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空分培训教材


第一章 空气的性质与分离的基本原理 第一节 空气分离设备术语 在学习空分设备基本知识之前,我们先来了解空分设备上使用的一些术语。 一、空气分离设备术语基本术语 1、空气 存在于地球表面的气体混合物。接近于地面的空气在标准状态下的密度为 1.29kg/m3。主要 成分是氧、氮和氩; 以体积含量计, 氧约占 20.95%, 氮约占 78.09%, 氩约占 0.932%, 此外还含有微

量的氢及氖、 氦、氪、氙等稀有气 体。根据地区条件不同,还含有不定量的二氧化碳、水蒸气及乙炔等碳氢化合物。 2、加工空气 指用来分离气体和制取液体的原料气。 3、氧气 分子式 O2,分子量 31.9988(按 1979 年国际原子量) ,无色、无臭的气体。在标准状态下的 密度为 1.429kg/m3, 熔点为 54.75K,在 101.325kPa 压力下的沸点为 90.17K。化学性质极活泼,是强氧化剂。不能 燃烧,能助燃。 4、工业用工艺氧 用空气分离设备制取的工业用工艺氧,其含氧量(体积比)一般小于 98%。 5、工业用气态氧 用空气分离设备制取的工业用气态氧,其氧含量(体积比)大于或等于 99.2%。 6、高纯氧 用空气分离设备制取的氧气,其氧含量(体积比)大于或等于 99.995%。 7、氮气 分子式 N2,分子量 28.0134(按 1979 年国际原子量) ,无色、无臭、的惰性气体。在标准状 态下的密度为 1.251kg/m3,熔点为 63.29K,在 101.325kPa 压力下的沸点为 77.35K。 化学性质不活泼, 不能燃 烧,是一种窒息性气 体。 8、工业用气态氮 用空气分离设备制取的工业用气态氮,其氮含量(体积比)大于或等于 98.5%。 9、纯氮 用空气分离设备制取的氮气,其氮 含蓄量(体积比)大于或等于 99.995%。 10、高纯氮 用空气分离设备制取的氮气,其氮 含蓄量(体积比)大于或等于 99.9995%。 11、液氧(液态氧) 液体状态的氧,为天蓝色、透明、易流动的液体。在 101.325kPa 压力下的沸点为 90.17K, 密度为 1140kg/m3。可

采用低温法用空气分离设备制取液态或用气态氧加以液化。 12、液氮(液态氮) 液体状态的氮,为透明、易流动的液体。在 101.325kPa 压力下的沸点为 77.35K,密度为 810kg/m3。可采用低温法 用空气分离设备制取液态氮或用气态氮加以液化。 13、液空(液态空气) 液体状态的空气,为浅蓝色、易流动的液体。在 101.325kPa 压力下的沸点为 78.8K,密度为 873kg/m3。液空是空 气分离过程中的中间产物。 14、富氧液空 指氧含量(体积比)超过的 20.95%的液态空气。 15、 馏分液氮(污液氮) 在下塔合适位置抽出的、氮含量(体积比)一般为 95%~96%的液体。 16、污氮 由上塔上部抽出的、氮含量(体积比)一般为 95%~96%的液态体。 17、标准状态 指温度为 0°C、压力为 101.325kPa 时的气体状态。 18、空气分离 从空气中分离其组分以制取氧、氮和提取氩、氖、氦、氪、氙等气体的过程。 19、节流 流体通过锐孔膨胀而不作功来降低压力。 20、节流效应(焦耳—汤姆逊效应) 气体膨胀不作功产生的温度变化。 21、膨胀:流体压力降低,同时体积增加。 22、等熵膨胀效应:气体在等熵膨胀时,由于压力变化产生的温度变化。 23、空气膨胀:空气在膨胀机内绝热膨胀,同时对外作功的过程。 24、氮气膨胀:氮气在膨胀机内绝热膨胀,同时对外作功的过程。 25、一次节流的液化知循环(林德循环) 以高压节流膨胀为基础的气体液化循环,其特点是循环气体既被液化又起冷冻作用。 26、带膨胀机的高压液化循环(海兰德循环) 对外作功的绝执膨胀 与节流膨胀配合使用的气体液化循环,其特点是膨胀机进口的气体状 态为高压常温。 27、带膨胀机的中压液化循环(克劳特循环) 对外作功的绝执膨胀与节流膨胀配合使用的气体液化循环, 其特点是膨胀机进口的气体状态 为中压低温。 28、 带膨胀机的低压液化循环(卡皮查循环) 对外作功的绝热膨胀与节流膨胀配合使用的气体液化循环, 其特点是膨胀机进口的气体状态 为低压低温。 29、斯特林循环:由两个等温过程和两个等容过程组成的理论热力循环。 整个循环通过等温压缩、等容冷却、等温膨胀、等容加热等四个过程来完成。 30、升华:从固相直接转变为汽相的相变过程。

31、温差:指冷热流体两表面或两环境之间有热量传递时的温度差别。 32、热端温差:指冷热流体间在换热器热端的温度差。 33、中部温差:指冷热流体间在换热器中部的温度差。 34、冷端温差:指冷热流体间在换热器冷端的温度差。 35、 液氧循环量 由冷凝蒸发器底部抽出部分液氧流经吸附器, 在清除这部分液氧中的碳氢化合物后再回入冷 凝蒸发器的液氧量。 36、入上塔膨胀空气(拉赫曼空气) 由下塔底部抽出部分空气、 经切换式换热器冷段复热, 进入透平膨胀机构热膨胀后直接送入 上塔参加精馏的空气 。 37 液汽比(回流比) :在精馏塔中下流液体量与上升蒸汽量之比。 38 液泛:在精馏塔中上升蒸汽速度过高,阻止了液体正常往下溢流的工况。 39、漏液:在筛孔板精馏塔中因上升蒸汽速度过低,使液体从筛孔泄漏的工况。 40、变压吸附 利用压力效应的吸附工艺在吸附—再生操作周期中, 较高压力下吸附, 较低压力下 (或负压) 下再生的过程。 41、跑冷损失 在低于环境温度下工作的设备与周围介质存在的温差所产生的冷量损失。 42、复热不足损失 在换热器热端冷热流体间存在的温差而导致冷量回收不完全的损失。 43、冷量损失 指空气分离设备的冷箱由于跑冷损失和复热不足损失的冷量损失。 44、提取率:产品气体组分的总含量与加工空气中该组分的总含量之比。 45、单位能耗:指空气分离设备生产单位产品气体所消耗的电能。 46、低压流程:正常操作压力大于至小于或等于 1.0MPa 的工艺流程。 47、中压流程:正常操作压力大于 1.0MPa 至小于或等于 5.0MPa 的工艺流程。 48、高压流程:正常操作压力大于的 5.0MPa 工艺流程 49、高低压流程:高压流程与低压流程相结合的流程。 50、带分子筛吸附器低压流程 采用分子筛吸附器来清除空气中水分和二氧化碳及碳氢化合物的低压流程。 51、空气分离设备 以空气为原料,用低温技术把空气分离成氧氮氩及其他稀有气体的成套设备。 52、大型空气分离设备 指生产氧气产量大于或等于 10000m3/h(标准状态)的成套空气分离设备。 53、中型空气分离设备 指生产氧气产量大于或等于 1000m3/h 至小于 10000m3/h(标准状态)的成套空气分离设备。 54、小型空气分离设备 指生产氧气产量小于 1000m3/h(标准状态)的成套空气分离设备 二、稀有气体提取设备的基本术语 1、稀有气体提取设备 用以提取纯氩、纯氖、纯氦、纯氪、纯氙等气体产品的设备。一般需与空气分离设备配用。

2、稀有气体 指氩、氖、氦、氪、氙五种气体。无色,无臭的气体。 3、 氩气 分子式 Ar,原子量 39.948(按 1983 年国际原子量) ,是一种无色、无臭的气体。 空气中的体积含量 为 0.932%。在标准状态下的密度为 1.784kg/m3,熔点为 84K。在 101.325 压力下的沸点为 87.291K。不活泼,不能燃 烧,也不能助燃。主要用于焊接、冶炼等。 4、纯氩:用空气分离设备提取的纯氩,其氩含量(体积比)大于或等于 99.99%。 5、液氩:液体状态的氩,是一种无色、无臭、呈透明的液体。 6、氖气 : 分子式 Ne,原子量 20.179(按 1983 年国际原子量) ,是一种无色、无臭的气体。空气中的 体积含量为 1.8×10-3% 。在标准状态下的密度为 0.8713kg/m3,熔点为 24.57K。在 101.325kPa 压力下的沸点为 27.09K。不活泼,不能燃 烧,也不助燃。主要应用于照明技术等。 7 、纯氖:用空气分离设备提取的纯氖,其氖含量(体积比)大于或等于 99.99%。 8、液氖:液体状态的氖阳一种无色、无臭呈透明的液体。液氖常用作低温源。 9、氦气 : 分子式 He,原子量 4.0026(按 1983 年国际原子量) ,是一种无色、无臭的气体。空气中的 体积含为 5.24×10-4% 。在标准状态下的密度为 0.1769kg/m3。在 101.325kPa 压力下的沸点为 4.215K。不活泼,不 能燃烧,也不助燃。 主要用于检漏、焊接、低温研究、特种重金属冶炼、色谱分析载气、潜水呼吸气等。 10 、纯氦:用空气分离设备提取的纯氦,其氦含量(体积比)大于或等于 99.99%。 11、液氦: 液体状态的氦,为无色透明的液体,沸点最低,是一种最主要的低温源。 12 、氪气 : 分子式 Kr。原子量 83.80(按 1983 年国际原子量)是一种无色、无臭的气体。空气中的体 积含量为 1.0×10-4%。 在标准状态下的密度为 3.6431kg/m3。 熔点 116.2K。 101.325kPa 压力下的沸点为 119.79K。 在 不活泼,不能燃烧, 也不助燃。主要用于电真空及电光源等工业。 13 、纯氪:用空气分离设备提取的纯氪,其氪含量(体积比)大于或等于 99.95%。 14、氙气 : 分子式 Xe。原子量 131.80(按 1983 年国际原子量)是一种无色、无臭的气体。空气中的体 积含量为 8.0×10-6%。

在标准状态下的密度为 5.89kg/m3。熔点 161.65K。在压力下的沸点为 165.02K。不活泼,不 能燃烧,也不助燃。 主要用于电光源工业,也用于医疗、电真空、激光等领域。 15、纯氙:用空气分离设备提取的纯氙,其氙含量(体积比)大于或等于 99.95%。 16、氩馏分: 从上塔合适部位提取一股氧、 氩、 氮混合气作为氩提取设备的原料气体。 其组分 (体积含量) 氩为 7%~10%,氮一 般小于 0.06%,其余为氧。 17、氩回流液: 在粗氩塔中精馏洗涤下来的氧、氩、氮混合液,其组分与氩馏分气体成相平衡。 18 、粗氩 : 由粗氩塔塔顶获得的氩含量(体积比)大于或等于 96%,其余为氧和氮的混合气体。 19、富氧液空蒸汽:由粗氩塔冷凝器蒸发侧的富氧液空蒸发形成的蒸汽。 20、富氧液空回流液: 为避免粗氩冷凝器蒸发侧富氧液空中碳氢化合物的浓缩,排放一部分富氧液空返回上塔。 21、氖氦馏分:从冷凝蒸发器顶部抽取的氖、氦、 氮混合气体,作为氖氦提取设备的原料气。 22、粗氖馏分 : 氖氦馏分经粗氖氦塔分离而获得氖氦浓缩物。其氖和氦的总含量(体积比)为 30%~50%, 其余为氮及少量氢的混 合气体。 23、氖氦混合气 : 经除氢和氮后所获得的氖氦混合气体,其组分含量(体积比)氖约为 75%,氦约为 25%。 24、贫氪 : 指贫氪塔塔底蒸发器中获得的浓缩物。其氪和氙的总含量(体积比)为 0.1~0.3%,其余为 氧(甲烷含量 0.1~ 0.3%, )的混合气体。 25、粗氪 : 指粗氪塔塔底蒸发器中获得的浓缩物。其氪、氙的总含量(体积比)约为 50%,其余为氧 的混合气体(含有少量 甲烷) 。 26、工艺氙 : 指粗氪气体通过纯氪塔进一步分离后获得的氙气,其氙含量(体积比)为 99%左右。

第二节 基本概念 1、液化:气体变成液体的过程。 2、汽化:气态化如果只是从液体的外部自由表面产生,并且在任何一个温度下可以取某一 个速度进行。

3、蒸发:在某种温度下,液体的外露界面上进行的汽化过程。 4、沸腾:液体内部发生汽化过程,即液体内部不断产生汽泡而上升,变成蒸汽而跑到上部 空间去。 5、饱和蒸汽压: 空间中蒸气分子的数目不再增加,蒸汽压力维持一定,达到平衡。 6、饱和温度:饱和蒸汽压所对应的液化温度。 7、易挥发组份: 在同一压力下所对应的饱和温度越低,表示该物质越容易被汽化。 8、临界温度 : 只有低于这个温度才可能采用提高压力的方法使它液化,这个液化的最高温度。 9、临界压力:在临界温度下,所需要的液化压力。 10、汽化潜热:在饱和温度下,使液体分子变成蒸汽分子所需的热量。 11、过热蒸汽:超过饱和温度的蒸气,亦叫未饱和蒸气。 12、过冷液体:温度低于该压力所对应饱和温度的液体,也叫未饱和液体。 *任何物质都能以气液固的形式出现,并在一定条件下发生相互转化。 13、温度(T) :是物体冷热程度的标志,对物体的热运动状态有关。 T(k)=t(℃)+273 K 为国际温标(也叫绝对温标) 为摄氏温标 ,t 14、压力(P) :单位面积上所受到的垂直作用力。工程上通常使用的压力为表压(即压力 表直接读取) ,物性 计算时常用 绝对压力,通常 P(绝)=P(表) +1 个大气压。 压力 单位的换算见表 1-2 数值 物理大气压 工程大气压 巴 毫米汞柱 1 物理大气压 1 1.0332 1.013 760 1 工程大气压 0.968 1 0.98 735.6 1 巴 0.987 1.02 1 750 1000 毫米汞柱 1.315 1.36 1.33 1000 1 工程大气压=1(公斤/厘米 2)=735.6(mmHg)=10 米水柱 15、比容与重度:单位重量工质所具有的容积。 ) (γ 单位体质的工质所具有的重量。 ) (ρ 体积 V,重量 G(Kg) 则有γ =V/G(m3/ Kg) ,ρ = G / V(Kg / m3) 16、气体:指远离液体的气态物质。 *任何气体都可以液化,只是液化的难易不同而已。 17、蒸汽:指刚由液态转变过来偏离液态不远的气体物质。 18、理想气体: 假定气体分子是完全弹性的不占体积的质点。 分子间没有相互作用力, 即是一群被此完全自 由运动着的质点的集 合体。理想气体实际上是气体在压力 P ? 0,比容γ ?∞时,这一极限状态下的气体。 *理想是不存在的,一般说来,只要工质相对地处于低压高温状态,且计算在允许误差 范围内者可作为理想

气体处理。 19、自然界中的一些气体在一般的压力温度范围内,气体的三个状态参数 P、V、T 之间存 在特殊的关系,其中一 个状态参数不变,另外两个状态参数之间存在一个简单的关系。 *T 不变时,对一定量的气体,压力越高,则气体所占体积越小,压力降低,体积增大。 P1V1= P2V2=??????=PV=常数 *P 不变时,对一定数量的气体,温度升高时气体体积增大,反之缩小; V1/T1=V2/T2= ??????= V/T=常数 *V 不变时,一定量的气体,温度升高压力则增高,反这则下降。 P1/T1=P2/T2=??????=P/T=常数 20、理想气体的状态方程: P1 V1/T1=P2 V2/T2=??????=PV/T=常数 R 气体 O1 N1 Are Ne He Kr Xe H2 Air R(Kg.m/Kg.K) 26.5 30.26 21.26 42.02 211.8 10.22 9.46 420.6 29.8 21、理想气体的比热: 使单位质量的物质温度升高一度所吸收的热量称为比热, 工质在等压或等容过程中的比热叫 做和等容比热。 等压比热=等容比热+2(Kcal/mol.K) 单原子气体(He、Ne、Ar、Kr、Xe)是等压比热=5, 等容比热=3 双原子气体(O2、N2、 He)的比热均与温度有关 多原子气体的比热与温度和压力有关。 22、热力学第一定律: 当某一定量机械能产生时(即完成了功) ,必有相当的热量消失掉,反这,当消耗了一 定量的功时, (即消 耗了机械功) ,必发生相当的热量。*△μ = μ 2——μ 1=Q——AW A.绝热过程:Q=0,则△μ = —AW B.等容过程 W=0,则△μ =Q C.当工质完成热力循环后,系统回到原状态μ 2= μ 1,则 Q=AW 23、热力学第二定律: 热量不可能独自地,不付代价地(没有补偿的)从较冷的物体传向较热的物体。 24、沸腾: 气泡的生成如果不仅在液体的自由表面, 并且在整个体积内进行, 与汽化的区别在于沸腾是 在特定的温度(所谓 的沸腾温度或沸点)下进行。 25、物相: 如果系统状态的参数值在系统所有各点都是一致或者作连续的变化而没有突变, 那末这种系 统就称为单相的或均 一的系统。 具有一定数量并在整个质量中是物理性质均一的物质称为物相。 如果用任意的方 法将物相分成几部分

,那么所有部分的状态是相同的。 26、气液相平衡: 在封闭容器中,如图 1 所示。在一定条件下,液相中各组分均有部分分子从界面逸出进入液 面上方气相空间,而 气相也有部分分子返回液面进入液相内。 经长时间接触, 当每个组分的分子从液相逸出与气 相返回的速度相同, 或达到动平衡时,即该过程达到了相平衡。 平衡时气液两相的组成之间的关系称为相平衡关系。 它取决于体系的热力学性质, 是蒸馏过 程的热力学基础和基 本依据。 相平衡是物质在各相之间分布的平衡。达到平衡之后,各相的组成和数量不随时间改变。

第三节 空气分离的基本原理 一.空气组成 空气是多种气体的混合物,其组成如表 1 所示。主要成分是氧和氮,还有少量的其它气体: 氩、氖、氦、氪、氙 、氢,以及二氧化碳、乙炔和水蒸汽。氩、氖、氦、氪、氙在空气中的含量很少,称为稀有 气体。空气的各种成 分在气体状态下是均匀混合,很难将它们分开。 表 1 空气的组成 名称 分子式 体积% 沸点 °K 沸点 ℃ 氧 O2 20.95 90.19 -182.97 氮 N2 78.09 77.35 -195.81 氩 Ar 0.93 87.46 -185.7 氖 Ne 1.8×10-3 27.26 -245.9 氦 He 5.24×10-4 4.21 -268.95 氪 Kr 1×10-4 119.96 -151.8 氢 H2 5×10-5 20.41 -252.75 氙 Xe 0.8×10-5 164.06 -109.1 二氧化碳 CO2 0.03~0.04 194.96 -72.8(升华) 乙炔 C2H2 0.01~0.02PPm 189.56 -83.6(升华) 水蒸汽 H2O 随当地气象 条件而变 273.16 0 空气 - 78.81 -194.35 目前,空气分离方法有吸附分离法、膜分离法、精馏法。吸附分离法与膜分离法主要用于低 纯度、小型空气分离

装置。大、中型空气分离设备采用精馏法。 二.制冷 空气是在-170℃以下的精馏塔中进行分离的,所以说通过制冷,获得所需的低温并维持这 个环境,是空气分离的 基本前提条件。 制冷的方法有两种:节流与膨胀。为了直观地描述这两种热力学过程,先引入温—熵图。 (1).温熵图(T---S 图) 温熵图是以温度为纵坐标, 熵为横坐标的热力学函数图。 图中向上凸起的曲线叫 “饱和曲线” , 饱和曲线由两部 分组成,左半边称为饱和液体线,右半部分称为饱和蒸汽曲线,两条曲线的汇合点称为临界 点.在临界点所对应的 温度称为临界温度,对应的压力称为临界压力。临界点是气体与液体相互转化的极限(见图 1)

图 1 温熵图(T—S 图)

饱和曲线和临界点将此图分为三个区域(见图 2):

T

III

I

II

S 图2 T – S图

I 区:临界温度以下,饱和液体曲线左边的区域为过冷液相区。 II 区:饱和液体曲线和蒸汽曲线下面的区域为气液共存区。 III 区:临界温度以上,饱和蒸汽曲线右测区域为过热蒸汽区。 临界点的存在说明:只有气体的温度低于其临界温度时,该气体才可能变成液体。 焓、熵与压力温度一样,都是状态参数,当物质的状态确定后,它的焓、 熵也随之确定。熵代表了流体在流动时所携带的能量,单位是 KJ/Kmol。 焓(单位质量的焓)=比内能+PV,其中 PV 为流体受到的推动力,P 为流体的压力,V 为

流体的比容。 流体的内能由内动能与内位能组成。温度越高,内动能越大。内位能不 仅与温度有关,更主要的取决于分子间的距离,即决定于比容,比容越大内位能越大。 流体的熵的变化等于外界传递进来的热量与传热时流体的绝对温度之比: △S=△Q/T 如果传递热量过程中温度不是常数,则当流体由状态 1→状态 2 的熵变应为: △S=∫ 12dQ/ T 熵的绝对值和焓及内能一样,在工程计算中无关紧要,我们所关心的只是它们的相对变化量. (2).节流过程: 当一定压力的流体在管内流经一个缩孔或阀门时,由于流通截面突然缩小,流体中会发生激烈 扰动,产生旋涡、碰 撞、摩擦,流体在克服这些阻力的过程中,压力下降,使阀门后的压力 P2 低于阀门前的压 力 P1(见图 3),我们把 这种因流体流动遇到局部阻力而造成的降压过程称之为节流。 流体在管道内流动和流经各种 设备时也存在着流动 阻力, 压力也有所下降, 所以如果泛指节流过程, 也包括流体流经管道与设备时的压降过程。 从能量转换的观点 来看,由于工质流经节流阀的速度很快,膨胀后来不及与周围环境进行热量交换,并且节流 阀安装在保冷箱内, 四周传给的热量可以忽略不计,因此节流过程可看成是绝热过程。同时,流体流经阀门时与 外界没有功交换,在 既无能量收入又无支出的情况下,流体在节流前后的能量应不变,即节流前后的焓值相等 i1=i2,这说明节流本身 并不产生冷量。 节流过程是一个等焓过程, 理想气体的焓只是温度的函数, 所以理想气体节流后温度并不发 生变化。而实际气体 的焓值是温度和压力的函数,因此

图3

节流示意图

实际气体节流后的温度存在变化,归纳为三种情况:下降、不变、上升。温度变化与否同节 流工质的性质和节流

前的状态有关。 4 给出的是由实验方法得到的空气节流转化曲线。 图 转化曲线将坐标分割成 两部分,内侧为制冷区 , 即工质节流前处于该区域的某个状态,经节流后温度将下降;外侧为制热区,即工质在节流 前处于该区域的某个 状态,节流后温度将升高。氧、氮、氢、二氧化碳等工质均存在相似的转化曲线。

图4

空气转化曲线

从上图可以得知,在相当大的范围内,空气节流后温度都会下降(氧、氮也是如此) 。 在常温范围内,空气节流后的温度变化,可以用每降低一个大气压所降低的温度 ai 来表示: ai=(0.268-0.00086P)(273/T)2 ℃/大气压 式中 P、T 分别表示节流前空气的绝对压力(大气压)和绝对温度(K) 。这样,当空气从压 力 P1 节流到 P2 时,产 生的温降为: △T=ai(P1-P2)=ai△P 从温降的表达式可以看出,节流前的气体温度越低,节流前后压差越大, 节流所获得的温降就越大。氧、氮气节流温降的计算经验公式也与此类似。利用以上公式, 可以指导我们进行空 气节流制冷的实际应用。 (3).等温节流制冷量 图 5 一次节流循环示意图 既然通过节流可以降低温度,那么节流后的工质相对于节流前的温度就具备一定的制冷能 力,我们把这个制冷能 力称为等温节流制冷量(图 5) 单位质量工质的制冷量: q=CP1△T 即: q= CP1 ai(P1-P2)=H3 – H2( H1=H2 ,H0=H3) =H0 – H1 (CP1:工质在 P1 下的平均定压比热) 从计算结果来看,等温节流制冷量等于压缩机等温压缩前后的焓差。事实上,如前所述,节 流并不产生冷量,只 是通过节流, 把工质在等温压缩时已具备的制冷量表现出来而已。 真正的制冷量是在等温压 缩过程中产生的,即

