企业培训_制氧调度员培训手册

一 编制本教材的目的制氧调度员初步了解制氧的两种工艺流程及全厂的用氧、氮特点,了解制氧设备的简要操作。二 热力学基础理论1 气体的基本状态参数 1.1 温度:物质的冷热程度,从分子运动论观点看,温度是物质分子热运动平均动能的度量,温度越高,分子热运动的平均动能就越大。1.2 温标：衡量物质温度的标尺。有摄氏温标、华氏温标、热力学温标。绝对温标规定水在标准大气压下的三相点为273.16度。摄氏温标与热力学温标的换算公式为t=T-273.161.3 压力：分子运动论把气体的压力看做是气体分子撞击容器内壁的宏观表现。单位面积上的作用力称为压强，工程上称为压力。可以用标准大气压（atm），工程大气压（at），mmH2o和mmHg，b/in2等表示，现在一般采用国际单位Pa表示。 换算：1atm=1.01x105Pa;1mmH2o=9.81Pa;1mmHg=133.32Pa;1bar=105Pa 1.4 理想气体及其状态方程：PV=nrt1.5 氧的性质： 氧气，空气主要组分之一，比空气重，标准状况（0和大气压强帕）下密度为1.429克/升。无色、无臭、无味。在水中溶解度很小。压强为101kPa时，氧气在约-183摄氏度时变为淡蓝色液体，在约-218摄氏度时变成雪花状的淡蓝色固体。氧分子具有顺磁性。 1.6 氮的性质：氮气，常况下是一种无色无味无臭的气体，且通常无毒。氮气占大气总量的78.12%（体积分数），是空气的主要成份。常温下为气体，在标准大气压下，冷却至-195.8时，变成没有颜色的液体，冷却至-209.86时，液态氮变成雪状的固体。氮气的化学性质很稳定，常温下很难跟其他物质发生反应，但在高温、高能量条件下可与某些物质发生化学变化，用来制取对人类有用的新物质。 1.7 氩的性质：英文名称：argon。氩气是一种无色、无味的（稀有）惰性气体，分子量39.938 ，分子式为Ar，在标准状态下，其密度为1.784kg/m3，沸点为-185.7。氩气为惰性气体对人体无直接危害。但是，如果工业使用后，产生的废气则对人体危害很大，会造成矽肺、眼部损坏等情况。 氩本身无毒，但在高浓度时有窒息作用。当空气中氩气浓度高于33%时就有窒息的危险。 当氩气浓度超过50%时，出现严重症状，浓度达到75%以上时，能在数分钟内死亡1.8 热力学第一定律：热力系内物质的能量可以传递，其形式可以转换，在转换和传递过程中各种形式能源的总量保持不变。1.9 热力学第二定律：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响；不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。、1.10 热力学第三定律：不可能用有限个手段和程序使一个物体冷却到绝对温度零度。热力学第三定律是对熵的论述，一般当封闭系统达到稳定平衡时，熵应该为最大值，在任何过程中，熵总是增加，但理想气体如果是绝热可逆过程熵的变化为零，可是理想气体实际并不存在，所以现实物质中，即使是绝热可逆过程，系统的熵也在增加，不过增加的少。 在绝对零度，任何完美晶体的熵为零；称为热力学第三定律。1.11 焓：气体所具有的总能量即热力学能与宏观动能之和。1.12 熵：用来表示不可逆过程中前后2个不等价状态的度量。1.13 热力性质图：T-S，H-T,H-s，由于热力学的参数互有关联，在一定条件下，当其中若干参数确定后，其他未知参数也随之确定，所以出现了热力性质图供大家查表计算，其详细意义见制氧技术p44。三 深冷分离法制氧工艺（1） 制氧的流程组织制氧流程主要由制冷系统和精馏系统组成。详细可分为十大系统，即空气压缩系统、空气净化系统、换热系统、制冷系统、精馏系统、安全防爆系统、氧气压缩输送系统、加温解冻系统、仪表自控系统及电控系统，重点讲述下工艺流程的组织。1.1 概述1.1.1 制氧机分类制氧机的分类方法很多，按产品的状态分为产气氧、产液氧、既产气氧又产液氧的制氧机；按产品种类分为单高产品、双高产品（氧和氮）带氩制氧机（氧、氮、氩）及全提取（氧、氮、氩及其他稀有气体）；依照产量分为小型制氧机（小时产量小于1000 m3/h）、中型制氧机（小时产量100010000m3/h）、大型制氧机（小时产量大于10000 m3/h）；按操作压力分：高压制氧机（操作压力为20Mpa）、中压制氧机（操作压力为15Mpa）、全低压制氧机（操作压力0.50.6Mpa）；按换热器类型分，可分为板式、管式、管板式制氧机。 1.1.2 制氧机的性能指标制氧机除要达到的产品产量及纯度外，还有以下的性能指标：1单位电耗，即生产1m3氧气所耗的电能，以kwh/m3为单位来表示。这代表制氧机的能耗大小，是制氧机重要的能耗指标之一。2提取率，即在标准状态下1m3原料空气所制得的纯氧量。一般计算方法为：% 式中 氧气产量 加工空气量 氧气中的含氧量 空气中的含氧量这一指标反映了空气分离的完善程度。3 启动时间。从空压机向装置送气开始直至产品达到设计产量的全过程所需要的时间。