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-1-第一章分馏部分第一节概述本公司一期空分是四川空分设备制造的一套28000Nm3/h氧气（纯度99.6%）、32000Nm3/h（纯度99.99%）氮气的空分设备。氧气出冷箱压力为5.2Mpa。冷箱抽出的氮气分两路：一路是低压氮气压力大于或等于0.4Mpa、流量为26000Nm3/h，从下塔顶部抽出经冷箱复热后出冷箱送用户；一路是主冷抽出的液氮经氮泵加压后，压力为6.5Mpa、流量为6000Nm3/h，再经换热器复热后送用户。一、空气的组成空气是一种均匀的多组分混合气体，它的主要成分是氧、氮和氩，此外还含有微量的氢及氖、氦、氪、氙等稀有气体。根据地区条件的不同，空气中还含有不定量的二氧化碳、水蒸汽以及乙炔等碳氢化合物等。如下表所示：干燥空气中主要组分表O2名称化学符号体积百分比重量百分比氮N78.0975.5氧O20.9523.1氩Ar0.9321.29二氧化碳CO20.030.05氖Ne0.000460.00006氦He0.00160.0011氪Kr0.000110.00032氙Xe0.0000080.00004空气中主要组分的物理特性名称化学符号气化温度（℃）熔化温度（℃）比重临界温度（℃）临界压力(Mpa)气态kg/M3液态kg/L氮N-195.8-209.861.250.81-1473.382氧O-182.97-218.41.431.14-1195.03-2-氩Ar-185.7-189.21.7821.4-1124.862氖Ne-268.9-272.550.180.125-267.70.229氦He-246.1-248.60.7481.204-228.72.758氪Kr-153.2-157.21.7352.155-63.75.49氙Xe-108.0-111.81.6643.52+16.65.892由表中可以看出，空气主要由氧和氮组成，占99%以上；其次是氩，占0.93%。在常温、常压下它们呈气态，在标准大气压下，液化温度：氧90.18K（-182.97℃)，氮77.35K(-195.8℃)，氩87.45K(-185.7℃)。氧和氮的沸点相差约13K，氩和氮的沸点相差约10K，这就是能够利用低温精馏法将空气分离为氧、氮和氩的基础。空气中除氧、氮、氩外，还有氖、氦、氪、氙等气体，其含量甚微，在自然界中不易得到，故称为稀有气体，其化学性质十分稳定，又称为惰性气体。空气分离装置在制取氧、氮的同时，应注意氩和其它稀有气体的制取。空气中的机械杂质、水蒸汽、二氧化碳、乙炔和其它碳氢化合物，影响空气分离装置的正常、安全运行。因此必须设法净除这些有害气体和杂质，以保障空气分离装置的正常运转。二、氧气的生产方法（空气分离法）空气分离法以空气为原料，将氧组分和氮组分分离而得到氧气和氮气。依氧、氮组分分离所采取的方法不同分为，低温法、变压吸附法、膜分离法。（1）、低温法（传统的空气分离方法）压缩膨胀液化（深冷）精馏低温法的核心（2）、吸附法：利用固体吸附剂（分子筛、活性炭、硅胶、铝胶）对气体混合物中某些特定的组分吸附能力的差异进行的一种分离方法。特点：投资省、上马快、生产能力低、纯度低（93%左右）、切换周期短、对阀的要求或寿命影响大。（3）、膜分离法：利用有机聚合膜对气体混合物的渗透选择性。2O穿透膜的速度比2N快约4-5倍，但这种分离方法生产能力更低，纯度低（氧气纯度约25%~35%低温法是以空气为原料，根据空气混合物中各组分的沸点不同，经过换热，深冷-3-液化和多次部分蒸发、部分冷凝的精馏过程，实现氧、氮的分离。在空气分离领域中，低温法是传统的制氧方法，低温法制氧，生产量大，氧气和氮气的纯度高，电耗低，同时也可以从空气中获得稀有气体，在国内外的制氧行业中占统治地位。三、基本原理用于生产氧、氮、氩等气体及部分液体产品的成套设备，称为空气分离设备（又称制氧机），简称空分装置。