空分工艺-易懂全面版

态度比方法重要结果比理由重要认真比聪明重要空分1.空分概述2.基本理论3.单元操作4.汽轮机空分概述空分的含义空分，即空气的分离，是利用一定的手段将空气中的各组分分离开来，从而获得所需要的氧气、氮气及一些稀有气体的过程。1903年，德国人卡尔·林德发明制造了世界上第一台深冷（低温）法生产氧气的空分设备，采用高压节流单塔流程，产氧量10m3/h。到目前为止，世界上从事空分行业的大型公司有：德国林德法国液空英国BOC美国APCI和Praxair中国杭氧、川空、开空1934年，中国首次从日本、德国引进一套两国拼凑的15m3/h空分设备，由日本人安装于青岛“中国瓦斯工厂”。•1949年，全国只有进口的小空分设备89套，总容量只有3415m3/h。1953年底，哈尔滨第一机械厂首次试制成功了两套30m3/h空分设备。杭氧从1955年试制空分设备，1956年起形成批量生产。至2000年底全国共生产空分设备130多种规格，8339套，其中1000m3/h以上的大中空分设备580套。全国空分生产氧的能力达277万m3/h。最近几年的空分设备大型化发展更加迅猛。我国的中大型空分设备发展至今，期间经历了六代变革：•第一代：铝带蓄冷器型；•第二代：石头蓄冷器型；•第三代：可逆式切换板翅换热器型；•第四代：常温分子筛吸附型；•第五代：分子筛吸附+增压透平膨胀机型；•第六代：规整填料塔+无氢制氩型。•第七代：内压缩型。•目前世界上最大的空分设备是法液空供加拿大长湖化工项目配套的113880m3/h装置，我国现在已具备生产60000m3/h等级空分设备能力。空气中的主要成分是氧气、氮气、氩气、二氧化碳以及一些其它气体和杂质。它们在空气中分别以分子的状态存在,数目非常多，并且永不停息地作无规则的运动，均匀地相互搀混在一起，要将它们分开，目前主要有三种方法：低温法、吸附法、膜分离法。空气中主要组分的性质如下：名称符号沸点℃101.325KPa熔点℃101.325KPa密度临界点Kg/m3气体Kg/l液体℃/MPa空气A-194.48-2141.29/316.60.875-140.7/3.774氮N2-195.8-209.861.25/313.30.81-147/3.395氧O2-183-218.41.43/436.141.14-119/5.043氩Ar-185.7-189.21.782/535.61.4-122/4.863是根据空气中各组分的沸点不同，经加压、预冷、纯化、并利用大部分由透平膨胀机提供的冷量使之液化，再进行精馏，从而获得所需要的氧气、氮气及其它稀有气体的过程。具体原理为空气经过增压膨胀对外作功处于冷凝温度,当穿过比它温度低的氧、氮组成的液体层时,由于气、液之间温度差的存在,要进行热交换,温度低的液体吸收热量开始蒸发,其中氮组分首先蒸发,温度较高的气体冷凝,放出冷凝热,气体冷凝时,首先冷凝氧组分.此过程一直进行到气、液处于平衡状态。1、低温法：这时,液相由于蒸发,使氮组分减少,同时由于气相冷凝的氧也进入液相,因此液相的氧浓度增加了,同样气相由于冷凝,使氧组分减少,同时由于液相的氮进入气相,因此气相的氮浓度增加了.多次的重复上述过程,气相的氮浓度就不断增加,液相的氧浓度也能不断的增加.这样经过多次的蒸发与冷凝就能完成整个精馏过程,从而将空气中的氧和氮分离开来原理：利用分子筛对不同的分子具有选择性吸附的特点，有的分子筛（如5A、13X等对氮具有较强的吸附性能，让氧分子通过，可得到较高纯度的氧气；有的分子筛（碳分子筛等）对氧具有较强的吸附性能，让氮分子通过，可得到较高纯度的氮气，从而实现空气的分离。但吸附法目前的氧气纯度只有93%左右。2、吸附法：原理：利用一些有机聚合膜的渗透选择性，当空气通过薄膜或中空纤维膜时，氧气穿透过薄膜的速度约为氮的4-5倍，从而实现氧、氮的分离。膜分离的富氧浓度只能达到28～35%O2。