冷却水从压缩机带走的能量大于驱动机传给压缩机的能量,致使压缩机出口工质的焓值 H1 小于入口工质的焓值 H0 。 另外,等温节流制冷量与节流前有无换热器无关,压缩工质经换热后,在节流时,并不增加 制冷量,而是影响节 流前后的温度。 (4).膨胀制冷 利用透平膨胀机制冷是空分装置制取冷量获得低温的主要途径,工质在膨胀机内膨胀, 同时对外作功,使膨 张后的工质大大降温,膨胀机安置在保冷箱内,而且由于过程进行的很快,来不及与外界进 行热交换.所以膨胀 过程近似可以 看成是绝热过程,在理想状况下(即工质在膨胀机内没有任何摩擦) ,膨胀 过程熵值不发生变化 。 如图 6 中 1→2 所示:实际上,由于气体与气体之间,气体与机器壁面之间不可避免地 要产生摩擦,摩擦热又 传给气体,使膨胀后气体的温度及焓值增加,熵也增加。实际的绝热膨胀过程应如图 6 中 1 →3 所示,实际的绝热 膨胀焓降为 i1—i3,它比理想的绝热膨胀焓降 i1—i2 要小。

图 6 T –S 图 通常把气体实际的绝热膨胀焓降与理想的绝热膨胀焓降之比, 称为膨胀机的等熵效率, 用η s 表示; η s=(i1-is)/(i1-i2) 透平膨胀机的等熵效率与设计制造的质量有关,同时与安装、维修也密 切相关。正常情况下,现在的透平膨胀机的等熵效率一般都能达到 85%以上。 经膨胀机膨胀后的降温效果要比节流好的多, 这是由于当气体经膨胀机膨胀时, 除了产生节 流降温效果.气体还 同时在膨胀机中对外作功,消耗气体自身的能量,使分子的动能进一步减少,因此降温更显 著。 膨胀机前后的压差及膨胀机进口的工质温度, 直接影响着膨胀机的制冷效果。 如果膨胀机的 等熵效率保持不变,

进口温度一定时, 当压差越大, 那么单位质量的工质膨胀后的焓降也越大, 对外作功也越多, 温度降低越显著, 当膨胀机前后的压差一定时,提高进膨胀机的温度,膨胀后的工质温度升高,则降温效果变 大,单位质量工质的 制冷量增加。 对于理想气体,膨胀温降可以用下面的关系式精确表达:

(双原子的理想气体 R=1.4) 对于实际气体,膨胀过程的温降常用热力学图(T 一 S 图)查找。 (5).膨胀机的制冷量: 膨胀机的作用相当于—个对外作功的节流阀。所以单位质量的膨胀工质的制冷量分为两部 分:见图 7

图 7 膨胀机制冷循环示意图 q=等温节流制冷量+膨胀机的输出功=(i1 –i4)+(i2 –i3). (6).膨胀机工作时的能量转移 压力工质进入膨胀机进行绝热膨胀后, 以较低的温度和压力排出机外, 同时膨胀机对外作功。 过去常用电机或风 机作为膨胀机的制动设备。现在往往用单级离心压缩机(增压器)作为制动装置。增压器获得 膨胀功后,将送入膨 胀机的工质进一步升压。随着膨胀机入口压力增加,单位质量的工质制冷量也将增大。当空 分装置的冷量要求一 定时,膨胀量就可以因此减少。 另外, 采用增压器这种制动方式还避免了机械能转变成电能所导致的损失, 提高了膨胀功的 回收效率。所以说它 是先进的。

图 8 膨胀机工作能量转移示意图 膨胀机在绝热条件下工作,根据能量守恒: G 膨 i1 = W 膨十 G 膨 i2 所以 : W 膨 = G 膨(i1- i2)

(7).节流制冷与膨胀制冷的比较: a.从降温效果看,膨胀制冷要比节流制冷强烈得多。 b.从结构来看,节流阀结构很简单,操作也方便,而膨胀机是一套机组,结构复杂,操作、 维修要求高。 c.从使用范围来看,节流阀适用于气液两相区内工作,即节流阀出口可以允许有很大的带液 量,但目前带液的两 相膨胀机,其带液量尚不能很大。 根据以上特点,在全低压空分装置中.一般都同时采用节流制冷与膨胀制冷,互补所缺。 (8).装置的冷量平衡: 维持系统的冷量平衡, 是空分装置正常运行的基本保证, 空分装置的冷量损失主要包括以下 几项: a.跑冷损失:透过保冷层,周围大气传递给冷箱内低温设备及管道的热量,即相对冷箱而言 损失了的冷量,叫跑 冷损失。 b.热交换不完全损失:低温气体离开冷箱时,在理想状态下它应复热到正流工质进入冷箱的 温度,这样冷量可全 部回收,但由于存在传热温差,在换热器热端,复热工质不能达到正流工质的进口温度而带 走的冷量损失。 c.生产液态产品带走的冷损(如果不生产液态产品,就没有这项冷损) 。 d.其它冷损: 当装置有泄漏时, 损失了一部分低温液体或气体, 这种损失属于其它冷损。 在正常生产过程中,空分装置处于稳定流动状态。根据能量守恒定律,则有:等温节流制冷 量+膨胀机制冷量=跑 冷损失+热交换不完全损失+液体产 品带走的冷损。 如图 9 所示。(注:对于内压流程而言,冷损中还包括高压氧气带走的冷,该项冷量相当于 等温压缩制冷的逆过程 。) 图 9 空分装置其它冷损示意图 该等式也可以用焓值来表示: 跑冷损失十进入冷箱各项工质的焓值之和 = 离开冷箱的各项工质的焓值之和十膨胀机的 输出功,即:

三.精馏的基本原理 1.单组分汽-液相平衡 对单组分汽-液两相系统,可以将压力表示为温度的函数:

P=ψ(T) 此方程式所决定的压力 P 称为汽—液两相系统的平衡压力。方程式在(P,T)平面上表示成一 条曲线,称为蒸汽压 曲线 (图 2 饱和蒸汽压曲线)。这条曲线上的点对应于两个平衡共存的液相与汽相。蒸汽压 曲线也是汽—液相平 衡曲线, 因为稳定的两相平衡状态只能是位于曲线的点所表示的状态。 平面上其余的点或对 应于两相系统的不平 衡状态,或对应于单相的平衡状态。 图 2 饱和蒸汽压曲线

图 3 氧蒸汽压与温度曲线 图 4 氮蒸汽压与温度曲线 图 5 氩蒸汽压与温度曲线 2.双组分理想溶液的气液相平衡 2.1 拉乌尔定律 根据溶液中同分子间的与异分子问的作用力的差异, 可将溶液分为理想溶液和非理想溶液两 种。实验表明,理想 溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律(Raoult’ s Law),即:

式中 p——溶液上方组分的平衡分压,Pa; p0——同温度下纯组分的饱和蒸气压,Pa; x——溶液中组分的摩尔分率。 (下标 A 表示易挥发组分,B 表示难挥发组分) 为简单起见, 常略去上式中的下标, 习惯上以 x 表示液相中易挥发组分的摩尔分率, (1-x) 以 表示难挥发组分的 摩尔分率;以 y 表示气相中易挥发组分的摩尔分率,(1-y)表示难挥发组分的摩尔分率。 2. 2 相律 相律表示平衡物系中的自由度数、相数及独立组分数间的关系,即: 式中 F——自由度数; C——独立组分数; φ ——相数。

式中的数字 2 是假定外界只有温度和压强达两个条件可以影响物系的平衡状态。 对两组分的 气液平衡物系,其中 组分数为 2,相数为 2,而可以变化的参数有四个,即温度 t、压强 P、一组分在液相和气相 中的组成 x 和 y(另一组 分的组成不独立),故: 由此可知,两组分气液平衡物系中只有两个自由度,即在 t、P、x 和 y 四个变量中,任意确 定其中的二个变量,此 平衡状态也就确定了。又若固定某个变量(例如外压),则仅有一个独立变量,而其它变量部 是它的函数,因此两 组分的气液平衡可以用一定压强下的 t—x(或 y)或 x—y 的函数关系或相图来表示。 2. 3 两组分气-液相平衡图 (1) (泡点)关系式 液相为理想溶液,服从拉乌尔定律:

气相为理想气体,符合道尔顿分压定律: 混合液沸腾的条件是各组分的蒸汽压之和等于外压,即

纯组分的蒸汽压 与温度 的关系式可用安托因方程表示,即 故 与 的关系为非线性关系,已知 求 用上式很方便,但是已知 求泡点 要用试差法(迭代 法)求。 (2) (露点)关系式 指定 用上述方法求出 后用道尔顿分压定律求 ,即 (3) 图 将用上述方法求出的 的数据画在同一张图上,就得到 图。 此图的的特点如下: 两端点 A 与 B.端点 A 代表纯易挥发 A 组分( ) ,端点 B 代表纯难挥发 B 组分( ) 。 。 两线: 线为泡点线,泡点与组成 有关; 线为露点线,露点与组成 有关。 3 区: 线以下为过冷液体区; 线以上为过热蒸汽区;在 与 线之间的区域为气液共存 区,在此区域内气液组 成 与 是成平衡关系, 气液两相的量符合杠杆定律。 只有设法使体系落在汽液共存区这才能 实现一定程度的分离

。 例如将组成为 的过冷溶液加热至 C 点, 产生第 1 滴气泡, C 点所对应的温度称为泡点, 故 气泡组成为 ,维持加 热升温至 G 点,溶液部分汽化,气相组成为 F( 点) ,液相部分分离, 与 成平衡关系,G 点所对应的温度为气 液相的平衡温度;反之将组成为 的过热混合气体冷却至 D 点,第 1 滴冷凝液出现,D 点所 对应的温度为露点,液滴 组成为 ,继续冷却至 G 点气相部分冷凝,液相组成为 ,气相组成为 , , ,故部分冷凝 亦可实现一定程度的分 离。 由此可见,将液体混合物进行一次部分气化的过程,只能起到部分分离的作用,因此这种方 法只适用于要求粗分 或初步加工的场合。显然,要使混合物中的组分得到几乎完全的分离,必须进行多次部分气 化和部分冷凝的操作 过程。 (4) 在蒸馏计算中广泛应用的是一定总压下的 图。因 ,故在任一 下总是 ,相平衡曲线 必位 于对角线 上方。若平 衡曲线离对角线越远,越有利于精馏分离。注意: 曲线上各点对应不同的温度。 、 值越 大,泡、露点温度越 低。 (5)相对挥发度 和相平衡方程 相对挥发度 纯组分的饱和蒸汽压 只能反映纯液体挥发性的大小。某组分与其它组分组成溶液后其挥发 性将受其它组分的影 响。 溶液中各个组分的挥发性大小应该怎样表达才符合实际情况呢?对了, 要用各组分的平 衡蒸汽分压与其液相 的摩尔分数的比值,即挥发度 表示。 挥发度 , 在蒸馏中表示分离难易程度要用两组分挥发度之比,称为相对挥发度 相对挥发度 相平衡方程 此式表示互成平衡的气液两相组成间的关系,称为相平衡方程。如能得知 值,便可算出气 液两相平衡时易挥发

组分浓度 的对应关系。 对理想溶液,将拉乌尔定律带入 的定义式可得 即理想溶液的 值仅依赖于各纯组分的性质。纯组分的饱和蒸汽压 、 均系温度 的函数,且 随温度的升高而加大 ,因此 原则上随温度(也即随 )而变化。但 与温度的关系较 或 单独与温度的关系小得 多,因而可在操作的 温度范围内取一平均的相对挥发度 并将其视为常数,这样利用相平衡方程就可方便地算出 平衡关系。换句话说 相平衡方程仅对 为常数的理想溶液好用。 那么怎么取 的平均值呢? 为常数时,溶液的相平衡曲线如图 8 所示。 时, (即对角线) 值越大,同一液相组成 , 对应的 值越大,可 获得的提浓程度越大,分离程度越好。因此, 的大小可作为用蒸馏分离某物系的难易程度 的标志。 3. 精馏原理 3. 1 多次部分汽化和多次部分冷凝 图 9 一次部分汽化示意图 图 10 一次部分汽化 t-x-y 图 设想将图 9 所示的单级分离加以组合, 变成如图 11 所示的多级分离流程(图中以三级为例)。 若将第一级溶液部 分气化所得气相产品在冷凝器中加以冷凝, 然后再将冷凝液在第二级中部分气化, 此时所得 气相组成为 y2,且 y2 必大于 y1,这种部分气化的次数(即级数)愈多,所得到的蒸汽浓度也愈高,最后几乎可得到 纯态的易挥发组分。 同理,若将从各分离器所得的液相产品分别进行多次部分气化和分离,那么这种级数愈多, 得到的液相浓度也愈 低,最后可得到几乎纯态的难挥发组分。图 11 没有画出这部分的情况。 图 11 多次部分汽化示意图

图 12 多次部分汽化 t-x-y 图

根据 t-x-y 图,在恒压条件下,通过多次部分汽化和多次部分冷凝,最终虽然可以获得几乎 纯态的易挥发组分和 难挥发组份,但得到的气相量和液相量却越来越少。且采用如图 11 所示的流程用于工业生 产,则会带来许多实 际困难,如流程过于庞大,设备费用极高;部分汽化需要加热剂,部分冷凝需要冷却剂,能 量消耗大;纯产品的 收率很低。 3.2 连续精馏装置流程 为了克服上述缺点,采用图 13 所示带回流的流程。 图 13 有回流多次部分汽化示意图 工业生产中常常采用图 14 所示的流程进行操作。原料从塔中部适当位置进塔,将塔分为两 段,上段为精馏段, 不含进料,下段含进料板为提留段,冷凝器从塔顶提供液相回流,再沸器从塔底提供气相回 流。气、液相回流是 精馏重要特点。 连续精馏装置主要包括精馏塔,蒸馏釜(或称再沸器)等。精馏塔常采用板式塔,也可采用 填料塔。加料板以上 的塔段,称为精馏段;加料板以下的塔段(包括加料板) ,称为提馏段。连续精馏装置在操 作过程中连续加料, 塔顶塔底连续出料,故是一稳定操作过程。 在精馏段,气相在上升的过程中,气相轻组分不断得到精制,在气相中不断地增浓,在塔顶 获轻组分产品。在提 馏段, 其液相在下降的过程中, 其轻组分不断地提馏出来, 使重组分在液相中不断地被浓缩, 在塔底获得重组分 的产品,如图 13 所示。 冷凝器塔顶提供高纯度的液相回流, 再沸器在塔底提供纯度高的上升, 为精馏过程提供了传 质的必要条件。提供 高纯度的回流,使在相同理论板的条件下,为精馏实现高纯度的分离时,始终能保证一定的 传质推动力。所以, 只要理论板足够多,回流足够大时,在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品,而在塔底获得高

纯度的重组分产品。 3.3 塔板的作用 塔板的作用是提供气液分离的场所; 每一块塔板是一个混合分离器, 并且足够多的板数可使 各组分较完全分离。 因此每一块塔板是一个混合分离器,经过若干块塔板上的传质后(塔板数足够多) ,即可达 到对溶液中各组分进 行较完全分离的目的。 3.4 回流的作用 回流的主要作用就是提供不平衡的汽液两相,而构成汽液两相接触传质的必要条件。 精馏塔内由于塔顶的液相回流和塔底的汽相回流,为每块塔板提供了汽、液来源。 4. 氧、氮混合物气-液相平衡曲线 为便于讨论问题. 把空气作为氧和氮的混合物, 把氩的含量归入氮组分, 其它气体忽略不计, 即认为空气中含氧 20.9%,含氮 79.1%。 氧和氮无论是在气态还是液态都能以任何比例均匀的混合在一起。 在同样的压力下, 由于氧 的冷凝温度高,氮的 冷凝温度低,在混合气体小含氧成份多,则混合气体开始冷凝的温度就高。在一定压力下, 当氧、氮混合汽冷凝 时,氧比较容易凝结成液体,冷凝下来的量多,所以,在冷凝的过程中蒸汽中氧的含量逐渐 降低,氮的含量增加 ,冷凝温度也随着下降,直到气体全部冷凝为液体。所以,空气开始冷凝的温度与冷凝终了 的温度是不同的。在 一定压力下蒸发液态空气时则相反, 低沸点的氮组份先蒸发, 使液体中高沸点组份氧的浓度 增加,蒸发温度也随 之升高,一直到蒸发结束。 图 15 表示在 1kg/cm2 压力时氧、氮混合物的平衡曲线。图 15 表示在不同压力时氧、氮混 合物的平衡曲线。横座 标表示氧的容积百分数,纵座标表示相应的饱和温度。图中下面的一条曲线称液相线,它表 示氧、氮混合液体的 浓度和开始蒸发温度的关系。上面的一条曲线称为气相线,它表尔氧、氮混合气体的浓度和 开始冷凝温度的关系 ,在二曲线的中间为气、双二相区。

图 15 氧氮混合物平衡曲线

图 16 氧氮混合物平衡曲线 图 15 和图 16 反映了氧、氮混合物的一些主要特性: (1) 氧、氮混合液体开始蒸发的温度随着氧组份的增加而升高,同样氧、氮混合气体开始冷 凝的温度随着氧 组份的增加而升高。例如在 1kg/cm2 压力时含氧为 20%的液体.其蒸发温度是 78.5°K,含 氧为 80%的液体蒸发温 度是 85.4°K。 含氧为 20%的气体冷凝温度为 81.4°K, 含氧为 80%的气体冷凝温度是 88.5° K。 (2) 一定组份的氧、 氮混合物在一定压力下, 开始冷凝或蒸发与冷凝结束或蒸发结束时的温 度是不向的,在 蒸发或冷凝过程中温度是连续变化的。例如在 1kg/cm2 压力时,含氧 50%的蒸汽,开始冷 凝时的温度为 85.5°K( 在气相线上的α 点)随着液体的不断增多,冷凝温度不断下降,冷凝结束时为 81.4°K(在液 相线上的 b 点)。 (3) 氧、氮混合物冷凝或蒸发过程中,液相和气相的组份是连续变化的,而冷凝开始与冷凝 结束,或蒸发开 始与蒸发结束则组份是相同的。如液体空气中氧的浓度为 20.9%O2,蒸发温度为 78.6°K, 它所蒸发出来的蒸汽 温度也应是 78.6°K(在液相线上的 c 点),第一滴液体蒸发的蒸汽浓度为 6.3%O2(在气相线 上的 e 点)。在同一压力 下,相同温度的气体浓度和液体浓度,称为气、液的平衡浓度。因在这种情况下,在没有外 面的影响时,如不再 继续加热,蒸发就停止,气、液虽接触在一起,但气、液的浓度不会发生变化。蒸发到最后, 它所蒸发出来的气 体的浓度是 20.9%O2(在气相线上的 f 点)与它相平衡的液体,也即最后一滴液体的浓度为 51.5%O2(在液相线上 的 d 点) ,由此在蒸发的过程中液相的浓度由 20.9%O2 连续的变化到 51.5%O2(液相线上的 c—d),气相的浓度由 6.3%O2 连续的变化到 20.9%O2(气相线 e-f)。在某一温度达到气、液相平衡时,气相中的 含氧量总是小于液相

中的含氧量。换句话说,液相的氧浓度也总是高于气相的氧浓度。而且为了在气相中得到氮 浓度愈高,那么与它 相平衡的液体中含氮量也愈高, 例如为了得到浓度为 99%氮气 (即气相中含氧量为 1%O2), 那么与它相平衡的液 体中含氮量就要 96%N2(即液相中含氧量 4%02)。 (4) 由图 16 可见压力愈低时,气相和液相中氧的浓度差愈大,因此利用浓度差来分离空气 时,压力愈低愈 好。 5. 氧、氮精馏 同样地,简单的蒸发并不能完善地分离空气。例如,在计 Kg/cm2 压力下,蒸发液态空气在 刚蒸发时,得到的气体 浓度为 6.3%O2,也即含氮量为 93.7%,这时得到的氮气数量很少,浓度也不高,如果继续 蒸发,可以得到的氮 气数续将增加,但浓度相应降低。 图 17 液体空气多次汽化、冷凝流程图 如果处在冷凝温度时的空气,穿过比它温度低的氧、氮组成的液体层时,则气、液之间由于 温度差的存在,要进 行热交换,温度低的液体吸收热开始蒸发,其中氮组份首先蒸发,温度较高的气体冷凝,放 出冷凝热,气体冷凝 时,首先冷凝氧组份。这过程一直进行到气相和液相的温度相等为止,也即气、液相处于平 衡状态。这时液相中 由于蒸发,使氮组份减小,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, 使氧组份减少,同时由于液相蒸发的氮进入气相,因此气相的氧浓度增加了。多次的重复上 述过程,气相的氮浓 度就能不断增加,液相的氧浓度也能不断的增加。例如,图 17 中有三个容器,在气液平衡 时,容器(1)中盛有含 氧量为 40%的液体,容器(2)中盛有含氧量为 30%的液体,容器(3)中盛有含氧量为 20.9%的 液体。将压力为 1Kg/cm2 的空气冷却到开始冷凝的温度 81.5°K 进入到容器(1),这时容器(2)中含氧 30%的

液体流到容器(1)中, 它的温度为 79°K。由于气、液之间存在温差,低温的液体吸收高温气体放出的冷凝热,而 蒸发了一部分合氮量 较高的气体,进入气相,高温气体放出冷凝热,也冷凝一部分含氧量较高的液体进入液相, 最后气、液相之间达 到平衡,它们的温度都是 80°K,而气相中含氧显减少为 14%,液相中含氧量增至 40%。 然后再把蒸汽引入到容 器(2)中。在容器(2)中有从容器(3)中流来的温度更低的,氧浓度为 20.9%的液体,气液之 间由于温度差的原因 , 进行热交换, 最后达到相平衡气、 液的温度均为 79°K, 气相中含氧量进一步降低为 9.5%, 液相中含氧量增加 到 30%,气体继续引入列容器(3)中,液体流到容器(1)中。在容器(3)中,最初有流进来的汽 浓度为 10%的温度 为 77.8°K 的液体,气、液之间重复上述过程,达到平衡时,从容器(3)中引出的蒸汽的含 氧量仅 6.3%,液相中 含氧量也由 10%增至 20.9%。再继续进行上述过程,那么气相中的氧浓度将不断减少,液 相小的氧浓度不断增加 ,直到混合物分离成二种组份。 这个例子说明了精馏的基本概念,并可将它概括为: ? 温度较高的气相与温度较低的液相接触时, 必然发生热量交换, 则高温气相把氧冷疑到 液相中,低温液 相把氮然发到气相中,也即引起质量交换,直到气、液相达到平衡时为止。 ? 多次的进行蒸发和冷凝,这种相互交替的过程,必然能把空气分离成氧和氮。 在制氧机中,精馏过程是在精馏塔中进行的。精馏塔为一直立圆柱形简,其内安装有水平的 塔板,氧、氮所组成 的液体混合物沿塔板向下流,氧、氮混合物的蒸汽穿过每块塔板的小孔向上升,在塔板上气 与液直接接触(象前 面所说的容器一样),蒸汽被冷凝掉部分氧,同时得到从液体中蒸发出来的氮。蒸汽每穿过 一块塔板,就要和液 体接触一次, 发生一次蒸汽的冷凝和液体的蒸发, 这种多次的蒸发与冷凝就完成了精馏过程。 筛板塔用得比较多