4 运转周期。这是指制氧机无机器、设备故障的前提下，连续运转的时间，一般以年为单位。5 加温解冻时间。制氧机在启动前或停车后需要加温解冻所用的时间。6 单位产量的金属消耗量。该指标能够比较制氧机的设备费用的多少，投资的多少。1.1.3 国产空气分离设备的型号规定我国空分设备的型号由汉语拼音字母、化学元素符号以及阿拉伯数字所组成。型号分首部、中部、尾部三个部分，中间以短横“”隔开。1.1.4 制氧机的发展自从1902年德国的林德教授发明了高压节流循环制冷，单级精馏塔分离空气制氧至今已经历上百年的历史。从制氧机的流程方面，从高压流程改进为中压流程进而出现高、低压流程，现在中、大型制氧机全部为全低压流程。小型制氧机也向低压方面发展，而且对超低压流程正进行研究探讨。表1-1从制氧机的能耗方面，从单耗大于2kwh/mo降低到0.38kwh/ mo。单机容量从20m/h发展至今世界上最大的制氧机为74000m3/h。制氧机的产品也不再是单一的气氧，而是既产氧又产氮以至提取全部的稀有气体。不但有气态产品，还有各种液态产品，也就是产品多样化。从控制系统方面，由手动控制发展到计算机数字集散控制系统，实现了机电一体化。1.2 制氧机的典型流程现在均采用先进的分子筛纯化器及增压透平膨胀机流程。如我车间30000 m3/h制氧机： 该类型号为KDON-30000型，空气经透平空压机压缩后，在氮-水预冷系统的空冷塔中冷却后进入分子筛纯化器净除水分、二氧化碳、乙炔等碳氢化合物。而后空气进入主换热器，空气通道被返流气体冷却到对应压力下的饱和温度后进入下塔参与精馏。从分子筛纯化器出来的加工空气，抽出一部分进入膨胀机的增压机增压、经水冷却器冷却后进入主换热器，被返流气体冷却后从主换热器中部抽出进入透平膨胀机。从流程图可以看出，此流程既没有液化器也没有吸附器，保冷箱内的设备及管路大为简化。主要技术指标：加工空气量： m3/h 加工空气压力：0.52 Mpa产品产量及纯度：氧气产量 30000 m3/h，99.6% O2 氮气产量 30000 m3/h,1010-6 O2液氮产量 900 m3/h, 1010-6 O2液氩产量 920 m3/h，99.999%Ar1.3 制氧流程组织1.3.1 流程组织要求首先要根据设计要求而进行,尽可能地优化组合,以满足下面要求：1、尽可能降低电耗、投资和运转费用，以降低产品成本。2、安全运转和便于运转维修。3、当自然条件和某些使用条件发生变化时仍然保证产品的质量及产量，即变工况适应能力强。1.3.2 制冷系统组织制冷系统包括空压机、膨胀机、节流阀及主换热器。此系统的作用产生冷量补偿冷损，使加工空气降温、液化维持在精馏所需要的低温，为空气的精馏创造条件。如上所述，高压流程是以林德循环（一次节流）为基础的；中压流程应用克劳特循环（中压膨胀机与节流相结合）；全低压流程以卡皮查循环（低压透平膨胀机）为依据。全低压流程因为能耗低，运转安全可靠等诸多优点，被广泛推广和应用。而高、低压流程和中压流程复杂，能耗高已被淘汰。这里重点讨论全低压制冷系统组织问题。1、全低压流程（1）空气膨胀和氮气膨胀全低压流程利用了拉赫曼原理，将膨胀后的空气送入上塔，或者利用氮气为膨胀工质。这两者都可以利用上塔精馏，从而提高了制氧机产量。空气膨胀。空气膨胀的的流程示意图从下塔底部抽出部分加工空气,一部分在切换式换热器环流通道复热后，再汇合进入透平膨胀机膨胀产生冷量，然后直接送入上塔参加精馏。这部分空气没有经过下塔的预精馏直接送入上塔。由于从下塔底部抽出部分空气，冷凝蒸发器的冷凝量减小，送入上塔的液氮量也减少，而膨胀空气又直接送入上塔中部作为精馏段的上升气，因而上塔精馏段的回流比减少，精馏潜力得到利用。这些送入膨胀空气称为“入上塔膨胀空气”，也叫拉赫曼气。这就是所谓空气膨胀，目前我国全低压装置流程大部分采用这种方法，例如国产1000、1500、3200、6000m3/h等制氧机。氮气膨胀。它是从下塔顶部抽出氮气，一部分经切换式换热器环流通过复热后再汇合进入透平膨胀机，膨胀后的氮气作为产品氮气引出，或者与污氮汇合经切换式换热器回收冷量后放空。由于从下塔引氮气，冷凝蒸发器的冷凝量减少，因而送入上塔的液体馏份量减少， 精馏潜力得到利用。氮气膨胀在国外的大型全低压空分装置上已被采用。以上两种方法都是减少上塔液体馏份，使精馏时的气液间的温差减少，利用了上塔精馏潜力，使全低空分装置具有更大的合理性，利用上塔精馏潜力后，塔板上气液之间的温差变化如图1-8所示，由图可见，由于空气膨胀不但减少上塔回流液，同时增加了上升蒸气量，所以气液间的温差比氮膨胀更小些。关于膨胀空气进上塔量的限制无论是空气膨胀还是氮膨胀都是利用上塔的精馏潜力，提高氧的提取率，减少不可逆分离功的损失。既然是精馏潜力的利用就有一定的限制。超出极限就会使分离产品纯度降低，能耗增大，氧提取率下降。从理论上来讲，这一极限应取决于上精馏塔的最小回流比（液气比）。可是，在最小回流比条件下，欲得到分离产品需无数块塔板，这样的精馏塔是不存在的。在有限的一定塔板数的前提下，允许入塔的最大限度膨胀空气量是由最小工作回流比所决定的。