空分工艺及设备介绍

14
• 从主冷凝蒸发器抽取液氧送入液氧贮存系统。 • 从下塔顶部获得纯液氮，送入液氮贮存系统。 • 在下塔顶部抽取压力氮气，经低压板式换热器复热后出
冷箱，进入氮气用户。 • 从上塔顶部抽取低压纯氮气经过冷器回收冷量，经板式
换热器复热后送入水冷塔或送入用户管网。 • 从上塔上部引出污氮气经过冷器回收冷量，经板式换热
器和复热出冷箱后分成两部分：一部分进入分子筛系统 的蒸汽加热器，作为分子筛再生气体，其余污氮气去水 冷塔。
15
（二）组成空分装置的几个系统
• 整个空分装置必须解决以下几个问题： 1.如何清除空气中的杂质； 2.如何为装置提供带压的空气； 3.如何将空气冷却到液化温度； 4.如何将空气分离成氧、氮； 5.如何将产品送到用户； 6.如何储存液态氧、氮。 为此，空分装置中相对应的建立了以下几个系统。
氙（Xe）：8×10-6%;
机械杂质：0.01g/㎡
9
二、空分装置介绍
10
（一）我公司空分装置简介
• 空 分 装 置 KDON13000/15000. 由 杭 州 杭 氧 股份公司制造，单套空分装 置 制 氧 能 力 1 . 3 万 Nm3/h ， 制 氮 能 力 1 . 5 万 Nm3/h ， 同 时副产仪表空气、液氮和液 氧。
空分工艺及设备介绍
我国空分流程的技术发展
空分设备是由诸多配套部机组成的成套设备，我国空分于1953年哈 尔滨制氧机制造厂起步，经过50多年的发展，从第一代小型空分流程发 展到目前的第六代大型全精馏无氢制氩工艺流程。每一次空分设备流程 的变革和推进，都是新技术、新工艺的创新。透平膨胀机的产生，实现 了大型空分设备全低压流程；高效板翅式换热器的出现，使切换板翅式 流程取代了石头蓄冷器、可逆式换热器流程，使装置冷量回收效率更高 ；增压透平膨胀机的出现极大的提高了膨胀机的制冷效率并把输出的外 功有利的得到回收；常温分子筛净化流程替代了切换式换热器，使空分 装置净化系统的安全性、稳定性得到极大提高 并使能耗大大降低，随 着规整填料和低温液体泵在空分装置中的应用，进一步降低了空分设备 的能耗，实现了全精馏无氢制氩，使空分设备在高效、节能、安全等方 面取得了进步。随着计算机的广泛应用，空分装置的自动控制、变负荷 跟踪调节等变得更为先进。
• 进入增压透平膨胀机的空气经增压后进入板式换热器，再 从板式换热器中部抽出进入膨胀机去膨胀。膨胀后的空气 送入上塔。
• 另一股空气在空压机加压并经后进入板式换热器与反流氧 气、氮气和污氮气体换热。这部分空气从换热器底部抽出 经节流进入下塔。
• 空气在下塔初步精馏后，获得液空和液氮，并经过冷器过 冷后节流进入上塔。经上塔进一步精馏后，在上塔底部获 得液氧，上部获得纯氮气和污氮气。
H2O
设计吸附率
甲烷
CH4
乙烷
C2H6
丙烷
C3H8
一氧化二氮 N2O
乙烯
C2H4
二氧化碳
CO2
乙炔
C2H2
丙烯
C3H6
正丁烷
nC4H10
异丁烷
iC4H10
苯
C6H6
丙酮
C3H6O
臭氧
O3
一氧化氮 NO
水
H2O
0% 0% 65 % 65 % 85 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 %
• 机前温度：
提高机前温度，单位制冷量提高。
• 机前压力：
提高机前压力，增大膨胀比，单位制冷量提高；
• 绝热效率
34
35
6.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，各 通道中的冷热气流通过翅 片和隔板进行良好的热交 换
• 使用方式：对压缩空气进 行冷却，直到达到接近液 化温度，各返流流体在此 被加热到常温。
8
（三）空气组分
O2：20.93%;
N2：78.03%;
Ar2：0.932%; CO2：0.03%;
水蒸气：0.5-4%; H2：0.00005%;
O3：(1-2)×10-6%;
氖（We）：(1.5-1.8)×10-3%;
氦（He）：（4.6-5.3）×10-4%;
氪（Kr）：1.08×10-4%;