空气低温法制氧原理是先将空气压缩、冷却，并使空气液化，利用氧、氮组分的沸点不同（在大气压下氧沸点为90K，氮为77K），在精馏塔的塔板上进行气、液相接触，进行质、热交换，高沸点的氧组分不断地从蒸汽中冷凝成液体，低沸点的氮组分不断地转入蒸汽中，使上升的蒸汽中含氮量不断提高，而下流的液体中含氧量越来越高，从而使氧、氮分离。四、低温法制氧工艺描述低温法分离空气设备概括起来由以下四大部分组成：1）空气压缩、膨胀制冷；2）空气中水分、杂质等净除（预净化）；3）空气通过换热冷却、液化（低温产品的冷量回收及压缩）；4）空气精馏、分离；5）安全防爆。五、空气分离装置流程分类根据各部分实现的的方式和采用的设备不同，组成不同的流空气分离流程。按制冷循环方式、杂质净化方式、分离方式（产品种类、精馏塔形式）、产品的压缩形式分类。六、空分装置的性能指标空分装置除了要达到产品产量和纯度外，还有以下的性能指标：1）单位电耗：以kw.h/m3为单位来表示。2）提取率，反映了空气分离的完善程度。表达式：ρO=（VO.yo/VA.yA）%3）启动时间。从空压机向装置通气开始直至产品达到设计产量的全过程所需的时间。以小时表示。它既反映了运行的方便灵活性，同时也是一项能耗指标。-4-4）运转周期。5）加温解冻时间。6）单位产量的金属消耗量。七、空气分离装置流程的发展自从1902年德国的林德教授发明了高压节流循环制冷，单级精馏塔分离空气制氧至今已历经了将近100年。我国的制氧机制造业在1950年以后才发展起来的，最初生产的中压及高、低压小型制氧机，1967年以后，先后试制成功了1000、1500、3200、6000、10000m3/h制氧机。仪表控制系统也从最初的直读式仪表发展到现在的集散型控制的水平。第二节制氧工艺理论知识用低温法分离空气制氧归根结底分为两个步骤。首先使加工空气液化，继而利用氧、氮的沸点差，采用精馏的方法使空气分离获得氧气和氮气。一、基础知识1.气体的基本状态参数物质通常以气态、液态、固态存在。每种物质根据外界条件（温度与压力）的不同可处于其中的任一状态。空气、氧气、氮气和氩气在环境温度和大气压下都是气体，当所处条件发生变化，物质可以由一种状态转变为另一种状态。物质状态参数是描写物质在每一聚集状态特性的物理量。换言之，物质的每一状态都有确定数值的状态参数与之对应。空气分离过程中涉及的基本状态参数有：温度T、压力P、热力学能（内能）U、焓H、熵S、临界温度、临界压力、露点等。（1）温度：温度反映物体冷热的程度。从本质上说，温度反映物质内部分子运动激烈的程度。温度降低到一定程度，水可以变成固体，空气也可以变成液体。定量地表示温度的高低有不同的温标。（2）压力：压力表测量的压力数值反映压力的高低，但并不是实际的压力。根据压力表的工作原理，测得的压力是实际压力(绝对压力)与周围大气压力的差值。当实际压力高于大气压力时，测得的压力叫表压力。绝对压力应等于表压力加上大气压-5-力：绝对压力=表压力+大气压力当实际压力低于大气压力时，测得的压力叫真空度，也叫负压。绝对压力等于大气压力减掉真空度：绝对压力=大气压力-真空度（3）热力学能：宏观表示物体所具有的能量是动能和位能。动能的大小取决于他的质量和运动速度；位能是由地球的引力产生，取决于物体的质量和离地面的距离。在物质内部，它是由大量分子组成的，分子在不停地做乱运动，具有分子运动的动能。温度越高，分子运动越激烈，分子运动的动能就越大。分子相互之间也有吸引力，分子间距离不同，相互吸引的位能也改变。这种肉眼所不能看见的物质内部具有的能量叫“热力学能”。（4）焓：焓是表示物质内部具有的一种能量的物理量，也就是一个表示物质状态的参数。单位是能量的单位：kJ或kJ/kg。焓=热力学能+流动能。（5）熵：熵与温度、压力、焓等一样，也是反映物质内部状态的一个物理量。它不能直接用仪表测量，只能推算出来，所以比较抽象。但在作理论分析时，有时用熵的概念比较方便。在自然界发生的许多过程中，有的过程朝一个方向可以自发地进行，而反之则不行。