空气分离的基本原理 空气分离的基本原理是利用低温精馏法1

《空气分离流程工艺》

课程：过程装备成套技术

姓名：刘小菲

学号: 08180224

学院：石油化工学院

班级：基地一班

一．空气分离简介及基本原理

空气分离简称空分，利用空气中各组分物理性质不同（见表），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。

空气分离最常用的方法是深度冷冻法（如图示）。此方法可制得氧、氮与稀有气体,所得气体产品的纯度可达98.0％～99.9％。此外,还采用分子筛吸附法分离空气(见变压吸附),后者用于制取含氧70％～80％的富氧空气。近年来，有些国家还开发了固体膜分离空气的技术。氧气、氮气及氩气、氦气等稀有气体用途很广，所以空气分离装置广泛用于冶金、化工、石油、机械、采矿、食品、军事等工业部门。

空气分离的基本原理是利用低温精馏法，将空气冷凝成液体，按照各组分蒸发温度的不同将空气分离。双级精馏塔在上塔顶部和底部同时获得纯氮气和纯氧气；也可以在主冷的蒸发侧和冷凝侧分别取出液氧和液氮。

精馏塔中空气分离分为两级，空气在下塔进行第一次分离，获得液氮，同时得到富氧液空；富氧液空被送向上塔进行精馏，获得纯氧和纯氮。上塔又分为两段:以液空进料口为界，上部为精馏段，精馏上升气体，回收氧组分，提纯氮气纯度，下段为提馏段，将液体中的氮组分分离出来，提高液体的氧纯度。

二．空气设备

简史

到50年代，由于吹氧炼钢和高炉鼓风工艺的推广应用以及氮肥工业的迅速发展，空气分离设备向大型化发展，并应用了近代的科研成果，如采用透平压缩机、透平膨胀机、板翅式换热器、微型计算机和分子筛吸附器等设备之后，空气分离设备不断得到改进和完善，设备中的空气压力从高压（20兆帕）降到低压（小于1兆帕）,单位产品的电耗也逐渐下降（每立方米氧的电耗从1.5降至0.6千瓦·小时）。现代空气分离设备能生产各种容量、不同纯度的气态或液态产品，也能制造超高纯度的氧和氮（如含氧99.998％和含氮99.9995％）空气分离设备还能根据用户的需要，通过电子计算机的控制，随时增减产品的数量，达到经济用氧的目的。到80年代，大型空气分离设备的氧气生产能力已达到70000米(／时；空气压力下降到0.36兆帕；连续运转周期可达2年以上。

分类

空气分离设备是由多种机械和设备组成的成套设备，常按空气压力来分类。常用的有高压、中压和低压3种．

低压设备由于电耗低、连续运转周期长、经济效益高，被广泛采用。

低压空气分离设备。整个设备由空气压缩系统、杂质净化和换热系统、制冷系统和液化精馏 4个主要系统组成。相应的机械设备有空气透平压缩机、空气冷却塔、透平膨胀机和分馏塔等。低压空气分离设备的工作原理建立在液化循环和精馏理论基础上进入的空气先经空气过滤器,而后由透平压缩机空气冷却塔压缩和冷却到压力为0.5兆帕、温度为303K 左右,再进入切换式换热器(E1、E2)两换热器能清除空气中的水和二氧

化碳,并进行热交换,把空气冷却到接近液化温度(101K)后送入下塔，从下塔抽出一部分空气送到换热器(E2)加热。加热的空气与下塔来的少量冷空气汇合后进入透平膨胀机绝热膨胀，产生需要的冷量，然后被送往上塔精馏。余下的空气在下塔初步精馏。在底部得到含氧38％的液化空气，在下塔的顶部得到含氮 99.99％的纯液氮，在中部获得含氮约95％的污液氮。液化空气、纯液氮、污液氮分别从下塔抽出通过节流阀减压到约0.05兆帕，送入上塔作回流液，在此进行第二次深低温精馏,在上塔底部得到含氧99.6～99.8％的高纯度氧气，流经换热器(E4、E2、E1)与空气进行热交换，升温到大气温度后排出塔外。在上塔顶部获得含氮99.999％的高纯度氮气，在上塔中部得到含氮约96％的污氮，均经换热器(E3、E4、E2、E1)复热到大气温度后排出装置。位于上、下塔之间的冷凝蒸发器也是一种换热器，它的功用是通过换热，将上塔底部的液氧蒸发，而将下塔的气氮冷凝，故称冷凝蒸发器。液氧蒸发后一部分作为产品输出，其余部分作为上塔精馏所需的上升蒸气。下塔冷凝的液氮，一部分送往上塔作上塔回流液，另一部分作为下塔精馏所需要的回流液。因此，冷凝蒸发器是使上、下塔能起精馏作用的不可缺少的设备之一。除上述主要设备外,冷箱内还有吸附器,它能吸附未被冻结在换热器(E1、E2)中的杂质二氧化碳和易爆物质。箱内还设有液氧泵，使液氧循环流动和清除致爆物质，以保证设备的安全运转。在低温下工作的换热器、塔、液氧泵和透平膨胀机等都装在填充有绝热材料的冷箱内，以减少冷量损失。出冷箱的产品氧气和氮气，再送往贮存系统和透平压缩机内升压到需要的压力后供用户使用。

空分设备系统

空分设备是一个大型的复杂系统，主要由以下子系统组成：动力系统、净化系统、制冷系统、热交换系统、精馏系统、产品输送系统、液体贮存系统和控制系统等。

1.动力系统

主要是指原料空气压缩机。空分设备将空气经低温分离得到氧、氮等产品，从本质上说是通过能量转换来完成。而装置的能量主要是由原

料空气压缩机输入的。相应地，空气分离所需要的总能耗中绝大部分是原料空气压缩机的能耗。

2.净化系统

由空气预冷系统（空冷系统）和分子筛纯化系统（纯化系统）组成。

经压缩后的原料空气温度较高，空气预冷系统通过接触式换热降低空气的温度，同时可以洗涤其中的酸性物质等有害杂质。分子筛纯化系统则进一步除去空气中的水分、二氧化碳、乙炔、丙烯、丙烷和氧化亚氮等对空分设备运行有害的物质。

3.制冷系统

空分设备是通过膨胀制冷的，整个空分设备的制冷严格遵循经典的制冷循环。不过通常提到的空分制冷设备，只要是指：膨胀机。

4.热交换系统

空分设备的热平衡是通过制冷系统和热交换系统来完成的。随着技术的发展，现在的换热器主要使用铝制板翘式换热器。

5.精馏系统

空分设备的核心，实现低温分离的重要设备。通常采取高、低压两级精馏方式。只要由低压塔、中压塔和冷凝蒸发器组成。

6.产品输送系统

空分设备生产的氧气和氮气需要一定的压力才能满足后续系统的使用。只要由各种不同规格的氧气压缩机和氮气压缩机组成。

7.液体贮存系统

空分设备能生产一定的液氧和液氮等产品，进入液体贮存系统，以备需要时使用。只要是由各种不同规格的贮槽、低温液体泵和汽化器组成。

8.控制系统

大型空分设备都采用计算机集散控制系统，可以实现自动控制。三．工艺过程