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空分设备中空气分离技术分析 摘要：介绍了现在国内关于空分设备中的空气净化技术，重点关于除去固体杂质和除去气体杂质，并分析相应净化原理，净化技术及危险杂质的危害。 关键字：空气净化 危险杂质 干蒸发 机械除杂 化学除杂 空气中除氧、氮外。还含有少量的氩、水蒸汽、二氧化碳、乙炔和其它碳氢化合物等气体，以及少量的灰尘等固体杂质。空气中的水蒸汽含量约为4-40克/米3空气(随地区和气候而异)。二氧化碳的含量可达0.60.9克/米3空气，乙炔含量约为0.01一0.1厘米3/米3空气(在乙炔站和化工厂附近含量可达0.5一l厘米3/米3空气，甚至更高)，灰尘等固体杂质的含量一般为000500l克，米3空气(冶金厂附近可高达0.05克/米3空气)。这些杂质在每立方米空气含量虽然不高。但由于大型空分装置每小时加工空气量都在几万甚至十几万立方米。因此每小时带人空分装置的总量还是可观的 1 .。少量的有害的杂质随原料空气进入空分设备内，会带来如下影响气体杂质在局部区域内冻结,堵塞设备，可燃性杂质引起爆炸，以及腐蚀、磨损、堵塞等。为此要设置专门的空气净化设备，清除少量有害杂质，确保运行的安全性、可靠性和经济性 2 。 （ 一 ）空分设备的爆炸危险空分设备的爆炸是空气分离生产中的重大威胁。据调查知国内85例化学性爆炸事故中，高、中压和双压流程占82%，全低压流程占18%，液氧设备无爆炸事故。发生爆炸的部位统计，主冷凝蒸发器46例，占54%，辅助冷凝蒸发器14，主换热器11%。列管式冷凝蒸发器17例中，底部爆10例，汽、液交界处5例，顶部2例 2 。其中板翅式冷凝蒸发器爆炸部位是汽、液交界处。绝大多数爆炸是在塔内CO2 较多、阀门经常堵塞，而操作频繁、压力波动、主冷液面过抵、主冷液面忽高忽低、气流冲击等情况下发生。爆炸部位大多数在富氧液休或液氧蒸发区域，由于液体蒸发使各种危险杂质浓缩或析出，加上剧烈脉冲与摩擦等，就引起爆炸。 爆炸形成的原因。形成爆炸的因素有三个方面：可爆炸的危险杂质( 即可燃物 ) ，液氧( 即助燃物) ，一定能量的引爆源。 一 空分设备中的可爆炸的危险杂质 空分设备中可爆炸的危险杂质主要是大气中的碳氢化合物，它们随原料空气进入空分设备内。虽然碳氢化合物在原料空气中含量甚微，但是在低温条件下，仍有可能超过其饱和蒸汽压从原料空气中析出。在主换热器的低温区域，丁烯、丁烷将析出，丙烷、丙烯和乙炔则视它们在大气中的含量而定。碳氢化合物随原料空气进入空分塔，在下塔浓集于液空内， 最后进入冷凝蒸发器液氧中，在上塔顶部的氮气中含烃量甚微。碳氢化含物在气氧和液氧中分布取决于：它们在液氧中的溶解度和它们的平衡常数 K=xu ( 烃在液相中含量与气相中含量之比)，例如：甲烷在9 0 K时 K=3.5，且在液氧中溶解度大，因而进入“主冷”的甲烷可随蒸发的气氧逸出，不会在液氧中积聚。其它碳氢化合物，平衡常数大，浓集于液氧内，液氧蒸发时随蒸发的气氧逸出少，残存于液氧内。 碳氢化舍物在空分塔内爆炸可以有如下两种情况；a：不饱和碳氢化合物发生分解反应， b：分解反应可在无氧状态下发生，c：碳氢化合物与氧发生氧化反应。 如果某种碳氢化合物在液氧或液空中的溶解度高，不发生析出，其危险能就小。如乙烯丙烯均能发生分解反应，但是它们在液氧中溶解度太，原料空气中含量不足使它们在液氧中析出，它们的危险性就小。 各种碳氢化合物的化学稳定性取决于它的爆炸下限，爆炸敏感性 。爆炸下限低，爆炸敏感性高者其危险性就太。一般规律是相对危险性随碳原子数的增加而增加，相等碳原子数的碳氢化合物，不饱和度增加其相对危险性亦增加。 二，主冷凝蒸发器内危险杂质的积聚情况 经过空气净化过程后，原料空气中为除去的危险杂质最终均随气流进入“主冷”内，并在此内积聚，所以空分设备爆炸常常发生于主冷内。 碳氢化合物在液氧中状态可以是单相溶液状态，也可以是结晶悬浮溶胶状和传热面上 沉淀。悬浮状、溶胶状的碳氢化合物是粘附在传热面上，溶解于液氧中碳氢化台物在液氧蒸 发时沉淀在传热面上，这种沉淀层造成大量乙炔的局部积聚，也许此时液氧中乙炔含量是远离饱和状态。沉淀层不易溶解，沉淀层达20-50 微米时，传热面上形成爆炸条件。不管是什么原因，致使液氧通道内液氧停止循环，称之“干蒸发”。