,图 18 表示一块筛板的工作过程。

第二章

空分设备流程组织概述

KDONAr-30000/16160/930 型空分设备的流程组织。 一、主要技术数据 1、加工空气 进装置原料空气流量 163500 Nm3/h 进 分 馏 塔 流 量 156500 Nm3/h 进分馏塔空气压力及温度: 低压:~0.50 MPa(G),22℃ 中压:~3.80 MPa(G),40℃ 高压:~7.0MPa(G),40℃ 2、产品指标 产品名称 纯度(%) 产量(Nm3/h) 出冷箱压力 MPa(G) 备 注 氧气(GO2) ≥99.6 30000 6.5 内压缩 液氧(LO2) ≥99.6 200 0.2 氮气(GN2) ≤10PPm O2 16160 0.5 液氮(LN2) ≤10PPm O2 200 0.45 液氩(LAr) O2≤2PPm N2≤3PPm 930 0.3 仪表空气 露点-65℃ 2000 ≥0.5 装置空气 露点-65℃ 2000 ≥0.5 注: m3/h 指 0℃,101.325Kpa 状态下的体积流量(以下同); 3、空分设备运转周期(两次大加温间隔时间): 2 年 4、装置加温解冻时间: ~24 小时 5、装置起动时间(从膨胀机启动到氧气纯度达到指标):~36 小时 6、装置操作弹性:70~110%(不包括压缩机组及膨胀机) 二、基本原理 干燥空气的主要成份如下: 名 称 化学代号 体积百分比 重量百分比 氧 O2 20.95 23.1 氮 N2 78.08 75.5 氩 Ar 0.932 1.29 空气中其它组成成份,如氢、二氧化碳、碳氢化合物的含量在一定范围内变化,而水蒸汽含 量则随着温度和湿度 而变化。

空气中的主要成份的物理特性如下: 名称化学符号 标准大气压下的液化温度(℃) 标准大气压下的固化温度(℃) 临 界 温 度 (℃) 临界压力 MPa(A) 氧 O2 -183 -218.4 -119 5.079 氮 N2 -195.8 -209.86 -147 3.394 氩 Ar -185.7 -189.2 -122 4.862 空气的精馏就是利用空气的各种组份具有不同的挥发性,即在同一温度下各组份的蒸汽压不 同,将液态空气进行 多次的部份蒸发与部份冷凝,从而达到分离各组份的目的。当处于冷凝温度的氧、氮混合气 穿过比它温度低的氧 、氮混合液体时,气相与液相之间就发生热、质交换,气体中的部份冷凝成液体并放出冷凝 潜热,液体则因吸收 热量而部份蒸发。因沸点的差异,氧、氩的蒸发顺序为:氮>氩>氧,冷凝顺序为:氧>氩> 氮。在本系统中,该过 程是在塔板上进行的, 当气体自下而上地在逐块塔板上通过时, 低沸点组份的浓度不断增加, 只要塔板足够多, 在塔的顶部即可获得高纯度的低沸点组份。同理,当液体自上而下地在逐块塔板上通过时, 高沸点组份的浓度不 断增加,通过了一定数量的塔板后,在塔的底部就可获得高纯度的高沸点组份。 由于氧、氩、氮沸点的差别,在上塔的中部一定存在着氩的富集区,制取粗氩所需的氩馏份 就是从氩富集区抽取 的。 三、工艺流程简介 本套装置的成套工艺流程详见附图(CF270.00000LC 共 10 页)。 1、空气过滤器及空气压缩系统 该系统由一台自洁式空气过滤器及一台透平空气压缩机组成。 含尘空气入空气过滤器,过滤掉其中机械颗粒、粉尘等。经过滤的空气再入空气压缩系统, 被空气压缩系统压缩 到 0.52MPa.G 后进入空气预冷系统。 2、空气预冷系统 本系统主要由空冷塔、水冷塔及四台水泵组成。 空气冷却塔为装有两层塔料的填料塔, 空气由空气压缩机送入空气冷却塔底部, 由下往上穿 过填料层,被从上往

下的水冷却,并同时洗涤部分 NOx,SO2,C1+等有害杂质,最后穿越顶部的丝网分离器, 进入分子筛纯化系统, 出空冷塔空气的温度约为 15℃。 进入空冷塔的水分为两段。 下段为由用户凉水塔来的冷却水, 经循环水泵加压入空冷塔中部 自上而下出空冷塔回 凉水塔。 上段冷冻水来自经水冷却塔与由分馏塔来的多余的污氮气热质交换冷却得到, 由冷冻水泵加 压后,送入空气冷却 塔顶部,与中部的冷却水一起回凉水塔。 3、空气纯化系统 该系统主要由两台吸附器、一台蒸汽加热器及一台电加热器组成。 分子筛吸附器为卧式双层床结构, 下层为活性氧化铝, 上层为分子筛, 两只吸附器切换工作。 由空气冷却塔来的 空气,经吸附器除去其中的水份、CO2 及其它一些 CnHm 后,除一部分进入增压压缩机增 压及用作仪表空气、装置 空气之外,其余均全部进入分馏塔。 当一台吸附器工作时,另一台吸附器则进行再生、冷吹备用。由分馏塔来的污氮气,经蒸汽 加热器加热至 170℃ 后,入吸附器加热再生,脱附掉其中的水份及 CO2,再生结束由分馏塔来的污氮气吹冷, 然后排入大气。 高温再生时,再生气经蒸汽加热器及电加热器加热至 260℃后,入吸附器加热再生。 经吸附器纯化后的空气水含量在-70℃露点以下,CO2≤1PPm。 4、增压压缩机系统 由分子筛吸附器来的洁净空气进入增压压缩机增压使空气的压力得以提高, 增压空气分为两 股,一股(流量 31500Nm3/h,压力 2.6MPa.G)从增压压缩机中部抽出,经冷却后进入由膨胀机驱动的增压 机;另一股(流量 47000Nm3/h,压力 7.0MPa.G)从增压压缩机末级引出,经冷却后进入主换热器。 5、增压膨胀机系统 该系统主要由两台增压透平膨胀机,两台增压机后冷却器,两台供油装置组成。 从增压压缩机中抽并经冷却后的加压空气, 进入由膨胀机驱动的增压机, 消耗掉由膨胀机输 出的能量,使空气的 压力得以进一步提高, 增压后的空气进入增压机后冷却器, 冷却到所需温度后进入主换热器, 被返流的液氧、氮

气及污氮冷却到一定温度后进入透平膨胀机膨胀,膨胀空气进入下塔参与精馏。 6、氧、氮精馏 该系统主要由下塔、主冷凝蒸发器、上塔、过冷器及液氧泵组成。 由纯化系统来的进入低压主换热器冷却到接近露点的空气分为两路, 一路进入氮增压器被液 化后送如下塔、另一 路汇同膨胀空气以及来自增压压缩机末级冷却器的高压空气经高压主换热器液化后的液空 进入下塔,经下塔的精 馏,在顶部获得氮气,除一部分作为热源到纯氩塔外,其余经冷凝蒸发器冷凝,冷凝的液体 一部分做为下塔的回 流液, 一部分送进氮增压器被空气汽化后再经高压主换热复热作为产品, 其余部分经过冷器 过冷后,一部分作为 液氮产品引出冷箱, 一小部分作为纯氩冷凝器冷源, 另一部分节流后作为上塔回流液送至上 塔顶部,在下塔下部 得到污液氮,经过冷器过冷后,节流至上塔上部参与精馏,在下塔底部得到富氧液空,经过 冷器过冷后,一部分 作为粗氩塔冷源,另一部分节流至上塔中部参与精馏。 经上塔精馏,在顶部得到污氮气,污氮气经过冷器复热后分为两路、一路经高压主热交换器 水冷塔制冷,另一路 经低压主换热器复热后除一部分用作纯化系统再生用气外,其余均入水冷塔制冷。 液氧从主冷凝蒸发器底部抽出, 一部分作为液氧产品引出冷箱, 其余经液氧泵加压进入高压 主换热器复热后再送 用户使用。 为方便调氩,还设置了气氧的旁通阀(至污氮气) 。 7、氩的精馏 该系统主要由粗氩塔 I、粗氩塔 II、粗氩冷凝器,纯氩塔及其冷凝、蒸发器,工艺液氩泵等 组成。 由上塔中部抽出的氩馏份气,进入粗氩塔 I 进行精馏,使氧的含量降低。粗氩塔 I 的回流液 是由粗氩塔 II 底部引出 经工艺液氩泵输送来的液态粗氩,粗氩塔 I 底部的液体再返回上塔参与精馏。 由粗氩塔 I 顶部引出的气体进入粗氩塔 II 底部并在其中进行更进一步的氩、 氧分离。 结果在 其顶部得到 O2≤2 PPm 的粗氩气。粗氩气经粗氩冷凝器冷凝成液体后作为回流液返回粗氩塔 II。粗氩冷凝器的冷源 是过冷器后引出的液

空,液空与粗氩气换热(蒸发)后返回上塔适当部位参与上塔精馏。 从粗氩冷凝器板式单元引出适量的含 O2≤2 PPm 的粗氩气进入纯氩塔中部,经纯氩塔的精 馏,在其底部得到合格 的液氩, 除一部分作为产品经调节阀送出冷箱进入液氩贮存系统外, 其余与来自下塔的中压 氮气换热,使其蒸发 作为上升气参与纯氩塔的精馏。 而液化后的液氮返回上塔顶部参与上塔的精馏。 纯氩塔顶部 设有冷凝器,使上升 气氩冷凝成液体作为纯氩塔的回流液, 该冷凝器的冷源为来自过冷器后的液氮, 液氮蒸发后 返回污氮出上塔管线 。

第三章 空气的净化 第一节 概述 空气中含有灰尘及少量的水蒸气、二氧化碳、乙炔和 碳氢化合物等气体。他们在低温条件下从空气中吸储,积聚在空分装置的一定区域内,堵塞 设备、甚至引起爆炸 ,影响操作和安全。为了提高运行的安全乡、可靠性和经济性,设置专门的净化设备、清除 空气中的机械杂质极 少量的水蒸气、二氧化碳、乙炔等有害物质。 第二节 固体杂质的清除 空气中含有灰尘等机械杂质,其含量在 0.005—0.01 克/米 3 之间变动。如果空气压缩机直接 吸入空气,机械杂质 就会损坏空气压缩机叶片、气缸,也能造成设备、阀门、管线的阻塞,因此在空压机的入口 管道上设置空气过滤 器、清除机械杂质。 KDONAr—30000/161610/930 型空分设备选用一台自洁式空气过滤器。 其工作过程是空气自 上而下从过滤器里向外 流动,空气透过滤布向外流动进入空压机入口,机械杂质着附在过滤器里表面,当机械杂质 附着在过滤布上的量

较多时,其过滤器阻力增加,当阻力达到 850Pa 时,从纯化器后抽出一股 0.52MPa(G)的空 气进行反吹,清除附着 在滤布口的机械杂质,阻力达到 350Pa 时自动关闭;定期将机械杂质从集灰斗内清出。 第三节 空气的纯化 为实现深冷法分离空气,空气液化前如不除去空气中的水分、二氧化碳和乙炔等杂质,将会 造成主换热器通道和 精馏塔板堵塞, 影响系统稳定和安全运行。 在分子筛流程净化空气之前的空分流程采用可逆 式热交换器流程,通 过冷冻脱除水分和二氧化碳。 再利用足够的污氮对可逆式热交换器吹扫以清除截留住的水分 和二氧化碳。可逆式 热交换器并不是在任何情况下都普遍适用的, 当要求不含水分和二氧化碳的纯产品超过处理 空气量的 50%时,它 就不能适用了。然而分子筛净化流程就不受此限制。随着空分装置规模的日益扩大,设备操 作的安全性越来越受 到重视,特别是这些装置位于严重污染区,例如在石油化工和化学联合企业。 一、空气纯化原理 1、原理 空气纯化是利用沸石分子筛的选择吸附特性,按照变温变压(TSA、PSA)吸附原理,吸附 空气中水蒸气,二氧化 碳,乙炔等有害成分。分子筛纯化系统由两只内装吸附剂(13X 和 Al2O3)的两只吸附器以 及切换阀门管道系统构 成。 来自预冷系统的含湿饱和空气首先自下而上流经其中一只吸附器, 在加压条件下空气中 的水分、二氧化碳、 乙炔等被分子筛吸附,由于分子筛的用量一定,因此在一定时间内,分子筛的吸附容量将达 到饱和,即吸附床层 穿透,分子筛无继续吸附能力。此时,通过手动或自动切换阀门的开关顺序,空气转而进入 另一只吸附器继续吸 附,原先吸附饱和的吸附器,首先向大气泄压至常压再引入被加热到 150℃左右的空气或污 氮气以与吸附工况相 反的气体流向对吸附器床层加热。 原先被吸附分子筛吸附剂颗粒内部的吸附质由于温度升高

而解吸出来,在热流 气体的推动下被解吸出来的水蒸气、二氧化碳、乙炔等被赶出吸附床外。由于此时吸附剂床 层的温度很高,不适 合下个循环周期吸附, 因此在完成加热时间后, 须引入未经加热的空气或污氮气体对吸附床 层进行吹冷,使吸附 剂床层的温度降低到接近吸附时的温度。至此,吸附器的再生工况完成,准备下次吸附。两 只吸附器就是如此交 替轮流吸附和再生工况,从而实现空气的连续净化。 2、专业术语或概念 注: 以下的概念说明如果在阐述其自身变化因而产生的影响时, 通常未综合考虑相关联的因 素。 2.1 何谓分子筛? 具有均一微孔结构, 并且能选择性地吸附直径小于其微孔孔径的气体分子的固体吸附剂。 主 要组成成分为硅铝酸 盐。分子筛广泛应用于气体分离和气体纯化。分子筛合成属高分子化工领域,其性能指标涉 及硅铝比、吸附容量 、抗压强度、孔隙容积、比表面积、堆积密度、颗粒尺寸等性能参数。沸石分子筛的硅铝比 越高,分子筛抗酸碱 的能力就越强,但一味提高硅铝比又会降低其吸附性能。X 型分子筛的硅铝比为 1 到 1.5, 可吸附的气体包括:氧 气,氮气,氪,氙,酸性气体,可溶性有机气体。13X 的微孔直径 10A(10-10 米=1A) 。 2.2 分子筛种类 分子筛按照其晶体结构分为:A 型分子筛(3A,4A,5A) 、八面沸石(X 型,Y 型) 、丝光 沸石、斜发沸石等。 2.3 何谓变温吸附(TSA)? 变温吸附是利用吸附剂吸附能力随温度的变化从而吸附分离所需组分的工艺过程。 当温度低 时,分子筛吸附容量 大,已吸附大量物质的吸附剂在当温度升高到某一程度时,吸附剂不但不能继续吸附,并且 将先前吸附的组分脱 附出来。 2.4 变温吸附与变压吸附之间的关系

变温吸附通常伴随变压吸附; 变压吸附不需要要外部热量导入,但吸附过程将发生温度变化; 变温吸附适用于微量组分的脱除,变压吸附适用于大量组分的分离; 变温吸附操作周期较长,变压吸附的操作周期很短。 变温吸附通常需要脱除的气体组分不是单一的, 一种或多种组分被吸附剂强烈吸附。 其余的 组分被微弱吸附,再 生气加温的目的主要是为了解吸强吸附组分,因此能耗很高; 变压吸附最显著的特点是周期短,切换损失大,压力波动显著,尤其对下游操作影响大。 为了继承 PSA 和 TSA 的优点并摈弃各自的缺点, 国外现在发展了一种新型的空气纯化工艺: TPSA。它比 TSA 净化工 艺可节能 20~60%。 2.5 分子筛中毒 所谓的分子筛中毒是指分子筛吸附某一组分物质后, 不能可逆解吸。 几乎永久丧失其吸附能 力,我们把这种现象 称为分子筛中毒。 在使用分子筛时, 应尽力避免被处理的工艺气体中含有易使分子筛中毒的 吸附质,如:SO2, NOX,Cl2,HCl,HF 等。 2.6 再生能耗 再生能耗(电能、热能)包括:金属加热、吸附剂加热、二氧化碳解吸热、水分解吸热、热 量损失等几方面所需 热量的总和。 2.7 吸附和解吸过程的热量变化 吸附剂吸附过程是一个放热过程, 吸附剂解吸再生是一个吸热过程。 空分纯化系统之所以能 够连续切换循环工作 正是基于此机理实现的。 空分纯化器系统的吸附剂在吸附期间, 床层温度由于吸附热通常将 上升 3~5℃甚至更高 ,床层温升与原料空气进吸附器的温度有关,进气温度越高,床层上升的温度也越高。然而 解吸期间正好相反。 再生加热初期, 吸附器出口将出现温度急剧下降, 导致空气中的水蒸气在吸附器出口接管外 表面凝结成小水珠, 这就是行业通常所说的“冒汗”现象。

2.8 吸附温度 吸附温度是指来自预冷系统的空气进到吸附器入口时的饱和含水温度。通常在 5?20℃的范 围内。 2.9 再生温度 再生温度是指吸附器吸附完成, 泄压之后, 经蒸汽加热器或电加热器加热后的空气或污氮气 体进到吸附器入口的 温度。通常为:正常再生 150?180℃;高温活化 220~250℃的范围内。 2.10 吸附压力 吸附压力是指纯化器正常工作时或最低的工作压力(工艺压力有别于强度压力)。单位:巴 (bar) 。吸附压力越 低,则吸附剂吸附容量越低,进到吸附器内空气的含水量越多,需要的再生气量增加,再生 能耗增大。 2.11 吸附(切换)周期 习惯上,吸附周期指单台纯化器从吸附开始到吸附结束时所经历的时间(单位:小时) 。严 格地讲,应该称为半 周期。因为一个完整周期应包括:吸附、泄压、加热、吹冷、充压五个步骤。吸附(半)周 期=加热+吹冷+充压+ 泄压。吸附周期越长,再生气量变小,能耗降低。但吸附周期增加,容器重量,吸附剂用量 增加,生产、运输、 采购等成本增加。 2.12 二氧化碳含量 纯化器系统的二氧化碳含量包括:原料空气的二氧化碳含量和纯化后空气的二氧化碳含量。 以 PPM(V)即体积百 万分比表示。吸附器进口空气的二氧化碳含量通常为 350~400PPM;吸附器净化后空气出 口的二氧化碳含量(净 化指标) 可达 1PPM 或更低。 空气纯化系统在吸附剂吸附二氧化碳满足要求时可确保彻底清 除空气中的乙炔。 2.13 露点 露点温度(简称露点)是指空气中水气含量不变,气压一定时,通过降低气温使空气达到饱 和时的温度,称为露 点温度,单位为℃。纯化器净化后空气出口的含水量可达到相当于常压露点–70℃,即水蒸

气含量 2.58PPM(V) ,相当于 20℃时每立方米空气含 0.001936 克的水分。 3、空分纯化系统的组成及各自的功用 空气分离纯化系统的组成通常包括: 3.1 吸附器两台 每只吸附器内装分子筛吸附剂和活性氧化铝, 用以除去空气中的水蒸汽, 二氧化碳以及乙炔 等杂质。分子筛常常 用 13X,也有选用 5A 分子筛吸附剂的情况。但通常认为 13X 的二氧化碳吸附能力优于 5A 分子筛,5A 分子筛再生温度 高于 13X 分子筛。小型空分纯化系统通常设计成单层床,常用 5A 分子筛。 吸附器结构 按绝热方式分为: 内绝热和外绝热 按型式分类: 立式吸附器和卧式吸附器 按床层分类: 单层床和双层床 3.2 阀门和管道切换系统 1 套 控制空气的流通和切断,改变空气流向,使两只吸附器交替工作。阀门通常为气动(电动) 程控阀,也可以是手 动阀。由于系统工作温度较高,因此要求阀门可长时间承受 250℃以上的高温。通常阀门选 型时,要求其工作耐 高温温度 300℃~400℃。 3.3 蒸汽加热器 1 台 蒸汽加热器的高温介质可以是饱和蒸汽或过饱和蒸汽。用以加热再生气(空气或污氮) 。加 热后的再生气温度通 常为 150~180℃。一般是为了满足正常再生活化的需要。蒸汽加热器的结构采用双管程单 壳程、双管板的 U 型管 换热器,双管板结构能够防止管程蒸汽串入壳程,保证再生安全。介质流向通常为蒸汽走管 程,再生气走壳程。 但如果蒸汽加热器采用立式结构, 则加热介质和冷却介质所在通道需交换, 这主要是因为蒸 汽在冷却介质带走热 量后会形成冷凝水, 并确保冷凝水被带出热流通道的缘故。 从蒸汽加热器的制造和传热效率 看,卧式蒸汽加热器

应略强于立式。 3.4 电加热器 1 台 电加热器的作用通常是为了满足纯化系统在高温活化期间, 提高再生器温度。 由于分子筛使 用时间过长,有可能 使得吸附剂内部的吸附剂解吸不彻底,长时间积累,造成吸附剂内部吸附质本底含量增加, 增大到某一程度,造 成整个纯化器系统的纯化效果下降。 此时, 就需要停止吸附并对吸附剂床层进行高温活化处 理,使吸附剂尽可能 恢复其最大吸附能力。高温活化的温度通常为 230℃~250℃。 3.5 仪表控制方面: 空气纯化系统需要检测控制的工艺参数有: 空气进口温度: 空气进口温度应保证在设计许可范围内。 由于空气进入吸附器时通常为饱和含水状态, 在压 力一定的情况下,温 度越高则气体中含水量越大。 因此, 空气进口温度越低越有利于吸附。 否则, 吸附温度越高, 吸附剂的吸附容量 下降,则造成吸附剂用量增加,容器重量增加,再生气量增加,再生能耗增加。 空气进口压力: 空气进口压力应保证在设计许可范围内, 可以允许高于设计工况的操作压力, 但必须满足吸 附器强度设计的要求 。在温度一定的情况下,压力越高,气体中的饱和含水量越小,并且吸附剂的吸附能力也随 压力增加而增加。因 此,空气进口压力在满足容器设计强度的前提下越高越有利。必须明确的是,压力容器的工 作压力不得超出容器 名牌所规定的压力。 再生气进口温度: 再生气进口温度在供用户的使用操作说明书中有明确的规定。 正常再生温度越高越好, 但应 考虑到经济合理性。 温度提高,能耗就越高。 冷吹气进口温度: 我们知道,吸附剂的吸附温度越高,对于净化效果的负面影响就越大。在纯化器内的吸附剂 层完成加热再生之后 ,此时吸附剂层的温度很高,不能满足吸附净化的使用条件,须用温度较低的污氮气对吸附

器内的吸附剂吹冷降 温, 直到吸附床出口的气体温度与吹冷气入口温度逼近为止。 再生阶段的加热和吹冷的气流 方向与吸附时的气流 方向始终相反。 再生气进口压力: 再生气的进口压力一般很低,通常小于 0.15Bar.g。该压力只要能够克服气体通过吸附床层 的阻力即可。因此在 纯化器结构设计时,需验证阻力损失是否满足工艺要求。但在整个深冷空分装置开车初期, 精馏工况还未建立前 ,不能提供污氮气体用作纯化器系统的再生气。此时,须由纯化系统自己提供再生气,从纯 化器出口引入所需的 再生气量经减压阀减压后用作再生气。 吸附床充压压差控制联锁: 当一只吸附器处于再生结束后, 在下次重新吸附前, 为了减小压力气体对吸附剂床层的冲击, 需先从正处于吸附 工况的纯化器出口引入小部分纯净气体对完成再生的纯化器充压。 当两只吸附器的压差小到 一定程度时,再生吸 附器充压完成,允许吸附切换。充压压差的控制联锁目的主要有两个方面:减少压力气体对 吸附剂层的冲击预防 吸附剂粉化;自动诊断和预防气动阀无法打开故障。 电加热器内部中心温度控制联锁: 此检测点的温度控制是为了防止电加器“干烧”损坏电加热管和延长电加热器使用寿命,同 时限制炉膛内温度不 得超过某一设定值。 纯化后空气质量检测: 纯化器出口的常压露点:-70℃ 纯化器出口的二氧化碳含量: 1ppm 4.确保并延长分子筛吸附剂的使用寿命 运行实践证明, 采用活性氧化铝和分子筛的双层吸附床工艺, 可减少再生能耗费用和避免由 于高温而引起的热膨 胀所导致的结构失效故障。 同时由于活性氧化铝首先和空气接触也利于分子筛的使用寿命延 长:活性氧化铝可以

