空气分离技术

低温精馏法工艺简介－精馏系统
•精馏是利用两种物质的沸点不同，多次地进行混合蒸汽的部份冷凝 和混合液体的部份蒸发过程，来实现物质分离的目的。 •对于两种不同沸点的物质组成的混和物液体，沸点低的物质称为易 挥发组份，即在混合液体部份蒸发时，易挥发组份能较多地被蒸发出 来。相反，沸点高的物质称为难挥发组份，当混合蒸汽部份冷凝时难 挥发组份能较多地被冷凝出来。 •在精馏塔的塔板上进行的上述过程，通过许多块塔板的传质、传热 过程。就可以使两组份分离，在塔顶得到易挥发组份，在塔底得到难 挥发组份。
IGCC配套空分系统集成形式
二. 完全整体化空分
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•Baidu Nhomakorabea
空分装臵所需空气全部从动力岛燃机压气机抽取。 优点是燃机和空分系统有机联系在一起，取消空分站中的 空压机，空分耗功少，系统厂用电率低。 缺点是空分系统与燃机运行工况相互制约，运行灵活性和 启动特性较差； 荷兰Nuon Buggenum IGCC电厂采用了完全整体化空分形式 。
低温精馏法工艺简介－精馏系统
流程：
以不同状态进入上塔的各物料 ：液空、液氮、来自粗氩塔冷凝器的液 空蒸汽和膨胀空气，通过上塔的进一步 分离，在上塔底部获得纯度为99.6%的 氧气，经主换热器复热至～12℃后出冷 箱，作为氧产品送出。 从上塔的上部抽出污氮气，经 过冷器、主换热器复热后部分去净化系 统作再生气，另一部分去水冷塔。从上 塔顶部抽出的氮气，经过冷器、主换热 器复热后分成两股，一股作为产品氮气 并入管网，另一部分送入预冷系统的水 冷塔。 从上塔的中部抽取一定量的氩馏份 送入氩塔，氩塔在结构上分为两段，两 段之间由液氩泵连接，第二氩塔底部的 回流液经液氩泵送入第一氩塔顶部作为 回流液，经过氩塔精馏，在塔上部获纯 氩，并送入液氩贮存系统。
低温精馏法工艺简介－净化系统
流程：
空分分子筛吸附器为卧式双层床结构，成对切换交替使用，一只工作 另一只再生。被压缩的空气经空气冷却塔冷却到17 ℃以下，自下而上 通过吸附器。空气中H2O 、C2H2、CO2 等杂质相继被吸附清除后进 入冷箱。吸附器再生用气为出冷箱污氮气，分二路走：加热与冷却切 换使用一路，加热时污氮通过电加热器（二用一备），加热至170 ℃ 进吸附器。转冷吹时，切换污氮直接进入吸附器。另一路多余的污氮 去空气预冷系统水冷却塔冷却水。
统
流程：净化后的加工空气分成两路:一路被称作膨胀空气，首 先经过空气增压机Ⅰ段，而后进入膨胀机增压端增压，增压后 的空气进入主换热器中的膨胀气通道，被相邻通道中的返流气 冷却后，再从主换热器中部抽出，进入透平膨胀机中膨胀制冷 ，膨胀后的空气进入上塔中部参加精馏；另一路空气进入空气 压缩机Ⅱ段(增压)，然后直接进入主换热器与返流的液氧和其 他气体换热，被冷却后进入下塔。
空分设备的安全技术（一）
主冷液氧中炭氢化合物，会引起剧烈爆炸；
乙炔及其他炭氢化合物在液氧中的含量极限值
空分设备的安全技术（二）
工业气体的安全
IGCC配套空分系统集成形式
一. 完全独立空分 •
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• • 空分所需空气全部来自大气，不从燃气轮机的压气机抽取 。 优点是系统简单，空分与发电系统牵扯小，启动灵活，可 靠性高。 缺点是需增加效率较低的空气压缩机，厂用电率高，尤其 是氮气不回注时会增加能量损失。 美国加州Wabash RiverIGCC 电站采用这种集成形式。
低温精馏法工艺简介－精馏系统
精馏塔主要由下塔、上塔 及冷凝蒸发器组成。
冷凝蒸发器：
作用: 供氮气冷凝和液氧蒸发用，以维持精馏塔 精馏过程的进行。 结构: 为多层板翅式，相邻通道的物流通过翅片 和隔板进行良好的换热。 使用方式: 冷凝蒸发器一般臵于上、下塔之间， 下塔上升的氮气在其间被冷凝，而上塔回流的 液氧在其间被蒸发。这个过程得以进行，是因 为氮气压力高，液氧压力低。例如氮气压力为 0.511MPa时，液化温度为94.4K，而液氧在压力 为0.1389MPa时，蒸发温度93.1K，两者温差1.3K 。这样，氮气的冷凝和液氧的蒸发就可进行。 各类冷凝蒸发器都是按此原理进行的，只是冷 凝和蒸发的介质不同而已。
