空分装置培训资料

空分装置技术员工培训资料目录第一章制氧原理第一节空气的性质及分离原理一、概述二、空气的性质三、空气精馏的基本原理第二节工艺流程一、流程叙述二、工艺流程图第二章压缩第一节压缩机概述一压缩机的定义和分类二汽轮机的定义和分类第二节离心式压缩机及汽轮机的工作原理及结构一离心式压缩机工作原理及结构二汽轮机基本原理与结构第三节离心式压缩机及汽轮机运行有关概念一临界转速二旋转脱离与喘振三离心式压缩机的性能曲线、压缩机与管网联合工作第四节离心式压缩机组辅助系统一压缩机的段间冷却系统二汽轮机的凝汽系统三机组油系统四防喘振控制系统五汽轮机调速调压和保安系统六密封系统第五节离心式压缩机工况调节的几种方法一概述二几种调节方法介绍三各种调节方法比较第三章主要设备第一节净化与换热设备一、分子筛吸附器二、板翅式主换热器三、主冷凝蒸发器四、过冷器第二节精馏设备一、主精馏塔二、氩精馏塔第三节制冷设备膨胀机第四节压缩与输送设备一、空气压缩机二、增压机三、蒸汽透平四、低温泵第四章空分装置的消耗第一节原料空气第二节公用工程消耗和化学品消耗一、公用工程1、电耗2、水耗3、蒸汽消耗4、仪表空气5、解冻气二、化学品消耗液氨消耗第五章主要产品参数第一节产品规格一、一工况产品规格二、二工况产品规格第二节操作特点一、操作弹性二、操作特性第六章安全说明一、概述二、常见的安全事故三、空分区域内的危险性物质四、工作人员必须注意的安全问题第一章制氧原理第一节空气的性质及分离原理一、概述空气是一种取之不尽的天然资源，它由具有丰富用途的氧气、氮气、氩气等气体组成。

这些气体在空气中是均匀地相互混合在一起的，要将他们分离开来是比较困难的，为此近百年来，随着工业技术的发展，对空气的分离形成了三种技术方法：吸附法、膜分离法及低温法。

吸附法是一种利用分子筛对不同分子的选择吸附性能来达到最终分离目的的技术，该技术流程简单，操作方便，运行成本低，但一方面其获得高纯度产品较为困难，而且装置容量有限，所以该技术有其局限的应用范围。

膜分离法利用的是膜渗透技术，利用氧、氮通过膜的速率的不同，实现两种组分的粗分离。

这种方法装置更为简单，操作方便，投资小但产品只能达到28% --35%的富氧空气，且规模只宜中小型化，只适用于富氧燃烧及医疗保健领域应用。

低温法是利用空气中各组分沸点的不同，通过一系列的工艺过程，将空气液化，并通过精馏来达到不同组分分离的方法。

这种方法较前两种方法可实现空气组分的全分离、产品精纯化、装置大型化、状态双元化（液态及气态），故在生产装置工业化方面占据主导地位。

和传统的分离相比，这些气体的分离需在100K以下的低温环境下才能实现，所以称之为低温法（或深冷法）。

我们在这里所要介绍的就是低温法空气分离技术。

二、空气的性质空气是一种混合物,除含有其固定的氧、氮、氦、氖、氩、氪、氙、氡组分外，还含有水蒸气、二氧化碳、乙炔以及少量机械杂质，其组成如表1所示，各组分气体的物化参数如表2所示:表1 空气的组成表2 几种气体的基本物化参数三、分离原理空气压缩、空气净化、换热、制冷与精馏是空分的五个主要环节。

现以此来做理论介绍：(一）制冷空气是在-170℃以下的精馏塔中进行分离的,所以说通过制冷,获得所需的低温并维持这个环境,是空气分离的基本前提条件。

制冷的方法有两种:节流与膨胀。

为了直观地描述这两种热力学过程，先引入温—熵图。

1．温熵图（T---S图）温熵图是以熵为横坐标，温度为纵坐标的热力学函数图。

图中向上凸起的曲线叫“饱和曲线”，饱和曲线有两部分组成，左半边称为饱和液体线，右半部分称为饱和蒸汽线,两条曲线的汇合点称为临界点.在临界点所对应的温度称为临界温度,对应的压力称为临界压力。

