空分工艺及设备介绍

空分工艺及设备介绍我国空分流程的技术发展空分设备是由诸多配套部机组成的成套设备，我国空分于1953年哈尔滨制氧机制造厂起步，经过50多年的发展，从第一代小型空分流程发展到目前的第六代大型全精馏无氢制氩工艺流程。每一次空分设备流程的变革和推进，都是新技术、新工艺的创新。透平膨胀机的产生，实现了大型空分设备全低压流程；高效板翅式换热器的出现，使切换板翅式流程取代了石头蓄冷器、可逆式换热器流程，使装置冷量回收效率更高；增压透平膨胀机的出现极大的提高了膨胀机的制冷效率并把输出的外功有利的得到回收；常温分子筛净化流程替代了切换式换热器，使空分装置净化系统的安全性、稳定性得到极大提高并使能耗大大降低，随着规整填料和低温液体泵在空分装置中的应用，进一步降低了空分设备的能耗，实现了全精馏无氢制氩，使空分设备在高效、节能、安全等方面取得了进步。随着计算机的广泛应用，空分装置的自动控制、变负荷跟踪调节等变得更为先进。1第一代：高低压循环，氮气透平膨胀，吸收法除杂质；第二代：石头蓄冷器，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：规整填料，增压透平膨胀机的低压循环，全精馏无氢制氩；第六代：内压缩流程，规整填料，全精馏无氢制氩。我国空分流程的技术发展2采用常温分子筛净化，清除空气中的有害物质更有效，切换损失小，装置设计连续运行周期大于二年。采用规整填料上塔替代筛板上塔，使上塔阻力大大降低（只有筛板阻力的1/4），使空压机的排气压力降低，装置运行能耗下降5%～7%。空分设备氧的提取率提高，空分设备氧的氧提取率可达99%，氧气纯度在99.8％、氮气纯度在99.99％以上。采用纯氮、污氮水冷塔，降低空气入分子筛的温度，延长分子筛使用寿命，减少运行费用。分子筛纯化系统采用双层床结构，大大延长了分子筛的使用寿命和降低了床层阻力，使空分装置的运行更安全可靠。采用高效增压透平膨胀机技术，能很好的回收部分能量，膨胀机制冷效率在85%以上。采用DCS与ITCC控制技术，实现了中控、机房和就地一体化的控制，可有效地监控整套空分设备的生产过程。包钢庆华空分流程的特点34一、概述5（一）空分的含义•空分，顾名思义即空气的分离，是利用不同的方法将空气中的各组分分离开来，从而获得所需要的氧气、氮气及一些稀有气体的过程。6（二）空气分离的方法•空气中的主要成分是氧气、氮气、氩气、二氧化碳以及一些其它气体和杂质。它们在空气中分别以分子的状态存在,数目非常多，并且永不停息地作无规则的运动，均匀地相互搀混在一起，要将它们分开，目前主要有三种方法：低温法、吸附法、膜分离法。71.低温法：•原理：是根据空气中各组分的沸点不同，经加压、预冷、纯化、并利用大部分由透平膨胀机提供的冷量使之液化，再进行精馏，从而获得所需要的氧气、氮气及其它稀有气体的过程。具体原理为空气经过增压膨胀对外作功处于冷凝温度,当穿过比它温度低的氧、氮组成的液体层时,由于气、液之间温度差的存在,要进行热交换,温度低的液体吸收热量开始蒸发,其中氮组分首先蒸发,温度较高的气体冷凝,放出冷凝热,气体冷凝时,首先冷凝氧组分.此过程一直进行到气、液处于平衡状态。这时,液相由于蒸发,使氮组分减少,同时由于气相冷凝的氧也进入液相,因此液相的氧浓度增加了,同样气相由于冷凝,使氧组分减少,同时由于液相的氮进入气相,因此气相的氮浓度增加了多次的重复上述过程,气相的氮浓度就不断增加,液相的氧浓度也能不断的增加.这样经过多次的蒸发与冷凝就能完成整个精馏过程,从而将空气中的氧和氮分离开来。82.吸附法：•原理：利用分子筛对不同的分子具有选择性吸附的特点，有的分子筛（如5A、13X等）对氮具有较强的吸附性能，让氧分子通过，可得到较高纯度的氧气；有的分子筛（碳分子筛等）对氧具有较强的吸附性能，让氮分子通过，可得到较高纯度的氮气，从而实现空气的分离。但吸附法目前的氧气纯度只有93%左右。3.膜分离法：•原理：它是利用一些有机聚合膜的渗透选择性，当空气通过薄膜或中空纤维膜时，氧气穿透过薄膜的速度约为氮的4～5倍，从而实现氧、氮的分离。