论文正文---空气分离技术的应用

关于空气分离技术的应用李彦林(云南煤化集团泸西焦化有限公司甲醇分厂，红河泸西652404）摘要：本文阐述了深冷法在空气分离中的应用。关键词：空分分子筛吸附器双级精馏塔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种实现空气分离的方法。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，除去不需要的杂质，达到提高单高纯度产品的目的。该法流程简单，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得多的特点，实现氧、氮分离。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、降温、液化，然后利用氧、氮沸点的不同进行精馏分离。该法目前工业上应用最广泛，下面介绍深冷法的应用。2深冷法分离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，其它气体忽略不计，即认为空气中含氧20.9%，含氮79.1%（容积）。表一：干燥空气的主要成份名称化学代号体积百分比重量百分比氧O220.9523.1氮N278.0875.5氩Ar0.9321.29空气中其它组成成份，如氢、二氧化碳、碳氢化合物的含量在一定范围内会有所变化，而水蒸汽含量则随着温度和湿度而变化。表二：空气中主要成份的物理特性名称化学符号标准大气压下的液化温度(℃)标准大气压下的固化温度(℃)临界温度(℃)临界压力MPa(A)氧O2-183-218.4-1195.079氮N2-195.8-209.86-1473.394氩Ar-185.7-189.2-1224.862空气的精馏就是利用空气的各种组份具有不同的挥发性,即在同一温度下各组份的蒸汽压不同，将液态空气进行多次的部份蒸发与部份冷凝，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，气体中有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。氧、氮、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。图一：空气分离原理空气：氧含量20.95%，氮含量78.08%一精馏塔层液相气相二精馏塔层氧含量14.02%，氮含量85.12%氧含量31.23%，氮含量41.32%氧含量39.01%，氮含量14.50%氧含量18.33%，氮含量82.44%三精馏塔层氧含量5.15%，氮含量90.64%氧含量26.71%，氮含量72.54%3我公司KDON-7000/800型空气分离设备图二：主工艺流程污N58111-自洁式空气过滤器；2-离心式空压机；3-空冷塔；4-水冷塔；5-纯化器；6-电加热器；7-增压膨胀机；8-主换热器；9-精馏塔；10-锅冷器；11-离心式氧压机3.1空气过滤及压缩原料空气经自洁式空气过滤器除去灰尘及其它机械杂质，由离心式空压机压（汽轮机拖动）提压至0.58Mpa送入后系统。3.2空气预冷系统该系统主要由空冷塔、水冷塔、四台水泵及4台水过滤器组成。空气冷却塔为装有两层塔料的填料塔.空气由用户管网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15℃。进入空冷塔的水分为两段。下段为由用户凉水塔来的冷却水，经循环水泵加压入空冷塔中部，自上而下出空冷塔后回凉水塔。上段为从水冷塔来的低温水.用户凉水塔来的冷却水经在水冷却塔内与由分馏塔来的多余的纯氮及污氮气热质交换冷却后，出水冷塔温度约为13.5℃左右，经冷冻水泵加压后送入空冷塔顶部.3.3空气纯化系统该系统主要由两台吸附器、两台电加热器组成。电加热器采用调功柜，最大限度减少电耗保证再生气出口温度的恒定。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.由空冷塔来的空气，经吸附器除去其中的水份、CO2及其它一些CnHm后，除一部分作仪表气之外，其余均全部入分馏塔及膨胀端增压机。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进入电加热器加热至175℃后，入吸附器加热再生，脱附掉其中的水份及CO2，后经放空消声器排入大气。经由吸附器纯化后的空气水含量在露点-65℃以下，CO2≤1PPm，温度为22℃。3.4增压膨胀机系统该系统主要由两台增压透平膨胀机，两台冷却水增压机后冷却器及供油装置组成。由分子筛吸附器来的洁净空气一部分进入增压器，消耗掉由膨胀机输出的能量，同时使压力得以升高，经增压后的空气入增压机后冷却器，被常温水冷却到40℃左右，入主换热器冷却到165K后入透平膨胀机膨胀,然后经膨胀后换热器进一步冷却入上塔参与精馏。其余空气直接入主换热器冷却到100K附近出主换热器,入下塔底部参与精馏.3.5氧、氮精馏该系统主要由下塔、主冷凝蒸发器、上塔来完成。