保护分子筛在空气污染方面提供良好的防护, 并且活性氧化铝在温度较低或在完全没有加热 的条件下在压力降低 时也容易将所吸附的水分解吸, 不象分子筛那样需要加热实现水分解吸; 活性氧化铝吸附水 分的吸附热比分子筛 低,从而在干燥周期,空气温升较小,有利于二氧化碳在分子筛层的吸附。反之,活性氧化 铝再生活化时所需的 解吸热也较少。 二、纯化系统的操作 1、纯化系统流程 纯化系统的流程图见工艺流程图第四张。 2、纯化系统操作条件的具备 纯化系统安装完毕后,应对整个系统进行吹扫,保证系统管道畅通、干净,无残余灰尘、焊 渣及其它机械杂物。 可通过气密性试验检查安装连接处是否存在泄漏。吸附剂装填前的准备工作:起吊器具,装 填器具(漏斗、耙平 木具) ,搭建装填平台。吸附剂装填应尽可能选择晴朗天气,按吸附剂用量要求集中装填。 装填完后应将各装填 口密封, 装填时应作好装填记录。 吸附剂装填完后还应检查运输用盲板或封氮用盲板是否移 出,确认装置所需的 公用工程条件是否可靠提供(水、电、气、蒸汽等。 ) 注:本系统的操作还应兼顾总体系统的要求。 3、纯化系统的操作(用户装置系统以供给的本系统操作手册为准) 3.1 除手动阀门 V9218,V9228,V9231,V9219,V9220,V9213,V9225 外,关闭所有的 手动阀。打开所有分析测 量仪表的根部阀; 3.2 所有控制仪表电源,设备电源是否合闸接通; 3.3 确认仪表气源是否满足要求并供给; 3.4 打开控制系统的程序控制器; 3.5 将调压阀 V9226 出口压力调到 0.5bar.g 以下; 3.6 调整操作参数至设计要求; 3.7 检测纯化系统出口水分含量和二氧化碳含量指标。 操作过程描述 操作压力建立 开车初期,来自预冷系统的空气,首先经过小口径阀门 HV9203 进入纯化器 D9201 充压并 开始吸附,当吸附器内的

压力达到操作规定的工作压力时,HV9203 关闭且打开 V9201 以及纯化器出口阀 V9202 打 开,纯化后空气去分馏塔并 引入适量的纯化后空气用作再生气。 此时纯净空气压力较高, 必须经过减压后才能用作再生 气(考虑到电加热器 强度安全需要) 。直到精馏工况建立后,才能提供并使用干燥的污氮作为再生气。此时,关 闭手动阀 V9225。 在纯化器 D9201 吸附期间,纯化器 D9202 处于再生工况。纯化器再生实际上包括两个阶段: 前期加热,后期吹冷。 当吸附器 D9202 再生完成后(此时吸附器 D9201 仍然处在吸附工况) ,为了避免空气对吸附器床层造成压力冲击,先引一小股空气通过阀门 HV9204 对吸附器充压 ,充压程度及时间根据控制系统所设定的充压压差联锁值 PdIS9202 来决定。在程序所设定 的充压时间内,如果未 达到 PdIS9202 设定的充压压差条件要求则程序将自动延长充压时间,直到满足程序要求的 条件才会完成吸附周期 切换,此时 HV9204 关闭且打开 V9202 以及纯化器 D9202 出口阀 V9208 继续吸附。纯化器 D9201 则通过 HV9211 泄压,直 到吸附器内压力几乎完全降低到大气压力时为止. 接着,打开阀门 V9205 和 V9209,加热再生气开始对吸附器 D9201 加热再生。当加热再生 完成后,流量调节阀 FCV9201B 关闭,FCV9201A 打开,未经加热的污氮气对吸附器床层进行吹冷,直到吸附器 出口的污氮温度与吸附器 进口污氮温度几乎接近为止。通常为 1~3℃。吸附器 D9201 再生完成后,首先通过阀门 HV9203 对其充压,其后的 过程如前面吸附器 D9202 描述的一样,两只吸附器交替重复吸附和再生,保证了空气的连 续净化。 高温再生活化通常是在整个空分装置停车检修期间实施进行。 与前面描述的正常再生过程的 主要区别是:自循环 的净化后空气(或来自分馏塔的污氮气)首先经蒸汽加热器加热后,再经电加热器(无蒸汽 条件的用户仍通过串 联电加热器)继续加热到更高的活化温度,如 250℃,再进到吸附器对吸附剂孔隙内残存的

吸附质做彻底脱除, 使吸附剂获得并恢复其最大的吸附能力。 在吸附器工作期间,应经常观察并记录各个检测点的控制参数,如发现情况异常,应及时分 析故障原因并及时排 除。此外,对于一些手动阀也应定期检查,如检查疏水阀 V9229,V9221 等是否能够自动排 水。如果自动排水功能 失效,则打开与其并联的手动排水阀,并及时检修或更换疏水阀。 4、纯化系统正常再生的阀门工作时序图 4.1 正常再生工作时序(见附图一) 4.2 高温再生工作时序 高温活化与正常再生的阀门动作次序相同。 一般在全套空分系统检修期间进行。 加热温度更 高,加热时间和吹冷 时间均可延长,电加热器需要进程序控制。 三、纯化系统常见故障及排除 纯化系统故障表现是多方面的,由于单个或多种原因造成的最终结果不外乎归结到两个方 面: 1、二氧化碳含量超标 2、水分含量高(常压露点高) 事故分析之前,应弄清各个控制点的设计参数规定,具体的各个方面因素罗列如下: 项目 序号 故障现象 原因分析 解决措施 1 吸附压力偏低 a.阀门泄露 b.预冷系统气源压力低 a.检查阀门 b.检查预冷系统 2 再生气出蒸汽加热器温度不够 a.蒸汽量不够 b.换热管污垢阻力过大 a.加大蒸汽量 b.清洗换热管 3 再生气出现含水量 蒸汽泄露 检查蒸汽加热器换热管束 4 出电加热器温度偏低 电热管损坏 更换电热管 5 纯化器出口露点偏高 a.再生温度(气量)不够,再生不彻底 b.疏水阀不自动排污 a.提高再生温度(气量) b.检查疏水阀 6 二氧化碳含量超标 再生温度(气量)不够 吹冷时间不够 吸附压力不够 吸附温度偏高 二氧化碳分析仪不准 分子筛性能老化 提高再生温度(气量) 延长吹冷时间

同第 1 条 检查预冷系统 检查或校对二氧化碳分析仪 a.更换吸附剂; b.缩短吸附周期 纯化系统.操作简单,无人控制。但需要时常观察疏水阀情况是否正常,蒸汽条件和仪表空 气条件等公用工程耗 量的供应是否正常。设备初次开车合格后,记录各个工艺参数设定的用量条件和工作状态, 以便今后参考和操作 对比,方便经验总结。操作参数一经设定,原则上不得任意改动。设备运行、管理主要是一 个经验积累的过程, 在操作中不断总结、改进、优化、完善操作。在纯化器运行中,优先关注纯化后气体的二氧 化碳含量指标,该指 标实际体现了空气中其它有害成分的净化程度。由于分子筛经常长时间在加温条件下运行, 存在时效和老化问题 ,因此其系统运行性能必然出现衰减,不可能一直不变,因此,纯化系统的正常再生温度在 满足活化要求的前提 下,尽可能要低。这不仅能够延长分子筛的使用寿命,而且节约了能耗。如果纯化系统长时 间运行但其净化效果 不良, 如净化后空气常压露点高于―65℃; 二氧化碳含量高于 3PPM,则务必考虑缩短分馏塔 系统的维护、检修周 期,确保系统安全运行。 时间(min.) 阀门位号 0 15 V9201 V9202 HV9203 HV9204 V9205 V9206 V9207 V9208 25 70 120 135 145 190 240

V9209 V9210 HV9211 HV9212 FCV9201A FCV9201B FCV9201C 调节 调节 TCV9205 附图一 纯化器正常再生程序 注 表示阀门打开 本系统是以 2 小时切换一次表示

调节

调节

第四章 空气预冷系统 KDONAr-30000/16160/930 型空分装置空气预冷系统是空气分离设备之配套系统,它是串接 于空气压缩机系统和分 子筛吸附系统之间,旨在降低进分子筛纯化器的空气温度,来减少空气的含水量,并通过水 洗涤除去大部分水溶 性有害物质,以保证分子筛纯化器的安全工作。 一、空气预冷系统的工艺流程及原理 图 1 是空气预冷系统的流程简图。 从空气压缩机来的热空气进入空冷塔下部, 由下而上穿过 空冷塔中的下段、上 段填料,依次与冷却水和冷冻水进行微分式逆流接触而传热传质,达到冷却空气之目的。冷 却水由外界供给,冷 冻水由水冷塔塔底供应。 来自冷箱的污氮进入水冷塔的底部, 自下而上同冷却水在填料表面 进行微分逆流接触, 使污氮升温增湿后排入大气。

对于空冷塔,当进塔的热空气为不饱和状态,进塔水温低于进塔空气的露点时,经过塔内的 气液逆流接触,空气 为减湿降温过程, 传热方向都是由空气传给水; 而水的出塔温度将可能高于进塔空气露点时, 塔底的传质是由水

传给空气,而塔顶的传质是由空气传给水,故在全塔内传质方向是不同的。在改变传质方向 的塔截面处,水温将 等于空气露点。 对于水冷塔,当未饱和的冷污氮从塔底进入,与塔顶加入的热水逆流接触时,污氮在塔内被 加热增湿,水在塔内 被冷却。在塔顶,污氮被加热的极限是进塔水表面的饱和湿污氮状态。实际上,由于存在传 递阻力,污氮出塔温 度将低于进塔水温,故进塔水的温度与其表面上的饱和湿度必然大于出塔污氮的温度和湿 度。于是塔顶的传热和 传质都是从水传给污氮。在塔底,水被冷却的极限是污氮进塔状态下的湿球温度,而实际出 塔水温要高于湿球温 度。但因进塔污氮是未饱和的,湿球温度低于污氮温度,故出塔水温将有可能低于进塔污氮 温度。在此情况下, 塔底的传热由污氮传给水,而传质仍然是水传给污氮。从而可知在全塔内,传质方向都是由 水传给污氮,故污氮 在塔内是增湿过程;而传热方向是不同的,在塔内某一截面处改变传热方向,此处的污氮温 度等于水温,但在全 塔内仍是冷却过程。 在空气或污氮与水直接接触的增湿与减湿过程可以看出, 在气、 液两相之间同时发生热量和 质量传递。该过程是 由两个相和两种组分所组成的体系, 在气相的组分是不凝的干气和可凝的蒸汽; 在液相则是 与可凝蒸汽相同的单 一组成。虽然气体和液体中还可能混有其他组分,在气液接触过程中,也可能有某些杂质发 生溶解或汽化,但它 们的变化在计算中均不予考虑。 计算过程中的几个相关公式 泛点气速计算式

塔径计算式 填料层高度计算式 ,

二、空气冷却塔及水冷却塔的结构特点及其功能 1、 塔器的种类 塔设备类型有板式塔、填料塔、湿壁塔、降膜塔、喷雾塔等。其中最常用的是板式塔和填料 塔。各种塔的主要特 点如下表: 设备 流型 作用原理 连续相 主要应用过程 板式塔 错流、对流 积分 液体/气体 吸收、精馏、脱吸 填料塔 对流、并流 微分 液体/气体 吸收、精馏、提馏、增湿、去湿 湿壁塔(降膜塔) 对流、并流 微分 液体/气体 吸收、精馏、提馏、蒸发 喷雾塔 错流、对流、并流 微分 气体 吸收、提馏、增湿、去湿 综合与国外公司如法液空、BOC 和 PRAXAIR 合作设计和制造的空分设备的情况,他们的空 气预冷系统之空冷塔及水 冷塔一般为填料塔. 2、 填料塔 填料塔一般由筒体、填料、出口防带水装置、填料支架、气体和液体分布器、中间支架、再 分布器、气体和液体 进出接管以及人孔等部件组成。 液体通过液体分布器均匀分布在填料顶层, 在重力作用下沿 填料表面向下流动, 与在填料空隙中流动的气体相互接触,产生传热和传质。 2.1 筒体 筒体一般由金属板材制成。根据安装、检修需要,可采用整体焊接或分节组装结构。筒体各 部分的壁厚既要满足 强度和刚度要求,又要满足稳定性要求。 2.2 填料 塔填料是填料塔的核心构件, 填料的效率主要取决于填料的流体力学性能和传质性能。 塔填 料按其单元结构与在 塔内装填方式的不同可分为散堆(或颗粒)和规整(或整彻)型填料两大类。对每种类型的 填料,基于减少压降 、增大比表面积、增加流体扰动改善液体的分散和汇聚特性、增加表面对工艺流体的润湿性 能等以满足传热和传 质分离过程的要求。填料的性能由填料的材质、大小和几何形状来决定。 目前, 我们在空气预冷系统中使用的填料多为散堆填料, 其原因只要求是散堆填料与规整填 料相比,其价格低廉 。

散堆填料在塔内的装填方法有湿装和干装两种。湿装是在塔内先充满水(或工艺液体) ,然 后再装填塔填料。这 种装法床层空隙较大且均匀,同时又可防止填料间的碰撞损坏,广泛用于陶瓷填料、玻璃填 料等装填。干装是阄 将填料直接堆放在支承板上的装法, 广泛用于金属填料和塑料填料的装填。 干装比湿装虽然 简单,但床层空隙率 却比湿装的小。不论干装或湿装,均需保证填料层具有均匀的空隙率。散堆填料装填质量的 好坏(床层空隙均匀 与否)直接关系填料塔的流体力学与传质分离性能。 2.3 出口防带水装置 空气出口防带水装置由升气装置、捕雾器、水回流管线等组成。在回流管线上设置了液泛和 游离水大量夹带的信 号检测、 报警机构。 正常操作时空气夹带的游离水在升气管处分离后经限流孔板返回塔釜。 一旦出现误操作而 发生液泛或游离水的大量夹带,在升气管处即能将夹带的液团和泡沫有效分离并回流到塔 釜,彻底避免空气夹带 游离水进入后序的纯化系统。 填料支撑 填料支承用于支承填料。它应有如下特点:第一有足够的强度和刚度,能承受填料层和其中 持液的重量,以及操 作中附加的重量和压力;第二具有大于填料层空隙率的开孔率,防止在此首先发生液泛,进 而导致整个填料层过 早液泛;第三结构合理,有利于气液两相均匀分布,阻力小,好拆装。其结构主要有板式和 梁式两大类。 空气预冷系统中主要使用喷射式支承梁,它是迄今性能最好的填料支承板。其优点有: 自由截面率接近甚至超过 100%(此处自由截面率为支承板平面展开图上的自由面积与塔横 截面积之百分比) ;为 气、液两相提供不同的气液通道,从而避免了其间的流动干扰,即使在很高的气液负荷下压 降也很小;气、液两 相流体通量大,大于其他任何类型支承板; 能对气体进行均匀分布;从而保证了高效塔填 料发挥出较高的传质

效率 刚性好,易于分块和安装。

2.4 水分布器 填料塔的传质过程要求塔任一横截面上气液两相流体能均匀分布, 从而实现密切接触、 高效 传质。其中。液体的 初始分布至关重量。它不仅决定填料层润湿均匀程度,而且直接影响气体的均匀分布。 理想的液体分布器应具备以下条件: 第一 与塔填料相匹配的分液点密度和均匀的要布质量; 第二 操作弹性较大 ,适应性好;第三为气体提供尽可能大的自由截面率,实现气体的均匀分布,且阻力小;第 四 不易产生雾 沫夹百叶窗,抗污垢性能好;第五 结构合理,便于制造、安装、调整和维修;第六 结构紧 凑,占塔内尽可能小 。 液体分布器按分布液的原理分为重力型和压力型。按液体初始分布器的结构特征为喷洒式、 盘式、管式和槽式。 空气预冷系统中主要用压力排管式液体分布器,其特点为:在排管下方侧面开有小孔,水通 过压力由小孔流出, 分布点较多,而且分布均匀;为气体提供了很大的自由截面积,阻力小;占塔空间小,结构 紧凑;易于支承;造 价低廉。 2.5 气体进出口管及人手孔 气体进口管的设计主要考虑气流分布均匀、 结构简单、 阻力小、 便于制造安装、 经济性好等。 人手孔主要用于装卸填料及内件。人手孔的位置应有利于装卸填料及内件。 三、空气预冷系统的安装、使用和维护 1、 安装及试车要求

本系统的平面布置、 管道系统配置、 管路和基础设计等由工程设计考虑, 并应注意以下必点: ①空气冷却塔、水冷却塔安装过程中,严禁在塔体上动火。 ②空气冷却塔、水冷却塔安装过程中,垂直度要求应符合 JB4710。 ③空气预冷系统安装就绪后,应作检漏试验。 ④空气冷却塔的冷段和水冷却塔的冷段、 空气出空气冷却塔管道和污氮气进水冷却塔管道以 及冷水管道均应有保 温措施,液位测点应有防冻设施,以免冻结,使液位控制失灵。 ⑤在安装空气冷却塔及水冷却塔的内部零件与填料时, 应注意人身安全, 填料必须尽量装满, 防止在运行时,填 料在塔内跳动。 ⑥本系统的液位是自动调节的,并设有空气出塔温度压力报警联锁,空气冷却塔、水冷却塔 液面高位报警联锁和 低位报警联锁等 ,当自动调节系统失灵时,可采用手动控制,但应尽快修复。 ⑦冷却水泵和冷冻水泵每组两台,一用一备。 ⑧检修水冷却塔前,应先用足够的空气进行置换,彻底驱除塔 内及管路中的残余氮气,同 时对设备内的气体进 行分析,含氧量应大于 20%,才能进行检修,以确保有身安全。 2、 起动操作 ①各项准备工作就绪后,打开各压力表和液面计阀。 ②打开冷却水进口阀(V9147、V9126 阀) ,向水冷却塔内加水,待液面计 LI9104 液位计指 示为 1250~1350mm 时关 闭旁路阀(V9126 阀) 。 ③向空气冷却塔内送入空气,待塔内压力升到正常值并稳定后,按如下顺序操作; A、 向空气冷却塔中部供水与向塔外排水; 打开冷却水泵进口阀(V9118 阀) ,启动水泵(P9101-1) ,打开冷却水泵出口阀(V9120、 V9122 阀) ,水进入空 气冷却塔中部,注意控制冷却水流量计阀(FICA9101)的流量在 370m3/h 左右,当液位计 (LI9102)指示接近正 常值(2500mm)时,开启疏水阀(V9102、V9105 阀)向外界水回收系统排水并注意保持 液位计(LI9102)液位于 2500mm 左右; B、 打开冷却水进口阀(V9127、V9128 阀)向水冷却塔供水 C、 向水冷却塔送空气 空气分离系统刚启动不久,进入系统的空气量较少,此时应慢慢开启空气旁路阀(V9114、 V9113 阀) ,一部分经

空气冷却塔冷却的含水蒸汽量低于外界的空气进入水冷却塔, 水冷却塔的排水温度将进一步 降低。 D、 空气冷却塔上部供水 打开旁路阀(V9135 阀) 、冷冻水泵进口阀(V9138 阀) ,启动水泵(P9102-1) ,打开冷冻水 泵出口阀(V9140、 V9142 阀) ,水流入空气冷却塔上部,冷冻水流量计阀(FCV9102)自动调节,使冷冻水流 量计阀(FICA9102)流 量在 83.5 m3/h 左右,并注意保持 LI9102 液位于 2500mm 左右; 3、 正常操作 ①启动阶段调节稳定后将液位控制从手动转为自动,其操作方法是关旁路阀(V9102 阀) , 开自动阀(V9103、 V9104 阀) ,空气冷却塔自动向外界排水,操作时应注意保持液位在液位计的中上部,并检 查各仪表是否正常。 ②关闭旁路阀(V9135 阀) ,使去冷冻水泵的水均通过水冷却塔冷却。 ③自动调节冷冻水流量计阀(FCV9102 阀) ,使冷冻水流量计阀(FICA9102)的流量在 83.5 m3/h 左右。 ④随着空气分离系统逐步降温,直至正常运转,相应地关小直至关闭空气旁路阀(V9114 阀) 。 4、 停车操作 先停水泵,同时关闭各泵的进口阀门,然后放气降压。如属长期停机,则应打开各吹除阀, 将设备内积水排尽, 视情况进行清洗。 5、 空气冷却塔、水冷却塔的控制与报警联锁 压力 空冷塔空气压力低于 450kPa 时报警; 压力低于 400kPa 时联锁水泵停机并打开空压 机放空阀。 温度 空气出空冷塔温度过高报警。 水位 当水位高于 3000mm(水冷却塔为 1900mm)或低于 2000mm(水冷却塔为 400mm)时 排放阀自动调节液面并将报 警;水冷塔水位过高,还可由溢流管外排. 阻力 空冷塔空气阻力高于 11kPa 时报警; 液泛 通过设置在出口防带水装置上的信号检测装置进行报警。 四、空气预冷系统在运行过程中出现的问题及解决方法 1、 低温水垢形成 低温垢形成机理:在 pH 值 8.8 的条件下,循环水中将有大于 10%的 HCO3-转化为 CO32 -。在这种情况下,循环水中 的 CO32-含量将大于 25mg/L,超过水质控制指标(5mg/L)的 5 倍,致使水中的 CaCO3 含量在 0 至 40°C 范围内,远

远超过其溶解度, 而以介稳状态存在于水中, 这时水质和外界条件的微小变化将导致 CaCO3 的结晶析出。 处理方法: ①正常情况下水质稳定剂是通过对钙、 镁离子、 离子组合物作用和对碳酸钙的微晶核的分散 作用,扩大了碳酸钙 的介稳区,而保持运转条件下的水质稳定。由于阻垢剂均为水溶性高分子化合物,基钙、镁 离子组合物,在水温 降低时溶解度均下降, 有关实验早已证明有机磷型药剂在高钙低温冷却水中, 会发生药剂沉 淀。因此廖水处理药 剂在低温条件下,其钙镁纵使物发生沉淀。另外,碳酸钙在 0°时溶解度为 20°的两倍,碳 酸钙的低温溶解,提 高了低温水的钙离子含量,进一步强化了水处理药剂的沉淀作用。 ②采用的是离子静电水处理器,通过分析进出水冷却塔的水中的钙离子含量。 2、 水冷却塔出水温度高 如兰化 20000 空分在正常操作后,操作工反应,原空气冷却塔空气出口温度应为 10℃左右, 实际时空气出口温度 为 16.5℃左右。同时他们发现去空气冷却塔上部冷冻水进口温度为 22℃,而冷却水进水冷 却塔温度为 28.5℃,因 此分析水冷却塔可能不制冷。 但根据水量、 污氮量等实测数据, 水冷却塔水温不应该如此高。 后分析流程,发现 可能为旁路阀(V9135)开着,一部份水未经过水冷却塔直接进入水泵,导致水冷却塔出水 与这股水混合后,水 温度远高于设定值。后从江铜得析的确如此。

第五章 换热系统 一、铝板翅式换热器的主要特点 1、间壁式换热器。介质之间相互不混合; 2、紧凑式换热器。单位价体积的换热面积一般在 900~2000m2 以上; 3、高效能换热器。由于翅片的独特结构,增强了流体的对流放热系数; 4、质量轻。换热器用铝合金构成,在相同工艺条件下,重量约为管式换热器的 1/10。 5、小温差。铝板翅式换热器流体间的最小温差可以小到 1℃,热端温差可到 1~3℃。 6、耐压高。由于铝板翅式换热器采用钎焊工艺把翅片和隔板间紧紧地钎在一起,所以它承 压高。我们公司现在