膜分离的富氧浓度只能达到28～35%O2。目前应用较多的是低温法（又叫深度冷冻法）。它的优点：生产量大，产品纯度高，电耗低且可得到液态产品，故应用广泛。9（三）空气组分O2：20.93%;N2：78.03%;Ar2：0.932%;CO2：0.03%;水蒸气：0.5-4%;H2：0.00005%;O3：(1-2)×10-6%;氖（We）：(1.5-1.8)×10-3%;氦（He）：（4.6-5.3）×10-4%;氪（Kr）：1.08×10-4%;氙（Xe）：8×10-6%;机械杂质：0.01g/㎡10二、空分装置介绍11（一）我公司空分装置简介•空分装置KDON-13000/15000.由杭州杭氧股份公司制造，单套空分装置制氧能力1.3万Nm3/h，制氮能力1.5万Nm3/h，同时副产仪表空气、液氮和液氧。•本装置生产的纯度为99.6%的氧气主要供甲醇转化装置使用。12•纯度为99.99%的氮气作为甲醇开工吹扫用气和干熄焦用气。•空分的流程采用的是规整填料塔、分子筛纯化、增压透平平膨胀机、膨胀空气进上塔的外压缩流程。13（二）工艺流程简介•原料空气自吸入口吸入，经自洁式空气过滤器除去灰尘及其它机械杂质。过滤后的空气进入离心式空压机，经离心空气压缩机压缩后进入空气冷却塔冷却。冷却水为经水冷塔冷却后的水。空气自下而上穿过空气冷却塔，在冷却的同时，又得到清洗。•经空冷塔冷却后的空气进入切换使用的分子筛纯化器，空气中的二氧化碳、碳氢化合物和水分被吸附。分子筛纯化器为两只切换使用，其中一只工作时，另一只再生。纯化器的切换周期约为4小时，定时自动切换。14•净化后的空气分为两股：一股进入板式换热器，与返流的气体换热后出换热器底部后进入下塔；另一股入增压透平膨胀机。•进入增压透平膨胀机的空气经增压后进入板式换热器，再从板式换热器中部抽出进入膨胀机去膨胀。膨胀后的空气送入上塔。•另一股空气在空压机加压并经后进入板式换热器与反流氧气、氮气和污氮气体换热。这部分空气从换热器底部抽出经节流进入下塔。•空气在下塔初步精馏后，获得液空和液氮，并经过冷器过冷后节流进入上塔。经上塔进一步精馏后，在上塔底部获得液氧，上部获得纯氮气和污氮气。15•从主冷凝蒸发器抽取液氧送入液氧贮存系统。•从下塔顶部获得纯液氮，送入液氮贮存系统。•在下塔顶部抽取压力氮气，经低压板式换热器复热后出冷箱，进入氮气用户。•从上塔顶部抽取低压纯氮气经过冷器回收冷量，经板式换热器复热后送入水冷塔或送入用户管网。•从上塔上部引出污氮气经过冷器回收冷量，经板式换热器和复热出冷箱后分成两部分：一部分进入分子筛系统的蒸汽加热器，作为分子筛再生气体，其余污氮气去水冷塔。16•整个空分装置必须解决以下几个问题：1.如何清除空气中的杂质；2.如何为装置提供带压的空气；3.如何将空气冷却到液化温度；4.如何将空气分离成氧、氮；5.如何将产品送到用户；6.如何储存液态氧、氮。为此，空分装置中相对应的建立了以下几个系统。（二）组成空分装置的几个系统•空分装置中相对应的建立了以下几个系统：1.杂质的清除系统（空气过滤器和纯化系统）；2.空气加压系统（空压机系统）；3.空气的冷却和液化系统（预冷系统和膨胀机、换热器系统）；4.空气的精馏系统（分馏塔系统）；5.产品的输送、贮存系统（压氮系统和液体贮存系统）；6.仪电控制系统。17181.空气过滤系统在工业区的空气含尘量一般为1-5mg/m3。灰尘粒度为0.5-20μm，以10000m3/h制氧机的加工空气量算，每天随加工空气带到空分装置的灰尘就有10kg之多。空压机如果直接吸入这样脏的空气，很快就会损坏，因此，在进入空压机之前均设置空气过滤器，清除空气中的固体杂质。固体杂质颗粒直径大于100μm的在重力作用下会自动降落，小0.1μm的极小粒子不致引起危害,所以需要净除的对象为100-0.1μm的尘粒,空气过滤器主要捕集的是10０-0.1μm的尘粒.净除后空气中含固体杂质的量小于0.5mg/m3。