空气分离技术

心情如风 · 发表于 2012-9-1 10:06:59

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绪    论

一、空气分离的几种方法
1、低温法（经典，传统的空气分离方法）
压缩       膨胀    液化（深冷）精馏
                        低温法的核心
2、吸附法：利用固体吸附剂（分子筛、活性炭、硅胶、铝胶）对气体混合物中某些特定的组分吸附能力的差异进行的一种分离方法。
特点：投资省、上马快、生产能力低、纯度低（93%左右）、切换周期短、对阀的要求或寿命影响大。
3、膜分离法：利用有机聚合膜对气体混合物的渗透选择性。
  穿透膜的速度比快约4-5倍，但这种分离方法生产能力更低，纯度低（氧气纯度约25%~35%）
二、学习的基本内容
1、低温技术的热力学基础——工程热力学：主要有热力学第一、第二定律；
                  传热学：以蒸发、沸腾、冷凝机理为主；
      流体力学：伯努利方程、连续性方程；
2、获得低温的方法
绝热节流
相变制冷
等熵膨胀
3、溶液的热力学基础
拉乌尔定律、康诺瓦罗夫定律（1、2 ，空分的核心、精馏的核心）
4、低温工质的一些性质：（空气、O、N、Ar）
5、液化循环（一次节流、克劳特、法兰德、卡皮查循环等）
6、气体分离（结合设备）
三、空分的应用领域
1、钢铁：还原法炼铁或熔融法炼铁（喷煤富氧鼓风技术）；
2、煤气化：城市能源供应的趋势、煤气化能源联合发电；
3、化工：大化肥、大化工企业，电工、玻璃行业作保护气；
4、造纸：漂白剂；
5、国防工业：氢氧发动机、火箭燃料；
6、机械工业；
四、空分的发展趋势
○ 现代工业——大型、超大型规模；
○ 大化工——煤带油：以煤为原料生产甲醇；
○ 污水处理：富氧曝气；
○ 二次采油；

第一章空分工艺流程的组成

一、工艺流程的组织
我国从1953年，在哈氧第一台制氧机，目前出现的全低压制氧机，这期间经历了几代变革：
第一代：高低压循环，氨预冷，氮气透平膨胀，吸收法除杂质；
第二代：石头蓄冷除杂质，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；
第六代：内压缩流程，规整填料，全精馏无氢制氩；
○全低压工艺流程：只生产气体产品，基本上不产液体产品；
○内压缩流程：化工类：5~8 ：临界状态以上，超临界；
   钢铁类：3.0 ，临界状态以下；
二、各部分的功用
净化系统    压缩    冷却    纯化分馏（制冷系统，换热系统，精馏系统）
液体：贮存及汽化系统；
气体：压送系统；
○净化系统：除尘过滤，去除灰尘和机械杂质；
○压缩气体：对气体作功，提高能量、具备制冷能力；
         （热力学第二定律）
○预冷：对气体预冷，降低能耗，提高经济性
有预冷的一次节流循环比无预冷的一次节流循环经济，增加了制冷循环，减轻
      了换热器的工作负担，使产品的冷量得到充分的利用；
○纯化：防爆、提纯；
      吸附能力及吸附顺序为：；
○精馏：空气分离
   换热系统：实现能量传递，提高经济性，低温操作条件；
   制冷系统：①维持冷量平衡  ②液化空气
膨胀机
方法
节流阀
            膨胀机制冷量效率高：膨胀功W；
   冷损：跑冷损失 Q1
复热不足冷损 Q2
生产液体产品带走的冷量Q3


第一节净化系统

一、除尘方法：
1、惯性力除尘：气流进行剧烈的方向改变，借助尘粒本身的惯性作用分离；
2、过滤除尘：空分中最常用的方法；
3、离心力除尘：旋转机械上产生离心力；
4、洗涤除尘：
5、电除尘：
二、空分设备对除尘的要求
对0.1 以下的粒子不作太多要求，因过滤网眼太小，阻力大；
对0.1 以上的粒子要100%的除去；
三、过滤除尘的两种过滤方式
1、内部过滤：松散的滤料装在框架上，尘粒在过滤层内部被捕集；
2、表面过滤：用滤布或滤纸等较薄的滤料，将尘粒黏附在表面上的尘粒层作为过滤层，进行尘粒的捕集；
自洁式过滤器：1 以上99.9%以上；
               阻力大于1.5KPa。就进行自清除；
文丘里管（文式管）：将空气压力能转换为速度能；
                  滤筒可以工作时更换；
四、除尘装置的性能评价
1、流量（处理能力）：选加工空气量的两倍；
2、压力损失；
3、除尘效率；
4、寿命；

