空分知识讲座(黄书华)

1空分知识讲座6/30/20202•主要内容•空分装置概述•空气分离理论基础•空分工艺流程与设备•空分技术发展历程及应用6/30/20203空分装置概况•中天合创空分装置引进法国液化空气公司技术，关键设备采用进口设备，装置规模为6套82000Nm3/hO2。装置生产出的高压氧气输送至气化装置，高压氮气和低压氮气通过管网输送至全厂各用户。•装置配置了后备液体贮存蒸发系统，可保证紧急工况下短时间向外提供氧气和氮气产品。6/30/20204空分装置概况6/30/20205空分装置概况专利技术公司GEEnergy技术名称GE水煤浆加压气化技术气化装置生产能力1,070,000Nm3/h(H2+CO)工艺指标：比氧耗409Nm3O2/1000Nm3H2+CO（1070000÷1000）×409=437630Nm3/h(气化用氧量）乘以系数1.12即空分装置设计O2：492000Nm3/h6/30/20206空分装置概况产品产量Nm3/h（正常工况）纯度压力MPaG备注高压氧气82,00099.6O28.7内压缩高压氮气3000≤5ppmO26.6低压氮气34,000≤5ppmO21.0液氧99.6O2能进贮槽液体工况时产量2000Nm3/h液氮1000≤5ppmO2能进贮槽液体工况时产量3000Nm3/h空分装置产品参数6/30/20207空分装置概况产品产量Nm3/h（设计工况）纯度压力MPaG备注高压氧气82,00099.6O28.7高压氮气15000≤5ppmO26.6低压氮气30,000≤5ppmO21.0空分装置后备系统产品参数6/30/20208空分装置概况•空分装置主要由空气过滤压缩系统、预冷系统、纯化系统、制冷系统、精馏系统、产品输送系统及仪表控制系统等组成。•空分仪表控制系统由DCS控制系统及CCS控制系统组成。DCS系统实现装置的正常操作（包括开停车），CCS系统实现压缩机的防喘振控制、汽轮机调速控制及压缩机组的联锁控制。6/30/20209空分装置概况6/30/202010空分装置概况中天合创空分装置6×82000Nm3/h6/30/202011空分装置概况6/30/202012空分装置概况空分装置热电装置气化装置净化装置6/30/202013空气分离理论基础•应用深度冷冻原理从空气中分离出氧气、氮气和氩气及氦气等稀有气体组分的过程称为空气分离。采用深度冷冻法，通过液化、精馏将空气分离成纯组分，一般包括空气压缩、换热、净化、制冷、精馏五个基本单元。•目前，国内外大型空分装置大部分采用全低压分子筛净化流程。6/30/202014空气分离理论基础•空气的分离：•分离空气制取氧气、氮气的基本方法是在给定压力下使氧氮混合液在不同温度下达到平衡状态，以提高气相的氮浓度、液相中的氧浓度，当给定压力越低时，气相中氮浓度越高，液相中氧浓度越高。6/30/202015空气分离理论基础•空气精馏•空气的精馏是利用组成空气的各种组分具有不同的挥发性，即在同一温度下各种组分的蒸汽压不同，将液空进行多次部分蒸发和部分冷凝，就能达到分离的目的。6/30/202016空气分离理论基础•深冷循环•1、节流循环•2、对外做功的绝热膨胀循环•3、增压-透平膨胀机循环6/30/202017空气分离理论基础•制氧流程介绍•空气分离是利用液化空气中氧、氮等各组分沸点的不同，采用精馏的方法，将各组分分离开来。为达到目的，空分装置的工作包括下列几个过程：6/30/202018空气分离理论基础•（1）空气的压缩•将经原料空气过滤器清除了灰尘和其他机械杂质的原料空气，在空气压缩机中被压缩到工艺流程所需的压力，其中一部分空气在纯化后再经与膨胀机同轴异端的匹配增压到更高压力。空气由于压缩而产生的热量由级间冷却器中的冷却水带走。6/30/202019空气分离理论基础•（2）空气中水分和二氧化碳的清除•加工空气中的水分和二氧化碳由于凝固点较高，在进入空分装置低温设备后将会形成冰和干冰，堵塞低温设备的通道，而影响空分装置的正常工作。