空分行业入门手册.docx

1、空分行业入门手册第一章 分馏部分第1节 概述本公司一期空分是四川空分设备制造的一套28000Nm3/h氧气（纯度99.6%）、32000Nm3/h（纯度99.99%）氮气的空分设备。氧气出冷箱压力为5.2Mpa。冷箱抽出的氮气分两路：一路是低压氮气压力大于或等于0.4Mpa、流量为26000Nm3/h，从下塔顶部抽出经冷箱复热后出冷箱送用户；一路是主冷抽出的液氮经氮泵加压后，压力为6.5Mpa、流量为6000Nm3/h，再经换热器复热后送用户。一、空气的组成空气是一种均匀的多组分混合气体，它的主要成分是氧、氮和氩，此外还含有微量的氢及氖、氦、氪、氙等稀有气体。根据地区条件的不同，空气中还含有不

2、定量的二氧化碳、水蒸汽以及乙炔等碳氢化合物等。如下表所示：干燥空气中主要组分表O2名称化学符号体积百分比重量百分比氮N78.0975.5氧O20.9523.1氩Ar0.9321.29二氧化碳CO20.030.05氖Ne0.000460.00006氦He0.00160.0011氪Kr0.000110.00032氙Xe0.0000080.00004空气中主要组分的物理特性名称化学符号气化温度（）熔化温度（）比重临界温度（）临界压力(Mpa) 气态kg/M3液态kg/L氮N-195.8-209.861.250.81-1473.382氧O-182.97-218.41.431.14-1195.03氩Ar

3、-185.7-189.21.7821.4-1124.862氖Ne-268.9-272.550.180.125-267.70.229氦He-246.1-248.60.7481.204-228.72.758氪Kr-153.2-157.21.7352.155-63.75.49氙Xe-108.0-111.81.6643.52+16.65.892由表中可以看出，空气主要由氧和氮组成，占99%以上；其次是氩，占0.93%。在常温、常压下它们呈气态，在标准大气压下，液化温度：氧90.18K（-182.97)，氮77.35K(-195.8)，氩87.45K(-185.7)。氧和氮的沸点相差约13K，氩和氮的沸

4、点相差约10K，这就是能够利用低温精馏法将空气分离为氧、氮和氩的基础。空气中除氧、氮、氩外，还有氖、氦、氪、氙等气体，其含量甚微，在自然界中不易得到，故称为稀有气体，其化学性质十分稳定，又称为惰性气体。空气分离装置在制取氧、氮的同时，应注意氩和其它稀有气体的制取。空气中的机械杂质、水蒸汽、二氧化碳、乙炔和其它碳氢化合物，影响空气分离装置的正常、安全运行。因此必须设法净除这些有害气体和杂质，以保障空气分离装置的正常运转。二、氧气的生产方法（空气分离法） 空气分离法以空气为原料，将氧组分和氮组分分离而得到氧气和氮气。依氧、氮组分分离所采取的方法不同分为，低温法、变压吸附法、膜分离法。（1）、低温法

5、（传统的空气分离方法）压缩 膨胀 液化（深冷） 精馏 低温法的核心 （2）、吸附法：利用固体吸附剂（分子筛、活性炭、硅胶、铝胶）对气体混合物中某些特定的组分吸附能力的差异进行的一种分离方法。特点：投资省、上马快、生产能力低、纯度低（93%左右）、切换周期短、对阀的要求或寿命影响大。（3）、膜分离法：利用有机聚合膜对气体混合物的渗透选择性。穿透膜的速度比快约4-5倍，但这种分离方法生产能力更低，纯度低（氧气纯度约25%35%低温法是以空气为原料，根据空气混合物中各组分的沸点不同，经过换热，深冷液化和多次部分蒸发、部分冷凝的精馏过程，实现氧、氮的分离。在空气分离领域中，低温法是传统的制氧方法，低温

