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制氧工艺及设备•工业制氧的方法•精馏概述•精馏设备（精馏塔）•制氧工艺流程•制氧设备水电解法:将水电解而产生氧气特点：可以同时生产氧气和氢气；较危险，氢气属于易燃易爆气体；每生产1M3的氧气同时可以生产氢气2M3；纯度高；耗电量大生产1M3的氧气耗电量约12～15度；不适宜大量生产氧气。水电解法、化学法、空气分离法（低温法、吸附法、膜分离法）工业制氧的方法工业制氧的方法化学法:将氯酸钾加热分解出氧气，1公斤氯酸钾能放出270升氧气；氧化钡加热生成过氧化钡，再加热放出氧气，2BaO+O2=2BaO22BaO2=2BaO+O2，1公斤氧化钡可以制取100升氧气。特点：原料贵重，消耗量大；生产能力小；不适宜大量生产氧气。•低温法：将空气压缩、冷却，使空气饱和液化，利用氧、氮组分的沸点差，用精馏的方法将氧氮分离，从而获得高纯度的氧和氮。低温法是实现空气分离是深冷与精馏的组合，是目前应用最为广泛的空气分离方法，在国内外的制氧行业中占统治地位。产量大：目前国内最大的制氧机在宝钢，制氧能力72000M3/h，国外最大的制氧机在巴西，制氧能力为110000M3/h。特点：氧气和氮气纯度高；氧气的纯度可达99.6%以上，氮气纯度可达99.999%；电耗低；适宜大规模生产；可以同时生产氩气等稀有气体。空气分离法（低温法、吸附法、膜分离法）工业制氧的方法•吸附法：让空气通过分子筛吸附塔，利用分子筛对空气中的氧、氮组分选择性吸附而使空气分离获得氧气。特点：流程简单，常温运行，设备便易，投资少；全自动控制，制氧快速，能耗低，生产1M3氧气的能耗只有0.4KWH；产品单一，不能同时生产氧和氮；纯度低，氧纯度只有90%～93%；分子筛体积大，不适合大型化生产，一般用在小于4000M3/H氧气的场合；分子筛切换时间太短（两分钟），系统容易出故障，不适合连续运转。工业制氧的方法•膜分离法：利用有机聚合膜的选择渗透性，从气体混合物中将氧、氮分离，获得富氧气体。原理（氧、氮、氩透过膜的速率不同，氧＞氩＞氮，氧气透过膜的速度约为氮气的4～5倍；分离膜很薄，而且具有很多的微孔；分离膜对不同的气体组分具有选择透过性；不同气体组分在分离膜中的溶解度和扩散系数不同；在膜中形成气体浓度梯度）特点：产品纯度低，氧纯度只有40～50%；可以生产高纯度的氮气；装置简单，操作方便；运动元件及易损件少，运行较平衡；分离膜易堵塞；分离膜制造困难，价格高；不适合大型化生产。工业制氧的方法精馏概述•精馏原理（词汇）1气化2蒸发3沸腾4液化5物相6气液相平衡7精馏精馏概述•气态化(气化)：将物质从液态变为气态并伴随着吸热的过程称为气态化，也就是经常简称的气化。•蒸发：气态化如果只是从液体的外部自由表面产生，那么这种过程称为蒸发，并且在任何一个温度下可以取某一个速度进行。精馏概述•沸腾：气泡的生成如果不仅在液体的自由表面，并且在整个体积内进行，这种气态化称为沸腾。与蒸发的区别在于沸腾是在特定的温度(所谓的沸腾温度或沸点)下进行。•液化（冷凝）：将物质从气态变成液态并伴随着放热的过程称为液化或冷凝。精馏概述•物相：如果系统状态的参数值在系统所有各点都是一致或者作连续的变化而没有突变，那么这种系统就称为单相的或均一的系统。具有一定数量并在整个质量中是物理性质均一的物质称为物相。如果用任意的方法将物相分成几部分，那么所有部分的状态是相同的。精馏概述•汽液相平衡在封闭容器中,如图所示。在一定条件下，液相中各组分均有部分分子从界面逸出进入液面上方气相空间，而气相也有部分分子返回液面进入液相内。经长时间接触，当每个组分的分子从液相逸出与气相返回的速度相同，或达到动平衡时，即该过程达到了相平衡。平衡时气液两相的组成之间的关系称为相平衡关系。它取决于体系的热力学性质，是蒸馏过程的热力学基础和基本依据。相平衡是物质在各相之间分布的平衡。达到平衡之后，各相的组成和数量不随时间改变.