一部分送往上塔作上塔回流液，另一部分作为下塔精馏所需要的回流液。因此，冷凝蒸发器是使上、下塔能起精馏作用的不可缺少的设备之一。除上述主要设备外,冷箱内还有吸附器,它能吸附未被冻结在换热器(E1、E2)中的杂质二氧化碳和易爆

7、物质。箱内还设有液氧泵，使液氧循环流动和清除致爆物质，以保证设备的安全运转。在低温下工作的换热器、塔、液氧泵和透平膨胀机等都装在填充有绝热材料的冷箱内，以减少冷量损失。出冷箱的产品氧气和氮气，再送往贮存系统和透平压缩机内升压到需要的压力后供用户使用。空分设备系统空分设备是一个大型的复杂系统，主要由以下子系统组成：动力系统、净化系统、制冷系统、热交换系统、精馏系统、产品输送系统、液体贮存系统和控制系统等。1.动力系统 主要是指原料空气压缩机。空分设备将空气经低温分离得到氧、氮等产品，从本质上说是通过能量转换来完成。而装置的能量主要是由原料空气压缩机输入的。相应地，空气分离所需要的总能耗中绝大部分

8、是原料空气压缩机的能耗。 2.净化系统 由空气预冷系统（空冷系统）和分子筛纯化系统（纯化系统）组成。经压缩后的原料空气温度较高，空气预冷系统通过接触式换热降低空气的温度，同时可以洗涤其中的酸性物质等有害杂质。分子筛纯化系统则进一步除去空气中的水分、二氧化碳、乙炔、丙烯、丙烷和氧化亚氮等对空分设备运行有害的物质。 3.制冷系统空分设备是通过膨胀制冷的，整个空分设备的制冷严格遵循经典的制冷循环。不过通常提到的空分制冷设备，只要是指：膨胀机。 4.热交换系统 空分设备的热平衡是通过制冷系统和热交换系统来完成的。随着技术的发展，现在的换热器主要使用铝制板翘式换热器。 5.精馏系统 空分设备的核心，实现

9、低温分离的重要设备。通常采取高、低压两级精馏方式。只要由低压塔、中压塔和冷凝蒸发器组成。 6.产品输送系统 空分设备生产的氧气和氮气需要一定的压力才能满足后续系统的使用。只要由各种不同规格的氧气压缩机和氮气压缩机组成。 7.液体贮存系统 空分设备能生产一定的液氧和液氮等产品，进入液体贮存系统，以备需要时使用。只要是由各种不同规格的贮槽、低温液体泵和汽化器组成。 8.控制系统 大型空分设备都采用计算机集散控制系统，可以实现自动控制。 三工艺过程1.高中压空分设备工艺过程2.典型空分设备 氧气生产安全流程3. 流程 1. 设备可同本时制取纯氧和纯氮，并可取得少量的液氧，以备临时停车时气化使用。空气

10、自吸入塔使吸入，经空气过滤器除去机械杂质，由空气压缩机加压到 5.3atg，进空气冷却塔冷却后，分两路进入空分塔的两组可逆式换热器的热段与冷段。热段由空气、污氮、氧气和氮气四个通道组成，冷段除上述四个通道外，还有一个环流空气的通道。 2. 净化后的空气在-171摄氏度左右进入下塔。自下塔底部抽出一定量的洗涤空气，一部分进污氮液化器、氮气液化器和氧气液化器，被液化回流进下塔底部；另一部分进可逆式换热器冷段作为环流空气；再一部分旁通后两部分空气汇合后经透平膨胀机，膨胀到0.35atg送入上塔中部。 3. 冷凝蒸发器系板翅式结构.由其中引出液氮,一部分做下塔的回流液,另一部分经液氮过冷器后节流入上塔

11、顶部.在下塔中部抽出部分液氮经液氮过冷器后节流入上塔. 4. 空气在上塔进一步精馏,在下部得到含氧99.5%的氧气，顶部得到含氮99.99%的氮气.氧气出上塔经氧气液化器和可逆式换热器后,出空分塔送压氧系统,透平氧压机压至4.5atg,再经活塞式氧压机压至所需的压力.上塔的氮气经液空过冷器、氮气液化器和可逆式换热器后输出.污氮自上塔上部输出,经液氮过冷器和液氧过冷器及污氮液化气后进入可逆式换热器.将在前一周期中冻结的水分和二氧化碳一同带出塔外,最后经氮水冷却塔后放空.氧气生产安全流程四空气压缩机 驱动机启动后，经三角胶带，带动压缩机曲轴旋转，通过曲柄杆机构转化为活塞在气缸内作往复运动。当活塞由