的大型板翅式换热器可以到 8MPa。 7、多股流同时换热。同一板翅式换热器中可以多达 13 股流同时进行热交换,并可以根据工 艺的需要从不同的温 度点抽出。 8、低温装置多用。铝板翅式换热器由铝合金构成,多用于低温,高温用于 200℃以下; 9、不耐蚀。由于铝合金不耐蚀,故对铝合金有腐蚀的场合不能使用,主要是影响其使用寿 命。 10、易阻塞。由于翅片的节距多为 1mm~4.2mm 之间,所以介质中不能有固体杂质,包括 分子筛、珠光砂、管道铁 锈等。 二、铝制板翅式换热器的结构与组成 流体的每一层通道由翅片、隔板、封条组成,每层通道在特定方位上都设有流体的进出口, 并用该流体的进出口 封头分别包容该流体的每层进出口,焊上各自的接管而组成为一个铝板翅式换热器。 铝板翅式换热器是由板束、 封头及支座等附件组成。 下图是多股流板翅式换热器的结构示意 图: 图 2-1 多股流板翅式换热器结构示意图

1、板束体 板束体是热交换的场所,是换热器的主体部份。结构单位是层(通道) ;每层由导流片、翅 片、封条、隔板组成 ;根据传热的要求秩序叠置在一起就构成了板束体;板束体整体用真空钎焊,不可拆卸;层 的结构如图 2-1 所示 。

图 2-2 板束体层的结构示意图

1—封条;2—隔板(或侧板) ;3—翅片(或导流片) (1)翅片 翅片是铝板翅式换热器的基本元件, 传热过程主要通过翅片热传导及翅片与流体之间的 对流传热来完成。所 以说翅片为流体热交换提供扩展面积和支承强度;节距一般从 1mm~4.2mm,故不清洁介质 不能入内,以免堵塞, 特别在试压、管道吹扫时应特别注意; 翅片分为锯齿型、多孔型、平直型、波纹型等。具体结构如图 2-3 所示。

a :锯齿型翅片

b:多孔型翅片

c:平直型翅片 d:波纹型翅 图 2-3 主要翅片类型 (2 )导流片 导流片在铝板翅式换热器中主要是起流体的进出口导向作用。 根据板束的宽度及导流片在板束内的开口位置和开口方向, 导流片一般有如图 1-4 (a)(h) 所示等多种型式。

通道侧面开口型导流片结构示意图 意图

通道敞开导流片结构示

(a) 通道中间开口导流片结构示意图 (c)

(b) 通道端头局部开口的导流片结构示意图 (d)

通道侧面开口导流片结构示意图 (e)

通道侧面开口导流片结构示意图 (f)

板束中部通道中流体导出导入时导流片结构示意图 板束中部通道流体导入或抽出时 导流片结构示意图 (g) (h) 图 2-4 导流片结构示意图 (3)封条 封条在每层的四周,把介质与外界隔开;在流体进、出口处开口;封条常用截面形式 如图 2-5(a)所示。 端部接口型式如图 2-5(b)

常用封条的截面型式 图 2-5(a) 封条端部接口型式(以截面型式 IV 为例) (b) 图 2-5 常用封条结构示意图

(4)隔板 隔板是二层翅片之间的金属平板, ,它在母体金属表面覆盖有一层钎料合金,在钎焊时合金 熔化而使翅片、封条 与金属平板焊接成一体。隔板把相邻两层隔开,热交换通过隔板进行,常用隔板一般厚 1mm~2mm; (5)工艺层 工艺层是从强度、 热绝缘和制造工艺等要求出发, 在板束的顶部和底部设置的与环境大气相 通,不进行热交换的 通道。浸浴式换热器如主冷凝蒸发器不设置工艺层; 2、封头 封头通常由封头体、接管、端板、法兰等零件经焊接而成。封头用于流体分布;接管材料通 常是 5A02 或 5083 (1)封头的接管与外部管道联接时,采用焊接结构见图 2-6(a) ; (2)封头的接管与外部管道联接时,采用法兰联接结构见图 2-6(b) ; (3)封头的接管与外部异种金属管道(不锈钢或铜)采用焊接结构见图 2-6(c) ;

1—闷盖(工艺封头) ;2—接管;3—封头体 —封头体 接管与外部铝合金管道采用直接焊接的封头结构 接的封头结构 (a)

1—法兰;2—接管;3 接管与外部管道采用法兰连 (b)

1—异种金属接管; 2—封头体 异种金属接管与外部不锈钢(或铜)管道连接的封头结构 (c) 图 1-6 封头结构示意图 (5)封头/接管的配置形式(典型的配置图见图 2-7) (a) (b) (c) 图 2-7 典型的封头/接管形式 3、其它 其它附属装置包括:支座、吊耳、隔热等; (1)支座支承换热器的重量,支架与支座相连;支座根据需要设计成不同形式;如果绝热, 支座要考虑隔热; (2)吊耳为换热器吊装使用; (3)铝板翅式换热器外面一般都要考虑隔热。通常采用干燥珠光砂、矿渣棉或硬性聚胺脂 发泡等方法; 4、多板束单元 多板束单元是指由两个或两个以上的板束通过并联焊接的方式连接成一体, 组成的板束, 以解决装置需要与 钎焊设备尺寸限制的矛盾;图 2-8 为并联焊接的方式连接为一体的板束。

1—板束体 1; 2—板束体 2 图 1-8 多板束组成的铝板翅式换热器单元结构图 4.铝板翅式换热器组 板翅式换热器可根据需要进行并联或串联,这样就形成了换热器组。 铝板翅式换热器组是由两台或两台以上的铝板翅式换热器按不同的配管形式进行组合 (并联 或串联)而构成(见 图 2-9) 。并联布置时应注意换热器间流量分配的均匀度;

1—铝板翅式换热器单元体; 2—连接发兰; 3—连接接管; 4—单元体间连接管道 图 2-9 铝板翅式换热器组的构成示意图

三、铝板翅式换热器制造过程 铝板翅式换热器的制造主要分板束体的制造和封头等附件的制造。如下图所示。 板束体的制造可分为四个部份: a.翅片、隔板和封条等的加工。翅片要采用专用机床冲制加工以保证其高精度的尺寸公差要 求; b.翅片、封条隔板等的清洗。为保证钎焊质量,所有钎焊工的零件必须按规范进行清洗,并 在清洗后保持其清洁 度; c.清洗后的零件按图样和技术要求装配好,并采用正确的装夹方式装夹; d.装夹好的板束体在真空钎焊炉中进行真空状态下的钎焊。 也就是说板束体上所有零件都是

钎焊在一起的。钎焊 的熔化化温主度约在 570℃左右。在对钎焊部位进行热工时(包括氩弧焊)要特别注意,以 免损伤钎缝。 封头体、接管、支座等下料后按图样和技术要求进行加工。所有设计和探伤要求遵循 JB4734《铝制焊接容器 》和 JB4730 的要求; 所有附件用交流氩弧焊接在板束体上就形成了板翅式换热器; 焊完后的换热器按图样和标准进行工艺试验。主要进行如下工艺试验: a.气密性试验。验证所有钎焊缝和氩弧焊缝的致密性。气密性一般在水中进行。 b.强度试验。验证设备的强度性能。强度试验多采用水压。 c.根据设备的要求进行其它试验。 试验完工后的换热器进行烘干后(露点低于-5℃)用干燥无油氮气封存,经包装后准务 发运。

四、铝板翅式换热器在空分设备中的分类 空分设备中铝板翅式换热器可根据功能进行简单分类。可分为氧氮系统和氩系统两大类。 氧氮系统换热器主要包括:主换热器、主冷凝蒸发器(简称主冷) 、过冷器、膨胀后换热器 (根据流程需要设置 )等。 氩系统换热器主要包括:粗氩冷凝蒸发器、精氩塔塔顶冷凝器、精氩塔塔底蒸发器、氩换热 器(根据流程需要设 置)等。

以下是主要换热器的系统中的功用: a.主换热器。位于冷箱中介质的出(产品介质)入(空气)口,对出冷箱的介质进行冷量回 收,回收冷量冷却空 气进下塔和冷却增压空气进膨胀机。 主换根据流程的组织方式可采用分置式和合置式。 分置式是返流产品介质分别设置单独 换热器,如氧换热器 、氮换热器等。而合置式在每只换热器中均有所有介质。对内压缩流程主换也可把高、低压 板式分开,形成高压 板式和低压板式。 下图是一只典型的多股流主换热器换热流程示间图:

下图是一只典型的二股流主换热器换热流程示间图:

b.过冷器。过冷器用上塔的氮和污氮气过冷从下塔进入上塔的液空、液氮(污液氮) ,降低 节流后的汽化率。液 空过冷和液氮过冷一般在结构上作为一个整体,分上、下段。 下图是一只典型的过冷器换热流程示间图:

c.主冷凝蒸发器。主冷位于上、下塔之间,为浸浴式换热器。下塔顶的饱和氮气经过主冷被 液氧液化返流作下塔 精馏回流液; 上塔底液氧被氮气加热沸腾蒸发汽化向上作上塔精馏的上升汽。 所以说主冷是 联接上下塔的钮带。

下图是浸浴式主冷的工作原理图:

对主冷的液氧浸浴高度一般为 100%高,并要求对其中的碳氢化合物进行监测,根据流程确 定是否采用定期排放液 氧,以上措施均为保证主冷的安全运行,特别是在启动或停车(包括临时停车) 。 d.粗氩冷凝蒸发器。位于粗氩Ⅱ塔顶部,用下塔节流后的液空冷凝粗氩气,为粗氩塔提供精 馏回流液。粗氩冷凝 蒸发器为浸浴式换热。原理图同上,液空浸浴高度可根据负荷调整。 e.精氩塔塔顶冷凝器。位于精氩塔顶,用液氮冷凝饱和精氩汽,为精氩塔提供精馏回流液。 精氩冷凝器为浸浴式 换热。原理图同上,液氮浸浴高度可根据负荷调整。 f.精氩塔塔底蒸发器。位于精氩塔底,用气氮蒸发饱和液氩,为精氩塔提供精馏上升汽。精 氩蒸发器为浸浴式换 热。原理图同上,液氩浸浴高度可根据负荷调整 g.膨胀后换热器。用冷介质(如出上塔的氧气等)进一步冷却膨胀后的空气进上塔,优化精 馏。 五、铝板翅式换热器使用说明 铝板翅式换热器广泛用于低温精馏装置,如空气分离与液化设备、天然气分离与液化、乙烯 精馏;也用于化工处 理、机车冷却和其它领域; 本使用说明为铝板翅式换热器安装、 使用、 维护的一般知识, 对文中黑体字部份应特别注意, 以免对设备或人员 造成伤害。在使用过程中对不清楚的地方应向制造厂家咨询。 1. 铝板翅式换热器结构介绍 1.1 铝板翅式换热器属间壁式紧凑换热器; 1.2 铝板翅式换热器的材质为防锈铝合金; 换热介质在工作温度下不能对铝合金产生腐蚀或 与铝合金有化学反应 ;这样会降低换热器的使用寿命; 1.3 板式由接管、板束体、其它附属装置组成; 1.3.1 接管 连接换热器与外部接管,可采用焊接、法兰连接或双金属接头连接;接管与板束体相连是封 头,封头用于流体分

布; 接管材料通常是 5A02 或 5083 1.3.2 板束体 板束体是热交换的场所,结构单位是层;每层由导流片、翅片、封条、隔板组成;层组合为 板束体高度(厚度) ;整体为真空钎焊,不可拆卸; 1.3.2.1 导流片分进、出口导流片,引导流体进、出各层; 1.3.2.2 翅片为流体热交换提供扩展面积和支承强度;节距一般从 1mm~4.2mm,故不清洁介 质不能入内,以免堵塞 ,特别在试压、管道吹扫时应特别注意; 1.3.2.3 封条在每层的四周,把介质与外界隔开;在流体进、出口处开口; 1.3.2.4 隔板把相邻两层隔开,热交换通过隔板进行,常用隔板一般厚 1mm~2mm; 1.3.3 其它附属装置包括:支座、吊耳、保冷等; 1.3.3.1 支座支承换热器,支架与支座相连;如果需要,支座要考虑隔热; 1.3.3.2 吊耳为换热器吊装使用; 1.3.3.3 当换热器工作温度高于、低于环境温度时换热器应保温以减少冷损。保冷通常采用 聚胺脂发泡或干燥珠 光砂保冷; 1.4 板式可根据需要进行并联或串联以解决装置需要与钎焊设备尺寸限制的矛盾;并联布置 时应注意换热器间流 量分配的均匀度; 2 板式安装 2. 1 设备到达检查 板式运输一般采用密封式包装。 设备运到后应立即检查包装箱在运输过程中是否受损坏; 如 有损坏,应及时与制 造商联系;不采用密封包装时应仔细检查换热器外表。 2.2 存放 如果换热器不能及时安装,换热器应注意保管。保管注意事项: 2.2.1 换热器在出厂前对各通道已经干燥处理。当设备存放周期很短而贮于室外时,应注意 以下各点: 2.2.1.1 建议远离施工现场;不要拆开包装箱; 2.2.1.2 存放地应避开车辆和震动;设备上面不得堆放设备; 2.2.1.3 存放地应避免汽、液对设备材料的腐蚀;特别是海洋地区; 2.2.1.4 避免温度突然变化; 2.2.1.5 对敞口通道或敞开管道应特别注意,不能进水、沙或其它杂质; 2.2.2 如果存放周期较长,设备应贮于室内,且定期检查换热器内是否有正压,并通过氮封 气门蕊定时补充 0.02~0.05Mpa 的干燥氮气或干燥无油空气(露点低于-5°C) ;

2.3 板式安装: 2.3.1 板式拆开包装后,清点装箱清单、文件资料等是否完整;应从图纸和设备仔细了解换热 器的重量、尺寸、起 吊位置、吊装方式、吊装设备的吨位和台数。只有方案确定后才能开始吊装换热器。 2.3.2 在安装前须检查法兰密封面,如有缺陷及时向制造厂家反映,以使之得以处理; 2.3.3 安装前,有条件时最好对设备按规定压力、用干燥、无油、清洁的气体进行气密性检 查。试压时必须注意 安全。注意:氮封法兰或盲板不能用于试压,当不能确认时,请与制造商联系。 2.3.4 安装 2.3.4.1 吊装前,应仔细检查吊装设备和吊装索及联接处是否完好,确认安全。 2.3.4.2 换热器为铝质品,建议采用尼龙纤维带或表面带有纤维的钢绳吊装。在换热器的棱 角处用角铝或角铁保 护。 2.3.4.3 换热器从包装箱中应水平吊出;对立式安装的换热器,再从水平位置转为竖直位置。 在搬运过程中,未 经制造厂允许, 严禁在接管、封头、集合管等部位进行吊装或承受载荷; 起吊应平稳、缓慢, 注意钢架等联接处 是否异常,注意安全;严禁在吊运过程中对换热器造成撞击或迭落,否则会对换热器内部造 成损伤。 2.3.4.4 换热器工作温度低于环境温度,换热器支座应与支承隔热;如果采用冷箱,冷箱底座 与地基连接中间建 议加隔热垫块;所有联接的螺栓均应按规范拧紧。 2.3.4.5 管道与外部连结应考虑设备运行时冷收缩; 换热器上的管道均是铝管, 外部与它相联 的钢管应加管架, 避免在铝管上外载荷过大。 2.3.4.6 如果采用冷箱保冷, 冷箱安装好后从冷箱顶部的人孔装填补充满珠光砂; 装完后应装 好人孔盖; 2.3.4.7 外部管道与换热器相连时应确保外部管道中清洁无杂质。换热器管道与外部管道采 用焊接时,应采用机 械的方法去除闷盖,注意不得有铝屑等杂物进入换热器中,以免堵塞换热器;切割时管口可 向下;焊接时应注意 安全,附近如有易燃品时,必须移开。 2.3.4.8 法兰安装时,两法兰面必须平行。先清洁法兰表面,拧紧法兰螺栓时应对称、均匀 用力。提示:密封垫

片不宜重复使用。 3、操作 3.1 系统试压 换热器连接好后,在系统开车前,换热器应与系统一起用清洁、干燥、无油气源试压检 查,包括与外部管焊 缝等部位; 注意试压压力不得超过换热器气密性试验压力。 对低温运行或介质中不能有水的 环境,试压不得带水 入换热器中。 3.2 热交换介质的要求: 3.2.1 换热器中的介质应该清洁、对铝合金无腐蚀。未经许可,介质中不能含有杂质或易沉 积的物质。 3.2.2 为防止板束体被固体、颗粒杂质堵塞,建议在介质进入换热器前管口使用过滤器。在 管道设计和安装过滤 器时应考虑过滤器的拆开清洗、更换。 3.2.3 换热器被堵塞后,运行阻力会增大,换热效果下降,温差加大。 3.3 操作前应确认: 3.3.1 各管路口连接正确; 3.3.2 操作应注意: 3.3.2.1 介质为低温工质时,板束体内部保持干燥,严防带水入内,以免冻堵或冻坏换热器通 道。如果板束内部 有水分存在,应用干燥、清洁的气体(低于 80~100℃、露点低于-5℃、压力 0.1~0.2MPa) 吹除烘干。 3.3.2.2 开车过程中升温(或降温)不能过快,建议控制在1℃/分以内,以降低温度应力的 冲击。 换热器同一截面冷、热介质的温差不要超过 50℃,以减小温度应力,特别是液相换热或两 相流换热时; 3.3.2.3 使用过程中,操作压力应小于标牌规定的最高工作压力,严防超压使用。换热器自身 不带安全阀,在管 道上考虑安全泄放装置; 在设计压力下,换热器使用温度不允许超过设计温度。 3.3.2.4 对切换换热器,应注意控制热端、冷端的温差和切换周期,以免冻堵板式。 3.3.2.5 设备停车后,应及时将存于设备内的液体排放掉,以防液体温度升高后蒸发,压力骤 然升高; 3.3.2.6 为保证装置稳定和连续运转, 经常核对流体工艺参数 (压力、 温度、 流量和压降等) , 当出现不正常时 ,应查明原因并及时处理;可能出现的现象及原因: a 运行阻力值增大。原因:内部流道堵塞; b 流过换热器介质纯度变化。原因:窜气;

c 流过换热器介质产量减少或外部结霜。原因:外漏; 4、技术性能、安装尺寸:产品的主要技术性能、参数、接管管口及安装尺寸详见产品总图。 5、维护与保养 5.1 换热器要防腐蚀; 5.2 检查板式是否泄漏,可采用保压或用肥皂泡进行检查;注意保压压力不能超过换热器设 计压力; 5.3 当确认换热器已经泄漏,对钎焊结构的修补必须专业人员进行,否则外漏会反而加大。 严禁带压修补。 5.4 当换热器被堵塞,部份情况可根据堵塞的介质进行物理或化学清洗。对水或冰堵可用加 温方法处理。当不清 楚时可与制造商联系。 5.5 进入冷箱时,应注意珠光砂窒息或缺氧窒息。 6、制造、检验、验收标准 JB/T7261-94《铝板翅式换热器 技术条件》标准。 《压力容器安全技术监察规程》 法兰等其它设备按相关标准。

第六章 空分机器 第一节 透平膨胀机 一、概述 目前低温技术应用非常广泛,从航天到超导,从气体分离到能量回收等,而低温能量的获得 主要依靠气体的膨胀 ,特别是气体的等熵绝热膨胀,透平膨胀机则是实现这一膨胀的一种有效设备,现已广泛地 应用到气体液化分离 、能量综合利用等方面。 二、膨胀机的形式 1、活塞式膨胀机:通称容积型,其特点是适宜于小流量、高压力、大膨胀比工况;缺点则 是结构复杂、体积大 、易损件多、操作维护复杂。 2、透平膨胀机:通称速度型,其特点是转速高、体积小、重量轻、结构简单、易损件少, 因而制造维修工作量 小,适宜于大流量、中高压力而初温较低。 按工作原理分为: 1、冲动式:膨胀过程完全在静止的喷嘴中进行; 2、反作用式:膨胀过程不仅在静止的喷嘴中进行,还在叶轮中进一步膨胀。 按气流流动方向分为: 1、径流式:气体在垂直与旋转轴的平面内沿半径方向流动;

2、轴流式:气体沿着平行于工作轮旋转轴方向流动; 3、径轴流式:气体由径向流入工作轮而又轴向流出。 轴流式 径流式 径轴式

三、透平膨胀机基本结构及工作原理 (一)基本结构 (二)膨胀机由通流部分、制动器及机身三部分组成 膨胀机通流部分:蜗壳、喷嘴、工作轮、扩压器 制动器:1、压缩机——入口管、叶轮、扩压器、蜗壳 2、风 机——入口管、叶轮、扩压器、蜗壳 3、电 机 机身:支撑合格热作用 (三)工作原理 1、气体在喷嘴中的流动 设置喷嘴的目的是使气流的动力能转变为气流的速度能并且使气流降温,在喷嘴前后存 在着压差,这些压差 推动着气流流动。当气流通过喷嘴时,由于减压膨胀而使焓值降低,即使压力、温度下降, 这些焓降转变成气流 的动能, 使在喷嘴出口处气流获得巨大的速度, 因此喷嘴主要解决的问题是保持合理的形状 以减小各种损失。 喷嘴在结构上可分为三段:即进口段、主体段、出口段 主体段又可分为 2 类:渐缩喷嘴(当喷嘴出口马赫数小于等于 1) 缩放喷嘴(当喷嘴出口马赫数大于 1) 2、气体在工作轮中的流动(反动式透平膨胀机) 工作轮的作用: (1)把喷喷嘴出来的高速气体的动能,通过工作轮转化为机械能并由主轴外输出做功,以 降低内能使温度进一 步降低。 (2)使气体在工作轮进一步膨胀做功,进一步降低气体的焓值和温度; (3)改变气体的流动方向,使它由径向转换为轴向流动 反动度:气体在工作轮中膨胀的程度 反动度(ρ )=工作轮内的等熵焓降(h25)/总的等熵焓降(h0) 工作轮结构:目前常用的是带径向叶片的半开式和闭式叶轮 气流到可分为主体段:使气流由外圆向中心的径向流动 导流段:使气体转为轴向流动(减少流动损失,提高效率) 3、气体在扩压器中的流动 为了使工作轮流道避免减速运动,以减少流动损失(工作轮出口速度可达 50-80 米/秒, 甚至更大) ,为了充

分利用能量及减少管道流动摩擦损失,在工作轮出口外设置扩压器(与喷嘴作用相反) 。 (四)透平膨胀机在焓—熵(i-s)图上的工作过程与效率 在 i-s 图上的膨胀过程 η s=/h0=(i0-i4)/(i0-i2s) (ρ=h2s/hs) 四、透平膨胀机的组成 主机、密封器系统、供油系统、仪控系统 (一)主机:主机由蜗壳、转子、喷嘴、传动机构、轴承、密封、机身 1、蜗壳:它是为了使气流顺利地改变方向并均匀分配给喷嘴,原则上保证气流在出口 内圆上成轴对称流动 。材料为铝合金、铜合金及不锈钢。 2、喷嘴:透平能量转换的主要部件,近年来均采用叶片可以转动的可调喷嘴,以调节流道 的通流面积,从而调 节气量。材料为 3Cr13。 3、转子:由主轴、膨胀机工作轮、增压机工作轮及轴封组成。 通常采用的双悬臂转子,即两个工作轮外伸在两个轴承之外,转子是透平的核心部件,除要 求有良好的空气动力 性能外, 由于它是高速转动的零件, 还要求有较高的动平衡精度及要求自振频率 (临界转速) 远离其工作转速。 4、轴封:避免膨胀段的冷气体向常温段的轴封泄漏,不仅造成冷损而且会使轴承的润滑油 冻结而造成损坏,因 而采用轴封加以阻止。轴封的形式为迷宫密封,一种非接触式的动态密封。 5、压缩机工作轮:回收膨胀机发出的功,仅是一个制动器。 6、主轴:传递功率的零件,一段在常温,另一端在低温下工作,要求由足够的刚性,强度。 材料是不锈钢及合 金钢。 7、传动机构:调节转动叶片的角度,以改变喷嘴流道的面积而设定,通常有手动及遥控两 种。 8、轴承:支撑主轴并保证主轴顺利稳定运转,为了保证主轴的轴向定位并承受一定的轴向 力,除径向轴承外, 还设有推力轴承,常用的有油及气体轴承。 油轴承:承载能力大,可靠性好,轴承线速度可达 70 米/秒。油轴承具有承载能力必须具备 三个条件:存在油楔 ,具有相对运动,油具有一定的粘性。 气体轴承:小型高速转子 9、机身:水平剖分式及整体式