加工空气经下塔的精馏，在顶部获得氮气，除一小部分作为热源到纯氩塔外，其余经主冷凝蒸发器冷凝。由主冷凝蒸发器冷凝的液体一部分做为下塔的回流液，一部分经过冷器过冷后，经节流后作为上塔回流液送至上塔顶部。在下塔底部得到的富氧液空，经过冷器过冷后，节流至上塔中部参与精馏。经上塔精馏，在顶部得到产品氮气，在上部得到污氮气。氮气及污氮气经过冷器，主热交换器组复热。复热后氮气除一部分送往用户管网外，其余入水冷塔制冷；而污氮气除一部分用作再生用气外，其余也进入水冷塔制冷。在上塔底部得到氧气，经膨胀后换热器、主热交换器组复热后去用户管网。液氧从主冷凝蒸发器底部抽出，去液氧喷射蒸发器。液氮经过冷器过冷抽出冷箱后入液氮贮槽贮存,再经汽化器汽化后去氮气缓冲罐作氧压机的保安用氮。3.6氧气外送经过主换热器辐热至常温的氧气，由离心式压缩机（电机拖动）加压至2.5MPa送至甲醇转化岗位使用。4空分工艺设备介绍4.1自洁式空气过滤器空气中含有大量的尘埃，空压机在长时间的高速运行中，粉尘会造成机器内部的叶轮、叶片等部件的磨损、腐蚀和结垢，缩短机器的使用寿命，因此设置空气过滤器，清除掉空气中的灰尘及杂质。结构：由高效过滤筒、文氏管、自洁专用喷头、反吹系统、控制系统、净气室出风口、柜架等组成。原理：在吸气负压作用下，空气穿过高效过滤筒，粉尘由于重力、静电和接触被阻留，净化空气进入净气室。可对大于1UM以上的灰尘过滤效率达99.9%，滤筒上的灰尘通过专用喷头吹除达到清除。4.2空气压缩机组作用是为提供带压原料空气。结构：空压机由沈阳鼓风机厂提供，采取汽轮机拖动的离心式压缩机，排气量：38000Nm3/h；输出压力：0.58MPa(A)。汽轮机由杭州汽轮机厂提高，采取蒸汽驱动的离心式压缩机，进气压力：3.43MPa（A）；进气温度：435℃；排气压力：0.008Mp（A）。离心式空压机工作原理：启动汽轮机后，汽轮机带动空压机一起高速旋转，这时机壳内的气体从叶轮中心被抛向叶轮外缘，在叶轮中心处形成低压区。这样，造成了吸入管与叶轮中心处的压差，在这个静压差的作用下，气体便沿着吸入管进入叶轮中心，以补充被排出的气体，这种连续不断的吸入和排出气体的过程，就达到了空压机输送气体介质的功能。汽轮机的工作原理：具有一定压力和温度的蒸汽，流过由喷嘴、静叶片和动叶片组成的蒸汽通道时，蒸汽发生膨胀从而获得很高的速度，高速流动的蒸汽冲动汽轮机转子上的动叶片，使它带动汽轮机转子按一定的转速均匀转动，汽轮机以一定的转速转动时，同时空压机的转子也以相同的速度转动。4.3分子筛纯化器作用是吸附空气中水分、乙炔、CO等碳氢化合物。结构：由川空提供，立式圆筒体，双层床，内设支承栅架及锥型过滤器，规格型号：φ4000×16mm，L=7120mm；分子筛：13X；活性氧化铝：φ2～φ5；容积：58m3；工作压力：吸附0.53MPa，再生0.01MPa。吸附原理：经空冷塔冷却后的空气一般在18℃左右进入吸附器内纯化。水分、乙炔、二氧化碳等都是极性或不饱和分子，分子筛对它们都有很强的亲和力，能较好的除去这些杂质，这种亲和力的顺序是：H2OC2H2CO2。分子筛吸附器成对交替使用，一只工作时，另一只被再生。纯化器作用：空气由多组分组成，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杂质。这些杂质随空气进入空装置中会到来较大危害，固体杂质会磨损空压机运转部件，堵塞冷却器，降低冷却效果；水蒸气和二氧化碳在空气冷却过程中会冻结析出，堵塞设备及气体管道，致使空分装置无法生产；乙炔进入空分装置后会导致爆炸事故的发生，所以为了保证制氧机的安全运行，清除这些杂质是非常有必要的。4.4增压膨胀机结构：由川空提供，膨胀机由进口管、喷咀、工作轮、扩压室、排气管等组成。增压机由进气室、叶轮、无叶扩压器、蜗壳等组成，其叶轮与膨胀机叶轮置于同一轴上，二者转速相同，由膨胀机叶轮发出的机械功驱动其旋转。膨胀机流量：4700m3/h；进/排气压力：0.77/0.125MPa（A）；进气温度：170K；等熵效率：≥85%。增压机流量：4700m3/h；进/排气压力：0.55/0.812MPa（A）；进气温度：295K。主机外形尺寸：1200×1300×2500mm。工作原理：气体在透平膨胀机的通流部分膨胀获得动能，并由工作轮轴端输出外功，因而降低了膨胀机出口工质的内能和温度，从而制取冷量，为正常生产补充冷损。4.5双级精馏塔利用混合气中各组分的沸点不同，将其分离成所要求纯度的组分；塔体为圆筒型，下塔为多层筛板筛板，上塔内装规整填料及液体分布器。下塔初步精馏，上塔进一步精馏得到氧气和氮气，二者联系纽带为主冷。5结束语深冷法空分技术将过滤、精馏、吸附等多种分离技术结合来优化工艺，实现空气的氧氮分离，同时高纯度的产品，对化工类工业起着至关重要的作用。参考文献：[1]李耀、张卫.气体深冷分离操作指南.机械工业出版社，2011.[2]许祥静.煤炭气化技术.化学工业出版社,2010.[3]刘佳琪.分离过程.化学工业出版社,2010.[4]李化治.制氧技术.冶金工业出版社,209.