为此需要利用分子筛纯化器预先把空气中的水分和二氧化碳清除掉。进入分子筛纯化器的空气温度约为8℃，出纯化器的空气温度由于分子筛吸附而产生的吸附热约上升到14℃左右。6/30/202020空气分离理论基础•固体吸附剂吸附原理•吸附：当流体与多孔固体接触时,流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄,此现象称为吸附。吸附过程是非均相过程，一相为流体混合物，另一相为固体吸附剂。6/30/202021空气分离理论基础•吸附是由于吸附力的存在而产生的,吸附力是分子间的作用力,它与气体分子、吸附剂分子的本身性质有关。分子筛有晶格筛分的特性,气体分子的平均直径必须小于其微孔的直径,才能抵达吸附表面。利用这种筛分的特性,可有效分离气体混合物。当吸附剂吸附饱和后,就要在低压高温条件下进行再生。再生越完全,再工作时吸附效果就越好。6/30/202022空气分离理论基础•经空冷塔冷却后的空气一般在15℃温度下进入分子筛吸附器内被吸附净化。水分、乙炔和二氧化碳都是极性或不饱和分子。分子筛对它们有很强的亲和力。分子筛共吸附性能使它可以在吸水的同时还可以吸附其他物质,这种亲和力的顺序是:水分乙炔二氧化碳。6/30/202023空气分离理论基础•(3)空气被冷却到液化温度•空气的冷却是在主换热器中进行的，在主换热器中，空气被来自精馏后的返流产品气体和污氮气冷却到接近液化温度，产品气体及污氮气则被复热到接近常温。6/30/202024空气分离理论基础•（4）冷量的制取•为了确保和维持装置正常生产运行所需的热量平衡，克服由于绝热跑冷、换热器复热不足及直接从冷箱中向外排放低温液体等引起的冷量损失，需要不断地向装置补充冷量，装置所需的补充冷量是由等温节流效应和压缩空气在膨胀机中绝热膨胀对外做功而制取的。6/30/202025空气分离理论基础节流阀6/30/202026空气分离理论基础•膨胀机在空分装置中的作用就是在空分启动阶段制取液化空气和建立正常工况所需要的冷量，正常生产中补偿装置在运行中的各种冷损，保证生产正常连续进行。•对一般空分装置而言，加工每1kg空气需冷量2kcal.6/30/202027空气分离理论基础•（5）空气的液化•空气的液化是进行氧、氮分离的首要条件，空气在主热交换器中被返流气冷却到接近液化温度，并在下塔实现空气的液化。•氧气和液氮的热交换是在冷凝蒸发器中进行的。由于氮气和液氮两种流体所处的压力不同，所以在氮气和液氧的热交换过程中，氮气被液化而液氧被蒸发。6/30/202028空气分离理论基础•（6）精馏•空气的精馏是在精馏塔(上、下塔）中进行的。在下塔中空气被初次分离成富氧液空和氮气，在上塔实现空气的最终分离。•产品氧由上塔底部抽出，产品氮由冷凝蒸发器中液氮回流管线抽出或下塔顶部抽出，并通过主换热器与进塔的加工空气进行热交换，复热到常温后送出冷箱。6/30/202029空气分离理论基础•(7)危险杂质的清除•采用分子筛纯化流程，大部分碳氢化合物等危险杂质已在纯化器内清除掉，残留部分仍要进入塔内，并积储在冷凝蒸发器中。期间由于液氧的不断蒸发，将会有使碳氢化合物浓缩的危险，但只要从冷凝蒸发器中连续排放液氧就可以防止碳氢化合物的浓缩。6/30/202030空气分离理论基础•空气及其组成气体的性质•空气是一种多组分混合气体，其主要组成是氧、氮、氩、二氧化碳，还有微量的稀有气体、甲烷及其他碳氢化合物等。此外，空气中还有少量而不定的水蒸气及灰尘等。O2N2ArKrNeHe6/30/202031空气分离理论基础•空气的组成组分氧氮氩二氧化碳其它分子式O2N2ArCO2HeNeKrXeNOXH20体积含量20.9578.090.9320.02重量含量23.1475.531.2860.046气体密度1.4291.2501.734１.９７７沸点－182.97－195.79－185.86－78.446/30/202032空气分离理论基础•空分产品的性质、规格及用途•1、氧气的物理性质•常温常压下使无色无味的气体。