(二)密封器系统 由于透平膨胀机侧通常工作在低温状况之下, 而其轴承机身又处在常温环境之中, 为了减少 高压低温气体通过迷 宫密封的泄漏而降低冷量损失, 防止轴承润滑油冻结造成整个机组失效, 在机组中采用常温 的密封气体通入密封 中段,以阻止低温气体向轴承段泄漏,保证机组的安全。 (三)润滑油系统 油田气透平膨胀机一般工作在压力高、 转速高的环境下, 因此对轴承的润滑供油系统有比较 高的要求,主要是供 油压力、油量、清洁度及油气分离等。 供油系统主要有下列几个部分组成: 1、油箱:采用密封的压力油箱,有利于进入油箱气体的回收利用,防止可燃气体的外漏。 2、油泵:连续提供应具有一定压力、油量的润滑油。 3、油冷却器:冷却通过轴承后温度上升的油。 4、油过滤器:过滤油中固体微粒,保证润滑油的清洁度。 5、油压容器:其贮渍蓄能作用,保证因停电等突然故障能有一分钟的供油量,保证机组安 全。 6、油气分离器:分离进入油箱的润滑油中的气体。 7、溢流阀:调节供油压力。 五、透平膨胀机的调节 透平膨胀机提供了低温装置所需的主要冷量, 为了维持装置的冷量平衡及适应装置工况的改 变,要求对膨胀工况 能进行调节,特别是天然气透平膨胀机,更要求机组能适应气源及装置的工况变化。 膨胀机的制冷量 Q 决定下列因素: Q=GH3ηs G:通过膨胀机的气量 Hs:通过膨胀机的工质的等熵焓降 Hs:膨胀机的等熵效率 1、透平膨胀机的特性曲线 为了充分利用压力能来最大限度地提供冷量,提高整个装置的经济性,要求透平膨胀机 有较高的效率,并使 透平膨胀机在最佳工况下运转,在透平膨胀机运行中影响效率最大的一个因素是特性比 U1/C0,U1 为工作轮外圆 处的线速度, 为在理想状态下, C0 通过透平级工质的理论等熵焓降 Hs 全部转化为工质的动 能时获得的理论速度, 由η -U1/C0 曲线可知,必须维持一定的特性比,才能保证机器的运行效率最高。

特性比对效率的影响示意图 2、透平膨胀机的调节 由于各种原因会使装置工况发生变化, 从而波及膨胀机工况变化, 使膨胀机运转偏离设计工 况,造成损失的增加 ,效率的降低,因此为了提高装置运转的稳定性,经济性,应设法调节膨胀机的运行工况。 由于 Hs 是由装置进出 口状态参数决定的, 在一般情况下不希望改变进出口状态参数进行调节, 但对于油田气工作 的天然气透平膨胀机 来说,由于其特殊环境与要求,调节的主要目的最大限度地提高制冷量。 介绍几种天然气透平膨胀机的调节方法: (1)改变机组进出口压力,以改变整个机组的膨胀比,在工况允许的条件下节流或提高压 力的方法来改变机组 的进出口压力,使机组在最佳工况下运转。 (2)改变可调喷嘴的开度与角度,改变机组气体的通过量。 (3)采用增压压缩机旁路来改变机组转速,使机组在最佳工况下运转,这方法是在增压机 进出口增加旁通回路 ,改变旁通回路的气量及制动功率来改变机组的转速。

六、动压轴承的工作原理 天然气透平膨胀机常采用动压油轴承,为了便于检修和操作,这里简单的介绍其工作原理: 1、油楔承载原理 如图所示,两板倾斜放置,当上平板以速度 U 向图示方向运动时,由于油的粘度使靠近运 动平板处的油层具有速 度 U,而靠近静止平板处的油层其速度为 0,如果在 A,B 两截面上油的速度按直线分布, 则流入 A 截面的油量为 QA=Uha/2,流出 B 截面的油量为 QB=Uhb/2,显然 QA>QB,但油是不可压缩的,流入的 油量必须等于流出的油量这 叫做连续性原理,当流入的油量大于流出的油量时,间隙中油的压力就会增大,而且大于外

面的压力,它使流入 的油受到压力的作用而减慢速度,而流出的油受压力的推动,速度将加快,此时速度的分布 便成抛物线分布,见 图,以维持流入与流出的流量的平衡,这种沿油流方向厚度逐渐减少的油膜成为收敛油膜, 简称油楔,油楔中存 在油的动压力,因而可以承受外界载荷,若载荷加大,平板间隙将减小,此时进出口的间隙 比增大,流入、流出 的油量差将会增加, 为满足流量的连续性, 油层中的压力将会进一步上升, 承载能力将提高, 由以上可见产生油 的动压力有 3 个条件: (1)要油油楔存在; (2)要有相对运动,且使油由大口流向小口; (3) 油要有一定的粘 型。 油楔承载原理图 2、径向滑动轴承的收敛油膜 径向滑动轴承具备上述三个条件, 轴承在未工作前轴劲是静止的, 它处在轴承最下方位置 (如 图) ,由于轴半径 总是小于孔半径,所以在轴心和轴承中心连线的两侧,轴和孔表面自然形成一个楔型间隙, 因轴有一定的转向, 因而只有一侧为收敛间隙,而另一侧是发散的,当轴以一定转速运动时,在收敛油膜中间就 会产生流体动压力, 将轴浮起并能承受一定的载荷 W,载荷越大油楔的最小间隙(称最小油膜厚度)越小,但 最小油膜厚度必须大于 轴和孔的两表面不平度之和。

静止位置 径向轴承的楔型间隙示意图 七、迷宫迷封的基本原理与结构

收敛油膜

透平膨胀机中为了防止气体泄漏,常采用迷宫形式的密封,它是一种非接触式动态密封,工 作原理如图所示。

在转子上和壳体静止部件上装置带有齿片的密封套, 与齿片相配合的是锯齿型环槽或平直的 套管。垫片把整个长 度分成若干个环形室, 而各环形室间的齿顶与槽形成的狭缝相通, 吊于密封前后的压力差的 作用,使气流从高压 P1 向低压 P2 流动,同时压力逐渐降低。当气流通过狭缝时,其压力能转换为速度能,这样 通过迷宫使气体的压力 能转换成热能, 从而达到降压与密封的目的, 实际上迷宫密封的每个狭缝与环室就是一个节 流元件,因而它是一 个多次节流的过程。 迷宫密封的主要结构尺寸为齿数区,环形缝隙的平均直径 Ds,缝隙尺寸 S。 由于迷宫密封本身是一种非接触式的动密封,它是依靠气体在狭缝中节流而因此在迷 宫密封中一定有气体的流动,即有一定数量的密封器的泄漏是正常的。 八、PLPK-525/3.4-4.75 型增压透平膨胀机组使用维护说明书 1. 概述 本机组工质先经增压机增压, 冷却后再进入膨胀机进行绝热膨胀降温产生空分装置所需的冷 量,与此同时产生的 机械功又为增压机所吸收。 本机组所用的工质应为经净化处理后的干燥、 纯净(不含水分、 粉尘、 金属杂质等)的空气。 2. 技术参数 2.1 增压机: 工 质: 空气 气 量:Nm3/h(℃,0.101325MPa) 31500 进口压力:MPa(A) 2.69 出口压力:MPa(A) 3.9 进口温度:K 313 2.2 膨胀机: 工 质: 空气 气 量:Nm3/h(℃,0.101325MPa) 31500 进口压力:MPa(A) 3.8 出口压力:MPa(A) 0.575 进口温度:K 165 转 速:r/min 25200 绝热效率: ≥86% 2.3 仪控整定值

项 目 单位 整定值 操作值 报警 联锁 备注 轴承油压 1 MPa 0.4~0.7 0.5~0.6 轴承油压低于 2 MPa 0.35 △ 膨胀机不能启动 轴承油压低于 MPa 0.3 △ △ 自动全开回流阀 膨胀机密封气 与喷嘴压差 MPa 0.05 0.05 滤油器最大阻力 MPa 0.1 0.1 轴承进油温度 ℃ 25~40 轴承温度高于 ℃ 70 △ 轴承温度高于 ℃ 75 △ △ FCV7501 回流阀全开 密封气供气压力 MPa ~1.6(膨胀机端) ;~2.6(增压机端) ~1.6 (膨胀机端) ~2.6(增 ; 压机端) ≧0.2 为油泵启动条件 转速高于 r/min 27700 △ 自动全开回流阀 转速高于 r/min 28980 △ △ FCV7501 回流阀全开 增压机进口流量控制 Nm3/h 31500 FCV7501 自动调节 增压机进口流量低于 Nm3/h 22900 FCV7501 自动调节开大 说明:轴承油压可根据实际情况进行适当调整 3. 机组简介 机组由带底架的增压透平膨胀机主机、供油装置、增压机后冷却器等组成如 PT1147.00000 所示。底架须用地脚螺 钉将其固定在混凝土基础上,必须防止周围的振动和冲击传给本机组,安装各进、出口管道 时应防止管道重量和 明显的安装应力附加在本机组上。本机组所需绝热材料和润滑油等由用户自备。 3.1 透平膨胀机: 工质气体由进口管进入筒形蜗壳,经可调喷嘴再进入工作轮做功,然后经扩压室、排气管排 出。 膨胀机气量调节是依靠安装在冷箱顶上的气动薄膜执行机构带动喷嘴叶片转动, 从而改变其 通道截面积来实现, 执行机构的阀杆行程反映了喷嘴通道宽度的变化,阀杆总行程约为 40 毫米,阀杆下移使喷 嘴通道开大,上移则关 小。 3.1.1 透平蜗壳: 该蜗壳为不锈钢板焊接结构,固定在机身上,通过机身与底座相连,蜗壳内容纳有喷嘴和 膨胀机叶轮。 3.1.2 转子:主轴二端分别装有膨胀机叶轮和增压机叶轮,为一刚性转子, 转子套装在轴承 上,而轴承固定在

机身上。 3.1.3 轴承: 前、后轴承均为四油楔径向推力复合式轴承,由油泵供给清洁而充足的润滑油,使转子能长期 稳定运转,采用铂电 阻温度计测量轴承温度。 3.1.4 轴密封: 在靠近二叶轮的轴上各置有一迷宫密封套,使得气体外漏量控制在很小的范围内。在靠近膨 胀机的密封套内充入 常温密封气以阻止流经膨胀机的低温气体外漏而跑“冷” ;为控制喷嘴出口的气体与密封气 之间的压力差维持在 0.05MPa 这一适当水准上,特设置一精密减压阀。增压机旁的密封套内除启动时需充入~ 0.5MPa 压力的密封气( 仪表空气)外,正常运转时可不供密封气。 3.2 增压机: 增压机由进气室、叶轮、无叶扩压器、蜗壳组成,其叶轮与膨胀机叶轮同置于主轴上,二者 转速相同,由膨胀机 叶轮发出的机械功驱动其旋转。气体吸入叶轮后,被加速、增压,进入无叶扩压器之后,又 进一步减速增压,随 后被汇集入蜗壳排出机外,再经冷却降温后进入膨胀机。 进入增压机的气量可通过进口阀的开度变化来调节-一 即节流调节。 3.3 供油系统:(型号:PY09C.00000) 该供油系统由单独的系统组成,主要包括油箱、三螺杆油泵、油冷却器、囊式蓄能器等。润 滑油进入油泵升压后 进入油冷却器和切换式过滤器,再分别进入各轴承,最后由机身内腔汇聚流回油箱。所用润 滑油种类、油质要求 、换油周期、系统的清洁保养请参阅 PY09C 使用维护说明书。 3.4 紧急切断阀: 在膨胀机进口处设置一只紧急切断阀, 当机组处于危险状态时, 根据各危险点发出的联锁信 号,此阀能在很短时 间(1 秒)内关闭。从而切断进入膨胀机的气源,使其快速停车,起到安全保护作用,此阀 工作时所用的仪表空 气是通过三通电磁阀供应的。 在危急情况下, 膨胀机仪控系统联锁即切断电磁阀电源, 使紧急切断阀快速关闭与此同时增 压机回流阀

(FCV7501)自动全开。 3.5 增压机回流阀(FCV7501): 设置该阀有以下三个用途: 3.5.1 压力调节: 根据流程的要求,一般希望增压机出口压力保持恒定,该阀的开大或关小, 可使压力降低或升 高,该阀在仪控系统自动控制下则可达到使压力恒定的目的。 3.5.2 防喘振:增压机在一定的转速下,当进口流量小于一定数值时,机器会发生喘振,此 时压力会大幅度波动 ,并发出强烈的“喘气”声响和振动,将引起机器的损坏,为防止这种情况出现,该阀在进 口流量小到一定数值 时会自动增大阀的开度。所给定的防喘振流量是根据增压机的进口压力、进口温度、转速均 为额定值的条件下给 定的。当这些条件不同时,对防喘振流量值应予以修正。 3.5.3 开大回流阀,可增加增压机的负荷,使膨胀机减速。 4.操作说明 4.1 开车前的准备: 4.1.1 检查是否有异物进入膨胀机组,各气体管路应彻底清洗并吹除干净; 4.1.2 按供油装置使用维护说明书要求清洗油路,并给油箱充油并达到正常油面; 4.1.3 膨胀机和增压机各进出口管中设置的阀门和过滤器是否安装正确; 4.1.4 滤油器是否清洁; 4.1.5 各仪、电控线路与装置是否正确联接; 4.1.6 各阀门是否在正确的“开”“关”位置上; , 4.1.7 密封气连接是否正确; 4.1.8 检查喷嘴执行机构的正确性(阀杆向下移喷嘴通道开大) ; 4.1.9 检查紧急切断阀工作的正确性(从全开到全关应在 1 秒钟内) ; 4.2 膨胀机启动: 4.2.1 启动前的检查: 4.2.1.1 油箱液面指示正常; 4.2.1.2 加温气体阀门关闭; 4.2.1.3 喷嘴叶片关闭; 4.2.1.4 紧急切断阀关闭; 4.2.1.5 膨胀机进出口阀门关闭; 4.2.1.6 油箱油温:如低于 20℃应开加热器加热之; 4.2.1.7 轴承温度:无论哪个轴承温度只要低于 20℃,就必须通入润滑油加热轴承(必须先 通入密封气) ,如仍 不凑效,则必须用加温气体加温膨胀机。 4.2.1.8 滤油器清洁,供油系统工作正常; 4.2.1.9 增压机回流阀全开(为膨胀机启动条件) ;

4.2.2 膨胀机启动步骤: 4.2.2.1 接通密封气,其压力应≥0.2Mpa 4.2.2.2 接通仪电控电源; 4.2.2.3 启动油泵; 4.2.2.4 对油冷却器通入冷却水(如油温低,可暂缓通水) ; 4.2.2.5 全开膨胀机出口阀门; 4.2.2.6 全开膨胀机进口阀门; 4.2.2.7 逐 渐 打 开 紧 急 切 断 阀 , 透 平 膨 胀 机 开 始 运 转 , 注 意 使 其 转 速 很 快 达 到 13000-16000r/min(正常运转中应 尽量避免在 13000r/min 以下低速运行) 。 4.2.2.8 紧急切断阀全开后,逐渐打开喷嘴调节阀,并逐渐关小增压机回流阀,直到达到额定 工况; 4.2.2.9 启动随着膨胀机进气温度的下降,转速也会下降,所以要通过不时关小增压机回流阀 来调节转速,直至达 到设计工况为止。 4.2.2.10 启动期间要随时检查轴承温度、喷嘴出口压力及机组运行情况是否正常。 4.2.2.11 启动期间,短暂打开机器和仪表管线的吹除阀,然后关紧。 4.3 运转中的检视: 4.3.1 每 2 小时察看并记录下列各项数据: 4.3.1.1 膨胀机进出口温度、增压机进出口温度; 4.3.1.2 膨胀机进出口压力及喷嘴出口压力、增压机进出口压力及其叶轮出口压力、工作转 速; 4.3.1.3 轴承温度; 4.3.1.4 轴承供油压力、油温; 4.3.1.5 密封气压力。 4.3.2 每天察看: 4.3.2.1 油箱油面; 4.3.2.2 所有管道的严密性; 4.3.3 紧急切断阀应定期检查,一般每 3 个月 1 次,检查方法是: 用紧急停车按钮切断电磁阀电源使电磁阀断电,如果紧急切断阀立即关闭并自动全开增 压机回流阀,则其功能 是满意的,随即掀下打开紧急切断阀按钮,紧急切断阀又会回复到开启位置(如果这时它不能 自动回复到开启位置 , 这可能是由于紧急切断阀阀顶前后的压力差太大, 这时可以关小喷嘴叶片至紧急切断阀打 开为止,然后重新调 整喷嘴叶片至正常位置)接着再调整增压机回流阀达到需要的转速。 4.3.4 每 2 月至少一次: 4.3.4.1 检查油的润滑性能(外观、粘度、成份、流动性、闪点等); 4.3.4.2 检查油过滤器的清洁度。

4.3.5 每年应对膨胀机彻底检查,并更换所有磨损件。 4.3.6 喷嘴出口压力的监视: 对喷嘴出口压力应特别注意,如果测得喷嘴出口压力高于正常值,可能有以下原因: 4.3.6.1 实际运行参数偏离设计值; 4.3.6.2 安装不正确; 4.3.6.3 液体进入喷嘴和叶轮间的空隙。 为防止喷嘴出口压力过高引起机器故障, 因此在出现喷嘴出口压力过高时必须查明原因, 及时处理。当水或 CO2 冻结在喷嘴表面时将使出口压力和转速下降,此时应停车加温解冻。 4.4 膨胀机组停车: 4.4.1 停车步骤: 4.4.1.1 全开增压机回流阀; 4.4.1.2 关紧急切断阀; 4.4.1.3 关喷嘴叶片; 4.4.1.4 关膨胀机进口阀、出口阀; 4.4.1.5 关增压机出口阀、进口阀; 4.4.2 停车后处理: 4.4.2.1 临时停车,应保持密封气和润滑油供应,保持仪电控系统为工作状态,准备重新启 动。 4.4.2.2 长期停车,则要求对膨胀机进行加温解冻,操作如下: 4.4.2.2.1 保持密封气和润滑油供应,保持仪电控系统为工作状态; 4.4.2.2.2 开紧急切断阀; 4.4.2.2.3 打开喷嘴叶片; 4.4.2.2.4 打开膨胀机上所有吹除阀; 4.4.2.2.5 检查膨胀机的进出口阀是否关严; 4.4.2.2.6 打开加温气体阀加温膨胀机, 使流经膨胀机的加温气体的流向与工作介质的正常流 向相反,且温度不 超过 60℃, 当热气出口与进口温度大致一样时, 加温即告结束。 加温气体的露点应低于-40℃。 4.4.2.2.7 关闭各吹除阀; 4.4.2.2.8 停止加温,关加温气体阀; 4.4.2.2.9 关紧急切断阀; 4.4.2.2.10 关喷嘴叶片; 4.4.2.2.11 停止润滑油供应; 4.4.2.2.12 15 分钟后切断密封气源。 应注意的是膨胀机的进出口阀门必须关严, 使得加温后的透平在长期停车期间避免因冷 气体漏入而使轴承在 下次开车时产生过冷, 还要注意的是一定要先打开紧急切断阀和喷嘴叶片后才可通入加温气 体,以免损坏机器。 5.拆装说明 膨胀机的拆装必须在十分清洁的条件下进行,所有零部件特别是轴承、密封套、叶轮和 喷嘴环都必须小心地

处理。 膨胀机的冷箱、蜗壳、紧急切断阀及喷嘴调节机构一般是不需拆卸的,因为可以直接从 膨胀机热端拆卸内部 零件。 拆卸膨胀机内部零件的步骤如下: 先拆去增压机进出口接管, 然后拆去油管、 轴承温度计、 测速头、 密封气管及仪表管线, 而后松开并取出增 压机与底架间的紧固螺栓(注意别松动支持增压机下部的支承螺栓) ,松开连接机身与前隔 板的紧固螺栓,钩住 机身上的吊环螺钉,并托住机身前端(膨胀机端) ,然后把机身往后徐徐退出,当心不要碰 伤膨胀机叶轮,之后 整台膨胀机就可放到清洁的工作台上进一步拆卸。 膨胀机转子的进一步拆卸:从轴上拆下膨胀机叶轮,接着再拆卸轴密封及测速传感接头。 随后拆下增压机蜗壳,卸下增压机叶轮之压紧螺母(该螺母是左旋螺纹) ,卸下增压机 叶轮和后密封套,将 一端轴承的紧固螺栓卸下, 然后将主轴连同轴承一起取出来, 再将另一端轴承从机身中取出。 膨胀机的装配程序与上述拆卸程序相反,主要装配间隙见第 8 条。 在进行拆装时应注意以下事项: 5.1 拆卸时各主要件应做好对应标记,复装时按标记进行; 5.2 止推轴承间隙是可调的,每次安装都应对其进行检查,必须保证其值在规定范围内; 5.3 转子更换零件或对转子动平衡有怀疑时(在运转时可根据运转噪音、振动来加以判断) , 必须按要求校正动 平衡(参照图 PT1147.10200); 5.4 必须按膨胀机结合部图要求通过检查调整喷嘴环和轴密封套之间的垫片,使喷嘴叶片与 叶轮进口叶片的中点 对齐; 5.5 在装配时,必须保证测速头与轴表面距离为 0.7~1.5 毫米之间; 5.6 如 有 必 要 需 拆 装 可 调 喷 嘴 及 其 传 动 机 构 时 , 可 参 照 图 PT1147.10000,PT1147.10100,PT1147.10300 等进行。 6. 维护说明 6.1 喷嘴: 只要供应的气体是清洁的,即使喷嘴叶片的光泽变暗,也不会影响效率,但如气 体中含有较多的即使 是少量的固体颗粒或含有二氧化碳及产生液体时, 就会产生喷嘴叶片的磨蚀, 严重时会出现 凹坑,这样就会使效

率明显下降,这时就应更换喷嘴,在装置启动期间,最容易产生磨蚀,因此装置操作时要特 别注意。 6.2 膨胀机叶轮: 与喷嘴叶片相同的原因,也可能造成对叶片进口边的磨蚀,如果磨蚀严重 甚至出现凹坑时应更 换工作轮。 (附带说明的是, 因为现场配用的测量仪表对于测量膨胀机效率是不够精确的, 因而不能用 它们来作为效率变化 以及是否调换喷嘴环和叶轮的依据) 。 6.3 膨胀机与增压机密封盖易遭轻微磨损, 这将导致效率下降,如果密封盖发生明显磨损就必 须更换,其装配间 隙见图。 6.4 轴密封套: 前后轴密封套在运转时也会产生轻微磨损,但如磨损严重,就应调换密封套,因 其过度磨损会使轴 承温度降低并增加漏气损失。一般一年以上才会出现这种情况,规定密封套的半径间隙≤ 0.05mm,当增大到 0.1mm 就应予以调换。 6.5 轴承: 轴承型面是精心设计并用机械加工保证的,因此其内孔和止推面都不允许进行任 何修刮,如果发现由 于暂时超负荷或暂时润滑不良已引起了轴承的损伤,就应更换轴承。 6.6 增压机叶轮: 如供应的气体不干净将引起增压机叶片的磨蚀,以致破坏动平衡,这种情 况与膨胀机叶轮动平 衡破坏相类似; 需要说明的是, 无论是膨胀机叶轮还是增压机叶轮需要更换时, 必须将更换了零件的转子重 新作好动平衡方可使 用。 6.7 供油装置的使用、维护、检修均按其使用说明书及有关图纸要求进行。 7.故障及处理 以下列举常见的主要故障及其产生原因,以便针对这些原因进行相应的处理: 7.1 轴承温度太高: 7.1.1 润滑油供应不足; 7.1.2 油路不清洁(油过滤器堵塞); 7.1.3 旋转部件不平衡; 7.1.4 轴承磨损 7.2 前轴承温度太低: 其危害性是, 温度太低会使轴承间隙太小而影响正常运行,严重时还会 引起润滑油固化,

