空分笔记----空分原理

oldman

第一节 绪论
一、 空气分离的几种方法：
1、 低温法：空气→压缩→膨胀降温→液化，然后再利用氧气氮气沸点不
同，在精馏塔内用精馏的方法来实现空气的分离。
深冷（液化在下塔完成）↔精馏（在上塔完成）
优点：产量大、效率高、分离效果好、纯度高
缺点：能耗高、投资大、占地面积大
可以实现全精馏（全提取），成熟于 1932 年，大规模在 50 年代以后。
2、 吸附法：依靠固体吸附剂对气体混合物中各组分吸附能力的差异而进
行的。
a、 变压吸附制氮，PU-8 型沸石分子筛。
b、 变压吸附制氧，碳沸石分子筛（对氧亲和力特别大）
优点：投资省、方便、占地面积小、易损件少、能耗低
缺点：产量小，纯度不高、对阀门寿命有很高的要求。
3、 膜分离法：利用有机聚合膜的渗透选择性，从流体混合物中，使特定
组分分离的方法。
4、 化学法：压缩空气与碱性熔盐进行高温可逆反应，得到氧气
污染大，产量小，纯度不高，不方便（现已基本淘汰）
二、 学习的基本内容：
1、 低温技术的热力学基础，一、二定律。
第一定律：能量守恒及转换
第二定律：热力学反应，过程的方向，能量的质性。
2、 获得低温的方法：
a、 相变制冷 b、绝热节流 c、等熵膨胀
3、 溶液热力学基础，拉乌尔定律、康诺瓦洛夫第一定律（溶液热力学核
心）、第二定律。
4、 低温工质的物性：氧、氮、氩
5、 液化循环：
a、 卡皮查 b、克劳特（膨胀及节流基础） c、单林德（节流为基础）
6、 空气分离：
精馏原理、流程计算
三、 空分应用领域及发展：
1、 钢铁：转炉、顶吹，（除磷、硅、硫）高炉炼铁。
2、 能源：煤制油、煤化工（潜力最大的空分领域）
3、 化工：化工肥料、化工、电子、玻璃（高纯氮、高纯氩）
4、 造纸：漂白剂、次氯酸钙
5、 国防：火箭燃料、氢氧发动机
6、 机械工业：焊接、切割
四、 趋势：十一五期间四大启动
1、 煤制油：a、直接：起源于二战德国，1944 年，褐煤直接在催化
剂的作用下，高压氧输入煤粉进入壳牌炉，生产液化煤油，1 吨
褐煤可生产 0.4 吨煤油。
b、间接：水煤浆+高压氧➡C+H2O+O2➡CO2+H2➡CH4➡二甲醚➡液态
烷烃➡汽油、煤油
2、煤气化循环发电：
传统发电：锅炉→高温高压→蒸汽轮机→电能
IGCC：压力燃气→高压氧→燃气轮机→电能（效率高）
3、LNG：进口 LNG 回收冷量生产空分气体
4、熔融还原炼铁：
煤焦→烧结 还原反应→吸热过程、氧化反应→放热过程
传统焦比非常大，污染大。加高压氧气用煤直接还原氧化铁。
最先应用：日本新日铁、韩国浦项制铁，60%替代传统炼铁。
国内上钢三厂（宝浦钢铁）现属宝钢，用 6w 空分。
五、 其它：
1、 钢铁化肥联合体，将煤用尽。
2、 二次采油，主要为制氮（EOP 技术），地下油采后压力降低，加入氮
气像挤海绵一样将油挤出。世界最大的在墨西哥坎皮切州 4*33.5w 制
氮，11MPa、输送到 70 公里外。（林德、普莱克斯）
3、 医疗：氧舱、氧吧、MRT（核磁共振）
4、 托卡马克，俗称“人造小太阳“
核电站铀 235 裂变反应→受控→原子弹→氘氚→核聚变→氢弹(水中
氘氚，人类可用无数年)→强烈磁场控制→超导线圈→放电 1.4 秒（需
要几吨液氮耗量）
第二节 空气过滤系统
一、作用：过滤→除尘 a、防堵 b、防磨损
二、几种除尘的方法：
1、惯性除尘：通过引导气流转向，利用灰尘的惯性。
2、过滤除尘：最广泛、性价比最高。
a、表面过滤 b、内部过滤