6、法制氧，生产量大，氧气和氮气的纯度高，电耗低，同时也可以从空气中获得稀有气体，在国内外的制氧行业中占统治地位。三、基本原理用于生产氧、氮、氩等气体及部分液体产品的成套设备，称为空气分离设备（又称制氧机），简称空分装置。空气低温法制氧原理是先将空气压缩、冷却，并使空气液化，利用氧、氮组分的沸点不同（在大气压下氧沸点为90K，氮为77K），在精馏塔的塔板上进行气、液相接触，进行质、热交换，高沸点的氧组分不断地从蒸汽中冷凝成液体，低沸点的氮组分不断地转入蒸汽中，使上升的蒸汽中含氮量不断提高，而下流的液体中含氧量越来越高，从而使氧、氮分离。四、低温法制氧工艺描述低温法分离空气设备概括起来由以下四大部分

7、组成：1） 空气压缩、膨胀制冷；2） 空气中水分、杂质等净除（预净化）；3） 空气通过换热冷却、液化（低温产品的冷量回收及压缩）；4） 空气精馏、分离；5） 安全防爆。五、空气分离装置流程分类根据各部分实现的的方式和采用的设备不同，组成不同的流空气分离流程。按制冷循环方式、杂质净化方式、分离方式（产品种类、精馏塔形式）、产品的压缩形式分类。六、空分装置的性能指标空分装置除了要达到产品产量和纯度外，还有以下的性能指标：1）单位电耗：以kw.h/m3为单位来表示。2）提取率，反映了空气分离的完善程度。表达式：O=（VO.yo/ VA.yA）%3）启动时间。从空压机向装置通气开始直至产品达到设计产量

8、的全过程所需的时间。以小时表示。它既反映了运行的方便灵活性，同时也是一项能耗指标。4）运转周期。5）加温解冻时间。6）单位产量的金属消耗量。七、空气分离装置流程的发展自从1902年德国的林德教授发明了高压节流循环制冷，单级精馏塔分离空气制氧至今已历经了将近100年。我国的制氧机制造业在1950年以后才发展起来的，最初生产的中压及高、低压小型制氧机，1967年以后，先后试制成功了1000、1500、3200、6000、10000m3/h制氧机。仪表控制系统也从最初的直读式仪表发展到现在的集散型控制的水平。第二节 制氧工艺理论知识用低温法分离空气制氧归根结底分为两个步骤。首先使加工空气液化，继而利

9、用氧、氮的沸点差，采用精馏的方法使空气分离获得氧气和氮气。一、基础知识1. 气体的基本状态参数物质通常以气态、液态、固态存在。每种物质根据外界条件（温度与压力）的不同可处于其中的任一状态。空气、氧气、氮气和氩气在环境温度和大气压下都是气体，当所处条件发生变化，物质可以由一种状态转变为另一种状态。物质状态参数是描写物质在每一聚集状态特性的物理量。换言之，物质的每一状态都有确定数值的状态参数与之对应。空气分离过程中涉及的基本状态参数有：温度T、压力P、热力学能（内能）U、焓H、熵S、临界温度、临界压力、露点等。（1）温度：温度反映物体冷热的程度。从本质上说，温度反映物质内部分子运动激烈的程度。温度

10、降低到一定程度，水可以变成固体，空气也可以变成液体。定量地表示温度的高低有不同的温标。（2）压力：压力表测量的压力数值反映压力的高低，但并不是实际的压力。根据压力表的工作原理，测得的压力是实际压力(绝对压力)与周围大气压力的差值。当实际压力高于大气压力时，测得的压力叫表压力。绝对压力应等于表压力加上大气压力：绝对压力=表压力+大气压力当实际压力低于大气压力时，测得的压力叫真空度，也叫负压。绝对压力等于大气压力减掉真空度：绝对压力=大气压力-真空度（3）热力学能：宏观表示物体所具有的能量是动能和位能。动能的大小取决于他的质量和运动速度；位能是由地球的引力产生，取决于物体的质量和离地面的距离。在物

