空分技术发展及展望

2019年8月26日制冷与低温工程系空分技术发展及展望制冷与低温工程叶恒扬第2页2019/8/26制冷与低温工程系一、空分行业发展进程二、空分设备流程简述三、空分设备流程技术简介目录三、空分设备流程发展方向第3页2019/8/26制冷与低温工程系一、空分行业发展进程第4页2019/8/26制冷与低温工程系一、空分行业发展进程深冷法空气分离的发展历程-1902年，德国卡尔•林德博士设计制造了世界上第一台单级精馏制氧机，1903年试制成功，开辟了低温精馏空气，工业制取氧气的工艺流程，1905年设计试制成功320m3/h双级精馏的制氧机。-1910年，法液空公司设计制造世界第一台活塞式膨胀机320m3/制氧机。-1914年，林德公司发明了第一台制氩装置。-1930年，林德公司首创用冻结法清除空气中的水分和二氧化碳。-1932年，前苏联拉赫曼提出将部分膨胀空气直接送入上塔参与精馏，人们将其称之“拉赫曼原理”或“拉赫曼气体”第5页2019/8/26制冷与低温工程系一、空分行业发展进程-20世纪40年代，美国发明了切片式板式换热器。-1952年，法液空公司开始用低温液体槽车来代替制氧瓶供氧给用户。-1960年，法液空公司通过管道输送气体给用户。-1968年，林德公司开发了常温下用分子筛吸附净化空气流程，改变可逆式流程，延长板式换热器寿命。-1976年，日本神钢3万m3/h空分设备上采用电子计算机控制。-1978年，林德公司开发成功液氧泵内压缩流程。-20世纪70年代末，苏尔寿公司将规整填料应用于空分塔，代替筛板塔第6页2019/8/26制冷与低温工程系一、空分行业发展进程-1990年，林德公司开发了分子筛净化带增压透平膨胀机的空分流程。-2002年，林德公司向阿拉伯提供一套世界最大的低温氧、氮分离装置，3600t/d(即105000m3/h02)空分装置[1]。空分流程的六代技术革命50年来，我国大中型空分设备流程已经历了铝带蓄冷器冻结高低压流程、石头蓄冷器冻结全低压流程、切换式换热器冻结全低压流程、常温分子筛净化全低压流程、常温分子筛净化增压膨胀流程和常温分子筛净化填料型广塔全精馏制氮流程等多次技术革命。每次大中型空分设备流程的变革，都是空分技术不断发展和科研成果相继被采用的必然结果：每次大中型字分设备流程的变革，都以其独具的技术闪光点将空分设备的技术水准推上了一个又一个新的台阶[2]。第7页2019/8/26制冷与低温工程系一、空分行业发展进程项目空分装置流程特点开发时间第一代铝带蓄冷器高低压流程20世纪50年代第二代石头蓄冷器全低压流程20世纪60年代第三代石头蓄冷器全低压流程20世纪70年代第四代常温分子筛净化全低压流程20世纪80年代末第五代增压型常温分子筛净化、增压透平膨胀机流程20世纪80年代末第六代规整填料、全精馏制氩的内压缩流程20世纪90年代末第8页2019/8/26制冷与低温工程系二、空分设备流程简述第9页2019/8/26制冷与低温工程系O2N2ArKrXeNeHe物性和用途一、空分设备流程简述第10页2019/8/26制冷与低温工程系空气分离变压吸附膜分离深冷精馏一、空分设备流程简述第11页2019/8/26制冷与低温工程系一、空分设备流程简述空分流程组织空分设备是一个大型的复杂系统，主要由以下子系统组成：动力系统、净化系统、制冷系统、热交换系统、精馏系统、产品输送系统、液体贮存系统和控制系统等，如图[3]下所示。第12页2019/8/26制冷与低温工程系一、空分设备流程简述动力系统：主要是指原料空气压缩机。空分设备将空气经低温分离得到氧、氮等产品，从本质上说是通过能量转换来完成的。而装置的能量主要是由原料空气压缩机输入的。相应地，空气分离所需的总能耗中绝大部分是原料空气压缩机的能耗。净化系统：由空气顶冷系统(空冷系统)和分子筛纯化系统(纯化系统)组成。经压缩后的原料空气温度较高，空气预冷系统通过接触式换热降低空气的温度，同时可以洗涤其中的酸性物质等有害杂质。