上塔精馏允许入塔的最大膨胀空气量可以由上塔的物料平衡，能量平衡及物料参数求出。进入上塔的允许膨胀量主要与上、下塔取出的产品纯度及上塔液体的过冷度有关。产品纯度低、允许膨胀量增加。氧、氮产品纯度通常是用户的要求。为了减少不可逆分离功损失，降低能耗，在满足工艺要求的条件下，不应过分追求产品的高纯度，否则，提取率降低，能耗增大。入上塔液体的过冷度增加，这使上塔的回流比增加，即上塔具有更富余的回流比，精馏潜力更大，也就表现出允许进塔的膨胀量增加。需要指出，这里计算的允许最大膨胀量，状态应是当时压力下的饱和气体。由于膨胀机结构所限制，膨胀后的气体不允许达到饱和或出现液体。膨胀后气体要保持过热状态。膨胀后气体温度与相应压力下饱和温度之差为膨胀后气体过热度。显然，过热度增加，允许进塔的最大膨胀空气量减少。确切的允许进塔的最大膨胀量的数值要根据制氧机的具体流程计算确定。但是一般来说，空气进上塔的数量范围为加工空气量的20%30%，抽氮膨胀为加工空气量的15%25%。全低压切换式换热器流程的膨胀气体流路组织由于膨胀空气既取决于装置的总冷量平衡又受精馏工况的限制，同时在进入膨胀机之前又作为板翅式可逆式换热器的环流气体或者蓄冷器的环流气，而环流量又是由切换式换热器热平衡所决定的，而且与切换式换热器的自清除密切相关。正因为这些复杂的关系，从而产生了下面三种具有代表性的情况：装置的容量较小，单位冷损较大，这时整个装置的冷量平衡所要求的膨胀量比较大， 膨胀量不仅大于切换式换热器不冻结性所要求的环流量，而且也超过精馏塔所允许的拉赫曼进气量。这时，膨胀机的进气量将由两部分组成，一部分是环流空气，另一部分则是由下塔或液化器来的旁通气。这时由于膨胀气量已经超过精馏塔所允许的最大拉赫曼进气量，所以，必须把部分膨胀空气旁通入污氮管道，从而使进入下塔的加工空气量减少，制氧机总的氧提取率将相应地降低。属于这种情况的有600、800、1000m3/h的制氧机。装置是中等容量，冷损较大，这时由装置冷量平衡所要求的膨胀量大于由蓄冷器（或板翅式切换式换热器）不冻结性所决定的环流量。但是膨胀量是在精馏塔所允许的拉赫曼进气量范围以内，这时膨胀量仍由环流和下塔旁通量两部分组成。由于它是在允许的拉赫曼进气量范围以内，所以膨胀后的空气可以全部送入上塔。属于这种情况的有3200、6000、10000 m3/h的制氧机。装置容量很大，冷损比较小，由装置冷量平衡所要求的膨胀量，不仅小于精馏所允许的拉赫曼进气量，而且等于或者小于环流量，这时候进膨胀机的膨胀气体全部通过环流，甚至要将部分环流旁通。把上面所说的简单归结为：小容量装置：膨胀量大于允许的进上塔的空气量 膨胀量大于环流量 膨胀后空气部分旁通中等容量装置：允许进上塔的空气量大于膨胀量大于环流量 膨胀后空气全部进上塔 大容量装置：允许进上塔的空气量大于膨胀量 环流量大于等于膨胀量 膨胀后的空气全部进上塔，环流量部分旁通或者生产部分液态产品，还可以考虑采用氮膨胀 全低压增压透平膨胀系统增压膨胀机是用增压机制动，将膨胀工质增压后再进入膨胀机工作轮膨胀作功。因其膨胀前压力的提高，所以单位制冷量增加。膨胀量减少，进入上塔膨胀空气量减少，有利于提高氧提取率。增压透平膨胀的实质是将气体所作的膨胀功回收给膨胀工质本身，其系统图1-92、精馏系统组织精馏系统的组织与制冷系统、换热系统的组织有关。 在组织精馏系统时，为了确保产品的纯度可以采取以下几种措施：图1-10正确地确定进料口、抽口位置。保证正常分离足够的塔板数。抽馏份：在下塔抽出液氮馏份，在上塔抽出污氮，这样一方面使较多的氩随污氮放空有利于氧、氮分离，另一方面使下塔上部和辅塔中的回流比加大，有利于精馏工况，从而得到高纯度的产品。由于所要求产品的产量和纯度不同，精馏系统工程的组织可以分为下列几种情况：只生产单一高纯度产品，例如只生产纯氧，或者只要求生产纯氮。这种情况可以使用普通的双级精馏塔，如图1-10 所示塔板根据所要求的产品纯度决定，塔板数要比生产两种高纯度产品小，也不需要抽馏份或设辅塔。生产两种高纯度产品。适用于纯氮/纯氧不小于1的场合。如3200m3/h空分装置纯氧和纯氮的产量都是3200m3/h。氧、氮比为1：1。这时在上塔的上部要加辅塔，如图所示5-11。在辅塔底部抽出大量污氮，以使在辅塔顶部提取纯氮。为了保证辅塔喷淋液氮的纯度在下塔中部抽馏份液氮。要有足够的塔板数，使得在下塔顶部的氮气达到99.99%的纯度。生产两种纯度产品，仅是纯氮/纯氧等于0.20.5，也就是要求生产的纯氮量比较少的场合，可设置纯氮塔。如图1-12 。由下塔顶部引出一部分气氮进入底部，经过进一步精馏，在纯氮塔顶部得到纯度更高的产品氮。而产品纯氧则由主塔和纯氮塔的冷凝蒸发器上部引出。这种方式的特点是由于下塔顶部气氮的纯度比较低，所以下塔压力相对的可以低，由此能耗可以降低,但是流程组织相对辅塔流程要复杂些。对于生产纯氧，也叫工业氧（氧纯度在99.5%），以及生产纯度不高工艺氧（氧纯度在95%98%）或者两种产品都生产的精馏组织也和上述一样，可以和用设置辅塔，控制塔板数的办法来实现。