其原因有: 7.2.1 轴密封间隙太大; 7.2.2 轴密封漏泄气排气腔压力太高; 7.2.3 停车时装置冷气体的串流。 7.2.4 密封气压力偏低 7.3 膨胀机进口带液: 出现这种情况时,容易打坏喷嘴叶片和叶轮,同时由于这时叶轮起了 “泵”的作用,会使喷 嘴出口压力增高,加重止推轴承的负荷,可能引起轴承等零件的损坏。 7.4 固体的颗粒进入膨胀机: 此时也会打坏喷嘴叶片和叶轮,因此就要检查机 前过滤器的 工作情况是否良好。 7.5 出现下列情况应立即按电纽,切断三通电磁阀电源,紧急关闭膨胀机进口阀,并使增压 机回流阀自动全开, 机组停止运转。 7.5.1 出现极不正常的记录; 7.5.2 有不寻常的震动和声响; 7.5.3 突然散发大量烟雾。 8. 装配间隙表:

尺 寸 mm A 2.1.1.1.1 B



隙 mm 说



H 3 Φ50 4 Φ50

5 Φ110 a b c d e f g h 0.05 ~ 0.07 0.05 ~ 0.07 0 ~ 0.04 0 ~ 0.04 0.18~ 0.25 0.3 ~ 0.4 0.17~ 0.22 0.7 ~ 1.5 前轴承径向间隙 后轴承径向间隙 前密封套径向间隙 后密封套径向间隙 膨胀机轮盖迷宫密封间隙 增压机叶轮与轮盖密封间隙 止推轴承轴向总间隙 转速传感器与转子外圆间隙 注: 所有径向间隙均为孔与外圆 间的总间隙(增压机与轮盖密封间隙除外)

第二节 透平压缩机 一、基本工作原理 透平式压缩机也叫蜗轮式压缩机。通常分为离心式压缩机和轴流式压缩机两种。在全低 压空分装置中,透平 式压缩机得到广泛的应用。 离心压缩机,对于气体做功,是通过装在转子上的叶轮来实现的,叶轮在驱动机的带动 下旋转,把所得到的 机械能通过叶片传递给流过叶轮的气体。 因此气体在叶轮内的流动过程中, 一方面加了气体 本身的压力,另一方 面又得到了很大的速度能(动能) ,气体离开叶轮后,这部分速度能,在功过叶轮后的扩压 气,回流器弯道的过

程中转变成为压力能,进一步使气体压力提高。 但是,在离心压缩机中,一个叶轮所能实现的压力的提高是有限的,一般压力比仅为 1?3~2。因此,为了 得到某一个一定的压力,压缩机有许多级组成,级的固定元件,除了吸气室,扩压器,蜗壳 外还有弯道和回流器 。 现在我们介绍一下级中的工作轮与其相配的固定元件的的作用与原理。 (1) 吸气室 吸气室是用来把所需压缩的气体由进气管或中间冷却器的出口均匀的吸入工作轮去进行增 压。因此,在每段压缩 机的第一级进口都设置了吸气室。 (2) 工作轮 工作轮也称为叶轮,它是压缩机中的一个最主要的部件。气体在工作轮叶片的作用下,随着 工作轮做高速旋转。 气体由于受旋转离心力的作用, 以及在工作轮的扩压流动, 使气体通过工作轮后的压力增高, 此外,气体的速度 也能同样在工作轮里得到提高。因此,可以认为工作轮是气体提高能量的唯一部件。 (3) 扩压器 气体从工作轮流出时,具有较高的流动速度。为了充分利用这部分速度能,常在工作轮后设 置了通流截面逐渐扩 大的扩压器,用以把速度能转化为压力能,以提高气体压力。 (4) 弯道与回流器 为了把扩压器后的气体引导到下一级工作轮去继续提高压力, 在扩压器后常设置了使气体拐 弯的弯道,以及把气 体均匀的引入下一级工作轮进口的回流器。 (5) 蜗壳 蜗壳的主要目的是把扩压器后面的气体汇集起来, 把气体引到压缩机的外面去, 使它流向气 体的输送管道或流到 冷却器中进行冷却。此外在汇集气体的过程中,在大多数的情况下,由于蜗壳外径的逐渐扩 大,也使气体起到一 定的降速扩压作用。 任何离心压缩机,都由级组成。由于与工作轮相配合的固定元件不同,级的型式也很多,但 从基本结构来看,它

区分为中间级与末级两种。 中间级是由工作轮,扩压器,弯道,回流器组成。 末级时有工作轮,扩压器,蜗壳组成,气体经过这一级后,增压排出机外。 当压缩机要获得较高的压力,为了节省功率的消耗,避免压缩终了时气体温度过高,以及使 压缩机后面的几级压 力不致过分降低,常将气体压到某一压力后,先引到冷却器中进行冷却,降低气温之后再继 续压缩。这样依冷却 次数多少可将压缩机分成几个段,一个段可以包括几个级,也可仅有一个级。在段中的最后 一级即属于上述的末 级型式。 气体在压缩机中逐级提高压力。 为了减少气体在压缩机中的外部和内部的泄漏, 在压缩机中 必须设置各种密封, 它是压缩机中的一个主要组成部分。一般在机壳的前后设了前后轴封以减少外泄漏。此外, 在有些压缩机中,为 了减少工作轮作用到止推轴承上的轴向推力,常设置了平衡盘。 二.工作轮叶片对气体的做功是提高气体的压力根源。 由于叶轮对气体做功,气体从进叶轮到离开叶轮的运动速度是有变化的,因此,在研究叶轮 做功大小时,首先讨 论,气体在叶轮中的运动速度,主要是气体在工作轮进口和出口的速度。 图一 图一给出了气体在叶轮进口和出口处的速度变化情况,这就是我们常说的,进、出口速度三 角形,组成叶轮进出 口速度三角形的气流速度有:圆周速度 U,相对速度 W,绝对速度 C。速度三角形的改变 λ 反映了气体通过叶轮后 压力能和速度能得到了提高。 三.离心式压缩机的结构 离心式压缩机机组是由主机,驱动机,润滑油系统,密封系统和防喘振系统,冷却系 统组成。 压缩机由气缸(壳体) ,固定元件,转子,密封元件,和轴承所组成,现介绍如下。 (一)?机壳: 机壳又称气缸,机壳的结构形式很多,但对机壳的基本要求,要有足够的强度以承 受压力,要有足够的 刚性以免变形,要有良好的严密性以免气体外泄。

壳体结构基本上分为水平剖分式和垂直剖分式两种。 水平剖分式就是将壳体分离成 上下两部分,上盖可 以打开,这种结构多用低压。垂直剖分就是筒型结构,有筒型本体和端盖组成。 (二)?固定元件: 1.扩压器 气体经过工作轮提高了压力同时增加了速度, 在工作轮出口处气体的绝对速度是很大的, 因此为了使这部分 动能转变为压力能,在工作轮后面设扩压器。 扩压器实质就是一个扩压通道,他的流动截面逐渐扩大。当工作轮出口气体速度愈大,扩 压所起的作用就愈大 。按结构可分为无叶扩压器和有叶扩压器、直壁扩压器。 无叶扩压器是一种最简单的扩压器,它是由两个平行的壁面构成的等宽度环形流道所形成 的。环形的内圆周面小 于外圆周面,气体从内圆周面流向外圆周面时,速度逐渐降低,气体压力逐渐升高。其优点 是,结构简单,造价 低,因为不存在叶片进口冲击损失,它在变动工况条件下具有较好的适应性。其缺点是,气 体按自由流动输送轨 迹,做对数螺旋运动,路程较长,外径大,流动损失大,效率低些。 叶片扩大器内设有等厚度或不等厚度叶片。气体在这种扩压器中受到叶片的导引,流动方 向是按叶片的型线流 动,改变了气体的方向角,缩短了流动的路线,因而获得更快的降速和增加。它的优点是, 相比之下,扩压器小 ,流动损失小,效率相应的增高。它的缺点是:气体在流动时,气流对叶片进口产生冲击而 使损失增加,当压缩 机处于工况变化的情况下,适应性较差。 2.弯道和回流器:从扩压器出来的气流,通过弯道和回流器进入下一级叶轮。 弯道的作用是气体转弯,引导到回流器中去,在回流器中装有叶片,回流器叶片的进口 角,是按照从弯道来 的气流的气流角决定的。气体应该是 90 度角离开回流器叶片,以使气流能轴向均匀的进入 下一级叶轮进口。一般 在回流器中,仅引导气流流动,而不具有扩压作用,但在高圆周速度的压缩机中,往往要特 殊设计回流器,使其

具有一定的降速升压作用。 3.蜗壳: 为了把扩压器后面的气体引到压缩机外面,使它流向压缩机的输送管道或流到冷却器中 进行冷却,都须要在 压缩机各段的末级设置蜗壳。 蜗壳截面沿气流流动方向逐渐增大,而截面形式多种多样,有梯形,等宽梯形,半梯形, 半等梯形,矩形和圆 形,在一般情况下,梯形和圆形采用最多。 (三)转子 在压缩机中,汽缸内的转动部件称为转子,转子是由轴、叶轮、定位套筒、推力盘、 平衡盘和联轴节组成 。 (1) 叶轮 外界的机械功是通过叶轮传给气体的,因此叶轮结构的好坏,对效率影响很大。 叶轮按叶片弯曲形式可分为径向型、径向出口型、前弯型和后弯型等四种。 从叶轮对气体做功的大小来看,前弯型做功最大,后弯型叶片做功最小。径向型叶 片介于两者之间。从 效率的角度来看,后弯型叶片效率最高。由于效率是个很重要的经济指标,所以在大型的离 心式压缩机中,都采 用后弯型叶片的叶轮。后弯型出口角在 30 度-60 度之间,成为正常后弯型或压缩机型叶轮。 离心压缩机的叶轮是 由叶盘,叶片,和轮盖三者组合而成,轮盘有闭式叶轮和半开式叶轮,闭式叶轮受轮盖强度 的限制,叶轮的圆周 速度一般在 300 米/秒以下。从效率的角度来看,闭式叶轮比半开式叶轮效率高,所以大型 离心压缩机采用闭式叶 轮。每个转子上叶轮数目一般为 5~10 个最多。有的配置有两种,一种是单向排列,另一种 是对置排列,这种排 列轴向力平衡比较好。 (2) 主轴 离心压缩机的主轴一般为没有台阶的光轴, 有时也会在主轴向上铣出凹槽。 止推轴承放在径 向轴承里边的主轴比 较长一些。主轴的刚性较差,第一临界转数也较低,但第二临街转数较高。 (3) 推力及平衡盘

气体流过工作轮提高了压力,因此工作轮前后承受的气体压力不同。 对于工作轮按同一方向安装在主轴上的转子, 由于每个工作轮轴向推力的迭加会使止推轴承 的轴向推力过大,常 采用平衡盘来解决。利用平衡盘两侧的压力差产生于转子轴向力方向相反的力来进行平衡。 为了使压缩机转子始 终维持一定的方向不变的轴向推力, 除了采用平衡盘外, 经常还采用双进气工作轮及将工作 轮相对装套置的方法 来减弱转子的轴向推力。 (四)密封 离心压缩机上采用的轴密封,主要有两类,一是迷宫式密封,二是浮环油膜密封。 用于防止级间串气的 为普通的迷宫密封; 用于防止平衡盘两侧串气的为蜂窝式迷宫密封。 而浮环油膜密封则用来 防止机内与机外在轴 端处的漏气。这里主要谈一下迷宫式密封,迷宫式密封的原理是,使气体通过缝道而获得很 高的速度,同时它的 压力就大大的降低,从能量观点上来说,就是使气体的压力能转化为速度能,而当气体流过 缝道进入密封片间空 腔时,由于截面积突然扩大,气流形成很强烈的漩涡,使它的速度能转化为热能,这样在次 一密封室中的气体压 力就比前一室低了许多,经过若干级减压,室后气体泄漏就很微小了。在平衡盘与工作轮都 进行了密封。 四.压缩机在使用中的异常现象: 1.喘振 喘振是离心压缩机本身固有的特性。 喘振的产生:任何离心压缩机按其结构尺寸,在某一固定的转速下,都有一个最高的工作压 力,在此压力下,相 应的有一个最低的流量。当离心压缩机出口压力高于此数值时,就会产生喘振。 原因:从图中可以看出,OB 为喘振线,A 点为正常工作时的工作点,此时通过压缩机的流 量 Q1。由于某一个因素 使工作点 A 沿着操作曲线向左移动到超过 B 点时,则压力超过了离心压缩机的最高压力, 流量小于最低的流量 Q2, 这时工作点就移入压缩机的不移定区域, 即喘振范围, 压缩机不能产生与排出管线中预先确

定的相同压力,在短 时间里产生了气体以相反方向通过压缩机的现象。 这时, 压缩机的操作点将迅速移至左端操 作线 A1 点,使流量变 成了负值。由于气体以相反的方向流动,使排气端的压力迅速下降,而出口压力降低后,又 可能恢复到正常供气 量,因此操作点 A’ ,迅速移至右端正常工作点 A,如果操作状态不能迅速改变,操作点 A 又会左移经过 B 点进入不 移定区,这样反复的过程,就是压缩机的喘振过程。 现象: 发生喘振时,机组开始强烈震动,伴随发生异常的吼叫声,这种振动和叫声是周期性的,机 身相连的出口管线也 强烈的震动。 入口管线上的压力表指针大幅度的摆动, 出口单向伐处发出周期性的开和关的 撞击声,主电机的电 流表指针大幅度摆动,流量表也大幅度摆动。 后果: ①迷宫密封损坏较大,使润滑油串入通道。 ②严重的喘振使压缩机转子轴向窜动,烧坏止推轴瓦,叶轮又可能被打碎。 ③更严重时,压缩机遭到破坏。 2.临界转数: 水平放置的轴都存在一定的临界转数,它是轴本身的一种特性。轴的刚度转动惯量不同, 临界转数也不同。当 轴还没有转动时,由于重力作用,轴是向下弯曲的,虽然弯曲量很小。弯曲转过来后仍然是 弯曲的, 由于轴在转动,弯曲也不断出现,表现出来就是震动称为自振。自振频率和轴的刚度几何尺 寸等特性有关。 轴本身和轴上安装的零件, 由于制造和安装的原因, 轴的中心和转动中心不可能在同一中心 线上重合,一般相差 0?03~0?05 毫米。由于中心偏差,转动起来就有一个离心力,此离心力使轴发生振动,振 动的次数决定于转子的 转数,转动一次就振动一次,所以叫强迫振动。当自振和强迫振动的频率相等时叫共振。共 振时压缩机的转数叫 临界转数。 在临界转数下,机器振动最大,对机组的破坏最大。 对一台离心式压缩机来说,临界转数不止一个,转数最低的一个叫第一临界转数。

在第一与第二临界转数之间运转压缩机,应使:1?3 第一临界转数《=工作转数《=0?8 第二 临界转数 五.离心压缩机的性能指标 离心压缩机的使用条件不变,会引起压缩机性能的改变,为了解改变的情况,可以做以 下的计算: ① 基本换算公式 1----1 1----2 = 1---3 1----4 ② 只有入口温度的改变 V= 1---5 1---6 1—7 1--8 ③ 改变入口压力 1---9 1---10 1—11 1--12 ④ 只改变转数 1----13 1---14 1—15 1—16 式中: V-------压缩机的缩气量 G--------空气流量 N-------功率 瓦 -------压缩比 M------ 多变指数 ------气体密度 第三节 蒸汽透平机 汽轮机是用蒸汽来作功的旋转是原动机。来自锅炉或热网的蒸汽,经脱扣节流阀或是事 故切断阀、调速阀进 入汽轮机,一次高速流经一系列环形配置的喷嘴(或静叶栅)和动叶栅而膨胀做功推动汽轮 机转子旋转,将蒸汽 的动能转换成机械能。这便是汽轮机简单的工作原理。汽轮机可按工作原理分为:冲动式、 反动式、冲动与反动 式的组合式汽轮机。

首先,我们对这几类汽轮机的工作原理作一下介绍。 1. 汽轮机的工作原理 ⑴冲动式汽轮机 冲动式汽轮机的最简单的结构是叶轮上装配一圈动叶片与喷嘴配合在一起, 构成一个做功的 简单的机械。我们把 有喷嘴和与其配合的动叶片构成的汽轮机做功的单元称级。 由一个级组成的汽轮机叫单极汽轮机。 喷嘴又叫静叶片。它是一个截面形状特殊且不断变化的通道。蒸汽进入喷嘴后发生膨胀, 消耗了蒸汽的压力能 ,即消耗了蒸汽的热能,蒸汽的压力及温度都下降了,而蒸汽的流速却增加了,获得了高速 气流。喷嘴的作用就 是将蒸汽的热能转变为动能。 动叶片又称工作叶片。在叶轮的外圆周上装满了一整圈叶片,常叫动叶栅。由喷嘴流出的 高速气体流至动叶片 时,其速度的大小及方向是一定的,之后气流由于受到动叶片的阻碍(作用力) ,改变其原 来的速度的大小及方 向,这时候气流必然给动叶片一个反作用力,推动叶片运动,将一部分动能转换成叶轮旋转 的机械功。 由上述可知,在汽轮机连续工作过程中有两次能量转换,即:热能 蒸汽能 转子机械能。 为了更好的理解汽轮机的工作原理,下面分析一下冲动式汽轮机的动叶片形式。 如果我们用一个直立的平板, 让高速气流冲击到它的表面上, 平板由于受到气流的冲击作 用而发生运动。但因 在平板的表面附近产生了很大的扰动和涡流损失, 使蒸汽中大量的有用能量不能得到很好的 利用以至造成浪费。 所以经过大量的实践改进,现在汽轮机的动叶片做成弯曲形。如果要产生最大的作用力,就 要使蒸汽的喷射方向 与动叶片的运动方向一致,然后再转一个 180℃ 而离开动叶片,这是动叶片收到的冲击力。 气流以 C1 的速度流向曲面,它相当于汽轮机的动叶片,并能沿平行于气流的方向移动。 气流进入弯曲流道内弧 所构成的气道后,便沿着内弧逐步改变其流动方向,最后流出汽道时的速度为 C2 方向恰与 C1 方向相反。当气流流 过曲面时, 实际上作圆周运动, 因此组成气流的每一个蒸汽微团都受到叶片所作用给它的一 个向心力,同时叶片

受到气流给它一个大小相等、方向相反的反作用力。假如气流微团的离心力用向量表示。在 1 点处的离心力 p1 可 分解成轴向分力 p12 及运动方向上的分力 p13,在 2 点处的离心力 p2 也可分解成 p21 和 p23, 轴向分离 p12 和 p23 恰好相 互抵消,因为此二力大小相等,方向相反,且共同作用在一个叶片的同一条支线上。同样, 其他点的轴向分离也 相互抵消,因此气流的离心力在轴向上的分力之和为零,既 p12+p23+??=0 在弯曲面运动方向上的分力之和等于 p,即 p12+p23+??=0 在这个 p 力的作用下,弯曲面(叶片)向右运动,通过叶轮及轴产生旋转运动。若带动压缩 机和泵、风机等机械 ,就可以输出机械功。这就是冲动式汽轮机的工作原理。 实际上, 由于机械机构等方面的限制, 从喷嘴流出来的气流不能与动叶片的运动方向完全相 同,而成一个夹角。 动叶片也不是一个半圆弧,而是由好几段曲线组成,一般是圆弧和抛物线弧。 ⑵速度级和压力级 前面已经介绍级的概念,从结构上看,汽轮机的一个级是由喷嘴(几个或整个圆周布置的 喷嘴)和一列动叶片 组合起来的装置,从动作原理来看,就是能造成高速气流,能将速度能转换成机械能,并产 生推力对外做功的基 本单元。级可以分成压力级和速度级,简单介绍如下。 A. 压力级 在可以利用的蒸汽能量很大的情况下,只有一个级不能充分利用这些能量。这时,我们把 由喷嘴和动叶片组成 的级串联在同一根轴上,将蒸汽的能量分别在若干个级中加以利用。从结构来看,就是一列 喷嘴和一列动叶片, 其后又是一列喷嘴和一列动叶片, 这样逐次排列下去。 在第一列喷嘴进口处的蒸汽压力最高, 以后逐级降低,这 就是常见的多级汽轮机的结构形式,其中的每个级,都叫做压力级。 B. 速度级 压力级外,在有些汽轮机上还设有速度级。速度级又叫复速度级或寇蒂斯级。速度级比压 力级在结构上复杂一 点。

双列速度级的单级冲动式汽轮机, 比单级冲动式汽轮机对蒸汽能量的利用更充分一点, 由 轴、叶轮、双列动叶 片等构成转子;由喷嘴、导向叶轮、汽缸、排气气管等组成的静子部分。 如果冲动式级在工作时, 离开动叶片的气流速度人仍很大, 这说明还没有充分利用蒸汽的 动能来作功。为了利 用这部分能量,在同一叶轮的轮级上再要装设第二动叶栅,使蒸汽流过两列转动的叶栅,第 一列动叶栅通道中蒸 汽能量一部分转换为机械能,而其余的蒸汽能则由第二列动叶栅继续将能量转换成机械能。 为了使蒸汽流以一定 的方向流入第二动叶栅,在第一、第二列动叶栅之间装一列固定的叶片,起导向作用,称之 为导向叶片,它是装 在气缸上的。 速度级与冲动式压力级的工作原理是一样的, 不同的就是整齐的速度在第一、 第二列动叶 栅中分别加以利用。 除双列速度级以外,还有三列速度级,但常用的是双列速度级。经常用它做成小功率的汽 轮机,带动风机及其 他各种泵等,也可以用它做多级汽轮机的第一级。 ⑶反动式汽轮机 反动式汽轮机是利用反作用力与冲击力将蒸汽的速度能转化成机械能的。 反动式汽轮机的 工作原理同样是基于 惯性定律和作用力与反作用力定律的。 反动式汽轮机的机构是动叶片安装在转鼓上,轴、平衡活塞及转鼓组成了转子。静叶片安 装在气缸上,与进、 排气管组成静子 反动式的级仍然是由一列静叶栅和一列动叶栅组成。 它的工作原理是: 在静叶栅中气流与 经过喷嘴时相似,压 力降低,容积膨胀,速度增加;而它的动叶栅叶做成截面渐收缩的气道,气流在动叶栅中进 一步降压,膨胀加速 。根据惯性定律可知,运动的物体如果不受外力的作用的话,则一定按照原俩的速度大小和 方向运动下去。气流 既然在动叶栅中获得了加速度, 那必然有外力作用在其气流上, 这个力是由于在动叶栅中降 低了气流的压力和温

