空分教程1(1)讲解

1 1 KDON-6600/6600型空分课程

一，前言 空气中99.04%是氧气和氮气，氧气占20.95%，氮气占78.09%，其它成份以氩气为主占0.932%，它们基本不变，氢及二氧化碳和碳氢化合物视地区和环境在一定范围内变化，空气中的水蒸汽含量随着饱和温度和地理环境条件影响而变化较大。 我们的空分工序是把空气中的氧气提炼出来，这就需要先把空气净化，除去杂质及有害物质，然后实现氧气、氮气、氩气分离的目的。由于氩含量比较少，也可以说是氧气、氮气分离。空气分离的基本原理是利用液化空气中各组份沸点的不同而将各组份分离开来，在标准大气压下，氧气的沸点是-183℃左右，氮气的沸点是-196℃左右，氩气的沸点是-186℃左右，而作为混和物的空气，它的液化温度是-192℃左右，这些温度点随着压力的提高而升高。要实现空气分离的目的，空分装置的工作包括下列过程： 1， 空气的过滤和压缩 2， 空气中水份和二氧化碳的消除 3， 空气被冷却到液化的温度 4， 冷量的制取 5， 液化 6， 精馏 7， 危险杂质的排除 空分主要设备有：空气过滤器,空气压缩机，级间冷却器，空气冷却塔，纯化器，膨胀机，主换热器，液氧蒸发器，过冷器，主冷凝蒸发器（简称主冷），分馏塔上塔和下塔，水冷塔，蒸汽加热器，水泵，冷水机组等等。

二，流程简介 原料空气吸入，经空气过滤器除去灰尘及其它机械杂质。空气经过滤后在离心式空压机中经压缩至0.56MPa左右，在空气冷却塔内预冷。冷却水分段进入冷却塔内，下段为循环冷却水，上段为来自水冷塔的低温冷冻水，空气自下而上穿过空气冷却塔，在冷却的同时，又得到清洗。空气经空气冷却塔冷却后，温度降至~10℃，然后进入切换使用的分子筛吸附器，空气中的二氧化碳，碳氢化合物及残留的水蒸气被吸附。分子筛吸附器为两只切换使用，其中一只工作时，另一只再生。纯化器的切换周期为240分钟，定时自动切换。 空气经净化后，进入分馏塔系统。进入分馏塔系统的空气又分为两路：一路空气直接进入主换热器，在主换热器中与返流气体（氧气、氮气、污氮气）换热达到空气液化温度约-172℃。该部分空气又分为两部分，一部分经过节流压力降至0.5MPa进入下塔C1底部参加精馏。另一部分进入液氧蒸发器被液氧冷凝为液态（液空），送入下塔C1中部参加精馏 。而另一路去增压透平膨胀机增压后进入主换热器，在主换热器内被返流气体冷却至162K（-111℃）时抽出进入膨胀机ET1（或ET2）膨胀，产生装置所需的大部分冷量，膨胀后的气体全部送入上塔或旁通污氮一部分后送入上塔（视装置运行情况而定）参加精馏。 在下塔中，空气被初步分离成氮和富氧液空，顶部氮气在冷凝蒸发器中被冷凝为液体，同时主冷的低压侧液氧被汽化。部分液氮作为下塔回流液，另一部分液氮从下塔顶部引出，经过冷器被氮气和污氮气过冷后，经过节流阀送入上塔顶部参加精馏。下塔底部的液空及贫液空出下塔，在过冷器中过冷后经节流阀送入上塔参加精馏。 液氧从主冷底部引出送入液氧蒸发器E5中，同时利用主冷与液氧蒸发蒸发的高度1 1 差，从而达到氧气被增压的目的。在液氧蒸发器E5中，液氧被空气加热汽化后进入主换热器，复热后出冷箱送往用户。液氧从液氧蒸发器E5引出送去贮槽。 污氮气从上塔上部引出，并在过冷器及主换热器中复热后送出分馏塔外，作为分子筛吸附器的再生气体。氮气从上塔顶部引出，在过冷器及主换热器中复热后出冷箱，一部分作为产品氮气送出，其余氮气进入水冷却塔中作为冷源冷却循环水。 产品液氧、液氮分别送入各自的贮存系统贮存备用。