1.3.3 防爆系统组织空分装置爆炸的原因一般有：液空和液氧中乙炔与碳氢化合物等杂质积聚，操作不当引起爆炸。在具有分子筛纯化器的低压流程中,因分子筛对水分、二氧化碳、乙炔及其碳氢化合物的共吸附作用,从理论上讲,已经没有必要再设置液空吸附器及液氧吸附器。为了提高分子筛对二氧化碳的吸附能力,压缩空气进入分子筛纯化器需要预冷到815。为确保制氧机的安全和连续运转,个别流程除设置两只纯化器以外,还设有一只或两只液氧吸附器,而液空吸附器就不设置了。1.3.4 换热器系统组织在保证工艺流程需要的前提下,取消作用不大的换热器,尽可能减少换热器的数量,以简化流程,减少流体阻力,降低设备投资。制氧流程中常见的换热器有7种1、主换热器其主要作用是使加工空气与返流氧气、氮气和污氮换热，使之冷却到液化温度，达到液化，进入精馏塔下塔底作为原料。此种换热器设置在中压小型制氧机及带分子筛纯化器的全低压制氧机中。2、切换式换热器该类换热器包括可逆式板翅式换热器及蓄冷器。它的主要功能是将加工空气冷却到接近液化温度，而后参与精馏。同时回收返流气体的冷量，使氧气、氮气、污氮等气流复热后送出装置。在换热的同时将空气中的水分、二氧化碳自清除。即起到换热和自清除双重作用，使制氧机的换热和杂质清除净化有机地结合起来。3、冷凝蒸发器它是精馏所必需的换热设备,是联系上、下塔的纽带。其中上塔的液氧和下塔气氮换热，液氧蒸发后一部分作为产品气体引出，另一部分为上塔提供上升蒸汽，气氮冷凝后为上下塔提供回流液。就其结构来分，可分为板翅式、管式两种，而管式又分为长管式、短管式、盘管式。短管式用于中压小型制氧机，因其传热系数较低，所以需要取较大的主冷温差，通常为22.5；长管式、板式用于中、大型全低压制氧机。板式换热器结构紧凑传热系数高换热效果比管式的好。在全低压流程中主冷温差取的较小，一般取1.61.8。主冷温差还直接影响精馏塔的压力，决定了全低压流程操作压力。如我公司现运行的所有设备的主冷都是板式冷凝器。4、过冷器常见有液空过冷器、液氮过冷器（纯液氮、污液氮）、液氧过冷器。过冷器的作用是使下塔来的液空、纯液氮、污液氮和从上塔抽出的氧、氮、污氮气换热，使液体过冷。从而减少节流汽化率，提高上塔回流比，改善上塔的精馏工况。同时回收了从上塔出来的纯氮气、污氮气的冷量，因此，高、中、全低压流程中均采用。尤其是全低压切换式换热器流程，由于污氮气的部分冷量被过冷器回收了，提高了污氮入切换式换热器冷端的温度，缩小了冷端温差，过冷器回收的冷量由液空、液氮带回上塔，也就是减少了加工空气带入下塔的冷量，因此，过冷器客观上起到了上、下塔冷量分配的作用。就其结构来讲，有板翅式及管式两种。6、空气预冷器空气预冷器的作用是保证加工空气进切换式换热器或分子筛纯化器的工艺要求的温度。7、膨胀前、后换热器在流程中有的设置膨胀前换热器，有的设置膨胀后的换热器。膨胀前换热器可以调节膨胀机前的工质状态，以满足膨胀后过热度的要求。膨胀后换热器的作用能够降低膨胀后气体的过热度又保持膨胀量不变。在膨胀后换热器中是用污氮气或纯氮气来冷却膨胀后气体，也就是将上塔出来的气体冷量回收给上塔，可以提高上塔的回流比，改善精馏工况，提高氧的提取率，减少膨胀空气送入上塔对精馏工况的“干扰”。因此，目前全低压流程大都采用膨胀后换热器。1.4 流程比较增压分子筛净化流程是上个世纪80年代末90年代初国际上普遍推广的先进流程，它具有十分突出的优点。为此，在本节内对全低压切换式换热器冻结流程与增压分子筛净化流程进行详细比较。增压分子筛净化具有十大优点：1、提高产气量为了保证切换式换热器流程的水分及二氧化碳的自清除，不冻结性要求有足够的返流污氮量，因而限制了纯氮产品的量，通常氧气量与纯氮气产量之比为1：1.1。而在增压分子筛净化流程中，只需少量污氮气作为分子筛纯化器的再生气。所以纯氮气产量与氧气产量之比高达2.32.5：1，氮气产量增加3035%。对于氮气产量，因为分子筛切换周期很长，精馏塔工况波动小，且膨胀空气量小，进入上塔空气量大为减少，参与一次精馏的加工空气量增加，氮提取率提高。氮气产量可增加63左右，氧气产量增加约2。2、降低能耗切换时间比切换式换热器切换时间大为延长，从而大大减少了切换损失 ，通常切换式换热器流程切换损失为1.54，而增压分子筛净化流程的切换损失小于0.5。又由于增压膨胀，膨胀量减少，膨胀空气进气量减少，氧气提取率上升，产品产量增加，单位能耗降低。增压分子筛流程比切换式换热流程的能耗降低0.52。3、运转周期延长 切换式换热器流程，出切换式换热器加工空气中的二氧化碳含量为1210-6,运转周期为一年。而分子筛净化器增压流程，几乎能够完全清除二氧化碳，即使临近纯化器切换时，空气中二氧化碳含量小于110-6, 因而运转周期可达两年以上。4、提高设备安全性由于分子筛对乙炔及碳氢化合物有极强的吸附能力，可以有效地避免主冷凝蒸发器的“微爆”故障发生。对于板翅式换热器在切换式流程中一直处于交变载荷之中，易于疲劳破坏，同时换热器的热段易于进水冻裂，还会加速对铝制换热器的腐蚀，因而板翅式切换式换热器的使用寿命短。