12、盖侧向轴运动时，气缸容积增大，缸内压力低于大气压力，外界空气经滤清器，吸气阀进入气缸；到达下止点后，活塞由轴侧向盖侧运动，吸气阀关闭，气缸容积逐渐变小，缸内空气被压缩，压力升高，当压力达到一定值时，排气阀被顶开，压缩空气经管路进入储气罐内，如此压缩机周而复始地工作，不断地向储气罐内输送压缩空气，使罐内压力逐渐增大，从而获得所需的压缩空气。空气压缩机五空气过滤器1.作用 从气源出来的压缩空气中含有过量的水汽和油滴,同时还有固体杂质,如铁锈、沙粒、管道密封剂等,这些会损坏活塞密封环,堵塞元器件上的小排气孔,缩短元器件的使用寿命或使之失效.空气过滤器的作用就是将压缩空气中的液态水、液态油滴分离出来,

13、并滤去空气中的灰尘和固体杂质,但不能除去气态的水和油. 2.结构 空气过滤器的结构如下图所示3.空气过滤器的主要性能指标过滤精度 指允许通过的杂质颗粒的最大直径。影响过滤精度的关键是滤芯，可根据后面元器件的需要选择不同的滤芯，使其达到相应的过滤精度。 流量特性指在一定的进口压力下，通过过滤器的空气流量与过滤器两端压力降之间的关系曲线，实际使用时，最好在压力损失小于0.03MPa的范围内选用。在空气过滤器中,影响流量特性的主要是本体和滤芯。 分水效率指分离出来的水分与进气口空气中所含水分之比.一般要求空气过滤器的分水效率不小于80%.影响分水效率的主要是导流板。 六低温吸附器 吸附气体中的二氧化

14、碳或液体中的乙炔及其他碳氢化合物的吸附器。二氧化碳吸附器用于蓄冷气中部抽气流程。乙炔吸附器是指液空吸附器和液氧吸附器七. 透平膨胀机 透平膨胀机是空气分离设备及天然气（石油气）液化分离设备和低温粉碎设备等获取冷量所必需的关键部机，是保证整套设备稳定运行的心脏。 主要原理 利用有一定压力的气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，从而使气体自身强烈地冷却而达到制冷的目的。我们平常用气筒打气会发现筒身发热,那是因为活塞压缩气体气体放热,如果反之其原理就类似于膨胀机了(更确切的说是活塞式膨胀机).透平膨胀机输出的能量由同轴压缩机回收或制动风机消耗。八精馏设备 精馏塔是一种采用精馏的

15、方法，使各组份分离。从而得到高纯度组份的设备。空气被冷却至接近液化温度后送入精馏塔的下塔，空气自下向上与温度较低的回流液体充分接触进行传热，使部分空气冷凝为液体。由于氧是难挥发组份，氮是易挥发组份，在冷凝过程中，氧比氮较多的冷凝下来，使气体中氮的纯度提高。同时，气体冷凝时要放出冷凝潜热，使回流液体一部分汽化。由于氮是易挥发组份。因此，氮比氧较多的蒸发出来，使液体中氧纯度提高。就这样，气体由下向上与每一块塔板上的回流液体进行传热传质，而每经过一块塔板，气相中的氮纯度就提高一次，当气体到达下塔顶部时，绝大部分氧已被冷凝到液体中，使气相中的氮纯度达到99.999。一部分氮气进入冷凝蒸发器中，冷凝成液

16、氮作为下塔回流液。同时上塔底部的液氧汽化，作为上塔的上升气体，参与上塔的精馏。 将下塔底部得到的含氧3840的富氧液空节流后送入上塔，作为上塔的一部分回流液与上升气体接触传热，部分富氧液空汽化。由于氧是难挥发组份，氮是易挥发组份，因此，氮比氧较多的蒸发出来，使液体氧纯度提高。液体由上向下与上升气体多次传热传质，液相中的氧纯度不断提高，当液体到达上塔底部时就可得到99.6的液氧。 一般采用双级筛板精馏塔 ，下塔的作用是把原料空气进行预分离获得液空和纯度较高的液氮；上塔的作用是把液空进行分离。九低温换热器1.定义 使热量由热流体传给冷流体的设备称为换热设备，或叫换热器。空分设备中设置许多换热器，主