临界点是气体与液体相互转化的极限(见图1)图一温熵图饱和曲线和临界点将此图分为三个区域（见图2）:图二I区：临界温度以下，饱和液体曲线左侧的区域为过冷液相区。

II区：饱和液体曲线和蒸汽曲线下面的区域为气液共存区。

III区：临界温度以上，饱和蒸汽曲线右侧区域为过热蒸汽区。

临界点的存在说明：只有气体的温度低于其临界温度时，该气体才可能变成液体。

焓、熵与压力温度一样，都是状态参数，当物质的状态确定后，它的焓、熵也随之确定。

焓代表了流体流动时所携带的能量，单位是KJ/Kmol。

焓（单位质量的焓）＝比内能＋PV，其中PV为流体受到的推动力，P 为流体的压力，V为流体的比容。

流体的内能由内动能与内位能组成。

温度越高，内动能越大。

内位能不仅与温度有关，更主要的取决于分子间的距离，即决定于比容，比容越大内位能越大。

流体的熵的变化等于外界传递进来的热量与传热时流体的绝对温度之比：△S=△Q/T如果传递热量过程中温度不是常数，则当流体由状态1→状态2的熵变为：∫12dQ/ T熵的绝对值和焓及内能一样,在工程计算中无关紧要,我们所关心的只是它们的相对变化量.2. 节流过程当一定压力的流体在管内流经一个缩孔或阀门时,由于流通截面突然缩小,流体中会发生激烈扰动,产生旋涡、碰撞、摩擦，流体在克服这些阻力的过程中，压力下降，使阀门后的压力P2低于阀门前的压力P1(见图3)，我们把这种因流体流动遇到局部阻力而造成的降压过程称之为节流。

流体在管道内流动和流经各种设备时也存在着流动阻力，压力也有所下降，所以如果泛指节流过程，也包括流体流经管道与设备时的压降过程。

从能量转换的观点来看，由于工质流经节流阀的速度很快，膨胀后来不及与周围环境进行热量交换，并且节流阀安装在保冷箱内，四周传给的热量可以忽略不计，因此节流过程可看成是绝热过程。

同时，流体流经阀门时与外界没有功交换，在既无能量收入又无支出的情况下，流体在节流前后的能量应不变，即节流前后的焓值相等i1=i2,这说明节流本身并不产生冷量。

图三节流示意图节流过程是一个等焓过程，理想气体的焓只是温度的函数，所以理想气体节流后温度并不发生变化。

而实际气体的焓值是温度和压力的函数，因此实际气体节流后的温度存在变化，归纳为三种情况：下降、不变、上升。

温度变化与否同节流工质的性质和节流前的状态有关。

图4给出的是由实验方法得到的空气节流转化曲线。

转化曲线将坐标分割成两部分内侧为制冷区，即工质节流前处于该区域的某个状态，经节流后温度将下降；外侧为制热区，即工质在节流前处于该区域的某个状态，节流后温度将升高。

氧、氮、氢、二氧化碳等工质均存在相似的转化曲线。

从上图可以得知，在相当大的范围内，空气节流后温度都会下降（氧、氮也是如此）。

在常温范围内，空气节流后的温度变化，可以用每降低一个大气压所降低的温度ai来表示:ai=(0.268－0.00086P)(273/T)2 ℃/大气压式中P、T分别表示节流前空气的绝对压力（大气压）和绝对温度（K）。

这样，当空气从压力P1节流到P2时，产生的温降为:△T＝ai（P1-P2）=ai△P图四从温降的表达式可以看出，节流前的气体温度越低，节流前后压差越大，节流所获得的温降就越大。

氧、氮气提节流温降的计算经验公式也与此类似。

利用以上公式，可以指导我们进行空气节流制冷的实际应用。

3．等温节流制冷量既然通过节流可以降低温度，那么节流后工质节流后的工质相对于节流前的温度就具备一定的制冷能力，我们把这个制冷能力称为等温节流制冷量。

单位质量工质的制冷量: q=C P1△T即： q= C P1 ai（P1-P2）＝H3– H2( H1=H2，H0=H3)＝H0– H1(C P1：工质在P1下的平均定压比热)从计算结果来看，等温节流制冷量的与压缩机等温压缩前后的焓差。