而增压分子筛净化流程的主换热器不切换，板翅式换热器处于衡压工作状态，其寿命可延长一倍之多。5、冷箱内设备简化分子筛流程可以取消保冷箱中的液空吸附器、液氧吸附器、液化器、切换系统、自动阀箱等设备，减少了许多低温阀和常温阀。同时减少了约40%的保冷箱内管道、仪表及仪控设施，缩小了保冷箱的体积，降低了保冷材料的消耗，减少了跑冷损失，占地面积也大为减少。6、缩短安装时间正因为冷箱内设备减少,流程简化,所以安装难度降低。虽然分子筛净化流程增加了分子筛净化系统和冷冻机组,但这些常温设备易于安装。经过对比得知，安装周期可缩短46个月，并节省了安装费用。7、简化操作、维修增压分子筛流程启动操作，没有建立自清除工况的约束，一次冷却直至出氧，启动操作简化而且缩短了启动时间，减少了各种消耗。在正常操作中，剔除了液氧、液空吸附器的倒换操作，既减少了操作的麻烦又确保了精馏塔的工况稳定，有利于提高氧、氮、氩等产品产量。由于冷箱内易发生故障，需要维修的设备、阀门、仪表大大减少，因此维修简便。8、取消加温解冻系统通过分子筛纯化器后的空气露点不大于-70，空气温度大于10，这样的空气是相当干燥和干净的空气，完全可以作为解冻气体使用，因而不需要专门设置加温解冻系统来提供装置加温解冻操作所需要的气体。这样既减少了设备，也简化了操作。9、易于实现自动化增压分子筛净化流程，启动操作简化，设备温度变化连续，给自动控制提供了方便。在短期或较长时间停车后，在冷态下再启动，也不必顾及乙炔的积聚威胁，也可以采用自动控制操作。此外，能够用自动控制迅速地进行负荷调节，因为不用考虑像可逆式换热器那样的温度要求，受自清除工况的约束。10、设备费用降低冷箱内设备减少，主换热器传热面积缩小了1/3，阀门、管路等也相应减少，使分子筛净化流程的设备费用比切换式换热器流程的设备费用降低2%3%，相应的设计费、安装费都下降，因而总工程费用下降。（2） 制冷：空气的液化为使空气液化，需要获得低温，工业上常用两种方法，即空气通过节流阀或膨胀机的膨胀制冷获得低温，甚至液化。这两种方法是以气体的膨胀为基础的。2.1 空气的液化2.1.1 流膨胀效应通常把高压流体流经管道中的小孔后压力显著降低的过程称为节流。节流孔径越小，则局部阻力越大，节流前后的压力变化也越大；反之，就越小。在实际工作中，为了调节，通常用节流阀代替节流孔。气体在节流时，既无能量输出，也无能量输入，所以气体节流前后的能量保持不变，即节流前后的焓值相等。这是节流过程的基本特点，因此节流过程可看作是近似的绝热过程。实际气体的焓值是温度和压力的函数，所以实际气体节流后的温度是发生变化的。这种现象叫节流效应（焦耳汤姆逊效应）。空气经过节流，虽然可降低温度，但对外没有热量交换，也没有做功，因此节流过程本身并没有产生冷量。节流特点：节流效应与节流前的压力和温度有关。节流前的温度降低，节流效应增大。节流前的压力增高，节流效应变小。等温节流制冷时，气体需经历等温压缩和节流膨胀两过程才具有制冷量。2.1.2 膨胀制冷气体对外做功的机器称为膨胀机。气体在膨胀机中一边膨胀，其内位能增加，又一边对外做功，这两部分能量消耗都需要用内动能来补偿，所以气体在膨胀机中等熵膨胀，焓值下降，温度必然降低。高压气体等熵膨胀时向外输出机械功，这样消耗了大量的气体内能（焓值减小）。另外，还由于膨胀时气体体积增大，分子距离也要增大，但是分子间有吸引力，为了克服分子间的吸引力又要消耗气体分子的一些动能（动能减小）。这样气体分子的内能和动能在等熵膨胀时大量消耗，从而降低了气体温度。所以等熵膨胀后，气体温度总是下降的。气体等熵膨胀产生的温差，不但随着膨胀前后的压力比值增大而增加，而在膨胀前后压力不变的情况下，还随着膨胀前的温度的变化而变化。所以为了获得较大的温降和单位制冷量，可采用增加膨胀比和提高膨胀前温度的方法。但不是无限制的，而是在合理的等熵效应范围内进行。2.1.3 节流与等熵膨胀的比较 在制冷量和温度效应多寡方面，等熵膨胀比节流膨胀制冷效果显著。但节流过程用节流阀结构简单，调节方便，并且可以工作在气液两相区内。2.2 膨胀机绝热等熵膨胀是获得低温的重要途径之一，也是对外做功的一个重要热力过程。而作为用来使气体膨胀输出外功以产生冷量的膨胀机，则是能够实现接近绝热等熵膨胀过程的一种有效机械。现代空分设备对膨胀机的要求：更高的整机效率；更好的稳定及调节性能；更安全及可靠的保护系统；更长的运行周期及使用寿命等。对于空分设备来说，低温精馏装置冷量损失的及时补充、产品产量的有效调节等都使得为其提供充足冷量的膨胀机显得尤为重要。透平膨胀机是利用工质在流道中流动时速度的变化来进行能量转换，也称为速度型膨胀机。工质在透平膨胀机的流通部分中膨胀获得动能，并由工作轮轴端输出外功，因而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。2.2.1 作用和分类按结构分有两种，活塞式膨胀机和透平式膨胀机。按工质在膨胀过程所处的状态，可分为气相透平膨胀机和两相透平膨胀机。