度在99.8％、氮气纯空气入分子筛的温度，延长分子筛使用
寿命，减少运行费用。
➢ 分子筛纯化系统采用双层床结构，大大延长了分子筛的使用寿命和降
低了床层阻力，使空分装置的运行更安全可靠。
➢ 采用高效增压透平膨胀机技术，能很好的回收部分能量，膨胀机制冷
效率在85%以上。
包钢庆华空分流程的特点
➢ 采用常温分子筛净化，清除空气中的有害物质更有效，切换损失小，
装置设计连续运行周期大于二年。
➢ 采用规整填料上塔替代筛板上塔，使上塔阻力大大降低（只有筛板阻
力的1/4），使空压机的排气压力降低，装置运行能耗下降5%～7%
。
➢ 空分设备氧的提取率提高，空分设备氧的氧提取率可达99%，氧气纯
32
透平膨胀机制冷的基本原理
• 膨胀机是为空分装置提供冷量的设备，根据能量 转换和守恒定律，气体在透平膨胀机内进行绝热 膨胀对外作功时，气体的能量一定要减少，从而 使气体本身强烈地冷却，而达到制冷的目的。
33
影响膨胀机制冷量大小的因素
• 膨胀量：
膨胀量越大，氧提取率越底，膨胀量需同时满足冷量 平衡及精馏工况的需求。
CO2含量 0.1ppm时的 吸附率0 %
0% 50 % 50 % 70 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 %
29
30
31
5.膨胀机系统
• 膨胀机
• 作用：膨胀机是空 分设备的心脏部机 之一，由空气气体 在膨胀机中等熵膨 胀而制取冷量，补 充系统冷量损失。
• 重点是乙炔及碳氢化和物，进入空分装置后，在主冷凝蒸 发器当中聚集会导致爆炸事故的发生，所以为了保证空分 装置的安全运行，必须清除和控制这些物质。
28
CH4 C2H6 C3H8 N2O C2H4
分子筛的吸附效率
CO2 C2H2 C3H6 nC4H10 iC4H10 C6H6 C3H6O O3 NO
• 本装置生产的纯度为99.6% 的氧气主要供甲醇转化装置 使用。
11
• 纯度为99.99%的氮气作 为甲醇开工吹扫用气和 干熄焦用气。
• 空分的流程采用的是规 整填料塔、分子筛纯化、 增压透平平膨胀机、膨 胀空气进上塔的外压缩 流程。
12
（二）工艺流程简介
• 原料空气自吸入口吸入，经自洁式空气过滤器除去灰尘及 其它机械杂质。过滤后的空气进入离心式空压机，经离心 空气压缩机压缩后进入空气冷却塔冷却。冷却水为经水冷 塔冷却后的水。空气自下而上穿过空气冷却塔，在冷却的 同时，又得到清洗。
17
1.空气过滤系统
在工业区的空气含尘量一般为1-5 mg/m3。灰尘粒 度为0.5-20μm，以 10000m3/h制氧机的加工空气量 算，每天随加工空气带到空分装置的灰尘就有10kg之多。 空压机如果直接吸入这样脏的空气，很快就会损坏，因 此，在进入空压机之前均设置空气过滤器，清除空气中 的固体杂质。
3.膜分离法：
• 原理：它是利用一些有机聚合膜的渗透选择性，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的4～5倍，从而实现氧、 氮的分离 。膜分离的富氧浓度只能达到28～35%O2 。 目前应用较多的是低温法（又叫深度冷冻法）。它的优点：生产 量大，产品纯度高，电耗低且可得到液态产品，故应用广泛。
6
1.低温法：
• 原理：是根据空气中各组分的沸点不同，经加压、预冷、纯化、并利 用大部分由透平膨胀机提供的冷量使之液化，再进行精馏，从而获得 所需要的氧气、氮气及其它稀有气体的过程。具体原理为空气经过增 压膨胀对外作功处于冷凝温度,当穿过比它温度低的氧、氮组成的液体 层时,由于气、液之间温度差的存在,要进行热交换,温度低的液体吸收 热量开始蒸发,其中氮组分首先蒸发,温度较高的气体冷凝,放出冷凝热, 气体冷凝时,首先冷凝氧组分.此过程一直进行到气、液处于平衡状态。 这时,液相由于蒸发,使氮组分减少,同时由于气相冷凝的氧也进入液相, 因此液相的氧浓度增加了,同样气相由于冷凝,使氧组分减少,同时由于 液相的氮进入气相,因此气相的氮浓度增加了多次的重复上述过程,气 相的氮浓度就不断增加,液相的氧浓度也能不断的增加.这样经过多次 的蒸发与冷凝就能完成整个精馏过程,从而将空气中的氧和氮分离开来。