19自洁式过滤器20•空气压缩机•作用：提供带压原料空气•结构：杭氧透平公司的产品，由汽轮机拖动。•排气量：70000Nm3/h,0.595MPa(A)2.离心空气压缩机21原料空气压缩机结构22增压空气压缩机空气压缩机润滑油流程图24•空气冷却塔•作用：把空压机出来的高温气体（116℃）冷却到17℃•结构：填料塔•使用方式：空气从空冷塔下部进入，在填料表面与自上而下流过的冷却水和常温水进行热质交换，使空气冷却并洗除空气中的一些有害杂质，冷却水来自水冷塔。3.预冷系统252627•分子筛纯化系统•作用：吸附空气中水分、乙炔、CO2及一些碳氢化合物。•结构：卧式圆筒体，内设支承栅架。•使用方式：由于分子筛的吸附特性将空气中的水份、乙炔、CO2等吸附，后被高温气体反向再生。分子筛吸附器成对交替使用，一只工作时，另一只被再生。4.纯化系统28分子筛纯化系统•空气是多组分组成，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固体杂质。•这些杂质随空气进入空气分离装置中会带来较大危害，固体杂质会堵塞板换热器，降低换热效果；水蒸气和二氧化碳在空气冷却过程中会冻结析聚出，将堵塞设备及气体通道，致使空分装置无法生产。•重点是乙炔及碳氢化和物，进入空分装置后，在主冷凝蒸发器当中聚集会导致爆炸事故的发生，所以为了保证空分装置的安全运行，必须清除和控制这些物质。29分子筛的吸附效率CH4C2H6C3H8N2OC2H4CO2C2H2C3H6nC4H10iC4H10C6H6C3H6OO3NOH2O甲烷CH4乙烷C2H6丙烷C3H8一氧化二氮N2O乙烯C2H4二氧化碳CO2乙炔C2H2丙烯C3H6正丁烷nC4H10异丁烷iC4H10苯C6H6丙酮C3H6O臭氧O3一氧化氮NO水H2O设计吸附率CO2含量0.1ppm时的吸附率0%0%65%65%85%100%100%100%100%100%100%100%100%100%100%0%0%50%50%70%100%100%100%100%100%100%100%100%100%100%303132•膨胀机•作用：膨胀机是空分设备的心脏部机之一，由空气气体在膨胀机中等熵膨胀而制取冷量，补充系统冷量损失。5.膨胀机系统33透平膨胀机制冷的基本原理•膨胀机是为空分装置提供冷量的设备，根据能量转换和守恒定律，气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外作功时，气体的能量一定要减少，从而使气体本身强烈地冷却，而达到制冷的目的。34影响膨胀机制冷量大小的因素•膨胀量：膨胀量越大，氧提取率越底，膨胀量需同时满足冷量平衡及精馏工况的需求。•机前温度：提高机前温度，单位制冷量提高。•机前压力：提高机前压力，增大膨胀比，单位制冷量提高；•绝热效率3536•主热交换器•作用：进行多股流之间的热交换•结构：为多层板翅式，各通道中的冷热气流通过翅片和隔板进行良好的热交换•使用方式：对压缩空气进行冷却，直到达到接近液化温度，各返流流体在此被加热到常温。6.换热系统3738板式换热器39板翅式铝质换热器404142•空气的精馏过程：利用氧、氮的沸点不同，混合液体吸收蒸汽的热量而部分蒸发，沸点低的氮较多的蒸发，而蒸汽在放出热量后部分冷凝，沸点高的氧较多的冷凝。这样蒸气中的氮浓度越来超高，液体中的氧浓度也越来越高。这样通过多次的部分蒸发与部分冷凝来完成整个精馏过程，从而将空气中的氧和氮分离开来。常温下的空气是无色无味的气体，液态空气则是一种易流动的浅黄色液体。一般当空气被液化时二氧化碳已经清除掉，因而液态空气的组成是20.95%氧，78.12%氮和0.93％氩，其它组分含量甚微，可以略而不计。7.分馏塔系统•液态空气的蒸发与空气的冷凝简单蒸发与冷凝：若将液空置于一密闭的容器内，使它在定压下加热蒸发，且不引出蒸气，使器内的气、液经常处于平衡状态，这种蒸发过程称为简单蒸发。进一步加热时，液空继续蒸发，直至最后全