精馏概述•精馏：先将气体混合物冷凝为液体，然后按照各组分蒸发温度的不同将他们分离的过程。•精馏的原理：将空气冷凝为液体，然后按照各组分蒸发温度的不同将空气分离。（通俗的讲就是多次部分蒸发部分冷凝）在一个标准大气压下，氧被冷却到90.188K，氮被冷却到77.36K，氩被冷却到87.29K都变成液态。t＝T－273.16精馏概述精馏原理单组分汽－液相平衡•压力与温度的关系式：P=ψ(T)•饱和蒸汽压曲线•汽液相平衡曲线液相区气相区气相区临界点精馏概述精馏原理一次部分汽化xFx1y1加热器分离器冷凝器特点：分离效果差精馏概述精馏原理多次部分汽化xFx1x2x3y1y2y3y3或xD分离器分离器分离器加热器加热器冷凝器冷凝器冷凝器加热器精馏概述精馏原理xFx1x2x3y1y2y3y3或xD多次部分汽化的缺点：•流程过于庞大；•设备费用极高；•部分汽化需要加热剂；•部分冷凝需要冷却剂；•能量消耗大；•纯产品的收率很低。制氧精馏概述精馏原理(多次部分汽化带回流)原料V0L1V1L0Vn-1VnLnLn-1L3V2Vn-2冷源加热蒸汽L’0L’1L’2V’1V’2V’3V’n-1L’n-1V’nL’n热源精馏概述精馏概述精馏原理(多次部分汽化带回流)塔板的作用塔板的作用是提供气液分离的场所；每一块塔板是一个混合分离器，并且足够多的板数可使各组分较完全分离。因此每一块塔板是一个混合分离器，经过若干块塔板上的传质后（塔板数足够多），即可达到对溶液中各组分进行较完全分离的目的。精馏概述精馏原理(多次部分汽化带回流)回流的作用•回流的主要作用就是提供不平衡的汽液两相，而构成汽液两相接触传质的必要条件。•精馏塔内由于塔顶的液相回流和塔底的汽相回流，为每块塔板提供了汽、液来源。精馏概述精馏原理氧、氮精馏制氧精馏概述筛板工作示意图精馏概述精馏设备精馏塔分类板式塔精馏塔填料塔精馏设备板式塔特点•正常鼓泡：蒸汽上升的速度达到一定数值后，塔板上就会出现全面均匀的鼓泡，气体激烈的搅动着液体，使液体呈薄膜状半悬浮地运动着，气、液相接触最好。同时有少量的液体被喷成雾沫分散在气相中。•不均匀鼓泡：蒸汽上升的速度较小，只能在塔板上的局部地区以链状气池的状态穿过液层，鼓池地区也是不固定的，在不鼓泡地区液体将从小孔中漏下。不均匀鼓泡义称液漏。•雾沫夹带：蒸汽速度进一步增大，或板间距太小，没有足够的使气、液分离的空间时，蒸汽将夹带着液体上升到另一块塔板上，使塔板效率降低，这种情况称雾沫夹带，在筛板塔设计中是不允许的。•液泛：蒸汽速度过大，使塔板阻力过大，液体不能从上—块塔板流到下一块塔板，气、液相间的对流停止，精馏工况被破坏，这种情况称为液泛。液泛是塔板设计及操作时绝对不允许的。精馏设备填料塔填料塔以填料作为气液接触元件，气液两相在填料呈中逆向连续接触。精馏设备筛板塔和填料塔的优缺点筛板塔填料塔阻力大小操作弹性70%~105%30%~110%液体滞留量大小塔径大小塔高低高分离效率低高变负荷速度慢快从上表可以看出：虽然填料塔高度增加，但其具有阻力小、分离效率高、塔径小等多项优点，目前空分装置的上塔和氩塔全部采用规整填料塔，下塔也逐渐开始采用填料塔精馏设备填料分类填料实体填料网体填料拉西环θ环十字环螺旋环短拉西环鲍尔环-阶梯环鞍形填料弧鞍形（马鞍）填料矩鞍形（槽鞍）填料波纹板填料栅条填料θ网环双层θ网环压延孔环网鞍填料波纹网填料空分设备用精馏设备填料塔特点：1.压力降小，生产能力大。由于它是规整结构，故压力降较—般乱堆填料低，因而空塔速度可以提高。2.由于其结构紧凑，具有很大的比表面，且填料的结构能促进气液分布均匀化，使传质效率提高。3.操作弹性大。制氧精馏设备与操作波纹板填料填料支撑、填料压圈空分设备中的填料及内件液体收集器液体分布器精馏设备精馏设备填料塔特点①恒持液量区持液量：操作时单位体积填料层内持有的液体体积。气速较低时，液体的流动与气速无关，所以持液量不变。②载液区气速增大到一定时，气流开始阻碍液体下流，持液量开始增加，出现拦液现象，此点为载点。