深冷制氮的工艺流程说明

深冷制氮的工艺流程说明

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深冷空气分离技术

深度冷冻法分离空气是将空气液化后，再利用氧、氮的沸点不同将它们分离。即，造成气、液浓度的差异这一性质，来分离空气的一种方法。因此必须了解气、混合物的一些基本特征：气-液相平衡时浓度间的关系：液态空气蒸发和冷凝的过程及精馏塔的精馏过程。

1. 空气的汽-液相的平衡，物质的聚集状态有气态、液态、固态。每种聚集态内部，具有相同的物理性质和化学性质并完全均匀的部分，称为相。空气在塔内的分离，一般情况下，物料精馏是在汽、液两相进行的。空气中氧和氮占到99.04%，因此，可近似地把空气当作氧和氮的二元混合物。当二元混合物为液态时，叫二元溶液。

氧、氮可以任意比例混合，构成不同浓度的气体混合物及溶液。把氧、氮溶液置于一封闭容器中，在溶液上方也和纯物质一样会产生蒸汽，该蒸汽是由氧、氮蒸汽组成的气态的相混合物。对于氧氮二元溶液当达到汽液平衡时，它的饱和温度不但和压力有关，而且和氧、氮的浓度有关。当压力为1at时，含氮为0%，2%，10%的溶液的沸点列于表1-5。从表可知，随着溶液中低沸点组分（氮）的增加，溶液的组和温度降低，这是氧-氮二元溶液的一个重要特性。

空气中含氩0.93%，其沸点又介于氧、氮之间。

在空气分离的过程中，氩对精馏的影响较大，特别是在制取高纯氧、氮产品时，必须考虑氩的影响。

一般在较精确的计算中，又将空气看作氧-氩-氮三元混合物，其浓度为氧20.95%，氩0.93%，氮78.09（按容积）。

三元系的汽液平衡关系，可根据实验数据表示在相平衡图上。确定三元系的汽液平衡状态时，必须给定三个独立参数，除给定温度、压力外，需再细定一个组分浓度（气相或液相）平衡状态才能确定。

2. 压力-浓度图和温度-浓度图在工业生产中，气液平衡一般在某一不变条件下进行的。在温度一定时可得如图1-13所示的压力-浓度的关系图（P-X图）。

图1-13是根据T=常数，绘出的氧、氮平衡系的P-X图，纵坐标为压力，横坐标取氮的液相及气相浓度（也可取氧的浓度）。每给定一个压力就对应有一个液相及气相浓度。分别连接不同压力下的气相浓度点及液相浓度点，则可得出图中所示的饱和蒸汽线（虚线）和饱和液体线（实线）。其余相区如图所示。

在某一压力P1下，与液、汽饱和线的交点分别为点1（X1）和点2（y2），又因为PN20>PO20根据康诺瓦罗夫定律，氮组分在气相中的浓度要大于在液相中的浓度y2>x1。

一般蒸发（冷凝）过程是在等压下进行的，所以用T-X图来研究这一过程更为方便。在等压下，氧、氮的气液平衡图见图1-14。每经定一个温度，就对应有一个液相及气相浓度。把不同温度下对应的气相浓度点和液相浓度点连接起来，可得饱和蒸汽线（虚线）和饱和液体线（实线）。这两条曲线把图分为三个区域：液相区、气相区及两相区。由图1-14可知，纯组分时的沸点TN20PO20在某一温度T1下，根据康诺瓦罗夫定律可知，y2>x1。同时，还可以看出，当浓度为x1时溶液的沸点是T1，即不等于TO20，也不等于TN20而是介于两者之间。

对于不同压力，可得不同的氧、氮平衡曲线（见图1-15）图中压力P3>P2>P1，压力越高，饱和液体线和饱和蒸汽线之间的距离越窄，也就是说高压下气-液间浓度差变小，而在低压下浓度差加大。在相同的液相浓度X0下，可以看出y1>y2>y3。气液相浓度差越大，表示氧气分离越容易，因此在低压下，分离空气是比较有利的，因为可以大大减少精馏塔板的数量。

3. 汽液平衡浓度图（y-x图）在一定压力下，取二元溶液中低沸点组分（氮）的浓度xN2为横坐标，与其平衡的气相中氮浓度yN2为纵坐标，构成的图叫y-x图（见图1-16）

在y-x图中P3>P2>P1。当压力愈低时，等压线离y=x的对角钱就愈远，表示组分在汽液中相的浓度差愈大，混合物分离就愈容易。

当压力一定时，由于采用低沸点组分为坐标的，气在气相中的浓度大于液相中的浓度，所以等压线均在对角线（y=x线）以上，并为向上凸起曲线。如以高沸点组分氧为浓度坐标时则相反。

用y-x图了解气液平衡时气液相浓度的关系非常清楚和方便，所以在二元溶液精馏过程中，分析塔板上气液浓度变化时常要用到该图。

4. 焓-浓度图在空气分离技术中，很多情况下是研究过程的热现象，因此通常采用焓-浓度图（h-x 图）来进行研究就显得比较方便。

由给定的压力、温度和成分，再根据热焓的计算式，求出与给定成分相对应的饱和汽相和饱和液相的热焓值，并将所得的点1\\、2\\…和1\、2\、…连接起来，则可得饱和蒸汽线（虚线）和饱和液体线（实

线）、然后再借助给定压力下的T-x图，求出在两相区的等温线（见图1-17）。

在h-x图上，当xN2=0.xN1=1时，饱和蒸汽线和饱和液体线之间的距离，分别为液氧的汽化潜热ro2和液氮的汽化潜热rN2。当压力改变时，因为各组分的饱和蒸汽和饱和液体的热焓随压力而变化，所以饱和蒸汽线和饱和液体线的位置就不同，压力越高，这两条曲线越向上移。H-x图的用途很广，除用来作精馏计算外，还可以用该图求得氧氮混合物的潜热、液体节流后的汽化率及汽液相浓度。

深冷制氮装置由以下几部分组成：

1、空气压缩与输送系统：包括一台处理气量为50万Nm3/h的自洁式空气过滤器；一台由4万KW蒸汽透平驱动的空气压缩机和空气增压机及其附属设备。

2、空气预冷系统：包括一台处理气量30万Nm3／h的空气冷却塔、水冷却塔、氨蒸发器及附属系统。

3、空气净化系统：包括两台分子筛吸附器和两台蒸汽加热器。

4、空气分馏塔：包括一台主精馏塔；一台辅助冷凝蒸发器；一组低压板式换热器；一组高压板式换热器；一组过冷器；两台粗氩塔；一台精氩塔；一台带增压机的膨胀机；六台工艺低温液体泵。

5、低温液体贮存系统：包括两台200m3平底贮槽；两台100m3真空贮槽；一台高压事故氮泵（低温液体泵）；一台水浴式气化器；一台高压氧气充瓶泵（往复式低温液体泵）；一台空浴式高压汽化器；一套24头充瓶架；两台充车泵。

6、仪表空气压缩贮存系统：包括一台气量为40Nm3/h螺杆空气压缩机，一台150 m3的仪表空气储罐，两台干燥器。

二、流程简述

本空分设备采用分子筛吸附预净化、增压透平膨胀机、全填料精馏（下塔筛板）及双泵内压缩工艺。

1、空气过滤和压缩

空气首先进入自洁式空气吸入过滤器，在其中除去灰尘和其它固体杂质后进入主空压机，经多级压缩后进入空冷塔，压缩机级间的热量被中间冷却器中的冷却水带走。

2、空气的冷却