17、要有：氮水预冷器、切换式换热器(或蓄冷器)、主热交换器、冷凝蒸发器、过冷器、液化器、气化器、加热器以及空压机的冷却器等。这些换热设备是实现空气液化、分离及维持装置正常运转所必不可少的重要设备。而且，换热器工作的正常与否直接影响到空分装置的经济性。2.分类 空分设备中的换热器尽管形式繁多，就其传热原理来说可分为三种类型： 1)间壁式。其特点是冷、热两种流体被传热壁面(管壁或板壁)隔开，在传热过程中互不接触，热量由热流体通过壁面传给冷流体，例如管式、板式换热器。 2)蓄热式。其特点是冷、热两种流体交替地流过具有足够热容量的固体蓄热体(如石头或瓷球)，热流体流过时蓄热体吸收热量，冷流体流过时蓄热体放

18、出热量，从而实现冷、热流体的换热，例如蓄冷器。它必须成对使用。3)混合式。其特点是冷、热两种流体的换热是在直接混合的过程中实现的。在换热过程中还伴随有物质的交换，如氮水预冷器等。3.应用-板翅式换热器 1.结构：通常由隔板、翅片、封条、导流片组成。在相邻两隔板间放置翅片、导流片以及封条组成一夹层，称为通道，将这样的夹层根据流体的不同方式叠置起来，钎焊成一整体便组成板束，板束是板翅式换热器的核心，配以必要的封头、接管、支撑等就组成了板翅式换热器。 流道单元结构2.翅片的选择翅片是板翅式换热器最基本的元件，翅片的选择对于设计有很大的影响，板翅式换热器中的传热过程主要是通过翅片的热传导以及翅片与流体

19、之间的对流换热来完成的。不同的工质、工况下应采用不同结构形式的翅片，常用翅片形式主要有平直、多孔、锯齿、波纹4种。除此以外，还有数十种异形翅片结构形式。对温差和压差比较大的情况，选用平直形翅片为宜;反之，则应选用锯齿形翅片;多孔形翅片多用于有相变的情况。有文献提出在同样翅片高度的情况下，翅片的节距变小，其翅片性能有提高的趋势，所以所有形式的翅片应向节距缩小的方向发展;同时还指出，适当高度和节距的多孔形翅片，其性能不亚于锯齿形翅片，尤其在层流的使用条件下性能更显著 3.材料 板翅式换热器常用的材料有铝合金和铜等。由于铝合金适用于盐浴钎焊，所以在空分设备上得到广泛应用。十低温液体泵 低温液体泵（简

20、称低温泵）是在石油、空分和化工装置中用来输送低温液体（如液氧、液氮、液氩、液态烃和液化天然气等）的特殊泵，它的用途是将低温液体从压力低的场所输送到压力高的场所。 随着空分技术的发展，低温液体得到了广泛的应用及发展。其在空分设备中的只要作用为：用于液体循环；或是从贮槽抽取液体并将其压入汽化器，汽化后送给用户。由于低温液体泵输送的介质都为低温液体，在输送介质过程中应保持低温，如果一旦从泵周围吸收了较多的热量，则泵内低温液体会大量汽化，产生气体，从而影响泵的工作。所以低温泵在结构、材料、安装和运行等方面都有它的特殊要求，以达到低温液体输送要求。按照工作原理的不同，低温泵主要分为往复式和离心式两类。【参考文献】1陈泽韶，程文龙.一种利用LNG冷能的空气分离装置新流程J.工程热力学报，2004,25（6）：913-916.2陈国邦，新型低温技术M.上海：上海交通技术出版社，2003.3林文胜，顾安忠，鲁雪生，等.空分装置利用LNG冷量的热力学分析J.深冷技术，2003,43（3）：26-30.4黄振仁，魏新利.过程装备成套技术.北京：化学工业出版社，2008.3.5 6 78