分子筛纯化系统则进一步除去空气中的水分、二氧化碳、乙炔、丙烯、丙烷、重烃和氧化亚氮等对空分设备运行有害的物质。制冷系统：空分设备是通过膨胀制冷的，整个空分设备的制冷严格遵循经典的制冷循环。不过通常提到空分设备的制冷系统，主要是指膨胀机。第13页2019/8/26制冷与低温工程系一、空分设备流程简述热交换系统：空分设备的热平衡是通过制冷系统和热交换系统来完成的。随着技术的发展，现在的换热据主要使用铝制板翅式换热器。精馏系统：空分设备的核心，实现低温分离的重要设备。通常采用高、低压两级精馏方式。主要由低压塔、中压塔和冷凝蒸发器组成。产品输送系统：空分设备生产的氧气和氮气需要有一定的压力才能满足后续系统的使用。主要由各种不同规倍的氧气压缩机和氮气压缩饥组成。液体贮存系统：空分设备能生产一定的液氧和液氮等产品，进入液体贮存系统，以备需要时使用。主要由各种小向规格的贮槽、低温液体器和汽化器组成。控制系统：大型空分设备都采用计算机集散控制系统，可以实现自动控制。第14页2019/8/26制冷与低温工程系一、空分设备流程简述第15页2019/8/26制冷与低温工程系1550年来，我国大中型空分流程已经历了多次技术革命[4]铝带蓄冷器冻结高低压空分流程石头蓄冷器冻结全低压空分流程切换式换热器冻结全低压空分流程常温分子筛净化全低压空分流程常温分子筛净化增压膨胀空分流程常温分子筛净化填料型上塔全精馏制氩流程等一、空分设备流程简述第16页2019/8/26制冷与低温工程系高压换热器低压换热器气态氧液体泵分馏塔内压缩外压缩冷箱分馏塔压缩机冷箱气态氮液态氧液态氮一、空分设备流程简述第17页2019/8/26制冷与低温工程系一、空分设备流程简述外压缩流程空分设备原理图[5]第18页2019/8/26制冷与低温工程系空压机预冷系统纯化系统热交换器精馏系统氧氮产品制冷膨胀机制氩系统氩产品一、空分设备流程简述第19页2019/8/26制冷与低温工程系一、空分设备流程简述内压缩流程空分设备原理图第20页2019/8/26制冷与低温工程系空压机预冷系统纯化系统热交换器精馏系统氧氮产品制冷膨胀机制氩系统氩产品增压机一、空分设备流程简述第21页2019/8/26制冷与低温工程系两种主要流程•外压缩–生产低压氧气，由氧压机加压，3.0MPa以下。•内压缩–液氧经泵加压气化，压力可以达到更高。一、空分设备流程简述第22页2019/8/26制冷与低温工程系内压缩特点–内压缩流程取消了氧压机，因而无高温气氧，火险隐患小。–主冷大量抽取液氧，保证碳氢化合物的积聚可能性降到最低程度。–产品液氧在高压下蒸发，使烃类物质积累的可能性大大降低。一、空分设备流程简述第23页2019/8/26制冷与低温工程系1.压力、组分、温度的确定2.物料及能量平衡一、空分设备流程简述第24页2019/8/26制冷与低温工程系1.压力、组分、温度的确定1.1.空压机排压的确定1.1.1.确定空压机排压的方法和前提条件–确定空压机排压的重要方法是逆推法–根据用户当地气象台提供的大气压力是已知的–各种阻力都有相应的经验值1.1.2.原料空气经历的三种压力转换–压缩机压缩–主冷的压力映射–设备及管路、孔板和阀门的阻力一、空分设备流程简述第25页2019/8/26制冷与低温工程系1.压力、组分、温度的确定1.1.空压机排压的确定1.1.3.空压机排压的数学描述Pout＝ΔP1＋f(ΔP2)其中ΔP1为空压机出口至下塔顶部的阻力ΔP2为上塔底部至污氮气放空阀间的阻力f(ΔP2)=3ΔP2＋P（P为一个较固定的数值）一、空分设备流程简述第26页2019/8/26制冷与低温工程系1.压力、组分、温度的确定1.1.4.增压机排压的确定入口压力为低压空气二段排压（换热用），根据返流氧气的压力确定一段排压（进膨胀机），根据膨胀机的膨胀比确定所有上面的排压均需考虑增压机的机器情况后才能确定一、空分设备流程简述第27页2019/8/26制冷与低温工程系1.