三，空气压缩机的工作原理及其在空分工艺中的作用 气体的压缩即提高气体的压力是通过压缩机来完成的。压缩机按照其压缩原理可以分成容积型和速度型两大类，容积型压缩机是靠缩小工作容积，使气体分子间的间距变小，增加单位内的分子数来提高气体的压力。而工作容积的变化由在气缸内作往复运动的活塞或旋转的转子来实现，如活塞式和螺杆式压缩机。速度型的压缩机以高速旋转的离心力而使气体获得高速度，利用气流的惯性，在减速运动中，气流后面的气体分子挤压前面已经停止下来的气体分子，而使分子间距缩短，提高了压力，如离心式压缩机。 作为中型制氧系统的动力源，需要采用低压的离心式压缩机，与活塞式压缩机相比，离心式压缩机有下列优点： 1，结构紧凑、尺寸小、排气量大、机组重量轻，原材料消耗少；、 2，没有气阀、填料、活塞环等易损件，连续运转周期长； 3，在转子与定子之间，除轴承和轴端密封之外，没有接触磨擦的部分，气缸内不需要油润滑，所以加工空气中不带油； 4，供气连续稳定、无循环脉动； 主要缺点为： 1，稳定工作范围较窄，一旦偏离设计工况，效率降低，甚至发生故障，也就是可调性相对较差； 2，在高速高温下工作的叶轮和轴，要求用高级合金钢制造，而且制造工艺要求高。 工作原理： 离心式压缩机之所以能够提高气体的压力，是因为气体在叶轮高转速的带动下（6000~20000r/min），气体产生很大的离心力和很高流速。离心力使气体的压力增高，高速度则使气体的动能增加，气体从叶轮四周甩出后进入扩压器，气体的流速降低，使动能转化为压力能，每经过一次叶轮，其升压约为进口压力的1.3~2倍，为了获得所需压力，就必须采用多个叶轮，就是多级压缩机。 吸气室的作用是将所需压缩的气体，由进气管或中间冷却器的出口均匀地吸入工作轮是去，有轴向和径向。 工作轮也称为叶轮，它是压缩机是最重要的部件，气体在工作轮叶片的作用下，跟着工作轮作高速旋转，气体受旋转离心力的作用，以及在工作轮里的扩压流动，使气体通过工作轮后的压力得到了提高。 扩压器：气体从工作轮流出时，具有较高的流动速度，为了充分利用这部分速度能，常常在工作轮后设置了流通截面逐渐扩大的扩压器，用以把速度能转化为压力能，以提高气体压力。 蜗壳的主要目的是把扩压器后面或工作轮后面的气体汇集起来，把气体引到压缩机外面去，使它流向气体输送管道或流到冷却器去进行冷却。 压缩机的动力是电动机，电动机带动叶轮转动，使气体的压力升高，同时温度也升高，气体的能量增加，根据能量守恒定律，增加的能量是由电动机电能转化而来的。而1 1 高温高压气体经过水冷器后，又把能量传递给水，变成高压常温气体，就是这些失去大量热能的气体，通过一系列设备，最终变成超低温的液态空气，完成精馏工况的原料基础。

四，氮水预冷系统的工作原理及作用 在全低压空分设备中普遍设有氮水预冷器，它主要利用污氮中水的不饱和度，使部分水蒸发，而水蒸发时吸收汽化潜热，使冷却水温度降低，降温后的冷却水再通过冷冻机组，变为冷冻水，温度进一步降低，再利用冷冻水来冷却压缩空气，降低进纯化器空气温度，它包括空气冷却塔和水冷却塔。 设置氮水预冷器的根本目的是降低空气温度，避免温度大幅度波动。因为压缩空气的温度的高低直接影响纯化器的吸附能力及效果、精馏塔的工况以及整个空分设备的经济性。 空气冷却塔是一个直径为1.8m，高度为20m左右的塔，分上下两段，分别装有填料，顶部为丝网除沫器。空气由下端进塔，从顶部引出；低温冷冻水从上端进入，在上段与空气通过填料进行热量交换，冷却水从中部进入，在下段与空气进行预换热。由于低温冷冻水的温度只有8℃左右，在经过空气冷却塔的冷却和洗涤之后，出塔气体温度在10℃左右。低温冷冻水和冷却水均由塔底引出，经总管回到凉水塔，出塔气体已达到我们所需温度，它将进入下一个程序：纯化系统以除去水、二氧化碳、和乙炔及碳氢化合物。 水冷塔是一个直径为1.7m，高度为14m左右的塔，内部也装有填料，顶部有丝网除沫器。循环水从水冷塔上部进入，顺流而下；从分馏塔引出的不纯氮气（称为污氮）及纯氮由水冷塔下部进入，通过填料与水换热，再经过丝网除沫器，在塔顶放空。首先，污氮的温度比水温低，能够与水换热，使水得到冷却而温度降低；再者，污氮比较干燥，相对湿度小，所以水不断蒸发，扩散到污氮中去，而水蒸发需要吸收汽化潜热，从水中带走热量，也使得水的温度不断降低。必须指出：污氮吸湿是使水降温的主要因素，因此污氮的相对温度是影响冷却效果的关键，这也是为什么有可能出现冷却水出口温度低于污氮进口温度的原因。

五，纯化系统的工作原理及作用 纯化系统的设备属于净化设备，它应把对空分工艺不利的其他成份全部清除。水和二氧化碳在低温下结成冰和干冰后会堵塞设备管道和阀门，影响空气分离的正常进行；乙炔等碳氢化合物在空分装置中积聚会导致爆炸事故的发生。为保证生产顺利进行，必须对原料空气进行净化。 吸附法可以用来清除水分、二氧化碳、乙炔及其它碳氢化合物。某种物质的分子在一种多孔固体表面浓聚的现象称之为吸附，被吸附的物质叫吸附质，而具有多孔的固体表面的吸附相称作吸附剂。 分子筛纯化器就是应用吸附法同时清除水分、二氧化碳、乙炔及其它碳氢化合物。分子筛是一种吸附剂，它具有巨大的表面积，每克分子筛的表面积高达800~1000M2，我们所使用的13X型分子筛，它内部的孔径为1×10-9m，外型为直径2~6mm的球状和条状。它吸附具有选择性，优先吸附水份，再吸附乙炔，最后吸附二氧化碳，因此，检验吸附效果只需测量二氧化碳含量是否达标就行。它的吸附能力随温度升高而减弱，随时间延长而变小。当吸附完毕时，只要经过加热就能使分子筛重新活化再生，两只分子筛纯化器就能循环使用。 分子筛纯化器的再生是利用分馏塔内的氮气经蒸汽加热器加热后进入纯化器，使其释放所吸附的水分、二氧化碳、乙炔及其它碳氢化合物，全部释放后，再用常温氮气冷吹，使其达到正常工作温度，进入备用状态。到一定时间后，这一只进入工作状态，另