按透平膨胀机的制动方式，可分为风机制动膨胀机、增压机制动膨胀机、电机制动透平膨胀机、油制动透平膨胀机。根据透平膨胀机的轴承不同形式，可分为油轴承透平膨胀机、气体轴承透平膨胀机和磁轴承透平膨胀机。根据工质在工作轮中流动的方向，透平膨胀机可分为径流式、径轴流式、轴流式。现代空分设备普遍采用的是向心径轴流反动式透平膨胀机，它具有焓降大、允许转速高、结构简单和热效率高的特点。2.2.2 工作原理及基本方程1、工作原理透平膨胀机是一种高速旋转的机械，它是利用工质流动时速度的变化来进行能量转换的，因此称为速度型膨胀机。它由膨胀机通流部分（由蜗壳、喷嘴、工作轮、扩压器组成）、制动器及机体三部分组成。工质在透平膨胀机的通流部分中膨胀获得动能，并由工作轮轴端输出外功，因而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。膨胀工质由进气管进入蜗壳，被均匀地分配进入喷嘴；经过喷嘴膨胀，降低了压力和温度后进入工作轮，在工作轮中工质进一步膨胀做功；然后经由扩压器排入膨胀机的出口管道，而膨胀功则由工作轮相连的主轴向外输出。由膨胀机主轴输出的能量可被用来驱动一台压缩机或一台发电机。以使透平膨胀机有一个稳定的运行条件。2、基本方程 状态方程相对来说，在空分设备用透平膨胀机的计算中，利用压缩性系数Z来对理想状态方程进行修正是最方便的，精度也能满足要求。pv=ZRT式中：p绝对压力，Pa； v气体比体积，m3/kg； R气体常数，J/（kgK）； T气体温度，K。压缩性系数可由Zp图表中查得。 连续性方程在透平膨胀机流道中，一般流动过程可简化为一元稳定流动时，如果在流体流经的任意两截面间即没有流体加入，也没有流体排出，则在该管道内的每一个与流速方向垂直的横截面上单位时间内流过的流体质量始终不变。式中：质量流量（膨胀气量），kg/s； 气体密度，kg/m3； 、气体在两个状态下的速度，m/s； 垂直c的流道截面积，m2；从上式中可看出，当流体体积流量一定时，流道截面积和气体速度成反比关系。 动量方程在透平膨胀机的固定流道（如喷嘴和扩压器）中，对于一元稳定流动，下面方程得到广泛的应用。（）=ZRT1上式适用于有摩擦的不可逆的绝热流动过程。 能量守恒方程根据能量守恒定律，当工质在绝热过程中，与外界既无热量交换，又无动能传递，则膨胀过程从始到终的单位质量能量是不变的，即：常数式中：、工质在两个状态下的动能，J/kg2.2.3 透平膨胀机的损失、产冷量及效率透平膨胀机的损失基本上分为两大类：内部损失和外部损失。内部损失影响膨胀机的等熵效率；外部损失只对膨胀功的回收和利用率有影响。内部损失又可分为流道损失和非流道损失。在气流流经的通道中，因气流与壁面、气流与气流之间的摩擦和冲击而引起的损失等统称为流道损失。而工作轮与静止件之间的气体摩擦、气体内泄漏等损失称为非流道损失。综合起来，影响透平膨胀机等熵效率的主要损失有5种。1、喷嘴损失膨胀气体流经喷嘴时，会产生流道表面的阻力、局部涡流和气流冲击等损失。它与气体流动速度、喷嘴叶片叶型、叶片高度，叶片表面粗糙度及叶片出口边缘（尾部）厚度等因素有关。2、工作轮损失 气体在叶轮流道中的流动损失。当气体流经叶轮流道时，由于叶片型线、表面粗糙度等因素引起的摩擦损失，气体流动时的涡流和冲击损失等。3、余速损失 现代透平膨胀机中，气体多以较高的气流速度排出叶轮后进入扩压器，经扩压器来进一步降低介质的速度（压力和温度升高），使其达到允许值。实际上，气体在扩压器中的流动是一种压缩过程，需要消耗部分能量。对透平膨胀机来说，同样减少了有效能量。这两部分能量的损失称余速损失。4、轮背摩擦鼓风损失 轮背摩擦鼓风损失是有叶轮轮背、轮盖和静止元件之间间隙中的气体而产生的。紧靠轮背、轮盖的那部分气体附着在叶轮上，以和轮背、轮盖相同的圆周速度运动，而紧靠壳体的那部分气体则和壳体一样，是静止不动的，在这个间隙中形成了一个速度梯度。这一速度梯度是由于气体的粘性引起的，因而要消耗一定的摩擦功。这部分摩擦功又转换成热量，通过叶轮把热量传给气体，提高了工作气体出工作轮时的比焓值，因而降低了制冷量。5、泄漏损失泄漏损失包括内漏损失和外漏损失两种。对闭式叶轮，在轮盖处采用迷宫密封，有一小股工作轮前未经喷嘴的气流，经密封器与叶轮间的缝隙漏出，它与经工作轮喷嘴后的低比焓气体在叶轮出口处汇合，从而使叶轮出口处气体的比焓升高，降低了膨胀机的制冷量，这种损失称为内泄漏损失。在半开式工作轮中，由于没有轮盖，无法设置密封器，这时希望尽量减少叶片和固定件的间隙。工作轮的一小股气流，经轮盘外侧与壳体之间的缝隙，沿轴向外界泄漏，这种损失称为外泄漏损失。它不会影响膨胀后气体的比焓，仅仅是减少了有效膨胀气体量，影响了膨胀机的总制冷量。透平膨胀机组2.2.5 透平膨胀机的调节1、性能曲线 将透平膨胀机中一些主要参数之间的相互关系用曲线形式表示出来，称为透平膨胀机的性能曲线。2、制动器形式每台膨胀机都配制动器。制动器作用是消耗透平膨胀机的功，控制其转速，维持膨胀机在最高效率点运行，同时也防止透平膨胀机“飞车”。 