低温精馏法工艺简介－精馏系统
流程：
以已冷却的空气进入下塔参加精馏。 进入下塔的空气通过塔板上的筛孔使塔板 上的液体蒸发，由于氧、氮、氩的沸点间 的差异，使更多的氮气从液体中蒸发出来 ，同时经过塔板的空气中更多的氧组分被 冷凝下来。最终在下塔底部获得含氧38% 的富氧液空，而在下塔顶部获得纯氮。 下塔顶部的氮气经过冷凝蒸发器，与 来自上塔底部的液氧进行热交换，液氧被 蒸发，而氮气被冷凝，一部分冷凝液氮再 回到下塔作回流液，另一部分液氮，在过 冷器中进行过冷，然后送入上塔顶部作为 上塔的回流液。从下塔底部抽出富氧液空 ，在过冷器中过冷，其中一部分富氧液空 提供给粗氩塔冷凝器作为冷源，另一部分 送入上塔中部参加精馏。
IGCC配套空分系统集成形式
三. 部分整体化空分
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鉴于完全整体化空分系统有较好的节能空而调节控制复杂 ，独立空分便于调节控制而节能效果相对较差，因此近年 来国内外提出了部分整体化空分系统。 空分装臵所需空气一部分（30％－50％）来自动力岛燃机 压气机，其余部分来自空压机，空分产生的氮气回注燃机 ； 特点是启动灵活，厂用电率低。
低温精馏法工艺简介－净化系统
分子筛吸附器:
作用：吸附空气中的水份、二氧化碳及乙炔等碳氢化合物，使进入冷 箱的空气纯净。（空气中的水份和CO2若进入空分设备的低温区后， 会形成冰和干冰，这样就会堵塞换热器的通道和精馏塔的塔板或填料 。） 结构：卧式圆筒体，内设支承栅架，以承托分子筛吸附剂。 使用方式：空气通过分子筛床层时，由于分子筛的吸附特性将空气中 的水份，二氧化碳，乙炔等碳氢化合物吸附，净化后的空气二氧化碳 含量<1PPm，在再生周期中，先被高温干燥气体反向再生后，再被常 温干燥气体冷却到常温，分子筛吸附器成对交替使用，一只工作时， 另一只再生。 特点： a.干燥度高：通常干燥后空气露点可达到负70 度； b.选择吸附； c.有共吸附能力：可以同时吸附水、二氧化碳、乙炔等； d.分子筛具有高的稳定性，温度达到700℃时，仍不熔性； e.有简单的加热可使其再生；
低温精馏法工艺简介－净化系统
空气是多组分组成，除氧气、氮气等气体组分 外，还有水蒸汽、二氧化碳、乙炔及少量的灰尘等 归体杂质。这些杂质随空气进入空压机与空气分离 装臵中会到来较大危害，固体杂质会磨损空压机运 转部件，堵塞冷却器，降低冷却效果；水蒸气和二 氧化碳在空气冷却过程中会冻结析出，将堵塞设备 及气体管道，致使空分装臵无法生产；乙炔进入空 分装臵后会导致爆炸事故的发生，所以为了保证制 氧机的安全运行，清除这些杂质是非常有必要的。
吸附空气出 再生污氮
空气进
低温精馏法工艺简介－压缩膨胀换热系
统
膨胀机是空气分离设备获取冷量所必需的关键 部机，是保证整套设备稳定运行的心脏。其主要原 理是利用有一定压力的气体在透平膨胀机内进行绝 热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，从而使气 体自身强烈地冷却而达到制冷的目的。我们平常用 气筒打气会发现筒身发热,那是因为活塞压缩气体气 体放热,如果反之其原理就类似于膨胀机了(更确切的 说是活塞式膨胀机)。透平膨胀机输出的能量由同轴 压缩机回收或制动风机消耗。
空气分离

简称空分，利用空气中各组分物理性质 不同，采用深度冷冻、吸附、膜分离等方 法从空气中分离出氧气、氮气，或同时提 取氦气、氩气等稀有气体的过程。
空分在IGCC中的作用
提供气化过程所需的氧气
提供气化、净化、燃机系统所需的惰性气体
IGCC配套空分系统的特点
• O2浓度要求不高（95%~99%）； • 大型、超大型化； • 空分能耗占全厂厂用电的60%以上； • 压缩空气的供给、氮气集成有多种方式（整体化 空分、独立空分、部分整体化空分）；
低温精馏法工艺简介－压缩膨胀换热系
统