3、膜分离法：组成空分装置的七个系统压气系统预冷系统纯化系统膨胀机系统换热器分馏塔氩制取预冷系统分为空冷塔和水冷塔，是空分装置的关键构成。水冷塔内布置填料，污氮气从下面进入，水从上面喷洒下来，利用污氮气的不饱合性，水遇到干燥的氮气迅速蒸发，水因蒸发放出热量，达到降温的目的，甚至会比当时的污氮气温度还要低。预冷系统空气预冷系统是空气分离设备的一个重要的组成部分,它串接于空气压缩机系统和分子筛吸附系统之间,用来降低进分子筛吸附器的空气的温度与含水量,合理地使用空气预冷系统,有利于空气分离设备长期安全地运转,特别是高温季节尤为重要。•空冷塔利用空气与水直接接触，上部为水冷塔来的低温水，中上部为工业水，工业水一是起到降温的作用，同时会洗涤下空气中的灰尘和易溶于水的气体杂质，如氨、氯化氢等。一般1000m3空气最低需要水的洗涤量为1.5m3能够产生很好的效果。•纯化系统为氧化铝与分子筛的双层床结构，纯化器内下层为氧化铝，上面是分子筛，氧化铝主要功能是清除空冷塔带来的游离水，减少分子筛的负担。分子筛清除空气中的二氧化碳和碳氢化合物•产品气体与入塔空气进行热量交换，换热器为多层的板翅式结构，一层一层叠在一起，能够分成不同的组别，内部就是简单的层结构，同类产品用封头引出，气体在内部进行热交换。一组换热器可以分成多个不同的单元。•为空分装置的重要部机，从纯化器后分出一股空气进入增压机增压，然后进入板式进行换热后进入膨胀机，机前有过滤器，高速气流吹动叶轮，气体膨胀做功带动增压机增压，膨胀后空气进入上塔参加精馏。膨胀机叶轮膨胀机转子转子主塔•主塔分为上塔、下塔及主冷凝蒸发器，主冷起到承上启下的作用，空压机来的空气进入下塔进行初次精馏，上升气在下塔顶被主冷中的液氧冷凝，获得高纯度的液氮，送入上塔顶作为回流液，下塔底得到36-40%的富氧液空，送入上塔中部参加精馏，主冷中的液氧被下塔来的氮气蒸发，作为上塔的上升气，一部分作为产品送出。塔内温度分布位置温度K温度℃上塔顶78-195污氮出口80.5-192.5液空进口88-185主冷液氧93-180下塔顶氮气95-178下塔入口100-173筛板•氩系统分为粗氩塔和精氩塔，粗氩塔将馏份气中的氧除去后进入精氩塔除氮。粗氩塔设置两部分，用液氩泵连接，粗氩冷凝器采用过冷器后的液空做为冷源，液空的液位和温度（受冷凝器内压力和液空纯度的影响）对冷凝器的负荷产生影响。精氩冷凝器采用出过冷器的液氮做为冷源，不凝气体从精氩塔顶排放。内置规整填料基本理论压力是单位面积上的作用力采用国际单位。其单位是每m2面积上作用1N的力而产生的压力，记作Pa（帕）。新旧单位的换算关系如下：1标准大气压=0.1MPa=1bar=1公斤1KPa=100H2O热力学温标开尔文K，把-273.15定为绝对零度273.15K=0℃康诺瓦罗夫定律•理想溶液中液相与气相中的成分是不同的。如果不同蒸气压的纯液体在给定温度下混合成二元溶液，则气相里的成分和液相里的成分并不相同，对于较高蒸气压的组分，它在气相里的成分大于它在液相里的成分。对于较低沸点的液体，它在气相里的成分大与它在液相里的成分。相和相平衡•相就是指在系统中具有相同物理性质和化学性质的均匀部分，不同相之间往往有一个相界面，把不同的相分别开。系统中相数的多少与物质的数量无关。如水和冰混合在一起，水为液相，冰为固相。一般情况下，物料在精馏塔内是气、液两相。•在一定的温度和压力下，如果物料系统中存在两个或两个以上的相，物料在各相的相对量以及物料中各组分在各个相中的浓度不随时间变化，我们称系统处于平衡状态。热力性质对未饱和液体的加热过程，液体吸收热量，因此熵值增加，同时温度也升高。当液体达到饱和时，如果继续加热，则逐渐汽化，但温度维持不变，而熵仍增加。因此，在汽化阶段的等压线为一水平线，它同时又是等温。当液体全部汽化成干饱和蒸气后，如果继续加热，则在熵增加的同时，温度又升高，等压线为一向右上方倾斜的曲线。C点越接近B点，则表示气液混合物中所含的饱和蒸气量越多，气化率越大。