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空分装置培训课件


空分工艺
制作单位:生产技术部

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一、概述 1、空分的含义 2、空气分离的方法 二、空分装置的流程和特点 1、装置的流程 2、按流程的顺序分别介绍各个系统 三、空分设备的安全规定及一些事故案例

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/> 一、概述

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空分的含义
? 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。

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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。空气中主要组分的性质如下:
名 化 称 学 符 号 氮 N2 氧 O2 氩 Ar 沸点℃ 熔点℃ 101.325KPa 101.325KPa 密度 Kg/m3 气体 1.25 1.43 1.782 Kg/l 液体 0.81 1.14 1.4 临 界 点 ℃

-195.8 -183 -185.7

-209.86 -218.4 -189.2

-147 -119 -122

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?

1、低温法:
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

? 原理:是根据空气中各组分的沸点不同,经加压、预冷、纯化、

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.

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? 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。
? ?

2、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。
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。

? 3、膜分离法:
?

?

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二、克旗煤制气公司配 套的空分装置的流程和 特点

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克旗公司采用的空分装置特点

? 本界区空分装臵共三期六套, 其中主精馏塔由杭州杭氧股份 公司制造,单套空分装臵制氧 能力48,000Nm3/h,制氮能力 80,000Nm3/h,同时副产工厂空 气、仪表空气、液氮和液氧。 ? 本装臵生产的纯度为99.8%的氧 气主要供下游气化装臵使用, 作为气化炉的原料气参加反应; ? 纯度为99.99%的氮气供下游工 艺生产使用,作为保护气和吹 扫用气; ? 副产的工厂空气、仪表空气供 所有化工区各分厂和正常生产 动力车间生产装臵使用,作为 仪表气源和吹扫用气。
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装置的流程形式
? 空分的设备采用的是单泵内压缩、空气增压循环、膨胀空

气进下塔的内压缩流程。

? 空分装臵流程主要分外压缩、内压缩 ? 外压缩就是利用氧气压缩机将空分装臵出来的低压产品氧气压缩至 用户所需要的压力等级。 ? 内压缩是采用液氧泵对产品液氧进行压缩,然后换热汽化的一种流 程形式。 ? 内压缩流程分类 内压缩流程的形式比较多,根据流程形式大致分为三种: 1、单泵、双(多)泵内压缩流程。 2、空气增压循环和氮气增压循环。 3、膨胀空气进上塔和膨胀空气进下塔。 ? 内压缩流程的优点 1、取消了氧压机,无高温气氧,火险隐患小,安全性好。 2、从主冷大量抽取液氧,使碳氢化合物的积聚的可能性降低。
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组成空分装置的几个系统
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 整个空分装臵必须解决以下几个问题: 一、 如何清除空气中的杂质; 二、 如何为装臵提供带压的空气; 三、 如何将空气冷却到液化温度; 四、 如何将空气分离成氧、氮; 五、 如何将产品送到用户; 六、 如何控制制氧过程中的正常进行。 为此,空分装臵中相对应的建立了以下几个系统: 一、 杂质的清除系统(空气过滤器和纯化系统); 二、 空气加压系统(空压机及增压机系统); 三、 空气的冷却和液化系统(预冷系统和膨胀机、换热器系统); 四、 空气的精馏系统(分馏塔系统); 五、 产品的输送、贮存系统(压氮系统和液体贮存系统); 六、 仪电控制系统。

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KDON-48000/80000型 空分装置简易流程
? 空气
高压氧气4.7MPa

低压氮气去水冷塔 污氮气去水冷塔 污 氮 气 去 分 子 筛

粗氩气

压力氮气去压缩机

蒸 汽

增 效 塔 上 塔

汽轮机

膨胀机 空 冷 塔 分子筛 下 塔

主冷

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流程叙述
? 本 装臵为分子筛净化空气、空气增压、膨胀空气进下塔、氧气 内压缩流程,带中压空气增压透平膨胀机,采用规整填料上塔、增 效氩塔工艺。 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,经原料空气压缩机压 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480 分钟,定时自动切换。