风机制动即在工作轮同轴上装有风机轮，风机轮吸入空气，压缩后放空。优点是设备简单，机组紧凑，造价低，维护操作方便。缺点是不能回收功，而且噪声大。 电机制动是在工作轮同轴装上发电机转子，将膨胀机的功转换为电能送入电网。优点是回收电能，制动无噪音。缺点是设备成本高。 增压机制动增压机的叶轮装在膨胀机的同轴的另一侧，气体对工作轮做功使之转动，增压器的叶轮也同速转动，将气体增压后再送入膨胀机的工作轮。优点是增加单位制冷量。3、调节方法通常把改变膨胀气体在进出口处状态参数的调节，称为“质”的调节；改变气体流量的调节称为“量”的调节。在调节过程中，有时质和量同时发生改变，不易区分。进口节流调节在膨胀机的进口管道上装有气动薄膜调节阀，通过改变调节阀的开度，改变膨胀机前的气流压力，从而膨胀机的焓降及等熵效率发生变化，以实现调节冷量的目的。是质和量同时改变的一种调节方法。转动喷嘴叶片角的流量调节利用转动喷嘴叶片，改变流通面积，达到改变膨胀机的流量，从而改变制冷量。这种调节不改变气体在膨胀机进出口的状态参数，在较大范围内调节冷量时，仍然保持机器较高的等熵效率。因此是一种先进的调节方法，这种调节的经济性好，并且可以灵活地掌握改变叶片角的大小，得到比较精细的调节效果。2.2.6 透平膨胀机组透平膨胀机组由主体、制动器、润滑系统、气封系统、自动保护系统组成。1、透平膨胀机本体图 3.2 3.3我单位6000、6500、20000m3/h制氧机，基本上都是卧置、单级、向心、径轴流反动式膨胀机。透平膨胀机主要由膨胀机蜗壳、喷嘴环、转子、出口扩压器、轴承箱、密封系统和制动系统等组成。转子是透平膨胀机中转动部分的部件总成，主要由主轴、叶轮等组成。主轴的一端装有膨胀机工作轮，另一端装有增压机叶轮或风机叶轮等。当外界干扰频率与转子的自振频率相同时，产生共振。共振时的转速称为临界转速。当正常工作时工作轮的转速低于一阶临界转速轴称为刚性轴，当工作轮转速高于一阶临界转速而低于二阶临界转速轴称为柔性轴。典型的结构如下图2-3：图 2-3 3.3轴承在透平膨胀机中，一般采用滑动轴承。轴承与转轴之间的径向间隙要适当，过大使轴承旋转产生震动，润滑油膜分布不均匀，间隙过小，会导致轴温超过允许值。 密封密封一般分为内密封和轴密封。内密封为设在透平膨胀机内部的防止或减少介质在流动过程中产生内泄漏的密封。在工作轮背面，低温气体会沿轴间向外泄漏，减少了透平膨胀机的制冷量；另外，由于冷量的泄漏还会导致轴承润滑油的固化，造成事故，因此需要设置可靠的轴密封。 喷嘴环 喷嘴环各流道是膨胀机进行能量转换的主要部件。对于反动式透平膨胀机，约有50的比焓降在喷嘴内完成。2、润滑系统 透平膨胀机的轴承采用强制供油（如上图）。润滑系统包括油箱、齿轮油泵、油过滤器、油压容器等。油过滤器采用微孔纸质滤芯。油压容器的作用是贮存一定压力的润滑油，一旦发生油泵停转时可以供油35分钟，以此保护膨胀机。润滑油牌号一般为TSA-32号汽轮机油。润滑油循环使用，在轴承处除起润滑作用外，还可以冷却轴承，将高速旋转所产生的热量带走，因此润滑油需要冷却，确保轴温低于65。3、密封系统膨胀机密封气系统采用精密减压阀，根据间隙压力对密封气进气压力进行自动跟踪。4、自动（联锁）保护系统为保证膨胀机安全运转，透平膨胀机组设有相应的保护系统。当机组运行时，如果被监测参数发生变化达到联锁值，在DCS的控制下，相应的保护系统就会动作。 防喘振系统本系统主要由流量监测仪表、转速监测、继电器、电磁阀、气动薄膜调节阀组成。动作过程：当流量过低或转速过高达到联锁值时，被控制的电磁阀就会失电，切断气源，增压机回流阀打开，降低膨胀机前压力，此时膨胀机做功就会减少，相应的膨胀机的转速也会降低，从而达到保护膨胀机的目的。 油压保护系统本系统由油压监测仪表、齿轮油泵、继电器、电控部分等组成。正常时油压在一定的范围内保持恒定。当由于某种原因导致油压降低达到联锁值时，辅助油泵就会自动启动，保证了膨胀机供油的稳定。 轴封防漏系统本系统由密封气压力监测仪表、继电器、接触器、齿轮油泵等组成。正常情况下，密封气通过迷宫密封，保证了增压机的润滑油不会泄漏进入气路，同时也防止了膨胀端冷量沿轴串漏。如果密封气压力下降达到联锁值时，油泵立即停止运转，有效的防止了润滑油进入气路。 自动停车系统当监测参数（油压、轴温、转速）发生变化达到联锁停车值时，膨胀机的入口电磁阀、增压机回流电磁阀会失电，在3秒内，所控气动薄膜调节阀会在弹簧的作用下自动回到初始位置，即回流阀全开，进口阀全关。从而切断气路，停止膨胀机的运转。一般增压机制动透平膨胀机组的控制联锁要求项 目报 警连 锁说 明供油压力低设定启动条件供油压力过低间隙与出口间差压高轴承温度高轴承温度过高膨胀机密封气压力低设定油泵启动条件增压机密封气压力低设定油泵启动条件转速高转速过高增压机出口压力控制自动调节增压机出口压力高自动全开回流阀油箱油温控制15加温，25加温终设定启动条件油泵失电膨胀机密封气与间隙差压自动维持回流阀位全开为启动条件轴振动大轴振动过大 安全保护系统在增压机出口、膨胀机出口都设有安全阀，当相应的气路部分出现压力升高，而且超过安全阀的整定值时，安全阀起跳，把压力降到安全范围内。