3、离心力除尘：高速旋转，离心力的作用。
4、洗涤除尘：引起气体的某种成分变化。
5、电除尘：利用静电作用，投资大。
a、表面过滤：网状滤料，最早捕积初层，初层后
空隙减少，在阻力达到某一数值时，反吹。初层几乎吹不掉。
b、内部过滤：滤料、布、纸，精度不高，滤料要求高，阻力较大，压比
提高，能耗增大。
精度在 1μm--100μm 左右颗粒，过滤效果≥99.99/%,100μm 自己重力
掉落，1μm--2μm 最难粘附，约 99%，1μm 以下不予考虑。
三、空分设备中使用的除尘器：
1、卷帘式过滤器：a、干式（滤料本身）
b、湿式（一般为油）
阻力达到设定值时，滚轴转动，更换新的滤料。
2、袋式过滤器：吸入塔式，装很多吊袋。
3、自洁式过滤器：
滤料：RK-80
初始阻力：＜300Pa
工作阻力：300—800Pa
设定阻力：1500Pa
反吹气通过节流装置（文丘里管、专用喷头）压力转换为速度，将
粘附灰尘吹掉。
工作特点：a、过滤阻力小 b、过滤效率高 c、适应性广（南方较差）
d、反吹耗气量少 0.1—0.5m
3/min e、占地面积小 f、结构简单、
重量轻 g、防腐性好 h、日常维护工作量小
滤筒寿命：2 年以上，工作条件下，可更换滤筒。
设计值一般为 2 倍空压机排气量。
第三节 空气预冷系统
一、作用及意义：
1、 实现等温压缩，增大-ΔhT (等温节
流效应)，进 35-40℃，出 90-100℃。
2、 降低主换热器负荷，降低能耗。
3、 满足和改善纯化系统的工作条件。
热端温差增大，远大于 3℃，冷损
加大ΔT 不可逆，纯化吸附环境 8-12℃，饱和含水量大大增加。
二、分类及配用：
1、分类：（1）冷水机组
（2）氮水预冷系统：a、空压机带末级冷却器（法液空）
优点：热负荷小。缺点：阻力大
b、空压机不带末级冷却器。
2、配用：冷水机组适用于污氮比较紧张，装置小情况下，一般 4500Nm
3/h,
不超过 22000m
3空气量。
三、预冷系统的工作特点：
1、保证冷量充足。
2、主换热器热负荷减小。
3、降低空气的饱和含水量，减轻分子筛的工作压力。
4、温度越低工况越稳定（CO2分析仪≤1ppm）
冷量平衡：ηsVpkhs+（-ΔhT）=Q1+Q2+Q3
ηs：等熵效率 Vpk：膨胀空气量 hs：等熵焓降
Q1：液体带走的冷量 Q2：复热不足 Q3：跑冷
Q=K*F*Δt
K：传热系数 F：换热面积 Δt：传热温差
温差增大必须增加换热面积。
5、氮水预冷系统的组成：
空冷塔、水冷塔、冷水机组、水泵过滤器、系统阀门及仪控附件（压力
及液位联锁）
外压缩：氧：氮=1：1---1：1.5 以上必须设置冷水机组。
内压缩：必须使用冷水机组，高压板式温差污氮出口 35℃，中部污氮 15℃，
混合后显热变小。
冷水机组的工作原理：
吸收式：
溴化锂（吸收剂）→水（制冷剂）
水泵：常温水泵扬程：65m
低温水泵扬程：90m
四、空冷塔和水冷塔的工作情况对比：
空冷塔 水冷塔
空气 水 水 污氮
空气自下而上，温度下降 污氮自下而上，温度升高，水温下降
冷却水自下而上，温度上升 空气中含水量减少，污氮含水增多
气体中所含水量自下而上降低 Δt 有负温差，热质交换
加大冷却水，温差变小，水是冷源 Δt 变大，水是热源
五、空冷塔和水冷塔分类及结构：
1、 空筒喷淋式。
2、 板式，大孔径穿流塔，阻力大，效率不高。
3、 填料式：a、散堆填料（空冷塔只能采用）
b、 规整填料，都可采用
空冷塔 50—60℃易结垢堵塞填料。