第二节  空气压缩系统

概念：
等温效率：等温效率，为等温功率与轴功率N之比，即：
控制调节能力：防喘振；
振动：
经济性：好的用汽轮机，蒸汽机，燃汽轮机；

第三节空气预冷系统

一、分类
1、氮水预冷：适用于大中型空分；
2、冷水机组：适用于< 4000的空分；
二、组成
空冷塔，水冷塔，水泵，冷水机组
氮水预冷系统分为两类：
a.空压机末级冷却器与空冷塔合二为一：氮水预冷系统热负荷大，传热温差大，常用；
b.空压机末级冷却器单独设置；
三、工作原理
利用来自冷箱内污氮、氮气含水的不饱和性吸收蒸发潜热使循环水降温；



热质交换：显热——温差；
      潜热——相变；
      潜热交换显热交换；
常温：水——100℃水蒸气    100千卡以上；
   水100℃——水蒸汽    539千卡；
冷箱内来的相对湿度为20%~30%，非常干燥，相对湿度是相变发生的主要条件。
四、预冷系统的作用
1、实现空气的等温压缩，增大等温效率；
2、降低空气进主换热器的温度；
3、使纯化条件工作在最佳状态。



五、设置氮水预冷系统的优点
1、保证冷量充足（膨胀量可减少）；
2、减少主换热器的热负荷；
3、减低空气的饱和含水量，减轻纯化系统的工作负荷；
4、温度越低，工况越稳定。
六、结构类型
1、空冷塔：a.空筒式：洗涤空气灰尘、等；
         b.大孔径穿流板；阻力较大，10KPa以上；
         c.散堆填料：目前使用最多，鲍尔环：表面积大，传质效果好，阻力小；
2、水冷塔；a.喷淋式；
         b.塔板式；
         c.散堆填料；
3、冷水机组：逆卡诺循环

第四节纯化系统
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归体杂质。这些杂质随空气进入空压机与空气分离装置中会到来较大危害，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，致使空分装置无法生产；乙炔进入空分装置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。
一、净除的几种方法
1、吸收法：现在已不使用；
2、冻结法：切换板式：利用氮气蒸发和升华。淘汰的原因：要求污氮的量大，氧氮产量1：1.2；
3、吸附法：利用固体吸附剂对气体混合物中多组分吸附能力的差异进行的；氧氮产另比 1：（2.5~3.5）；
二、吸附过程的基本原理
   当气体与固体吸附剂相接触时，在固体表面或内部将发生容纳气体的现象（被吸附的物质叫吸附质，起吸附作用的物质叫吸附剂）。
三、吸附的两种类型
1、物理吸附：靠分子间作用力（范德华力），吸附剂与吸附质的化学性质基本不变；
2、化学吸附：靠吸附质与吸附剂形成化学键，由于吸附键的结构影响，化学性质变化的。
吸附是一个传质过程，有两个阶段：
A.外扩散：从气体的主体通过吸附剂颗粒周围气膜到颗粒表面；
B.从表面进入空穴内部有表面扩散和空扩散。.
四、对吸附剂的几点要求
1、吸附剂必须是多孔性物质：
2、吸附剂必须有特定的选择性；
3、吸附容量要大；
4、能再生且能多次使用；
5、有足够的机械强度不破碎；
6、价格便宜；
五、吸附剂的分类
1、活性炭；
2、硅胶：硅胶的化学式为：。当硅胶吸附水分时，可以达到自身重量的50%，相对湿度为60%时，吸湿量也可达到24%，但是硅胶吸附水分后温升高，易破碎；可分为粗孔和细孔硅胶；
3、铝胶：即氧化铝的水合物，化学式为；性质很稳定，无毒，坚实，浸入水中不软化、膨胀或崩裂，耐磨抗冲击；
4、分子筛；
   制氧机应用的分子筛为沸石分子筛。化学通式如下：