当压力恢复到正常范围时，安全阀自动关闭。加温注意事项：确保密封气畅通，润滑油压力正常；先打开紧急切断阀和喷嘴叶片后才可通加温气体，以免损坏机器；膨胀机加温完毕后进出口阀门必须关严，使得加温后的膨胀机在长期停车期间避免冷气体进入润滑油腔，使轴承过冷损坏。（3）空气的净化空气是多组分的混合气体，除氧、氮及稀有气体组分外，还含有水蒸气、二氧化碳、乙炔及其它碳氧化合物，并含有少量灰尘等固体杂质。这些杂质随空气进入空压机与空气分离装置中会带来较大的危害。固体杂质会磨损空压机的运转部件，堵塞冷却器，降低冷却效果及空压机的等温效率。而水蒸气和二氧化碳在加工空气冷却的过程中会首先冻结析出，将堵塞设备及气体通道，致使空分装置无法生产。更严重的是，乙炔及其它碳氢化合物在空分装置中聚积导致爆炸事故的发生，所以为了保证制氧机的安全运行，必须设置专门的净化设备。空气净化主要指清除空气中的机械杂质、水分和二氧化碳。净化主要采用过滤法、冻结法、吸附法等几种方法。过滤法是利用过滤材料把空气中颗粒状杂质清除的方法。冻结法是将杂质转变成固体加以清除；应用较多的是吸附法，此法是利用固体表面对气体杂质的吸附特性而使空气净化。3.1 固体杂质的清除3.1.1 过滤除尘原理及性能指标过滤作用对于大的尘粒用其重力或惯性力、离心力使之沉降。相应有惯性除尘器和离心除尘器。空分装置加工空气污染中的尘粒是微小的，通常小于10m，所以空气污染过滤器多采用扩散粘附的原理，相应的过滤器有表面式或内部过滤式过滤器，表面过滤的滤料为布、网等织物或过滤纸。过滤器的性能指标主要是除尘效率、阻力及过滤器的容尘量。除尘效率的定义是过滤器所捕集的尘量占气体带入过滤器总尘量的百分比。阻力也就是气体通过过滤器的压降。一般规定，当过滤器的阻力增加到初始时的1.5倍或效率下降到初始效率的85%，就需要更换滤料。3.1.2 空气过滤器根据除尘原理，空气污染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附灰尘。1、袋式过滤器袋式过滤器的滤袋由羊毛毡与合成纤维织成，滤袋数目取决于气量的大小，过滤风速约为0.040.1m/s。空气从顶部进入，经分配器后流入袋内，经滤袋过滤后由下部流出。积聚在袋上的灰尘靠反吹风机吹落。当灰尘在滤袋上积累到使压差达到1200Pa时，反吹罗茨风机及反吹环自动启动，反吹空气通过胶皮软管进入过滤器内的反吹装置，反吹环由0.4kw的电机带动，并设有限位开关，能上下来回移动，反吹空气经过分配管至反吹环局部反吹滤袋，不需停止或切换过滤器就使整个滤袋均能被反吹干净。当压差降至800Pa时，反吹风机及反吹环就自动停止。被反吹下来的灰尘落入 底部灰斗，定时由星形阀排出。这种过滤器的过滤效率很高，对粒度大于2m的灰尘，效率在98%以上。并且过滤后的空气中不含油分，操作方便。此外，对空气灰尘含量不受限制，适应性好，对不同容量的空分装置可用改变滤袋的数目来适应，比较方便。其缺点是过滤速度较高，阻力较大，高达1200Pa；对湿度太大的地区或季节，滤袋易被堵塞。2、自洁式过滤器 自洁式过滤器是目前空分设备最普遍选用的过滤器。自洁式过滤器由高效过滤筒、文氏管、自洁专用喷头、反吹系统、控制系统、净气室和出风口、框架等组成。（1）过滤过程：在压缩机吸气负压作用下，吸入周围的环境空气。当空气穿过高效滤筒时，粉尘由于重力、静电和接触等被阻留在滤筒外表面，净化空气进入净气室，然后经出风管引出。（2）自洁过程：当电脑发出指令，电磁阀启动并驱动隔膜阀，瞬间释放一股压力为0.40.6MPa的脉冲气流，经专用喷头整流喷出，文氏管卷吸、密封、膨胀，从滤筒内部均匀地向外冲击，将积聚在滤筒外表面的粉尘吹落，自洁过程完成。（3）清灰过程有3种方式：定时定位，可任意设定间隔时间和自洁时间；差压自洁，当压差超指标时，进入自动连续自洁；手动自洁，当电控箱不工作或粉尘较多时，可采用手动自洁。反吹自洁过程是间断的，每次仅12组处于自洁状态，其余仍在工作，所以具有在线自洁功能。自洁式过滤器核心部件过滤筒，采用进口RK-300高效防水滤纸，经特殊工艺生产而成。自带前置过滤网，防止柳絮、树叶及异物吸入，延长过滤筒使用寿命。采用电脑控制机电一体化，安装简单便捷，只需配管通电、通气即可工作。（4）自洁式过滤器具有以下优点： 过滤阻力小，小型机150Pa，大型机300800Pa。 过滤效率比一般过滤器提高510。 适应性广，采用进口高效防水过滤纸，在潮湿多雾地区不受太大影响。 耗气少，反吹时压缩空气需求量仅为0.10.5m3/min ，电容量约为100500W。 占地面积小，产品为积木式结构，大型机可采用多层叠放。 结构简单，设备轻，为同容量的布袋式过滤器及其它过滤器的1/2左右。 防腐性能好，净气室采用优质涂层及不锈钢内衬，杜绝过滤后的二次污染。外表面采用高级防腐船用漆，保证室外环境下长期不受腐蚀。 日常维护工作量小，约二年左右更换过滤筒，更换过滤筒不需停机。3.2 自清除在全低压切换式