氧气有较强的助燃性。液氧和固态氧的淡蓝色是由于含有少量的氧聚合物O4而引起的。6/30/202033空气分离理论基础•2、氧气的化学性质及用途•氧气的化学性质非常活泼，是一种强氧化剂，它跟许多物质发生化学反应，同时放出热量；因此液氧必须严格避免同各种油脂、润滑油等物品接触。•氧气广泛应用与炼钢生产中，也是煤气化、重油气化常用的气化剂和氧化剂。6/30/202034空气分离理论基础•3、氮气的物理性质•氮气在常温下使一种无色无味的气体。氮气为惰性气体，对人有窒息性。6/30/202035空气分离理论基础•4、氮气的化学性质及用途•氮气的化学性质不活泼，在通常情况很难跟其他元素直接化合，故可用作保护气体。•氮气广泛应用于合成氨的原料气，还用于化工生产的保护气；•液氮在火箭技术中应用于压送氧化剂等。6/30/202036空气分离理论基础•热力学基本定律•1、热力学第一定律•功和热量能相互转化。•理想绝热条件下，空分装置透平膨胀机对外做功等于进、出口的焓差。•L0=i1-i2L0:对外做功i1/i2:出口焓值/进口焓值6/30/202037空气分离理论基础•热力学第二定律•热不可能自发的、不付代价的从一个物体传给另一个高温物体。•熵可以用来度量不可逆过程前后两个状态的不等价性。•对空分节流过程来说，是绝热的不可逆过程，熵是增大的，其差值说明不可逆的程度。6/30/202038空气分离理论基础•空气的液化•工业上常用两种方法获得低温，即空气的节流及膨胀机的绝热膨胀制冷。•1、气体的节流6/30/202039空气分离理论基础•2、压缩气体对外做功的等熵绝热膨胀•（1）膨胀机降温L0=i1-i2=h理（kJ/kmol)•H理------理论焓降•实际上，膨胀机所进行的过程不可能是理想的绝热过程，出于膨胀机中存在各种摩擦损失，膨胀机实际对外作出的机械功比理想条件下要小。6/30/202040空气分离理论基础•L0实=i1-i2=h实（kJ/kmol)•h实------实际焓降•我们把实际焓降和理论焓降的比值称为膨胀机的绝热效率，表示实际过程接近理想绝热过程的程度，一般膨胀机的效率为80%。•膨胀机的绝热效率η=h实/h理6/30/202041空气分离理论基础膨胀后H-S膨胀机制冷膨胀前6/30/202042空气分离理论基础•膨胀机与节流温降效果的比较•从实际结果看，膨胀机的温降由两部分组成，即：•△T膨=节流温降+膨胀机对外做功产生的温降6/30/202043空气分离理论基础节流阀膨胀机结构简单，便于调节结构复杂可以在气液两相区工作不能大量带液制冷量小制冷量大，但实际过程偏高，等熵过程，制冷量需打折扣初温越低，节流与膨胀差别越大，越有优势机前温度高，效率降低6/30/202044空气分离理论基础•空气液化的实质•空气液化的实质就是用有效的方法转移气体分子的能量，即减少它的动能和位能，直至达到液化。6/30/202045空气分离理论基础•1）等温压缩时的能量转移•等温压缩时的能量守恒：q=W+(i1-i2)•q:冷却水带走的热量W:压缩机的耗功•（i1-i2)：压缩过程中空气内部能量减少6/30/202046•2）空气在流过膨胀机时的能量转移•若膨胀机在绝热条件下工作，•W膨=G膨（i1-i2)•（i1-i2)：单位空气等熵绝热膨胀的能量变化•3）在换热器中的能量转移6/30/202047空分工艺流程与设备•中天合创空分装置流程特点：1）采用汽轮机一拖二（空压机和增压机）技术2）空气循环\双泵内压缩工艺3）分子筛加活性氧化铝立式径向流双层床净化技术6/30/202048空分工艺流程与设备4）采用填料精馏塔5）配置液体膨胀机，提高制冷效率中天合创空分工艺流程具有安全性好，可靠性高，操作维护方便，配置合理，投资成本低，占地面积小等优点。6/30/202049空分工艺流程与设备分子筛吸附器水氮塔空冷塔空压机空气空气过滤器汽轮机增压机压缩空气冷箱主换热器过冷器压力塔低压塔