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净化后的空气分为两股:一股进入低压板式换热器,与返流的气 体换热后出换热器底部后进入下塔;另一股去空气增压机。 进入空气增压机的空气经增压机第一段增压后分为两股:一股直 接出增压机,经后过冷器冷却后进入膨胀机的增压风机中增压,然后 被冷却器冷却至常温后进入高压板式换热器,再从高压板式换热器中 部抽出进入膨胀机去膨胀。膨胀后的空气送入下塔。 另一股空气在增压机的第二段继续增压并经后冷却器冷却至常温 后进入高压板式换热器,与高压液氧及返流污氮气体换热。这部分高 压空气从换热器底部抽出经节流进入下塔。 空气经下塔初步精馏后,获得液空和污液氮,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,并经液 氧泵压缩后进入高压板式换热器,复热后出冷箱,进入氧气管网。另 抽取液氧送入液氧贮存系统。 在下塔顶部获得纯液氮,送入液氮贮存系统。

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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 入氮气管网。 从上塔中部抽取一定量的氩馏份送入增效粗氩塔,氩馏份经增效 粗氩塔精馏后得到粗氩气。粗氩气经过低压板式换热器复热后出冷箱, 可以与污氮气汇合去水冷塔也可以单独作为粗氩气产品。 从上塔顶部抽取低压纯氮气经过冷器、低压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、低压板式换热器和高压板式换 热器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。
?

下面分别介绍流程中的各个系统。

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1、空气过滤系统
在工业区的空气含尘量一般为1-5 mg/m3。灰尘粒度为0.5-20μm,以 10 000m3/h制氧机的加工空气量估算, 每天随加工空气带到空分装臵的灰尘 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臵空气过滤器, 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1000.1μm的尘粒.净除后空气中含固体 杂质的量小于0.5mg/m3。

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一、除尘的方式: 1、过滤除尘:使含尘气体通过滤料,将尘粒分 离捕集。 2、惯性除尘:是使气流进行急剧的方向改变, 借尘粒本身的惯性力作用将其分离。 3、离心力除尘:使含尘气体作旋转运动。 4、洗涤除尘:液滴、液膜、气泡、粘附。 5、静电除尘。 二、过滤器的分类: 空气过滤器可分为干式或湿式两种。干式过滤 器属于表面式过滤器,靠织物网眼阻挡尘粒;湿式 过滤器靠油膜粘住灰尘。

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自洁式过滤器

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2、空压机及增压机系统
原料空气压缩机和 增压空气压缩机
作用:提供带压原料空气 结构:成套进口德国曼透平公司的产 品,由汽轮机拖动两台离心式压 缩机 空压机排气量:251 000Nm3/h, 0.595MPa(A) 增压机 一级: 6 一段:25 二段:83 流量 压力 000Nm3/h,0.80MPa(A) 000Nm3/h,2.82MPa(A) 000Nm3/h,7.30MPa(A)
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原料空气压缩机和增压空气压缩机
?

原料空气压缩机 和增压空气压缩机均 采用离心式压缩机, 由透平蒸汽轮机驱动。 原料空气压缩机的作 用是为装臵提供带压 原料气,增压空气压 缩机的作用是为装臵 提供膨胀及液氧气化 的气源。

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原料空气压缩机
空压机为水平剖 分外挂悬臂蜗室结 构,第一级叶轮外 挂悬臂,入口处带 有可调进口导叶, 第二、三、四级叶 轮与一级叶轮同向 布臵,一、二、三 级后均设内臵式中 间冷却器。
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增压空气压缩机

型式: 整体齿轮式 进入空气增压机的空气经增压机 第一段增压后分为两股:一股直接出 增压机,经后冷却器冷却后进入膨胀 机的增压风机中增压,然后被冷却器 冷却至常温后进入高压板式换热器, 再从高压板式换热器中部抽出进入膨 胀机去膨胀。膨胀后的空气直接送入 下塔。另一股空气在增压机的第二段 继续增压并经后冷却器冷却至常温后 进入高压板式换热器,与高压液氧及 返流污氮气进行换热。这部分高压空 气从换热器底部抽出经节流进入下塔。