C点分割AB线段的长度比，即表示气液混合物中气体与液体的数量之比，即:AC/CB=G汽/G液在不同压力下进行实验，可画出不同压力的等压线。压力越高，汽化温度也越高。因此，在等压线组中，越上面的曲线压力越高。此外，压力越高，饱和液体与干饱和蒸气的差别越小，汽化阶段越短，因此，水平线的长度也越短。压力为临界压力时，已没有汽化阶段，当温度达到临界温度时液体直接汽化为蒸气。因此，临界压力下的等压线已没有水平段，曲线上温度为临界温度的点!叫临界点。将不同压力下饱和液体点及干饱和蒸气点连接起来，构成图下方的一条向上凸的曲线，叫“饱和曲线”。在临界点左边为饱和液体线，右边为干饱和蒸气线。饱和曲线将图分成三个区域：在饱和液体线左侧为未饱和液体区，干饱和蒸气线的右侧为过热蒸气区，饱和曲线下侧为液体与蒸气的混合物，称“湿蒸气”区。在湿蒸气区，一定的压力对应一定的饱和温度，但随吸热多少不同，蒸气的含量也不同精馏把液体混合物进行多次部分汽化，同时又把产生的蒸汽多次部分冷凝，使混合物分离为所要求组分的操作过程称为精馏。板式精馏塔.swfBUBBLINGAREAGASGASLIQUIDSEPARATIONLIQUIDFROMGASENTRAINMENTDEGASINGOFLIQUIDCLEARLIQUIDDOWNCOMERCLEARANCEOUTLETWEIRINLETWEIRTRAYSPACINGDOWNCOMERSEALPANINLETBAFFLEWEIRCRESTDOWNCOMERSEALAREA浓度-温度图当压力愈低时，气相线与液相线距离愈远，表示在气液平衡时，气相浓度与液相浓度差愈大。对空气分离来说，气液相浓度差越大表示氧氮分离越容易，精馏过程所需的塔板数就少，因此在低压下分离空气比较有利。•当温度较高的饱和蒸气与温度较低的饱和液体互相均匀混合时，由于蒸气的温度高于液体的温度，因此均匀混合后蒸气将放出热量而被部分冷凝，液体将吸收热量而部分蒸发。最后达到相同温度下的气液平衡状态。当蒸气部分冷凝时，沸点较高的氧，相对较多地冷凝进入液相中，使冷凝液温度升高，则沸点较低的氮相对较多地蒸发到气相中，最后达到平衡时，气相中的氮增加和液相中的氧浓缩。上述过程就是同时进行部分气化和部分冷凝过程的简述。这样的过程进行多次就实现了精馏。深冷法制氧为什么要采用膨胀机？△＂△＇等熵膨胀制冷量更大等熵膨胀温度更低焓若对单位质量的流动气体而言，流动时的推动功为P·V，气体所具有的热力学能为U，所以气体所具有的总能量应等于两项之和。用符号h或i来表示:h=U+P·V，称之为焓。焓表征了流动系统中流体工质的总能量。它的数值为热力学能与流动时的推动功之和。流动是由压力差而产生的，所以流动时的推动功也可称为压力位能。流动时的推动功P·V，压力和质量热容都是状态函数，热力学能U也是状态函数，因此焓也是一个状态函数。熵自然界许多现象都有方向性，即向某一个方向可以自发地进行，反之则不能。热量只能自发地从高温物体传给低温物体，高压气体会自发地向低压方向膨胀，不同性质的气体会自发地均匀混合，一块赤热的铁会自然冷却，水会自发地从高处流向低处，⋯⋯它们的逆过程则均不能自发进行。这种有方向性的过程，我们称之为“不可逆过程”。不可逆过程前、后的两个状态是不等价的。熵可以用来度量不可逆过程前后两个状态的不等价性。，节流与膨胀后的压力虽然相同，但是这两个状态是不等价的。它们的不等价性通过理论证明可用熵来度量。对节流过程来说，是绝热的不可逆过程，熵是增大的；对膨胀机来说，在理想情况下，为一可逆过程，熵不变。即节流后的熵值比膨胀后的熵要大，其差值说明了不可逆的程度。•空气通过节流阀和膨胀机时，压力从p1降到p2，在理想情况下，两个过程均可看成是绝热过程。但是，由于节流过程没有对外作机械功，压力完全消耗在节流阀的摩擦、涡流及气流撞击损失上，要使气体自发地从低压处（p2）反向流至高压处（p1）是不可能的，因此它是一个不可逆过程。对于膨胀机，其叶轮对外作功，使气体的压力降低，内部能量减少，在