散堆填料：常用共轭环、鲍尔环（用的比较多）
鲍尔环空冷塔：Ø76 水冷塔 Ø50（开封）效率好、阻力大
水冷塔 Ø105（杭氧）效率差、阻力小
散堆填料阻力远大于规整填料，ΔP0.1—0.2KPa/m 阻力
第四节 纯化系统
一、 净除空气中 H2O 、CO2、CnHm的几种方法：
1、化学法：2NaOH+4H2O= NaOH.4H2O 处理气量小不安全，已淘汰。
2、冻结法：空气通过蓄冷器或切换板式时，把其中的水分和二氧化碳冻结
下来，然后被干燥的返流气体带出装置（即自清除法）。80 年代末还有生
产，90 年后被分子筛替代。不包括乙炔，设置液氧、液空吸附器、硅胶，
使用约 7 天左右，通过电加热器加温再生，造成空分装置很不安全。
局限性：反流污氮大，氮气产量低，极限 1：1.2 氧氮，已逐步淘汰。
分子筛最大可以做到 1：3（林德）
3、吸附法：依靠固体吸附剂对气体混合物中各组分吸附能力的差异而进行
的 。ppm 级 ppb 级。
二、 吸附过程的基本原理：
1、 当气体和固体相接触时，在固体表面或内部将发生容纳气体的现象，
称为吸附。硅胶可以吸附液相，已被吸附的原子或分子返回到气相或
液相中去的现场，称为解吸(或脱附)。
2、 吸附质：被吸附的组分，例如：H2O 、CO2、CnHm等。
吸附剂：起吸附作用的物质，分子筛、铝胶、硅胶等。
3、 吸附的种类：
物理吸附：靠的是分子间的作用力，静电作用（范德瓦尔力）二者本
身化学特性不变化。
化学吸附：化学反应，建立化学键。
4、 吸附过程：
吸附的发生，可分为两个阶段。
a、 第一阶段：外扩散（外表面吸附）
b、 第二阶段：内扩散（内表面吸附），
分为表面扩散（延孔径表面附壁效应）
和孔扩散（直接进入孔内）。
5、 吸附与脱附的工作环境：
物理吸附时，吸附脱附同时发生。
吸附时：吸附速度远远大于脱附。压力高、温度低有益。
脱附时：压力低点，温度高点。
三、 对吸附剂的性能要求：
1、 吸附剂必须是多孔性物质，比表面积：700-800m
3/g。
2、 吸附剂必须有高度选择性吸附。
3、 吸附容量要大（静吸附容量）。
4、 能再生和多次使用。
5、 要有足够的机械强度，再生、吸附的交变载荷。
6、 价格便宜等因素。
四、 吸附剂的分类：
1、 活性炭：a、植物性，木炭干馏。
b、动物性（一般过滤水），骨头碳化。
2、硅胶：细孔和粗孔。
3、活性氧化铝：铝胶，对水分亲和力非常强，湿度大。
4、沸石分子筛：化学结构分为 A、X、碳等型。
外型：球型、叶型、条型。吸附特性：叶状最好（法液空），机械强
度（球型最好），条型介于二者之间。
13X 分子筛化学式：Na86[（AlO2）86.（SiO2）106].xH2OX 结晶质。
13X 分子筛的吸附容量，静吸附经验值：
H2O 28.5% CO2 2.5% 质量值 g/kg
五、 吸附过程：
1、吸附顺序：H2O ＞CnHm＞CO2。
分子筛对不饱和分子、极性分子的亲和力强。
能够继续被氧化分子、氧化和化合价升高，低碳烷烃都不被吸附。首
先吸附化合键最不稳定的。
2、 吸附平衡：在一定温度压力下，当吸附速度和脱附速度相等时，叫做
吸附平衡。
3、 吸附过程的进行：
转效点：当传质区前缘开始达到吸附器出口截面时，即流体流出吸附
剂床层时，被吸附组分浓度明显增加的点。转效点直接决定了分子筛
的切换时间。理论上，切换时间等于转效时间，实际上切换时间小于
转效时间。