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3、预冷系统
? 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。
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4、 纯化系统
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。

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设置此系统的必要性
? 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压机与空气分离装臵中会到来 较大危害,固体杂质会磨损空压机运转部件,堵塞冷却器, 降低冷却效果;水蒸气和二氧化碳在空气冷却过程中会冻 结析出,将堵塞设备及气体管道,致使空分装臵无法生产; 乙炔进入空分装臵后会导致爆炸事故的发生,所以为了保 证制氧机的安全运行,清除这些杂质是非常有必要的。

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分子筛的吸附顺序

CH4 C2H6 C3H8 N2O C2H4

设计吸附率 甲烷 乙烷 丙烷 一氧化二氮 乙烯 二氧化碳 乙炔 丙烯 正丁烷 nC4H10 异丁烷 苯 丙酮 臭氧 一氧化氮 水 0% 0% 65 % 65 % 85 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % iC4H10 100 % 100 % C6H6 C3H6O 100 % 100 % O3 100 % NO H2O CH4 C2H6 C3H8 N2O C2H4 CO2 C2H2 C3H6

CO2含量为 0.1ppm时的 吸附率

CO2 C2H2 C3H6 nC4H10 iC4H10 C6H6 C3H6O O3 NO H2O

0% 0% 50 % 50 % 70 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 %
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5、膨胀机系统
膨胀机
作用:膨胀机是空分 设备的心脏部机之一, 由气体在膨胀机中等 熵膨胀而制取冷量, 补充系统冷损。

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透平膨胀机制冷的基本原理
? 膨胀机是为空分装臵提供冷量的设备, 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。

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影响膨胀机制冷量大小的因素
? 1、 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。 ? 2、 机前温度: ? 提高机前温度,单位制冷量提高;
? 3、 机前压力: ? 提高机前压力,增大膨胀比,单位制冷量提高; ? 4、

绝热效率。
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6、换热系统
主热交换器
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。

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高压板式换热器

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二、液空、液氮过冷器
? 两台板翅式铝制换热器 ? 杭氧制造

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7、分馏塔系统
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。

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分馏塔

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上塔内部结构示意图
液体

液体

填料塔

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下塔原理示意图
INLET BAFFLE LIQUID BUBBLING AREA DOWNCOMER TRAY SPACING

SEPARATION DEGASING LIQUID FROM OF GAS LIQUID

ENTRAINMENT

CLEAR LIQUID WEIR CREST

GAS

DOWNCOMER CLEARANCE

OUTLET WEIR

INLET WEIR DOWNCOMER SEAL AREA

GAS

SEAL PAN

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塔板上气体穿过液层

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精馏系统模型

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主冷凝蒸发器
? 采用全浸式操作方式,不会产生干蒸发,且对于液氧通道采 用截距较大的翅片与独特的补液措施,使大液池中低碳氢化 合物浓度的液氧不断补充进主冷板式单元的液氧通道中,使 单元内液氧中碳氢化合物不浓缩。当液氧操作液位低于主冷 凝蒸发器板式单元高度的80%时,报警系统立即报警。 ——其次对于液氧通道采用截距较大的翅片,使液氧流动更 通畅不易堵塞通道,并降低微小颗粒所产生的静电,从结构 上根本解决了主冷内部的安全防爆问题。并且在液氧侧还有 接地保护装臵。 ——再次,在整个液氧大池中,保持液氧侧较高的循环倍率, 并通过加大液氧排放量使液氧底部不会出现易燃化合物的凝 结。

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三、空分设备的安全 规定及一些事故案例

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空分装置的安全操作
? 在正常生产时,冷凝蒸发器液氧中的乙炔、碳氢化合物是 空分装臵的主要引爆源,必须对其严格控制。液氧的安全 排放是冷凝蒸发器防爆的一个有力措施,不能忽视。 主 冷液氧液位不能长期处于低液位,尽可能避免低液位,低 液位易造成乙炔等CH化合物增浓,造成危险。 ? 乙炔、碳氢化合物在液氧中的含量极限值规定如下: 化合物名称 乙 炔 碳氢化合物 正常 值 0.01PPm 30PPm以下 报警值 0.1PPm 50PPm 停车值 1PPm 100PPm