分子筛目前主要有A型、X型和Y型；
常用的有外型有球状和条状；尺寸为；
目前空分上使用的分子筛都是13x分子筛，13x分子筛是一种离子形吸附剂，对极性分子有强的亲和力。13x分子筛有条形，球形之分；且有各种型号，可以根据所需效果选择。
分子筛具有的吸附特点：
a.选择吸附：
b.干燥度高：通常干燥后空气露点可达到负70度；
c.有共吸附能力：可以同时吸附水、二氧化碳、乙炔等；
d.分子筛具有高的稳定性，温度达到700℃时，仍不熔性；
e.有简单的加热可使其再生；
六、吸附过程的进行
吸附平衡：当吸附速度和脱附速度相等时（P，T一定时），吸附与脱附是同时进行的，（只不过是速度不一致，当速度一致时就是平衡状态）如下图：

   转效点：当传质区前沿开始达到吸附器出口截面时，即流体出吸附剂层，被吸组分浓度明显增加的点。如上图的E点。
七、吸附能力的衡量
1、静吸附容量：在一定温度和被吸附组分浓度下，每单位质量（体积）吸附剂达到吸附平衡时的所能吸附的最大量，即吸附剂所能达到的最大吸附量与吸附剂量的比。
2、动吸附容量：当吸附器后刚出现吸附器时，吸附器内单位质量（体积）吸附剂的平均吸附量，也就是吸附剂达到转效点的吸附量，通常用转效点来计算，即从流体开始接触吸附剂到达“转效点”的时间。
一般取动吸附容量为静吸附容量的40%~50%，计算分子筛用量的一个重要指标。
八、吸附热
吸附热：流体分子被分子筛吸附到吸附剂表面所放出的热量；

温度升高：气体冷凝成液体，放热，放热设计计算一般取温差3℃，实际分子筛使用中温升一般在4℃—6℃；
分子筛吸附器，以下两种形式；

同时双层床再升温度相对低些，节能。
九、影响吸附容量的因素
1、吸附过程的温度和被吸附组分的分压力
温度越低，吸附效果越好，8~10℃分子筛吸附效果最好；
分压越高，代表被吸附组分的浓度越高，吸附效果也越好；
2、气体流速：流速越大，吸附效果越差，动吸附容量降低是气体与吸附剂接触时间短。
在中压流程中，气体进吸附器流速为 0.4m/s;
在全低压流程中，气体进吸附器流速为 0.25m/s;
3、吸附剂再生的完善程度：再生气源温度，进：170℃——190℃；
                                    出：80℃——95℃；
4、吸附剂层的厚度与水平度：水平度很重要，会影响纯化器的正常有效运行。
十、结构类型
立式：中小型，占地面积小；
卧式：中大型；
现法液空：立式径向流吸附器。

十一、再生（饱和后进行再生，恢复吸附能力）
   有两种方法：
1、加温再生：利用吸附剂高温时吸附容量降低的原理把加温气体通入吸附层，使吸附层温度升高，被吸附组分解吸；
目前使用最广泛。
2、降压再生（压力交变再生）：再生时，降低吸附器内压力，甚至抽真空，使被吸附分子的分压力降低，分子浓度降低，则吸附在吸附剂表面的分子数目也相应减小。
这是道尔顿分压定律的理论。
十二、纯化系统的节能措施
降低加热功率，如何才能降低呢？如下：
1、单层床变双层床；
2、再生过程中，加热——冷吹分阶段进行；
3、设置蓄热器；
4、蒸汽加热器代替电加热器（针对有蒸汽源的用户），蒸汽属于无序能，低品位，电能属于有序能，高品位；
5、采用PSA解吸技术：初投资大，运行成本小；
6、设置污氮预换热器：（目前开始使用）在空压机末级出口增加污氮换热器，使污氮达到40℃—50℃，然后进入加热器再进入纯化器，但空压机排压增加（因为增加换热器阻力增加）且进口膨胀节以进口为主，成本增加；

第五节制冷系统

§5-1 基本概念
一、理想气体
具有两个特性：a.分子间弹性，没有作用力；b不考虑分子本身所占的体积。
实际气体在P不太高，比容较大的情况下，可以当作理想气体处理。
.
二、范德瓦尔方程

：分子间作用力，内压力；
：分子本身所占的气体体积；
只适用于P较小的情况，理论计算时用的较多，不能用做实际计算。
三、范德瓦尔等温线
1、一个点：临界点，气体超过临界点温度就不能用压缩使其液化，即气体加压液化是有限度的。
2、两条线：饱和相线与饱和蒸汽线。
3、三个区：液相区，气液两相区，气相区。
4、五种状态：汽液相比容相等，即汽液相有共同的特征；
         超临界或超超临界状态是没有相变的；