11、质内部，它是由大量分子组成的，分子在不停地做乱运动，具有分子运动的动能。温度越高，分子运动越激烈，分子运动的动能就越大。分子相互之间也有吸引力，分子间距离不同，相互吸引的位能也改变。这种肉眼所不能看见的物质内部具有的能量叫“热力学能”。（4）焓：焓是表示物质内部具有的一种能量的物理量，也就是一个表示物质状态的参数。单位是能量的单位：kJ或kJ/kg。焓=热力学能+流动能。（5）熵：熵与温度、压力、焓等一样，也是反映物质内部状态的一个物理量。它不能直接用仪表测量，只能推算出来，所以比较抽象。但在作理论分析时，有时用熵的概念比较方便。在自然界发生的许多过程中，有的过程朝一个方向可以自发地进行，而反

12、之则不行。自然界发生的一些过程是有一定的方向性的，这种过程叫不可逆过程。过程前后的两个状态是不等价的。通过研究，找到了“熵”这个物理量度量这种不等价性。在制氧机中常遇到的节流阀的节流膨胀过程和膨胀机的膨胀过程均可近似地看成是绝热过程。二者膨胀后压力均降低。但是，前者是不可逆的绝热膨胀，膨胀前后熵值肯定增大。后者在理想情况下膨胀对外作出的功可以等于压缩消耗的功，是可逆绝热膨胀过程，膨胀前后熵值不变，叫等熵膨胀。实际的膨胀机膨胀会有损失，也是不可逆过程，熵也增大。但是，它的不可逆程度比节流过程小，增加的熵值也小。因此，熵的增加值反映了这个绝热过程不可逆程度的大小。在作理论分析计算时，引入熵这个状态

13、参数很为方便。熵的单位为J/(molK)或kJ/(kmolK)。但是，通常关心的不是熵的数值，而是熵的变化趋势。对实际的绝热膨胀过程，熵必然增加。熵增加的幅度越小，说明损失越小，效率越高。 （6）临界温度、临界压力：在一定温度下，可以通过提高压力来使它液化。但是，对每一种物质来说，当温度超过某一数值时，无论压力提得多高，也不可能再使它液化。这个温度叫“临界温度”。临界温度是该物质可能被液化的最高温度。与临界温度对应的液化压力叫临界压力。（7）露点：使水蒸气达到饱和时的温度就叫作“露点”。2. 气体理想气体：理想气体是一种理想模型，从微观上看是一种分子本身没有体积、分子间没有作用力的气体。如果在

14、压力不高与温度不太低的情况下，气体分子本身所占的体积与相互作用忽略不计，这种状态的气体也可看作是理想气体。混合气体：多种气体以一定比例充分混合在一起所形成的均匀相为混合气体。空气是典型的一种混合气体。空气组成：N2 为78.03% ，O2 为20.93% ，Ar2为0.932%，CO2为0.03%。混合气体的性质，取决于组成混合气体的各组分的含量。一般情况下，空气中主要成分氧、氮的含量基本不变，可以把空气作为单一气体处理，空气平均分子量为29。空气净化时，就不能忽视水分、二氧化碳、乙炔及其它碳氢化合物对空气的影响；在提取稀有气体时，也不能将空气只视为氧、氮二元组分。3.蒸汽通常，在1大气压下液

15、氧的沸点：氧90.18K（-182.97)，氮77.35K(-195.8)，氩87.29K(-185.86) 从过冷液体饱和液体湿蒸汽饱和蒸汽热蒸汽实验表明：对于同一种物质，在不同压力下，对应的饱和温度也不同，压力越高，饱和温度也增高。也就是说，压力越高蒸气越容易液化。氧、氮在不同压力下对应的饱和温度压力11.523456氧K909397102105109111氮K77818488919496在同样压力下，氮的饱和温度比氧低，表示氮比氧更容易气化；而在不同压力下氮的饱和温度有可能比氧高。二、空气液化循环空气在地球周围，通常是过热蒸汽，将其液化，需要通过液化循环来实现。液化循环由一系列必要的热力

16、过程组成，制取冷量将空气由气态变成液态。低温循环的用途，从热力学的观点有下列几种情况：1）把物质冷却到预定的温度，通常由常温冷却到所需的低温；2）在存在冷损的条件下，保持已冷却到低温的物质的温度，即从恒定的低温物质中不断吸取热量；3）为上述两种情况的综合，即连续不断地冷却到一定的低温，并随时补偿冷损失，维持所达到的低温工况。空气液化循环属于第三种情况，要将空气连续不断地冷却到当时压力下的饱和温度，又要提供潜热，补偿冷损，维持液化工况。这首先要选择制冷方法，而后组成行之有效的液化循环。1.获得低温的方法要使空气液化，需要从空气中取出热量使其冷却，最后全部成为液体。我们知道，在101.3kPa大气