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一些空分装置的事故案例
? 空分装臵主 冷乙炔、碳 氢化合物超 标后,引发 的主冷凝

蒸发器爆
炸。

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保温材料排放不当引起冷箱爆炸
? 预防措施:
? (1) 严格按照规定珠光砂排放规程; ? (2) 必须首先打开主冷箱顶部和板式冷箱顶部的所有 人孔,适量通入冷箱密封气进行彻底加温; ? (3) 与此同时必须将冷箱内所有设备加温至常温; ? (4) 然后检查冷箱内气体的氧含量,若其氧含量超过 20.95%,则应调整空分设备静臵等待,直到符合标准。以 上工作检查均合格,方可排砂; ? (5) 珠光砂的排放必须从冷箱顶部逐渐向下排放,下 部人孔(包括珠光砂排放孔)严禁直接打开,珠光砂的排 放应缓慢,若有冰块,必须从冷箱顶部取出.

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液氧泵及氧气管道的燃烧爆炸
? 氧气管道设计和操作不当会引起爆炸,摩 擦发热,产生火花,会引起燃烧爆炸。

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3.27沙钢制氧厂氧气管道爆炸事故
? 2008/3/27沙钢制氧厂氧气管道爆炸,死亡2人.其中一人为沙钢正处干 部,袁加宇厂长。教训::开关氧气阀门要慢!不一定只是有杂质才 会爆炸,氧气管道瞬间加压产生的高温可能是主因!送氧之前一定要 记得先吹扫,之后送氧时氧气阀门一定要缓慢打开,速度千万不能快。

? 直接原因
? 1、吹扫不彻底。(吹了2次) 2、阀门前后压差大,未充压。(阀前20公斤氧气压力) ? 3、也是最重要的一点,从该阀门拆卸后从该阀的旁通阀中发现有油。

? 间接原因
? 1、施工单位分3包,工程质量存在一定的问题。 ? 2、管道连接未氩弧焊打底,且发现内有钢筋一根。 ? 3、也是最重要的一点,公司赶时间赶进度。

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其他事故案例
? 1997年5月16日,辽宁抚顺乙烯化工厂6 000m3/h 空分塔发生恶性爆炸,设备、厂房均遭严重毁坏, 4人死亡、4人重伤、27人轻伤。 ? 2000年8月21日,江西萍乡钢铁公司制氧厂1 500m3/h空分装臵检修现场发生燃爆事故,造成 22人死亡、7人重伤、17人轻伤。 ? 2003年8月22日,马鞍山钢铁公司氧气厂20 000m3 /h空分设备安装时发生爆燃,人被弹出,并35% 烧伤,经抢救脱险。 ? 2006.5.30 日15 时,浙江义乌市凌云立交桥工地, 一人在卸氧气瓶过程中发生气瓶碰撞,引发爆炸, 该人当场死亡。
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工业气体的安全
? 防止窒息引起死亡的措施:
? a、防止氮气的局部增浓,如有增浓做出标记, 并加以强制通风; ? b、严禁人员进入氮气增浓区域; ? c、人员进入氮气容器或管道前,必须检查确认 无氮气增浓方能进去,并在安全人员的监督下进 行。

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充装站的安全
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1、氧气流通严禁油脂; 2、氧气放散严禁烟火; 3、氧气、液氧、液空和氮气设备管道上铺设防 静电积累的放静电接地装臵。 4、防水; 5、严禁吸烟、明火; 6、人员穿戴不带有铁钉的鞋子,衣着也要禁油, 防静电; 7、防超压
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结束语
? 目前,空分装置正在紧锣密鼓的试运之中, 空分分厂检修小组正在以饱满的热情投身 到各项准备工作中,我们的目标:保证空 分界区正常运转。

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