事实上，如前所述，节流并不产生冷量，只是通过节流，把工质在等温压缩时已具备的制冷量表现出来而已。

真正的制冷量是在等温压缩过程中产生的，即冷却水从压缩机带走的能量大于驱动机传给压缩机的能量，致使压缩机出口工质的焓值H1小于入口工质的焓值H0 。

另外，等温节流制冷量与节流前有无换热器无关，压缩工质经换热后，在节流时，并不增加制冷量，而是影响节流前后的温度。

在下塔底部的液空经节流后送入上塔中部，由上往下沿塔板逐块流下，与上升的蒸汽接触，在塔板上进行传质传热，液体中的氧组成逐渐富集，只要塔板数足够多，在低压塔底部便可得到纯液氧，部分液氧在冷凝蒸发器中蒸发，作为上升蒸汽，部分作为产品引出。

污液氮从压力塔中部引出，经节流后送入上塔中上作为上塔精馏段的回流液，用来提高蒸汽中易挥发组分（氮）的浓度。

另外，还从下塔抽出液氮，送入上塔顶部，作为上塔顶部的回流液。

冷凝蒸发器对上塔而言是一个蒸发器，对下塔而言是一个冷凝器。

虽然在同等的压力下，氧的沸点比氮高，但下塔的工作压力高于上塔，使氮在下塔压力下的沸点大于上塔压力下液氧的沸点，这样氮气遇冷冷凝下来，同时将冷凝热传给液氧，作为液氧的蒸发热。

冷凝蒸发器的传热温差是由上、下塔的压力差保证的。

对于冷凝蒸发器的设计，首先应考虑保证传热温差。

5．回流比（L/G）精馏塔内工况与“回流比”有密切的关系“回流比”是指精馏塔内下流液体量L与上升蒸汽量G的比值。

“回流比”在一定程度上代表了塔板上汽液之间进行传质、传热过程的推动力。

如果回流比L/G较大，则达到指定的分离要求所需的理论塔板数较少。

但是增大回流比是以增加能耗为代价的。

因此，回流比的选择是个经济问题，需要在操作费用和设备费用之间作出权衡。

从回流比的定义式来看，回流比可以在零至无穷大之间变化。

前者对应于无回流，后者对应于全回流，但实际上对指定的分离要求，回流比不能小于某一下限，否则即使有无穷多个理论塔板也达不到要求，回流比的这一下限称为最小回流比，这不是个经济问题，而是技术上对回流比选择所加的限制。

理论计算与实际操作均表明，在一般双级精馏塔中，上塔的实际气液比比精馏所需要的气液比大，存在富裕的回流比。

富裕的回流比表明：在减少回流比后只要适当增加塔板数仍能保证所需的产品纯度，即精馏尚有一定的潜力可挖。

6．抽取氩组分的双级精馏塔氩是一种重要的工业气体，从空分装置中提取氩，不仅能够带来可观的经济效益，而且也有利于上塔内的氧、氮分离。

空气进入下塔后，经下塔初步精馏，在塔顶获得高纯氮，氧、氩相对氮是高沸点组分，因此氩绝大部分冷凝在液空中，液空中含氩量可达1.3 -- 1.6%。

由于氩的沸点处于氧、氮之间，当氩随液空进上塔后，在提馏段由于氮相对氩和氧是易挥发组分。

液空在下流时氮组分蒸发的多，因此液体中氧、氩的浓度有所升高。

待到经过一定数量的塔板精馏后，氮含量已很少，则主要是实现氧氩的分离，而氩相对于氧来说是易挥发组分，随着液体继续下流，氩浓度将减少。

因此，在提馏段存在一个氩的富集区。

由于在提馏段主要是实现氧、氩分离，而氩是易挥发组分，所以在同一截面上气相中的氩浓度将高于液相中的氩浓度。

在精馏段，蒸汽在上升过程中开始由于氧相对于气氮、氩是难挥发组分，氧组成冷凝较多，所以氩、氮组分自下而上有所增加。