24
25
26
4.纯化系统
• 分子筛纯化系统
• 作用：吸附空气中水分、乙炔、 CO2及一些碳氢化合物。
• 结构：卧式圆筒体，内设支承 栅架。
• 使用方式：由于分子筛的吸附 特性将空气中的水份、乙炔、 CO2等吸附，后被高温气体反 向再生。分子筛吸附器成对交 替使用，一只工作时，另一只 被再生。
27
36
37
板式换热器
38
板翅式铝质换热器
39
40
41
7.分馏塔系统
7
2.吸附法：
• 原理：利用分子筛对不同的分子具有选择性吸附的特点，有的分子筛 （如5A、13X等）对氮具有较强的吸附性能，让氧分子通过，可得到 较高纯度的氧气；有的分子筛（碳分子筛等）对氧具有较强的吸附性 能，让氮分子通过，可得到较高纯度的氮气，从而实现空气的分离。 但吸附法目前的氧气纯度只有93%左右。
➢ 采用DCS与ITCC控制技术，实现了中控、机房和就地一体化的控制，
可有效地监控整套空分设备的生产过程。
3
一、概 述
4
（一）空分的含义
• 空分，顾名思义即空气的分离，是利用不 同的方法将空气中的各组分分离开来，从 而获得所需要的氧气、氮气及一些稀有气 体的过程。
5
（二）空气分离的方法
• 空气中的主要成分是氧气、氮气、氩气、二氧 化碳以及一些其它气体和杂质。它们在空气中 分别以分子的状态存在, 数目非常多，并且永不 停息地作无规则的运动，均匀地相互搀混在一 起，要将它们分开，目前主要有三种方法：低 温法、吸附法、膜分离法。
固体杂质颗粒直径大于100μm的在重力作用下会自 动降落，小0.1μm的极小粒子不致引起危害,所以需要净 除的对象为100-0.1μm的尘粒,空气过滤器主要捕集的 是10０-0.1μm的尘粒.净除后空气中含固体杂质的量小 于0.5mg/m3。
18
自洁式过滤器
19
2.离心空气压缩机
• 空气压缩机
• 作用：提供带压原料空气 • 结构：杭氧透平公司的产
• 经空冷塔冷却后的空气进入切换使用的分子筛纯化器，空 气中的二氧化碳、碳氢化合物和水分被吸附。分子筛纯化 器为两只切换使用，其中一只工作时，另一只再生。纯化 器的切换周期约为4小时，定时自动切换。
13
• 净化后的空气分为两股：一股进入板式换热器，与返流的 气体换热后出换热器底部后进入下塔；另一股入增压透平 膨胀机。
1
我国空分流程的技术发展
➢ 第一代：高低压循环，氮气透平膨胀，吸收法除杂质； ➢ 第二代：石头蓄冷器，空气透平膨胀低压循环； ➢ 第三代：可逆式换热器； ➢ 第四代：分子筛纯化； ➢ 第五代：规整填料，增压透平膨胀机的低压循环，全精馏无氢制氩； ➢ 第六代：内压缩流程，规整填料，全精馏无氢制氩。
2
16
• 空分装置中相对应的建立了以下几个系统： 1.杂质的清除系统（空气过滤器和纯化系统）； 2.空气加压系统（空压机系统）； 3.空气的冷却和液化系统（预冷系统和膨胀机、换热 器系统）； 4.空气的精馏系统（分馏塔系统）； 5.产品的输送、贮存系统（压氮系统和液体贮存系 统）； 6.仪电控制系统。
品，由汽轮机拖动。 • 排气量：70000Nm3/h,
0.595MPa(A)
20
原料空气压缩机结构
21
增压空气压缩机
22
空气压缩机润滑油流程图
3.预冷系统
• 空气冷却塔
• 作用：把空压机出来的高温 气体（<116℃）冷却到 17℃
• 结构：填料塔
• 使用方式：空气从空冷塔下 部进入，在填料表面与自上 而下流过的冷却水和常温水 进行热质交换，使空气冷却 并洗除空气中的一些有害杂 质，冷却水来自水冷塔。
分子筛纯化系统
• 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固体杂质。
• 这些杂质随空气进入空气分离装置中会带来较大危害，固 体杂质会堵塞板换热器，降低换热效果；水蒸气和二氧化 碳在空气冷却过程中会冻结析聚出，将堵塞设备及气体通 道，致使空分装置无法生产。