主热交换器： 作用：进行多股流之间的热交换。 结构：为多层板翅式,相邻通道间物流通过翅片和隔板进行良 好的换热。 使用方式：对经分子筛吸附器除去水分和二氧化碳的压缩空气 进行冷却，直至达到接近 液化温度，各返流气在此 被加热到常温。
低温精馏法工艺简介－压缩膨胀换热系
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、建设周期短、生产能力低、纯度低 （93%左右）、由于空气中近79%的高氮含量，所需 分子筛量较大，一般适用于小于4000m3/h供氧量的 场合。
空气分离的几种方法
膜分离法：利用有机聚合膜对气体混合物的渗透选 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气的4~5倍，从而实现氧、氮的 分离。
低温精馏法工艺简介－预冷系统
预冷系统：对气体预冷，降低能耗，提高经济性
水冷却塔: 作用：用空分塔来的污氮气和纯氮气 冷却外界供水，然后由水泵送入空气 冷却塔的上段。 使用方法：被冷却的水自上而下流经 填料，与从空分塔出来的～32.7℃的污 氮气及氮气进行热质交换，使水冷却 下来，在塔底被水泵抽走，氮气带走 热量后从塔顶排往大气。
常见的空气分离技术
空气组成

空气是一种主要由氧、氮、氩等气体组 成的复杂气体混合物,其主要组成见表,除表 中所列的固定组分外,空气中还含有数量不 定的灰尘、水分、乙炔,以及二氧化硫、硫 化氢、一氧化氮、一氧化二氮等微量杂质。
空气组成
组分 氧 氮 氩 二氧化碳
沸点 －183℃ －196℃ －185.7℃ -78.5℃
空气分离的几种方法
低温精馏法（经典，传统的空气分离方法） 压缩 膨胀 液化 (利用氧、氮组分的沸点的 不同.在大气压下氧沸点为-183℃，氮沸点为-196℃ ） 精馏(使氧、氮分离，制 取氧气和氮气) 特点：此法生产量大，氧气和氮气纯度高，电耗低 ，是目前工业上广泛应用的方法。
空气分离的几种方法
特点：薄膜造价高，只能生产纯度40%~50%的富氧 ，生产能力比更低。 目前还没有实现大规模工业化 。
空气分离的几种方法
低温精馏法
制氧量 氧浓度 中到大型 ≥99%
变压吸附法 适合中小型 制氧装臵
93%左右
膜分离法 适合中小型 制氧装臵
40%~50% 只需富氧的 场合有优势
优势
大型制氧系 中小型对氧 统采用此技术 纯度要求不高 有优势 的场合有优势
可同时生产 氮、氩等多种 产品 仅能生产一 种产品
其它特性
一般只能生 产氮气或富氧
低温精馏法空分工艺流程
预冷系统 净化系统 压缩膨胀系统 换热系统 空气分离（即精馏系统）
低温精馏法工艺简介－预冷系统
预冷系统：对气体预冷，降低能耗，提高经济性
自洁式空气过滤器： 作用：除去灰尘及其它机械杂质。 离心式空压机： 作用：对气体作功，提高能量、具备制冷 能力。 空气气冷却塔: 作用：把出空压机的高温气体(≤100℃)冷 却到～16℃，以改善分子筛纯化器的工作 情况。 使用方式：出空压机的空气从下部进入空 冷塔，水通过布水器均匀地喷淋在填料上 ，顺填料空隙流下，空气则逆水流而上与 水进行热质交换，经旋风分离器，不锈钢 丝网捕雾器出塔，进入分子筛吸附系统。
低温精馏法工艺简介－精馏系统
下塔与上塔:
作用: 利用混合气体中各组分的沸点不同，将其分离成所要求纯度的组 分。 结构: 塔体为圆筒形，下塔内装多层筛板，筛板上设臵溢流斗，有一个 溢流挡板，并密布小孔。上塔内装规整填料及液体分布器。 使用方式: 下塔精馏过程中，液体自上往下逐一流过每块筛板，由于溢 流堰的作用，使塔板上造成一定的液层高度。当气体由下而上穿过筛板 小孔时与液体接触，产生了鼓泡,这样就增加了汽液接触面积，使热质交 换过程高效地进行。低沸点组份逐渐蒸发，高沸点的组份逐渐液化，至 塔顶就获得低沸点的纯氮，在塔底获得高沸点的富氧液空组份。上塔在 精馏过程中，气体穿过分布器沿填料盘上升，液体自上往下通过分布器 均匀地分布在填料盘上，在填料表面上气、液充分接触进行高效的热质 交换。上升气体中低沸点组份(氮)含量不断提高。高沸点组份(氧)被大量 的洗涤下来，形成回流液最终在塔顶得到低沸点纯氮，塔底得到高沸点 的液氧。