压力、组分、温度的确定1.2.增压膨胀机组压力的确定膨胀机的出口压力对应的是上塔中部（或下塔）的压力膨胀机增压端的进口压力是对应的空气压力膨胀机增压端到膨胀机进口的阻力根据经验是可知膨胀增压机组的各种效率，膨胀量、增压量已知一、空分设备流程简述第28页2019/8/26制冷与低温工程系1.压力、组分、温度的确定1.3.制氩系统压力的确定y制氩系统的原料气（氩馏分）来自上塔的中下部y确定粗氩塔（包括粗氩冷凝器和粗氩液化器）的工作压力y根据粗氩液化器与精氩塔中部的液位差,确定精氩塔的工作压力一、空分设备流程简述第29页2019/8/26制冷与低温工程系1.压力、组分、温度的确定1.4.各流体组分的确定y空气的组分是已知的y液氩的组分是空分装置设计时的一个目标值y根据的氧氮产品流量及制氩所需的粗氩量，由物料平衡得到污氮的组分一、空分设备流程简述第30页2019/8/26制冷与低温工程系2.物料及能量平衡2.1.空分装置的物料平衡进出装置的各种流体的总量保持平衡流体各自的组分保持平衡2.2.空分装置的能量平衡2.2.1.根据系统冷损量等于制冷量达到平衡各种冷损包括复热不足冷损、液体排放冷损、绝热冷损等系统的冷量，包括膨胀机制冷量、焦汤效应制冷量以及冷冻机制冷量等冷损量等于制冷量时，系统达到平衡状态一、空分设备流程简述第31页2019/8/26制冷与低温工程系首先关于流程的组织。内压缩流程比较复杂，有空气循环和氮气循环之分，也有单泵和双（多）泵之分。流程选择要考虑的因素比较多，不过对于化工型内压缩空分装置来说，最终决定流程的主要因素是氮产品的要求[6]。二、化工型空分设备流程应用总结第32页2019/8/26制冷与低温工程系大型内压缩空分装置国产化的时间并不长，国内空分行业也在不断的积累经验。一方面是研发出来的新技术如何运用到装置中去，另一方面是针对空分装置大型化和采用内压缩流程而产生的新问题如何有一个优化的解决方案。二、化工型空分设备流程应用总结第33页2019/8/26制冷与低温工程系三、空分设备流程技术简介第34页2019/8/26制冷与低温工程系三、空分设备流程技术简介活塞式压缩机应用技术-无油润滑压缩机技术以往汽缸注油式的压纳机所提供的压缩气体是含油介质，这给生产工艺带来一系列不良的后果：例如，空分行业使用的氧压爪缩机，为了安全防爆而绝对不允许汽缸用油润滑；合成氨厂中的氮、氢混合气进入合成塔时如果夹带有油，将会使触媒中毒，降低其使用寿命等[6]。-无油润滑压缩机特点（1）可以取消注油式压缩机的注油器、油管路、油水分离器等辅助设备由此可降低系统的阻力，提尚供气压力。如合成氨工艺流程中，合成塔的入口压力提高，将增加合成氨的产量。第35页2019/8/26制冷与低温工程系三、空分设备流程技术简介（2）由于被压缩的气体介质不含油，消除了热交换样管壁、器壁上油污沉积的恶劣影响，不但减少气体阻力损失，而且大大地提高传热的效果。（3）对原有的注油式压缩机进行政造，或选用同等参数的元油润滑压缩机，可以节约大量的润滑油。例如：一台高压循环机每年可省油3600Kg（4）质量可靠的自润滑材质应用于无油润滑压缩机产品之后。还可以节省有色金属材料、减少女安装检修的工作量(如繁重的研刮工作量)。（4）提高了汽缸或汽缸套、活塞杆的使用寿命。一般运转一定时间后，无油润滑压缩机的缸套镜面和活塞杆表面不但磨损甚微而且光洁度反而提高。由此可见，无油润滑压缩机技术在工业生产上的应用，具有十分重型的经济原义。所以大力推广应用无油润滑压缩机，进一步研究开发油汕润滑压缩机的新技术，体现了当的国内外压缩机发展的潮流和方向。第36页2019/8/26制冷与低温工程系三、空分设备流程技术简介透平膨胀机应用技术膨胀机分为活塞式和平式两大类。一般来说，活塞膨胀机多用于中高压、小流量领域．而低中压、流量相对较大的领域则多用透平膨胀机。随着透平技术的进一步发展、中高压、小流量和大膨胀比的透平膨胀机在各领域也有越来越多的应用。与活塞膨胀机