自然界发生的一些过程是有一定的方向性的，这种过程叫不可逆过程。过程前后的两个状态是不等价的。通过研究，找到了“熵”这个物理量度量这种不等价性。在制氧机中常遇到的节流阀的节流膨胀过程和膨胀机的膨胀过程均可近似地看成是绝热过程。二者膨胀后压力均降低。但是，前者是不可逆的绝热膨胀，膨胀前后熵值肯定增大。后者在理想情况下膨胀对外作出的功可以等于压缩消耗的功，是可逆绝热膨胀过程，膨胀前后熵值不变，叫等熵膨胀。实际的膨胀机膨胀会有损失，也是不可逆过程，熵也增大。但是，它的不可逆程度比节流过程小，增加的熵值也小。因此，熵的增加值反映了这个绝热过程不可逆程度的大小。在作理论分析计算时，引入熵这个状态参数很为方便。熵的单位为J/(mol·K)或kJ/(kmol·K)。但是，通常关心的不是熵的数值，而是熵的变化趋势。对实际的绝热膨胀过程，熵必然增加。熵增加的幅度越小，说明损失越小，效率越高。-6-（6）临界温度、临界压力：在一定温度下，可以通过提高压力来使它液化。但是，对每一种物质来说，当温度超过某一数值时，无论压力提得多高，也不可能再使它液化。这个温度叫“临界温度”。临界温度是该物质可能被液化的最高温度。与临界温度对应的液化压力叫临界压力。（7）露点：使水蒸气达到饱和时的温度就叫作“露点”。2.气体理想气体：理想气体是一种理想模型，从微观上看是一种分子本身没有体积、分子间没有作用力的气体。如果在压力不高与温度不太低的情况下，气体分子本身所占的体积与相互作用忽略不计，这种状态的气体也可看作是理想气体。混合气体：多种气体以一定比例充分混合在一起所形成的均匀相为混合气体。空气是典型的一种混合气体。空气组成：N2为78.03%，O2为20.93%，Ar2为0.932%，CO2为0.03%。混合气体的性质，取决于组成混合气体的各组分的含量。一般情况下，空气中主要成分氧、氮的含量基本不变，可以把空气作为单一气体处理，空气平均分子量为29。空气净化时，就不能忽视水分、二氧化碳、乙炔及其它碳氢化合物对空气的影响；在提取稀有气体时，也不能将空气只视为氧、氮二元组分。3.蒸汽通常，在1大气压下液氧的沸点：氧90.18K（-182.97℃)，氮77.35K(-195.8℃)，氩87.29K(-185.86℃)从过冷液体→饱和液体→湿蒸汽→饱和蒸汽→热蒸汽实验表明：对于同一种物质，在不同压力下，对应的饱和温度也不同，压力越高，饱和温度也增高。也就是说，压力越高蒸气越容易液化。氧、氮在不同压力下对应的饱和温度压力11.523456氧K909397102105109111氮K7781848891949612345-7-在同样压力下，氮的饱和温度比氧低，表示氮比氧更容易气化；而在不同压力下氮的饱和温度有可能比氧高。二、空气液化循环空气在地球周围，通常是过热蒸汽，将其液化，需要通过液化循环来实现。液化循环由一系列必要的热力过程组成，制取冷量将空气由气态变成液态。低温循环的用途，从热力学的观点有下列几种情况：1）把物质冷却到预定的温度，通常由常温冷却到所需的低温；2）在存在冷损的条件下，保持已冷却到低温的物质的温度，即从恒定的低温物质中不断吸取热量；3）为上述两种情况的综合，即连续不断地冷却到一定的低温，并随时补偿冷损失，维持所达到的低温工况。空气液化循环属于第三种情况，要将空气连续不断地冷却到当时压力下的饱和温度，又要提供潜热，补偿冷损，维持液化工况。这首先要选择制冷方法，而后组成行之有效的液化循环。1.获得低温的方法要使空气液化，需要从空气中取出热量使其冷却，最后全部成为液体。我们知道，在101.3kPa大气压下，空气液化温度是-191.8℃，从27℃变为干饱和蒸气需取出222.79kJ/kg热量，再从干饱和蒸气变为液体需取出168.45kJ/kg热量（即潜热），显然，为使空气液化首先要获得低温。工业上空气液化常用两种方法获得低温，即空气的节流和膨胀机的绝热膨胀制冷。2.理想液化循环在制冷机中，气体工质连续不断地工作，需要经历一系列的状态变化，重新回复到原始状态，也就是要