17、压下，空气液化温度是-191.8，从27变为干饱和蒸气需取出222.79kJ/kg热量，再从干饱和蒸气变为液体需取出168.45kJ/kg热量（即潜热），显然，为使空气液化首先要获得低温。工业上空气液化常用两种方法获得低温，即空气的节流和膨胀机的绝热膨胀制冷。2.理想液化循环在制冷机中，气体工质连续不断地工作，需要经历一系列的状态变化，重新回复到原始状态，也就是要经历一个循环。低温液化循环由等温压缩，绝热膨胀降温，等压换热等一系列过程组成。其目的是获得低温使空气液化。低温液化循环获得冷量必须消耗功，耗功的大小代表了循环的经济性。假如在整个液化循环中的各个过程均为可逆过程，无任何损失，则该液化循

18、环为理想液化循环，通过这种循环使气体液化所消耗的功为最小，称之为气体液化的最小理论功。实际上各种过程总存在着不可逆性，如节流和膨胀机都存在着摩擦及冷损失，换热器存在着传热温差，所以理想循环是不能实现的。实际液化循环的耗功总是大于理论最小功，因此理论循环可以作为实际液化循环的不可逆程度的比较标准。3.空气的三种基本液化循环 目前空气的液化循环主要有三种类型：（1）以节流为基础的液化循环；（2）以等熵膨胀与节流相结合的液化循环；（3）以等熵膨胀为主的液化循环。三、空气的精馏1、汽液相平衡空气主要由氧、氮组成，在近似计算时，可以把空气看成是氧、氮的混合物，其中氧组分为20.9（体积），氮组分为79.

19、1（体积）。氧、氮与其它单一物质一样，在一定条件下具有一定的状态。任意数量的氧、氮混合都能够得到氧、氮的均匀混合物，液氧和液氮以任何份额混合时都能获得均匀的混合溶液，所以氧和氮是完全互溶的，因此液空可以看作是氧、氮完全互溶的二元溶液。当气相中的分子数不再增加，液相中的分子数不再减少，容器中的液相与液面上的蒸汽建立了平衡，称之为气液相平衡。气液平衡时，整个气液系统处于相同的温度和压力之下，各部分状态参数将保持不变。当气液处于气液平衡时，液面上方的蒸汽叫饱和蒸汽，饱和蒸汽所显示的压力称为饱和蒸汽压，相应的温度叫饱和温度。通常把液体汽化的难易程度称作“挥发性”。容易汽化的挥发性大，同一温度下所对应的

20、饱和蒸汽压高，反之，不易汽化的对应的饱和蒸汽压低。在相同压力下，沸点低的物质为易挥发组分，沸点高的为难挥发组分。空气可以大致看成是氧、氮、氩的混合物，氮对于氧来说是易挥发组分，氧是难挥发组分；而氩对于氮来说是难挥发组分，相对于氧是易挥发组分，可见挥发的难易也是相对而言的。2、空气的分离氧、氮混合物在气液平衡时，通常气相中的氮浓度比液相中高，液相中的氧浓度比气相中要高。利用这一规律就可实现氧、氮的分离。 液空的简单蒸发过程液空的简单蒸发是不能提取纯氧的。在将液化空气加热时，虽然氮的沸点低于氧沸点，氮应该是先蒸发。但是，由于氮、氧分子的相互影响，在氮分子从液体中蒸发的同时，也伴有氧分子蒸发，只是氮

