空分培训规程培训教材

泓泰兴空分装置

培

训

教

材

2016、2、25

1基础知识部分 (1)

1.1空分装置的发展概况 (1)

1.1.1空分装置运用范围 (1)

1.1.2空分的起源和发展历程 (1)

1.1.3空分代的划分 (1)

1.2空气的成分及分离方法 (2)

1.2.1干燥空气的主要成分 (2)

1.2.3空分的含义： (2)

1.2.4空气分离的方法 (2)

1.3空气分离的基本原理 (3)

1.4现代空分流程特点 (4)

1.5空分流程组成部分 (4)

1.5.1空气过滤及压缩系统 (4)

1.5.2预冷系统 (6)

1.5.3分子筛纯化系统 (6)

1基础知识部分

1.1空分装置的发展概况

1.1.1空分装置运用范围

大型空分装置是大型煤化工、合成氨、尿素、合成甲醇、乙烯、冶金熔融还原炼铁技术(COREX) 、整体煤气化循环发电技术(IGCC绿色煤电)等装置的关键设备

1.1.2空分的起源和发展历程

1902年德国林德设计制造了世界上第一台工业性制氧机，建立了“林德高压节能液化循环”1902年法国克劳特发明活塞式膨胀机，并在一台中压(5MPa)带膨胀机的装置中液化l空气。这一年法国液化公司(AL)建立

1910年法液空制成第一台中压活塞式膨胀机的50m3／h制氧机

1924年弗廉克尔提出用具有金属带填料的蓄冷器代替换热器。

1932年拉赫曼提出将部分空气进入上塔，挖掘上塔精馏潜力。

1939年卡皮查将透平膨胀机用于低压空分设备。

40年代末美国成功地制成可逆式换热器，70年代初已成熟地应用于空分设备。

50年代在空分设备中成功地应用了铝带式蓄冷器，60年代又成功地应用石头蓄冷器。

80年代常温分子筛大型化获得成功，增压透平膨胀机也应用于空分设备。

90年代规整填料应用于空分设备。

我国空分流程的技术发展

我国空分于1953年起步，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。

1.1.3空分代的划分

第一代：铝带盘蓄冷器的高低压流程；

第二代：铝带盘蓄冷器或石头蓄冷器的全低压流程；

第三代：带产品气盘管的石头蓄冷器的全低压流程；

第四代：切换板式主换热器的全低压流程；

第五代：分子筛吸附、增压透平膨胀机、DCS控制的全低压流程；

第六代：规整填料上塔、全精馏制氩的全低压流程；

第七代：内压缩流程，规整填料，全精馏无氢制氩.

1.2空气的成分及分离方法

1.2.1干燥空气的主要成分

氧、氮、氩和其他物质一样，具有气、液和固三态。在常温常压下它们呈气态。在标准大气压下，氧被冷凝至－183℃，氮被冷凝至－196℃，氩被冷凝至－186℃即会变为液态，氧和氮的沸点相差13 ℃，氩和氮的沸点相差10 ℃，空气的分离就是充分利用其沸点的不同来将其进行分离。

空气中除氧、氮和氩外，还有氖、氦、氪、氙等稀有气体，这些稀有气体广泛应用在国防、科研及工业上，稀有气体的提取也直接关系到空分装置氧气的提取率和生产运行能耗。目前大型的空分装置都普遍带无氢制氩工艺。

1.2.2物理性质

1.2.3空分的含义：

简单说就是利用物理或者化学方法将将空气混合物各组进行分开，获得高纯氧气和高纯氮气以及一些稀有气体的过程。

1.2.4空气分离的方法

空气中的主要成分是氧和氮，它们分别以分子状态存在，均匀地混合在一起，通常要将它们分离出来比较困难，目前工业上主要有３种实现空气分离方法。

1、深冷法

2、吸附法

3、膜分离

1.2.4.1深冷法（也称低温法）

先将混合物空气通过压缩、膨胀和降温，直至空气液化，然后利用氧、氮汽化温度（沸点）的不同（在标准大气压下，氧的沸点为﹣１８３℃；氮的沸点为﹣１９６℃，沸点低的氮相对于氧要容易汽化这个特性，在精馏塔内让温度较高的蒸气与温度较低的液体不断相互接触，低沸点组分氮较多的蒸发，高沸点组分氧较多的冷凝的原理，使上升蒸气氮含量不断提高，下流液体中的氧含量不断增大，从而实现氧、氮的分离。要将空气液化，需将空气冷却到﹣１７３℃以下的温度，这种制冷叫深度冷冻（深冷）；而利用沸点差将液态空气分离为氧、氮、氩的过程称之为精馏过程。深冷与精馏的组合是目前工业上应用最广泛的空气分离方法；

1.2.4.2吸附法

它是让空气通过充填在某种多孔性物质——分子筛的吸附塔，利用分子筛对不同的分子具有选择性吸附的特点，有的分子筛对氮有较强的吸附性，让氧分子通过，可得纯度较高的氧气，有的分子筛对氧有较强吸附性，让氮分子通过，可得纯度较高的氮气，由于吸附剂的吸附容量有限，当吸附某种分子达到饱和时，就没有继续吸附的能力，需要将被吸附的物质驱赶掉，才能恢复吸附的能力，这一过程叫“再生”。因此为了保证连续供气，需要两个以上的吸附塔交替使用。再生的方法可采用加热提高温度的方法(TSA)或降低压力的方法(PSA)

这种方法流程简单，操作方便，运行成本较低，但要获得高纯度的产品较困难，产品氧纯度在93%左右。并且适于容量不太大（<4000m3/h）的分离装置

1.2.4.3膜分离

利用一些有机聚合膜的潜在选择性，当空气通过薄膜或中空纤维膜时，氧气穿过膜的速度比氮快的多的特点，实现氧、氮的分离。这种分离方法得到的产品纯度不高，规模也较小，目前只适用于生产富氧产品。

1.3空气分离的基本原理

气分离的基本原理就是利用低温精馏法将空气冷凝成液体(空气冷凝温度－173℃),然后按各组分蒸发温度的不同将空气分离。

压缩空气除去水分和二氧化碳等杂质后，经热交换系统和增压膨胀机制冷后进入下塔，在塔板上气体与液体接触，由于气、液之间温度差的存在,在进行传热和传质交换时,低沸点组分氮吸收热量开始蒸发,氮组分首先蒸发出来,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.这过程一直进行到气相和液相的温度相等为止,也即气、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。

空气在下塔被初步精馏为气氮、污液氮和富氧液空，以节流阀减压降温后送至上塔作为上塔的回流液，进一步实现精馏，最终在上塔顶部得到纯氮气，下部得到合格的液氧产品。

主冷凝蒸发器是连接上下塔实现精馏过程的纽带，起到承上启下的重要作用。根据压力对应液化温度成正比的特性，在主冷凝蒸发器中通过液氧将压力氮气冷凝为液氮，为上下塔