六、 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）的
吸附剂达到吸附平衡是，能吸附的最大量，通常以最大的吸附量与吸附
剂量之比表示，操作过程中一般不用（厂家提供）。
2、 动吸附容量：当吸附器后刚出现吸附质时，吸附器内的单位质量（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
时间来计算（实际操作中用）。由于气流速度影响，故动吸附容量＜静
吸附容量，一般为 0.4—0.6 倍。
七、 影响动吸附容量的几点因素：
1、 吸附过程的温度和被吸附组分的分压力。
2、 气流速度：成反比，要综合考虑，两者不可兼得。
3、 相对湿度：大用氧化铝，小用分子筛。
4、 吸附剂的再生完善程度。
5、 床层厚度，床层高，吸附好，但阻力大。
6、 分子筛选型
分压力：混合气体总压力 P 等于各组分分压力总和。
P 空=P 氮+P 氧+P 氩+P 惰性+P 杂质 (摩尔浓度)
P 氮=1.01325*10
5*78.13%Pa
提高吸附环境总压力，各被吸附杂质分压力亦提高。
八：结构形式：
1、 立式：a、单层立式，床层高利用率高，阻力大。
b、双层床，200-300mm 氧化铝+1500mm 分子筛（开空）
30%氧化铝+70%分子筛 （杭氧）
2、 卧式：一般为大中型，床层低，利用率不高，阻力小
3、 立式径向流（法液空专利），结合了立式卧式的优点，较先进。
九、再生的两种方法：
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
附剂床层，使吸附剂温度升高被吸组分解析，也叫做热交变再生（TSA）。
2、降压再生：再生时，利用降低吸附器内压力，使被吸附组分的分压力降
低，分子浓度减小，吸附剂内部的分子数目也相应减少，也叫做压力
交变再生（PSA）。
十、延长分子筛使用寿命的几点措施：
1、合理选择空气进料口的位置，周围环境选址（比如在化工厂上风口）
2、防止空冷塔误操作（失压）
3、循环水质，PH=7-8
4、分子筛床层避免受冲击，进入分子筛前疏水阀检查游离水。
十一、再生温度的选择：
再生温度：200℃170℃（常用） 150℃120℃
冷吹风值：160℃ 130-140℃ 100℃ 80℃
解析结果：最好 均解析 基本解析 残留率 1-2%
当再生温度达到 300℃时，静吸附容量增加 2%，功率增加 30%，不经济。
吸附→凝聚反应→冷凝→放热反应→吸附热（释放）
杂质吸附在分子筛表面凝聚，类似于冷凝。
脱附→扩散反应→蒸发→吸附热量→脱附热（加入）
研究脱附热加入多少最经济且效果最佳。
十二、降低再生能耗的几种方法：
1、 单层床改双层床，铝胶+分子筛
铝胶解析温度低，电加热占空分能耗的 5-7%。
2、 蒸汽加热器替代电加热器。
3、 设置蓄热器
4、设置预热器：局限性：
a、只适用于相对湿度大的场合（南方等地区）。
b、热能属于无序能，损耗较大，品质低。电能属于有序能，品质高。
只能针对有蒸汽气源，饱和蒸汽大于
过热蒸汽，因出现相变，传热系数最大。
c、单纯加热器→再生→间歇性→功
率只有 1/3，工况不稳定，对于提氩
空分最好不要采用。
d、阻力大，空压机排气压力提高，污
氮气压力提高，上塔 1KPa 下塔 3KPa，
使用时，做功率损耗比较。不能推广
主要原因，换热器进出口温降较大。

oldman

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