21、分子的蒸发相对地比氧分子容易而已，即在蒸气中的氮组分要比液体中的氮组分大。例如，氮的摩尔成分为79.1%N2的液空在0.1MPa下加热蒸发时，开始产生的蒸气中的氮摩尔成分为93.7%N2，其余为氧。当液空蒸发了50%以后，由于有更多的氧也蒸发出来，蒸气中的氮的摩尔成分降为89.8%N2，液体中氧的摩尔成分为31.5%O2(68.5%N2)；当液空蒸发了90%以后，蒸气中氮的摩尔成分为82%N2，液体中氧的摩尔成分为47%O2(53%N2)。虽然液体中的氧浓度随着蒸气中含氧量增加而提高，但是由于蒸气中氧的摩尔成分最高也只能达到20.9%O2(当液空全部蒸发完时)，所以，最后蒸发的液体中氧的摩尔成

22、分最高也只有51.5%O2(48.5%N2)。3、空气的部分蒸发与部分冷凝 （1）、液空的部分蒸发当液空蒸发时，可以使液体的氧浓度提高，但由于蒸发出的蒸气存在，使液体的氧浓度受到限制，假如能将蒸发出的蒸汽不断从液体上方引出，使所剩的氧浓度较高液体再继续蒸发，这种蒸发过程叫部分蒸发。要得到氧浓度较高的液体，可进行多次部分蒸发过程。（2）、空气的部分冷凝所谓部分冷凝是指空气在冷凝过程中不断将冷凝液引走，使所剩的蒸汽中氮浓度不断提高。4.空气的精馏（1）精馏及精馏过程所谓精馏就是同时并多次地运用部分蒸发和部分冷凝的过程，使低沸点组分不断从液相蒸发到气相中，同时使高沸点组分不断地从气相冷凝到液相中来，

23、最后实现两种组分的分离。多次重复上述的蒸发和冷凝过程即构成精馏。将每一个容器简化为一块塔板，使塔板成为气液进行热、质交换的场所，并将一块块塔板重迭起来，成为层数很多的一座塔，即精馏塔。（2）回流及回流比必须注意，回流是精馏的必要条件之一，没有回流，则部分蒸发和部分冷凝就不能持续进行，精馏过程也就无法实现。回流比是影响精馏操作费用和投资费用的重要因素，对于一定的分离任务而言，应选择适宜的回流比。回流比有两个极限值，上限为全回流时的回流比，下限为最小回流比，实际回流比介于两极限值之间的某适宜值。第3节 制氧工艺的基本流程 从大气吸入的空气经空气过滤器（S01101）滤去灰尘杂质后，进入空气压缩机（

24、K01101）加压至0.62Mpa(A)，然后进入空气冷却塔（C01201）。空气在空冷塔（C01201）下段，与循环水冷却水逆流接触而降温。然后再经过上段与经氨冷器（E01201）冷却的冷冻水再次逆流接触降温，经空冷塔（C01201）顶部丝网除沫器除雾去沫后的空气入分子筛吸附器（R01301A/B)，清除空气中的水份、二氧化碳和碳氢化合物。新鲜水经LCV01203与空冷塔上段回水（LCV01205）一起进入水冷塔（C01202），在塔中水与污氮或空气进行传质传热后水被冷却，再由冷冻水泵P01202A/B加压后，进入氨冷器（E01201），与用户用来的液氨进行换热后冷却水由FCV01202阀流

25、量调节进入空冷塔（C01201）。分子筛吸附器（R01301A/B)为两台切换使用，其中一台工作时，另一台再生备用。加温时污氮经FCV01301B进入蒸汽加热器（E01301），污氮气被加热后进入纯化器（R01301A/B)对分子筛进行加温再生；加温结束后污氮经FCV01301A进入纯化器（R01301A/B)进行冷吹。特殊再生时空气由旁路V01314经蒸汽加热器（E01301）加温后，再经电加热器（E01302）加温后进入纯化器。已净化的空气分三路：一股从分子筛后抽出作仪表空气供空分使用；一股进入冷箱主换热器（E01603A-C）被返流污氮气及粗氩气冷却后出换热器底部进入下塔（C01601）

26、进行深冷分离。另一路空气去增压机(ST01102)进一步增压（93200Nm3/h）。进入空气增压机(ST01102)的空气经增压机第二段增压到2.7MpaA后分两股：一股直接出增压机，经过水冷却器冷却后进入膨胀增压机的增压端（K01401）（30000Nm3/h），然后经冷却器（E01401）冷却到常温后进入主换热器（E01601A-B），再从主换热器中部抽出进入膨胀机（MT01401）进行膨胀。膨胀后的空气与出主换热器（E01603A-C）的低压空气汇合，进入下塔（C01601）。从增压机(ST01102)的第一级抽出（1.28MpaA，16200Nm3/h）一路空气，经缓冲罐(T0110

