河北工业大学成人高等教育毕业论文

工业大学成人高等教育

毕业设计说明书(论文)

姓名：军平学号： 20138519

教学管理单位：工业大学伊犁函授站

专业：化学工程与工艺

题目：深冷法在空气分离中的应用

指导者：

评阅者：

年月日

毕业设计（论文）摘要

目录

1 引言 (42)

2 深冷法空分原理 (42)

3 KDON48000/80000型空分装置简易流程分析 (43)

3.1空气净化 (44)

3.1.1过滤及压缩 (44)

3.1.2预冷 (44)

3.1.3纯化： (44)

3.2空气液化 (44)

3.3空气精馏 (45)

3.3.1下塔精馏 (45)

3.3.2上塔精馏 (45)

4 空分工艺设备介绍 (45)

4.1洁式空气过滤器 (46)

4.2空气压缩机 (46)

4.3 分子筛吸附器 (47)

4.4膨胀机 (47)

4.5双级精馏塔 (48)

结论 (48)

参考文献 (48)

致 (48)

1 引言

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。

吸附法：利用多孔性物质分子筛对不同的气体分子具有选择性咐附的特点，对气体分子不同组分有选择性的进行吸附，达到单高纯度的产品。吸附法分离空气流程简章，操作方便运行成本较低，但不能获得高纯度的的双高产品。

膜分离法：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。

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）的不同进行精馏分离。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。

2 深冷法空分原理

空气中氧和氮占99.23%(容积),因此在一般计算中,可以近似地将空气当做氧和氮的二元混合物,将氩归并到氮中去,其它气体忽略不计,即认为空气中含氧20.9%，含氮79.1%(容积)。

干燥空气的主要成份如下:

汽含量则随着温度和湿度而变化。

空气中的主要成份的物理特性如下:

氩Ar -185.7 -189.2 -122 4.862

蒸汽压不同，将液态空气进行多次的部分蒸发与部分冷凝，从而达到分离各组份的目的。当处于冷凝温度的氧、氮混合气穿过比它温度低的氧、氮混合液体时，气相与液相之间就发生热、质交换，气体中的部份冷凝成液体并放出冷凝潜热，液体则因吸收热量而部份蒸发。因沸点的差异，氧、氩的蒸发顺序为：氮>氩>氧，冷凝顺序为：氧>氩>氮。在本系统中，该过程是在塔板上进行的，当气体自下而上地在逐块塔板上通过时，低沸点组份的浓度不断增加，只要塔板足够多，在塔的顶部即可获得高纯度的低沸点组份。同理，当液体自上而下地在逐块塔板上通过时，高沸点组份的浓度不断增加，通过了一定数量的塔板后，在塔的底部就可获得高纯度的高沸点组份。

由于氧、氩、氮沸点的差别，在上塔的中部一定存在着氩的富集区，制取粗氩所需的氩馏份就是从氩富集区抽取的

处于冷凝温度的氧、氮混合气穿过比它温度低的氧、氮组成的液体时，气体要部分冷凝，转变为液体并放出冷凝潜热，沸点较高的氧较多的冷凝，这样蒸气中的氮浓度越来超高；液体则吸收热量而蒸发。沸点较低的氮较多的蒸发，液体中的氧浓度也越来越高，每经过一次蒸发—冷凝过程，气体中氮组分就增加，而液体中氧组分也增加。如果这种同时发生的蒸发—冷凝过程进行多次，混合物中的氧和氮便可分离。

3 KDON50000/50000型空分装置简易流程分析

3.1空气净化

3.1.1过滤及压缩

含尘空气入空气过滤器，过滤掉其中机械颗粒、粉尘等。经过滤的空气再入空气压缩系统，被空气压缩系统压缩到0.53MPa.G后进入空气预冷系统。

空气冷却塔为装有两层塔料的填料塔，空气由空气压缩机送入空气冷却塔底部，由下往上穿过填料层，被从上往下的水冷却，并同时洗涤部分NOx，SO2，C1+等有害杂质，最后穿越顶部的丝网分离器，进入分子筛纯化系统，出空冷塔空气的温度约为14.5℃。

3.1.2预冷

进入空冷塔的水分为两段。下段为由凉水塔来的冷却水，经循环水泵加压入空冷塔中部自上而下出空冷塔回凉水塔。上段为由水冷塔来的冷却水，经水冷塔与由分馏塔来污氮气热质交换冷却后由冷冻水泵加压，送入空气冷却塔顶部，自上而下出空气冷却塔回凉水塔。空气经空气冷却塔冷却后，温度降至18℃。

3.1.3纯化

空气经空气冷却塔冷却后进入切换使用的分子筛纯化器1#或2#，空气中的二氧化碳、碳氢化合物及残留的水蒸汽被吸附。

分子筛吸附器为卧式双层床结构，下层为活性氧化铝，上层为分子筛，两只吸附器切换工作。当一台吸附器工作时，另一台吸附器则进行再生、冷吹备用。由分馏塔来的

污氮气，经蒸汽加热器加热至-170℃后，入吸附器加热再生（高温再生时，再生气经蒸汽加热器及电加热器加热至260℃后，入吸附器加热再生），脱附掉其中的水份及CO2，再生结束由分馏塔来的污氮气冷吹，然后排入大气放空。

3.2空气液化

空气经净化后，由于分子筛的吸附热，温度升至～20℃，然后分两路：

第一路：空气在低压主换热器中与返流气体(纯氮气、压力氮气、污氮等)换热达到接近空气液化温度约-173℃后进入下塔进行精馏；

第二路：空气进入增压空气压缩机1段进行增压，压缩后的这部分空气又分为二部分：

①相当于膨胀空气的这部分空气从增压空气压缩机的Ⅰ段抽出，经膨胀机驱动的增压机，消耗掉由膨胀机输出的能量，使空气的压力得以进一步提高，增压后进入高压主换热器。在高压主换热器被返流气体冷却至152k(-121℃）抽出，进入膨胀机膨胀制冷，膨胀后的空气，经汽液分离器分离后气体部分进入下塔，液体经节流后送入粗氩冷凝器（液空冷源）。

②另一部分继续进增压空气压缩机的Ⅱ段增压，从增压空气压缩机的Ⅱ段抽出后，进入高压主换热器，与返流的液氧和其他气体换热后冷却至106K（-167℃）经节流后进入下塔中部；

3.3空气精馏

3.3.1下塔精馏

在下塔中，空气被初步分离成顶部氮气和底部富氧液态空气。

顶部氮气：顶部气氮在主冷凝蒸发器中液化，同时主冷凝蒸发器的低压侧液氧被气化。绝大部分液氮作为下塔回流液回流到下塔，其余液氮经过冷器，被纯气氮和污气氮过冷并节流后送入上塔顶部作为上塔回流液。

压力氮气：压力氮气从下塔顶部引出来，在低压主换热器中复热后出冷箱。污液氮：在下塔下部得到污液氮，经过冷器过冷后，节流至上塔上部参与精馏。

富氧液态空气：从下塔底部抽出的富氧液空在过冷器中过冷后，一部分作为粗氩冷凝器冷源，另一部分经节流送入上塔中部作回流液。

3.3.2上塔精馏