③液泛区气速再增大时，液相变为连续相，气相变为分散相，双膜传质变为鼓泡传质，出现液泛现象，此点为泛点。制氧工艺流程我国从1953年，在哈氧第一台制氧机，目前出现的全低压制氧机，这期间经历了几代变革：•第一代：高低压循环，氨预冷，氮气透平膨胀，吸收法除杂质；•第二代：石头蓄冷除杂质，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：分子筛纯化，规整填料，增压透平膨胀机的低压循环；•第六代：内压缩流程，规整填料，全精馏无氢制氩；•○全低压工艺流程：只生产气体产品，基本上不产液体产品；•○内压缩流程：化工类：5~8：临界状态以上，超临界；钢铁类：3.0，临界状态以下；目前在工业上广泛采用深度冷冻方法分离空气来制取氧气。首先需要将空气冷却并使它达到液体状态。利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使得易挥发组分（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，称该过程为精馏。制氧工艺流程制氧流程主要由制冷系统和精馏系统所组成。详细可分为十大系统，即空气压缩系统、空气净化系统、换热系统、制冷系统、精馏系统、安全防爆系统、氧气压缩输送系统，加温解冻系统，仪表自控系统以及电控系统。（现有6000M3/h机组1套和10000M3/h机组2套，氧气总生产能力26000M3/h。空分装置采用分子筛吸附净化、增压透平膨胀机、规整填料塔（上塔、粗氩塔、精氩塔）无氢制氩新工艺。）制氧工艺流程•加工空气量32500Nm3/h（101.3Kpa、0℃）进气压力0.56MPa氧气产量6000Nm3/h氮气产量6000Nm3/h氩气产量150Nm3/h•加工空气量54000Nm3/h（101.3Kpa、0℃）进气压力0.6Mpa（A）氧气产量10000Nm3/h氮气产量10000Nm3/h氩气产量350Nm3/h制氧工艺流程分馏塔系统空气过滤系统预冷系统纯化系统换热系统空压机膨胀机压氧系统压氮系统用户液体贮存系统汽化系统电控系统仪控系统制氧工艺流程•过滤、压缩、预冷及纯化原料工艺空气经吸入口吸入，进入空气过滤器，滤去尘埃和机械杂质，进入离心式空气压缩机进行压缩，压缩后的气体进入空气预冷系统中的空气冷却塔，在其中被水冷却和洗涤。空气冷却塔采用循环冷却水和经水冷塔冷却过的低温冷冻水冷却，空气冷却塔顶部设有惯性分离器及丝网分离器，以防止工艺空气中游离水份带出。出空气预冷系统的工艺空气进入用来吸附除去水份、二氧化碳、碳氢化合物的空气纯化系统，纯化系统中的吸附器由两台立式容器组成，两台吸附容器采用双层床结构，底部为活性氧化铝，上部为分子筛，当一台运行时，另一台则由来自冷箱中的污氮通过加热器加热后进行再生。制氧工艺流程•空气精馏出空气纯化系统的洁净工艺空气大部分进入冷箱内的主换热器，被返流出来的气体冷却，接近露点的空气进入下塔的底部，进行第一次分馏。在精馏塔中，上升气体与下流液体充分接触，传热传质后，上升气体中氮的浓度逐渐增加。在主冷凝蒸发器中，氮气冷凝，液氧汽化。在下塔中产生的液空和液氮，经过冷器过冷，节流后进入上塔，作为上塔的回流液，在上塔内，经过再次精馏，得到产品氮气、产品氧气、液氧及污氮。精馏设备：下塔、主冷凝蒸发器上塔、主冷凝蒸发器粗氩Ⅰ、粗氩Ⅱ、粗氩冷凝器纯氩蒸发器、纯氩塔、纯氩冷凝器制氧工艺流程•冷量的制取空分装置为达到制冷的目的，由以下一些主要设备组成：原料空气压缩机———将空气压缩到一定的压力；热交换器（蓄冷器或可逆式板翅换热器等）———将空气冷却到接近液化的温度；节流阀———进一步降低空气的温度；膨胀机———靠对外作功制取冷量，降低空气的温度。装置所需的大部分冷量由透平膨胀机提供。出空气纯化系统的其余部分洁净空气进入被透平膨胀机驱动的增压机，使其压力提高。然后经增压后冷却器冷却，进入冷箱内的主换热器，冷却至一定温度后进入透平膨胀机。这股膨胀空气在膨胀机中膨胀制冷后进入上塔，参与精馏。制氧工艺流程•氩的提纯氩