度, 即气流的热能转换为动能所获得的。 在动叶栅中进一步使气流降压, 增速并以高速离开, 这时气流必然给动 叶栅一个大小相等,方向相反的作用力,使动叶栅转动带动轴旋转的对外做功。这就是反动 式汽轮机的工作原理 。 ⑷冲动反动组合式汽轮机 这类汽轮机的前一级或前几级为冲动式,后面的级为反动式。 2. 汽轮机的结构及用途 汽轮机的实现能量转换, 主要是通过喷嘴把热能转换为动能, 通过动叶栅把动能转换成机械 能。因此,喷嘴一般 做成静止零件,用各种不同的方法固定在气缸上,形成汽轮机的静止部分。所以汽轮机主要 是由转子,静子两大 部分组成。 ⑴转子部分 也就是汽轮机的转动部件, 靠固定与气缸上的前后两个轴承支撑, 由主轴、 叶轮、 叶片组成, 并通过联轴器与被 驱动机械相连。转子做高速旋转,把蒸汽作用到叶片上力矩传递给驱动机械,达到对外做功 的目的。 转子的性能要求: 为使转子能安全可靠的运行,必须满足下列条件: A. 必然有一定的强度,以满足支持自身重量和传递转矩的要求。 B. 必然经过严格的动平衡,以免高速旋转时产生过大的离心力引起汽轮机震动或损毁。 C. 必须使汽轮机的临界转速和运行转速避开一定距离,以免发生共振。 D. 必须安装平衡盘,推力盘和轴套,用以平衡转子的轴向推力并确定转子在轴向定位。 转子结构形式,一般有整锻式、套装式、组合式、焊接式、转鼓式等。 转子的轴向推力及其平衡: 蒸汽在汽轮机的通流部分膨胀做功时,转子上受两部分力,一部分叫做轮周力,是产生转矩 对外做功的有益力; 另一部分沿叶轮轴向从高压端指向低压端, 企图推动转子向其流方向运动, 所有叶轮轴向力 之代数和,就是整个 转子的轴向推力。 转子的轴向推力一般要采取措施平衡掉大部分, 剩余的部分由推力轴承承 担。如果推力过大, 就会影响轴承寿命,严重时会烧坏轴瓦,引起转子上动静部分碰撞, 一支损坏机器,因此, 在运行中必须严密 监视转子轴向推力变化,确保机组安全运行。

一般来说,作用于汽轮机转子的轴向推力来源于以下几种因素: A 叶轮两侧的压力差 B 动叶片上的轴向力 C 轴上各处直径不同引起的受力。 汽轮机转子所受轴向推力很大,高压汽轮机(反动式)可达到几百吨,为确保机组的安全运 行,一般采取下列措 施平衡轴向力。 A 使用推力轴承。目的是固定转子在气缸中的轴向位置,承受转子上的少部分轴向推力。 B 使用平衡活塞或平衡盘。在转子通流部分对侧,将转子做成阶梯形,已产生相反的轴向 推力,此阶梯凸台就叫 平衡活塞。 其右侧为高压蒸汽, 左侧与汽室相通, 受低压蒸汽作用, 因而产生相左的轴向力, 以平衡部分轴向力 。对冲动式汽轮机因其总的轴向推动力不大,一般将高压汽封套直径座大些,也可以起到类 似的作用。 C 开平衡孔。由于汽轮机叶片两侧的压力差,在轮盘上开有贯通两侧的小孔,即平衡孔, 可减少轮盘上的轴向 推力。平衡孔一般开 5-7 个奇数孔,以免再也轮同一直径上形成对称孔,影响也轮强度。另 外开奇数孔对减轻也 轮轮震动也有好处,但此方式汽轮机效率有所降低。 D 采用相反流向布置。使蒸汽在高低压缸或个区域内流向相反,而产生反方向的轴向推力, 以相互抵消而达平衡 。 (2) 静子部分 即汽轮机的静止部分,包括气缸,前后支撑轴承,推力轴承,喷嘴组,隔板,支撑与润滑系 统,气封等。 A 气缸(机壳) 气缸的作用是支撑转子,容纳并通过蒸汽,将汽轮机通流部分(喷嘴,转子,隔板等)与 大气隔开,保证蒸汽 在其机内完成做功过程。 在运行中,汽缸会承受蒸汽与大气压力差,轴向拉应力,部件重量,震动冀热应力等多 种作用,一般作为薄 壳双层,既要可靠的固定在基座上,又要有一定的自由膨胀裕度。 B 支撑与润滑系统 目的是承受气缸重量,并使气缸在受热状况下按一定方向进行膨胀。 C 碰嘴组和隔板 喷嘴作用如前所述,它是将蒸汽热能转化为动能的重要部件;隔板侧使各组叶轮在单独

的蒸汽室内运行,达 到热能的充分利用。 D 气封装置 在气缸两端,叶轮和隔板处,为避免动静部分碰撞而留有间隙。由于这些间隙前后压力差 存在,主轴通过间隙 处必然有漏气,从而降低机组运行性并造成损失。汽封装置作用是减少漏气,确保机组安全 运行。 轴端漏气不但造成部分蒸汽性能的浪费,影响汽轮机的经济性,还会破坏润滑,造成油 中带水,轴承润滑不 良等后果。另外,汽缸后侧漏入空气,对排气温度和凝气设备的真空建立有一定危害。 汽轮机的汽封装置有多种形式,最常用的是迷宫式气封,通过蒸汽的截流降低密封齿前 后的流动压差和流速 ,从而减少漏气量,达到密封的目的。 E 轴承 按其所起的作用可分为支撑轴承(又叫径向轴承)和推力轴承。支持轴承的作用是承受径向 力,保持主轴与气缸 中心线一致,确保转速正常运转。推力轴承则是用来承受转子轴向力,限制转子轴向串动, 保持转子轴向位置。 目前汽轮机和离心式压缩机绝大多数采用的是油润滑动压轴承,通过建立油膜压力承受载 荷。 3 汽轮机的功率和效率 (1) 汽轮机的功率 我们知道,汽轮机的功是热能转换而来的,而功率则表示单位时间的功。在汽轮机运行 管理工作中,将接触 到以下几种功率: A 理想功率 表示不考虑任何损失,蒸汽在汽轮机中作理想膨胀,单位间内将全部热能转换为功。 1 公斤 蒸汽具有的能量可用热量表示: g=io –i 排=Ht G 公斤蒸汽具有的能量表示热量: Q=G(io-i 排)=GHt 式中:io –在入口状态参数下的新蒸汽焓。 I 排---排气压力,温度下的蒸汽焓。 Ht------理想焓降 在理想情况下,蒸汽能量都转化为机械功应为: L = 427Q = 427GHt 在实际工作中,知道每小时的重量流量,就可相应算出相应理想功率。

B 内功率 从理想功率中扣除内部损失后得到的功率叫做内功率。 他表示汽轮机通流部分可以发出的 功率。 (所谓通流部 分就是流经汽轮机的蒸汽, 流经各级喷嘴和动叶栅的流道完成二次能源的转换。 这条通道叫 通流部分) 。 C 功率 从内功率中扣除外部损失消耗后的功率, 叫做轴功率, 他表示汽轮机轴端输出功率时可以 被利用的功率,所以 也叫有效功率。 D 汽轮机的效率 效率是衡量经济性的重要指标, 由于汽轮机实际工作中各有损失, 所以热能并不能全部转变 为功。实际发出的功 率理论上应发出的功率之笔,就使汽轮机的效率,叫做相对效率。 相对内效率:内效率与理想效率之比较叫做相对内效率,它说明内部损失的大小。 相对有效效率:汽轮机的轴功与理想功之比叫做有效效率。 有效效率表明汽轮机内部及外部损失大小, 表示汽轮机的综合性经济性指标, 汽轮机的功率 越大,有效功率就越 大,有效效率就越大,实际工作中还有实际有效气耗率表示汽轮机的经济性,他表示单位轴 功率所消耗的蒸汽量 。 实际汽轮机气耗率是用实验或计算的方法求得的。 汽轮机的机械效率反映了汽轮机在机械方面的工作效能, 它是轴功率和内功率之比, 一般为 0.96—0.995 4. 汽轮机的辅助系统 ⑴汽轮机的凝汽系统 ① 凝汽系统的作用和组成 凝汽系统的作用是建立和维持给定有力的排气压力, 增大蒸汽的可用焓降, 并将派出蒸汽冷 凝结成水,作为锅炉 给水循环利用。凝汽系统一般由表面凝汽器、循环水回路、凝结水泵和抽气器等组成。 ② 抽气器作用:是将蒸汽中带入的空气或由于处在真空系统下工作的设备及其工作管线、 法兰等处结合不 严密而漏入的空气从凝汽器中抽出,以维持凝汽器的经济真空。当然除抽气器外,还有抽气 冷凝器。其作用是将 抽气器抽出的蒸汽与空气混合物中的蒸汽凝结成水,回收再利用。 ⑵机组油系统 ① 概述:机组油系统包括油箱、油泵、管路和阀门、冷却器、过滤器等。油系统对设备润

滑、驱动调节系 统、冷却轴承和保证连锁装置的可靠动作等起着十分重要的作用,是机组安全运行的保障。 供油系统如果不正常 ,机组就不能启动,如果出现故障,就会造成压缩机组停车。 ② 任务和作用 油系统在机组运行中担负着两个任务: 一是向压缩机、 汽轮机轴承及齿轮箱等部位提供润滑 油;二是向汽轮机调 节系统提供调节油。此外,对于采用油膜浮环密封的压缩机还提供密封油。 滑油的主要作用: 一是其润滑支撑作用, 润滑油形成的油膜附着机器的摩擦轴的滑动间隙中, 制成转子并润滑, 使其不至于发生干摩擦,从而大大减少摩擦力。二是其冷却作用,润滑油川流不息的流入流 出,可以把零件由于 相对滑动而产生的热量带出压缩机轴承,以防止轴承及机件因温度过高而发生“咬合” 。 采用油膜浮环密封的压缩机的密封油的作用是通过压力油注入轴与浮环之间的间隙内, 达到 用油密封高压气体的 目的。 调节油的主要作用是供给调节系统进行信号转化的调节油, 同时供给信号放大机构用的动力 油。油系统设置蓄压 器的作用是保证油泵在切换过程中的油压稳定, 以免油压波动引起联锁跳车。 蓄压器中有一 氮气囊,当油压降低 时,气囊扩张,将蓄压器中的油压初,为维持总管油压波动大引起联锁跳车。 ⑶汽轮机调速调压和保安系统 大型化工厂汽轮机的调速调压系统的作用是调节汽轮机的转速和抽气压力/背压维持在设 定值上,机组的保安 系统在机组超速、轴向位移大、振动过大、油压过低等异常情况出现时能使机组得到保护。 5.附空分汽轮机系统流程图 第七章 精馏装置 第一节 精馏设备与操作 一.精馏塔 空分精馏塔按塔内件结构分为板式塔和填料塔。 精馏过程是在空分塔内的塔板上或填料中进行的,要求每块塔板能有效的进行传热和传质。 为此在设计塔板的结 构时应力求使气相和液相能充分的混合,造成最大的接触表面,并且有一定的接触时间。

在板式塔中, 塔内装有一定数量的塔盘, 气体以鼓泡或喷射的形式穿过塔盘上的液层使两相 密切接触进行传质。 两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。 在填料塔中,塔内装填一定高度的填料层,液体沿填料表面呈膜状向下沉动,作为连续相的 气体自下而上流动, 与液体逆流传质。两相的组分浓度沿塔高呈连续变化。 人们又按板式塔的塔盘结构和填料塔所用的填料,细分为多种塔型。 1. 常用板式塔类型 ? 筛板塔 ? 泡罩塔 ? 浮阀塔 筛板塔也是很早出现的一种板式塔。 五十年代起对筛板塔进行了大量工业规模的研究, 逐步 掌握了筛板塔的性能 ,并形成了较完善的设计方法。与泡罩塔相比,筛板塔具有下列优点:产能力大 20~40%, 塔板效率高 10~15% ,压力降低 30~50%,而且结构简单,塔盘造价减少 40%左右,安装、维修都较容易。 液体从上—层塔盘的降液管(斗)流下,横向流过塔盘,经溢流堰进入降液管(斗) ,流入 下—层塔盘。依靠溢 流取来保持塔盘上的液层高度。蒸汽自下而上穿过筛孔时,分散成气泡,穿过板上液层。在 此过程中进行相际的 传热和传质。 筛板塔盘的特点如下: (1) 结构简单,制造维修方便。 (2) 生产能力大,比浮阀塔还高。 (3) 塔板压力降较低,适置于真空蒸馏。 (4) 塔板效率高,但比浮阀塔盘稍低。 (5) 合理设计的筛板塔可具有较高的操作弹性,仅稍低于泡罩塔。 (6) 小孔径筛板易堵塞,故不可处理脏的、粘性大的和带有固体粒子的料液。 在筛板塔中,气体由下部穿过各层筛板的小孔,鼓泡通过筛板上的液体,液体经过溢流斗逐 渐往下流动,由于穿 过小孔的气流的托持, 液体不会从筛孔中漏下。 气、 液二相在筛板上接触, 进行传热和传质。 筛板塔的工作主要决定于上升蒸汽和回流液体的流动情况。一般可分为以下几种: 不均匀鼓泡:蒸汽上升的速度较小,只能在塔板上的局部地区以链状气池的状态穿过液层, 鼓池地区也是不固定 的,在不鼓泡地区液体将从小孔中漏下。不均匀鼓泡义称液漏现象。在不均匀鼓泡时气、液 相的接触很差,是设

汁和操作时不允许出现的。 正常鼓泡:蒸汽上升的速度达到一定数值后,塔板上就会出现全面均匀的鼓泡,气体激烈的 搅动着液体,使液体 呈薄膜状半悬浮地运动着, 液相接触最好。 气、 同时有少量的液体被喷成雾沫分散在气相中。 雾沫夹带:蒸汽速度进一步增大,或板间距太小,没有足够的使气、液分离的空间时,蒸汽 将夹带着液体上升到 另一块塔板上,使塔板效率降低,这种情况称雾沫夹带,在筛板塔设计中是不允许的。 液泛:蒸汽速度过大,使塔板阻力过大,液体不能从上—块培板流到下一块塔板,气、液相 间的对流停止,精馏 工况被破坏,这种情况称为液泛。液泛是塔板设计及操作时绝对不允许的。 2. 塔板流型 液相在塔板上横向流过时分程的型式称之为流型。筛板塔按溢流方式分:单溢流、双溢流、 三溢流、四溢流、五 溢流。将液相从受液盘直接流向降液的型式为单流型,如图 19 所示。当液体流量增大至一 定程度时,液体流动 阻力增大。 当流道较长时, 则在液体流动方向形成较大液面落差, 使得塔板上阻力分布不均, 从而影响气相通过 塔板的分布不均。亦将引起液相倾向性漏液,不利于传质。 当液体流量大,塔径也随之增大时,则可采用双流型,如图图 19 所示。设两个降液管,使 液相从两侧流向中心 降液管,或从中心流向两侧的降液管,这样减少了单程液相流量,缩短了流道长度,增大流 通截面,从而使阻力 减少,塔板液面落差减小,使塔板压降分布比较均匀。 同理,可采用、三溢流、四溢流、五溢流。 图 19 筛板流型 弓形降液管溢流装置 图 20 弓形降液管溢流装置 溢流装置含降液管、溢流堰、底隙等几部分。降液管是塔板间的液体通道及液相夹带气泡的 分离场所,如图 20 所示。 降液管有弓形、 圆形或矩形几种型式, 如图 21 所示。 液相流量较大时一般采用弓形降液管, 小流量采用圆形或

矩形降液管,故工业上一般采用弓形降液管,如图 21 中(a)(b)(c)所示。其他型式(d)(e)(f)用 于实验装置。 降液盘顶部设有溢流堰 hw,以维持塔板上一定液层高度。降液管底部留有底隙 hb,为液体 进入下层塔板的通道。 (a)???????(b)??????(c)

(d)????????(e)??????(f) 图 21 降液管型式 i. 填料塔结构 填料塔以填料作为气液接触元件,气液两相在填料曾中逆向连续接触。它具有结构简单、压 力降小、易于用耐腐 蚀非金属材料制造等优点,对于体吸收、真空蒸馏以及处理腐蚀性流体的操作,颇为适用。 当塔径增大时,引起 气液分布不均,接触不良等,造成效率下降,即称为放大效应。同时,填料塔还有重量大、 造价高、清理检修麻 烦、填料损耗大等缺点,以致使填料塔在很长时期来使用得不及板式塔广泛。但是随着新型 高效填料的出现.流 体分布技术的改进,填料塔的效率有所提高,放大地应也在逐步得以解决。到了六十年代, 直径超过 3m 的填料塔 已十分普遍,目前大型填料塔不仅已经出现,而且在某些方面已超过了板式塔的规模。 填料是填料塔中传质元件,它可以有各种不向的分类:如按性能分为通用填料和高效填料; 按形状分为颗粒型填 料和规整填抖。按填料的结构分为实体填料和网体填料两大类。 波纹填料属于规整料,它分为波纹板填料与波纹网填料。 波纹板填料的单片是具有波纹的薄片,波纹方向与水乎成 45°。组装时单片竖直安放,且 相邻单片的波纹方向互 相垂直交低如此叠合组成圆盘或其分块。 填料装入塔内时, 上下填料盘的板片方位互相垂直。 波纹板填料的优点 为: (1) 压力降小,生产能力大。由于它是规整结构,故压力降较—般乱堆填料低,因而空塔速 度可以提高。

(2) 由于其结构紧凑,具有很大的比表面,且填料的结构能促进气液分布均匀化,使传质效 毕提高。 (3) 操作弹性大。 波纹板填料的缺点是不适合用于易结垢、析出固体、发生聚合,以及液体粘度较大的物系; 对于大塔则填料重量 大、造价高、装卸清理困难。 空分设备中使用的规整填料及内件: ? 填料(见图 22) 图 22 波纹板填料

?

填料支撑(图 23)

图 23 填料支撑

? 填料压圈 结构与填料压圈类似。 ? 液体收集器(见图 24)

图 24 液体收集器 ? 分布器(图 25)

图 25 液体分布器 空分设备中精馏塔: 上塔、下塔、粗氩塔Ⅰ、粗氩塔Ⅱ、纯氩塔。 精馏塔是制氧机中重要设备之一。 低温饱和空气在精馏塔中分离成氧和氮。 在低压制氧机中, 精馏塔的好坏直接 影响到氧、氮的生产量,氧、氮的纯度及生产氧气的能耗。 3. 冷凝器与蒸发器 冷凝器、蒸发器在精馏系统中是提供冷量或热量,即在精馏塔顶部提供回流液,精馏塔底部 提供上升气的设备。 精馏系统有主冷凝蒸发器、粗氩冷凝器、纯氩冷凝器、纯氩蒸发器。这些设备均由板式换热 器单元及外壳等构成 。板式单元个数可一只或多只,板式单元的布置可单层布置,也可双层布置。例如 3 万以上 的主冷凝蒸发器的板

式单元为双层布置。 双层主冷凝蒸发器结构介绍(图 26) : 主冷液氧蒸发侧分隔为上下两层,每层布置 4 只板式。下层与上层之间用降液管、升气管相 连通。下塔氮气由中 心管进入各板式换热器,液氮出从中心管夹层引出。

图 26 双层主冷凝蒸发器

第二节 故障及维护 在精馏实际生产中,无论是精馏塔正常运行,还是由操作条件的变化和塔性能改变等原因, 出现非正常现象,均 需对塔的操作进行分析。 一方面为塔的合理操作提供适宜操作条件的范围, 以提高塔的生产 能力,降低生产成本 ;另一方面针对不同工况进行分析,为出现故障及时、准确的诊断提必要的信息,以便排除 故障恢复正常生产。 操作过程的分析的方法、手段,通常是调查研究、现场测试以及严格的模拟计算,并且主要 从以下几方面开展工 作: ? 应用物料衡算的关系检验精馏塔采出量的合理性。 如果采出不合理, 就不可能使塔两端 产品同时达到要 求。 ? 应用热力学原理,如相平衡关系,分析塔内温度、压力、组成等分布的合理性。 ? 应用理论级及塔板效率的基本概念,分析影响分离能力的主要原因。 ? 考查塔板的水力学性能,分析影响塔生产能力和分离能力的原因。 ? 此外,塔在系统中的环境、辅助设备性能对塔分离均会产生影响。 精馏过程诊断 (1)塔的一端产品不合格 ??尽管导致塔产品不合格的原因很多,而且比较复杂,但在诸多原因中,优先考虑塔的物 料衡算,因物料衡算 对过程起到控制作用。当进料流量、组成以及分离要求一旦给定,则采出量即将唯一确定, 而不可随意改变。 (2)塔两端产品不合格 如果新投产的或改造后开始投运塔, 出现塔两端产品不合格, 与塔在正常运行中出现异常有 所不同。前者问题较

后者严重。故障的发生通常有两方面的原因,其一是塔结构,其二是操作条件。对于新塔或 改造后的塔的投运出 现此现象, 则存在上述两方面的原因。 而正常运行中的塔应主要是操作原因或操作不当造成 设备的损坏等,进行 分析诊断。具体诊断步骤如下: ② 精馏塔投运应从小负荷开始调试,达到要求后,逐渐提高负荷。亦对塔进行严格模拟计 算。 ③ 核算采出量是否合理。 如果核算结果采出量大于合理采出量。 首先应在全回流条件或采 出量减小条件下 操作,使塔顶达到分离指标。 ④ 在塔顶产品达标的前提下, 逐渐加大采出, 同时提高回流比, 以保证塔两端的分离要求。 ⑤ 当塔两端均达到要求后,可逐渐提高进料量,使之达到设计能力。如果当塔顶采出提高 到适宜采出量时 ,两端产品不达标。若提高回流比两端仍不能达标,同时发现塔压差有明显升高,说明塔板 水力学性能受到限制 。应逐渐减少进料量,才能稳定操作,使塔两端达标。 ⑥ 如果在操作中, 提高操作回流比, 塔两端的分离效果变化不大, 而塔压差也无明显变化, 说明塔理论板 数不足,或是塔板的效率太低。 ⑦ 对于长期正常运行的塔出现分离效果不理想, 有可能堵塞了塔板或填料, 或该操作损坏 了塔板,说明该 检修了。 ⑧ 在提高负荷过程中,塔压差明显上升,使塔釜及回流液液面失控,说明塔内可能发生液 泛。其原因是降 液管太小或液体发泡严重等原因所致。 第八章 空分仪表控制系统 第一节 概述 现代最新空气分离设备,是以生产氧气、氮气和氩气的带分子筛纯化,增压膨胀流程的大型 成套设备。仪控系统 是该成套设备的一个重要组成部分, 根据工艺流程的需要, 配备了各种仪表及自控装置来监 控成套空分设备各部 机的工艺参数,并实现各主要操作阀门的自动控制或遥控操作,以及必要的联锁保护措施, 以实现成套空分设备

长期安全稳定可靠运行。 为适应工艺流程的需要,仪控系统采用 DCS 集散型控制系统,主要工艺参数的显示、趋势 记录、历史事件记录、 报警、 控制、 打印及流程图画面显示等均由集散系统完成。 以确保整个仪控系统可靠、 先进、 操作维护方便。 DCS 系统的控制器采用冗余结构, CPU、电源、 通讯的冗余以保证系统的可靠性。 由于 DCS 采用故障诊断和冗余控 制的技术,在 DCS 里完成所有的控制和联锁,使控制的可靠性得到保证。控制器具有在线 功能,所有的 I/O 卡件可 以带电插拔;DO 采用继电器隔离。 中控室监视器采用 21"彩色 CRT,对空分装置的过程参数实现监控,并带有操作键盘、报警 打印、报表打印等设备 。同时集成有以态网接口卡,是 DCS 与工厂管理网的通讯接口。

大体结构:

第二节 测量原理 1.压力测量: A.压力表的选择:根据压力的大小,确定仪表的量程。 一般在被测压力比较稳定的情况下,最大压力值不得超过满量程的 3/4;在被测压力波动较 大的情况下最大压力 值不得超过满量程的 2/3;为了保证测量的精度,被测压力值不低于全量程的 1/3 为宜。 B.压力表的安装:所选择的测压点能反映被测压力的真实情况。 要选择在被测介质直线流动的管段部分,不要选择在管路拐弯、分叉等地方。 测量流动介质的压力时,应使取压点与流动方向垂直。 测量液体压力时,取压点应在管道的下部,使道压管内不积存气体;测量气体时,取 压点应在管道的上方 ,使管道内不积存液体

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