空分工艺、设备基础知识(图文示例)

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自洁式空气过滤器的功能：
空气中杂质与灰尘被带进透平压缩机，会引起工作伦
和叶片及导流器的磨损加剧，被带到冷却器中会造成 表面污染，导致传染系数下降，阻力增加。
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自洁式过滤器特点 1、 2、 3、 4、 过滤器阻力小（0.3~0.8kpa） 适应性广，反吹耗气少（仅为 0.1~0.5m3/min） 占地面积小，结构简单、防腐性能好、日常维护量小 过滤效率高， 平均过滤效率对 1um 粒子而言可达 99.5%以上。
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
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节流阀 结构简单，便于调节 可以在气液两相区工作 制冷量小 初温越低，节流与膨胀差别越大， 越有优势 结构复杂 不能大量带液
膨胀机
制冷量大，但实际过程偏高，等熵 过程，制冷量需打折扣 机前温度高，效率降低
进、出口的焓差。 L0=i1-i2 L0: 对外做功 i1/i2:出口焓值/进口焓值
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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。
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。
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（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
入空分装臵低温设备后将会形成冰和干冰，堵塞低温 设备的通道，而影响空分装臵的正常工作。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。
体，对人有窒息性。
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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。
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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，空分装臵透平膨胀机对外做功等于
氩
Ar 0.932 1.286 1.734 －185.86
二氧化碳
CO2 0.02
其它
He Ne
Kr
0.046 Xe １.９７７ －78.44 NOX H20
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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。
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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
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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。
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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。
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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。
量：216800Nm3/h 进气压力 ：0.41MPa(A) 排气压力 ：4.75MPa(A) 进口/出口温度 ：21.5℃/35℃ 轴 功 率：18667kw
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汽轮机（型号：HNK50/80)参数
进汽压力：11MPa(G)
进汽温度：535℃ 轴 功 率：49608kw
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(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。
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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、
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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
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H-S
膨胀前
膨胀后
膨胀机制冷
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膨胀机与节流温降效果的比较
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节流阀
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膨胀机在空分装臵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 补偿装臵在运行中的各种冷损，保证生产正常连续进 行。 对一般空分装臵而言，加工每1kg空气需冷量2kcal.
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（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
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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。
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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
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。
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（4）冷量的制取
为了确保和维持装臵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 装臵补充冷量，装臵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。
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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。
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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。
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备注 内压缩
空分装置后备系统产品参数
产 品 产量Nm3/h （设计工况） 82,000 纯 度 99.6 O2 压力 MPaG 8.7 备注
高压氧气
高压氮气
低压氮气
15000
30,000
≤5ppm O2
≤5ppm O2
6.6
1.0
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空分装臵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系统实现装臵的正常操作（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。
(气化用氧量）
乘以系数1.12 即空分装置设计O2：492000Nm43/h
空分装置产品参数
产 品 高压氧气 高压氮气 低压氮气 液氧 液氮 1000 产量Nm3/h （正常工况） 82,000 3000 34,000 纯 度 99.6 O2 ≤5ppm O2 ≤5ppm O2 99.6 O2 ≤5ppm O2 压力 MPaG 8.7 6.6 1.0 能进 贮槽 能进 贮槽 液体工况时产量 2000 Nm3/h 液体工况时产量 3000 Nm3/h
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冷箱
分子筛 吸附器
压缩空气
主换热器 过冷器 压力塔 低压塔
水氮塔
膨胀机
污氮
空冷塔
膨胀机增压端 液氧泵
循环水 空压机 液氮泵
空气
空气过滤器
汽轮机
增压机
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一、空气压缩系统
功能：为空分装臵提供带压原料空气。
组成：包括自洁式空气过滤器、原料空气压缩机、汽
轮机、空气增压机、空冷器等。
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空分知识
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主要内容
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
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专利技术公司 技 术 名 称
GE Energy 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 409 3 3 Nm O2/1000Nm H2+CO （1070000÷1000）×409=437630Nm3/h
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。
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（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。
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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
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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Байду номын сангаас法，将各组分分离开来。为达到目 的，空分装臵的工作包括下列几个过程：
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（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
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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。
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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
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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
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空分装臵流程特点：
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
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4）采用填料精馏塔 5）配臵液体膨胀机，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，配臵合理，投资成本低，占地面积小等 优点 。
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空分装置
热电装置 气化装置
净化装置
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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，国内外大型空分装臵大部分采用全低压分子筛 净化流程。
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空气压缩机（型号：GV200-3)参数：
吸气温度：22.5℃
入口流量：400677Nm3/h 吸气压力：0.0861MPa(A) 型
式：离心式，三元流叶片 出口止回阀后压力：0.43MPa(G)
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空气增压机(型号：GV(20-4-H)参数
流

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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。
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(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，
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。
O2 Ne
Kr
N2
He
Ar
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空气的组成
组分
分子式 体积含量 重量含量 气体密度 沸点
氧
O2 20.95 23.14 1.429 －182.97
氮
N2 78.09 75.53 1.250 －195.79