27、1)压力平稳后，经调节阀供全厂工厂空气、仪表空气。另一股空气（47000Nm3/h）进入增压机(ST01102)的第三段继续增压到7.0MpaA并经后冷却器冷却到常温后进入主换热器（E01601A-B），与高压液氧、液氮、低压氮气及返流污氮气换热。这部分高压空气从主换热器底部抽出，经节流（LCV01605）后的含湿空气进入气液分离器（S01601），经气液分离器分离出的空气与出主换热器（E01603A-C）的低压空气及膨胀空气汇合，进入下塔（C01601）底部。从气液分离器（S01601）出来的液空也送入下塔（C01601）。空气经过下塔初步精馏后，获得富氧液空、纯液氮和污液氮。冷凝下液氮分三

28、路，一部分液氮抽出经液氮泵（P01602A/B）加压后，再经过主换热器（E01601A-B）与正流高压空气换热至常温后送用户；另一部分作为下塔（C01601）的回流液；还有一部分与富氧液空、污液氮一起经过冷器（E01604A/B）过冷后节流进入上塔（C01602）。在上塔进一步精馏后，在上塔底部获得液氧，一部分经过液氧泵（P01601A/B）加压后进入主换热器（E01601A-B），复热后出冷箱送至用户使用，一部分作为液氧产品进入贮存系统（T01701）。在下塔（C01601）顶部获得纯液氮经过冷器过冷后，一部分进入储存系统（T01801）。在下塔（C01601）顶部抽出低压氮气，经过主换热器

29、（E01601A-B）复热后出冷箱，进入氮气管网送至用户使用。在上塔（C01602）中部抽取一定量的氩馏分送入粗氩塔（C01603），经精馏后的粗氩气经主换热器（E01602）复热后放空。从上塔（C01602）顶部引出污氮气经过冷器（E01604A/B）、主换热器（E01601/2/3）回收冷量后出冷箱分两部分：一部分进入分子筛系统（R01301A/B)的蒸汽加热器（E01301）作为分子筛的再生气体，其余部分污氮气去水冷塔（C01202）和水换热后放空。第四节 制氧工艺基本工序一、空气的除尘在工业区的空气含尘量一般为15mg/m3，灰尘粒度为0.520m，以10000Nm3/h制氧机的加工空

30、气量估算，每天随加工空气带到空分装置的灰尘就有10kg之多。空压机如果直接吸入这样脏的空气，设备很快就会损坏。因此，在空压机入口管道上均设有空气过滤器，清除空气中的固体杂质。固体杂质颗粒直径大于100m的在重力作用下会自动降落，小于0.1m的极小粒子不致引起危害。故净除的对象为0.1100m的尘粒。显然，粒度越小的尘埃越难以清除。空气过滤器主要捕集的是0.110m的尘粒。净除后空气中含固体杂质的量小于0.5 mg/m3。目前一般大型空分，都采用的自洁式空气过滤器，本公司空分装置也采用的是自洁式空气过滤器。 二、空气的压缩 空气压缩机是空分装置中的主要装置。一方面它为空气分离装置提供原料空气，另

31、一方面为该装置所采取的制冷循环提供所需的压力。本公司所采用的压缩机是蒸汽透平离心式压缩机，其主要参数如下表：进气量进气温度进气压力排气压力排气温度调节范围空压机174000Nm3/h280.098MpaA0.62MpaA10580-105%增压机93200Nm3/h280.6MpaA7MpaA10580-105%三、空气的预冷 空分装置希望压缩空气进装置时的温度尽可能低，以降低空气中的饱和水含量和主换热器的热负荷等。而空压机实际上不可能实现等温压缩，末级压缩后的空气温度可高达8090。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净化流程，由于分子筛的吸附容量与温度有关，温度越低，吸附容量越大。因而降低空