四、温度范围的介定
环境——-15℃  空调专业；
-15℃—— -153℃普冷；
-153℃——0.3K深冷；
0.3K以下    超低温；
§5-2  获得低温的方法
一、方法：
低温技术（0~1K）：a.绝热节流，等熵膨胀；
b.  减压蒸发；
c.绝热放气；
1K以下：a.氮稀释；
b.绝热退磁；
c.  减压蒸发，绝热压缩；
制冷技术：a.相变制冷：氟里昂，氨水，干冰升华；
b.涡流制冷：是压缩气体产生涡流运动分离成冷热两种液体；
c.温差电制冷：利用热电效应；
二、相变制冷的制冷量


：气相焓值
：液相焓值
由热力学可知，液体的沸点及汽化潜热与压力有关，压力越低，汽化潜热越大，制冷量越大。
§5-3 气体的绝热节流
一、节流
流体经阀门、缩径时受到局部的阻力而造成压力有较大的降落的过程，称为节流过程。
节流因摩擦阻力的存在——不可逆过程——熵增过程；
流量大，流速快——绝热过程（即不对外作功，与外界无热量交换）节流过程是等焓过程，节流前后焓值不变。

二、实际气体的节流
1、理想气体的节流：节流前后的温度不变：a.  ；
                                       b.微分节流效应等于零；
2、实际气体的节流：
   因为实际气体的焓值是温度、压力的函数，所以节流前后流体的温度要发生变化。
三、微分节流效应，积分节流效应
   单位压降对应的温度变化；
由热力学可知：
由Pv=RT
得：
带入上式得：
若：a.  , >0  节流后温度降低；
b.  ， =0  节流后温度不变；
c.  ， <0  节流后温度增加；
为什么会出现上述三种情况？
∵H=U+PV
两边微分，等焓
决定温度变化的是气体的内动能是减少、增大还是不变；

  当：1.  >0,温度降低；
2.  <0,a.  绝对值小于温度降低；
         b.  绝对值大于温度生高；
3.当时，等于0，内动能保持不变，节流时温度也将保持不变，这样的温度称为转化温度。
四、转化温度和转化曲线
氧、氮、空气制冷效应
氢、氮制热
采取预冷的方法

五、等温节流效应
复热：低温气体在等压下恢复到    常温时，所能吸收的热量，等温节流效应的表述：a.在等温压缩时获得；b.在节流元件中释放；c.在复热中体现。
六、影响节流温降的两个因素
1、节流前的温度：节流前温度越低，温降越大；（空分中过冷器的设置就是利用上述理论）
2、节流前后的压差：压差越大，温降越大，不可逆损失大，很不经济。
§5-4 气体的等熵膨胀
一、微分等熵效应

二、理想气体的膨胀过程的温差

高温高焓降；
增加等熵膨胀的温降和单位制冷量的两种方法：
1、提高膨胀机前温度；2、增大膨胀比（但有一定限制，一般取15%~25%）。
三、膨胀温降的热力原因
在膨胀过程中，有外功输出，膨胀后气体内位能增大，需要消耗能量，这些能量需要用动能补偿，故气体温度必然降低。
四、膨胀制冷量

五、膨胀机效率（也称绝热效率）
绝热效率：表示为实际膨胀过程接近理想膨胀过程的程度，即气体的单位实际制冷量与单位理想制冷量的比值。（一般国产效率为0.75~0.8，进口的在0.85左右）

六、影响膨胀机制冷量大小的因素
1、膨胀量：
膨胀量越大，影响氧提取率，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：膨胀量，增压透平膨胀机：增大膨胀比，增大单位制冷量；
4、绝热效率；
七、绝热节流与等熵膨胀的要求：
节流阀膨胀机
结构简单，便于调节结构复杂
可以在气液两相区工作不能大量带液
制冷量小制冷量大，但实际过程偏高，等熵过程，制冷量需打折扣
初温越低，节流与膨胀差别越大，越有优势机前温度高，效率降低
八、透平膨胀机的调节

   质量流量；
调节方式：
1、量调节：⑴多机组调节；
         ⑵改变喷嘴结构：a.部分进气调节；b.转动喷嘴调节；c.移动喷嘴；d.改变喷嘴高度。
      2、质调节：机前调节，但效率降低，不经济（紧急切断阀一般打到全开位置）；
      3、通过制动功率调节；
质调节与量调节的比较：质调节采用风机（增压机）制动更方便；
量调节采用电机制动更合适。
            未完待续

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