由于碳氢化合物在该通道内不断增浓，是危险的，应力求避免“干蒸发”。进出“主冷”液氧管道位置的布置，会影响碳氢化合物在“主冷”液氧内均匀分布，局部地区会增多。 三、 空分设备中的引爆源 1 压力脉冲。包括由气波冲击、液体冲击 气蚀现象所引 起的功脉冲等。 2 危险杂质固体微粒相互间摩擦或与塔、器壁间的摩擦。 3 静电放电。由于液氧的 单位电阻值较大， 因而易产生静电积聚现象 液氧静电积聚程度，很大程度上与其内含CO2 、H2O和其他固体粒子量有关。静电场强度取决于固体微粒 在液氧中构运动速度、杂质的数量和性质。 为防止以上危险的发生，我们要对进入空分设备的空气进行净除。已达到保护设备及操作人员的安全。一般空气分离设备上对进入设备的空气会采用机械除杂和化学除杂方法净化空气。（二）机械除杂：固体杂质的净除 空分设备内气流中固体微粒来源于大气中的灰尘、漂浮物,H2 O、CO2 等气体在低温条件下变成的固态微粒，吸附剂粉化，蓄冷器石头粉末等等。为了净除气流中固体微粒，保护机器、设备和阀门，以防磨损和堵塞。工业上一般采用过滤方法。有的设计规定，一般工业区空分设备吸入口大气中的含尘量20 mgm3，通过过滤器后空气中的含尘量l mgm3。对于灰尘粒径在100m 以下，10 m 以上的尘粒，悬浮在大气中的时间一般较短，粒径分布情况以及不同粒径所占的重量百分比因地而异。为了保证固体杂质不影响设备的安全性，空分设备中空气的除尘设备都必须安装过滤器。 一 过滤器对尘粒的捕集 过滤器内设置多孔材料( 滤料) ，多孔材料的结构有纤维状，多孔状( 空洞状) 和粒状。 含尘气体通过滤料时，尘粒与细孔周围物质相碰或扩散到四周壁上被孔壁吸附与气体分离。气流中尘粒碰到捕尘体( 例如纤维) 被捕获。驱使尘粒碰撞到捕尘体之作用主要有：筛分、 扩散，阻截( 截留) 、惯往，重力、静电等， （1）扩散沉积。由于布朗运动，各细微粒子的轨迹与流体的流线不一致，尘粒易碰撞纤维而捕获。微粒尺寸减少，则布朗运动的强度增大，扩散作用也增大。 （2）直接拦截。当尘粒接近捕集表面，一旦达到与表面的间隙等于它的半径时，就被拦截。另外，只要纤维之间的间隙小于微粒直径，就能“筛分” 。 （3）惯性沉积。在流体中的一个物体，会使该物体周围的流体发生弯曲。由于惯性的作用 ，流体中尘粒不随弯曲的流线而被抛到这个物体上被捕获。惯性沉积作用将随微粒尺寸的增大和流体流速的增加而加强。 （4）重力沉积。尘粒在重力作用下有一定的沉降速度。因此，尘粒的轨迹就与流体的流线相偏离，这种偏离能使尘粒碰撞纤维而被捕获。 （5）静电沉积。尘粒和纤维都可能带有电荷。电荷之间的作用力使尘粒沉积在纤维上当微粒与纤维之间距离很小时，分子之间吸引力可以引起尘粒沉积。 不同的捕集作用随尘粒大小、流速快慢而不同。 二 过滤器的分类 1 过滤器以过滤材料结构型式分为：表面过滤式过滤器和内部过滤式过滤器。 a 表面过滤式过滤器。滤料是滤布、纸、网。典型结构是袋式除尘器。过滤过程分为两个阶段：第一阶段是含尘气体通过“清洁滤料”，这时起主要过滤作用的是纤维。随阻留的尘粒不断增加，尘粒在滤料上粘附、桥接，滤料表面形成一层初层，之后过滤过程进入第二阶段除尘，气体的过滤作用主要依靠初层，为此能净除比滤料网孔直径还小的尘粒。除尘过程主要在第二阶段。 b 内部过滤式过滤器。滤料是纤维层、颗粒层，多孔金属和多孔陶瓷等。典型结构是纤维层过滤器。滤料表面不会形成尘粒沉积层，纤维层虽然填空密度大，但空隙率高，纤维间距离远大于纤维直径。因此，含尘气体中尘粒是被纤维层内单根纤维捕获的但是纤维之间能影响流场。纤维层能够在长时间内保持滤料本身捕集尘粒的状态。用替代振动或冲洗等方法使 滤料再生。 2 过滤器按过滤效率分为粗效过滤器，中效过滤器和高效过滤器。 一般来说，粗效过滤器 主要用于过滤太于 5 m 以上的尘粒，容尘量太，阻力小，过滤效率低。中效过滤器主要用于大于1 m 的尘粒，容尘量、阻力和过滤效率中等。高效过滤器用于过滤0 .3 m的尘粒，容尘量低，阻力大，过滤效率高。 滤料的使用方法有以下三种，即：(1)不浸油也不喷水的干式使用法，(2)滤料表面喷粘附性油类，利用粘附力的作用增加过滤效果。往滤料表面喷水，(3)利用水滴作用增加过滤效果 6 。 据了解国内目前大，中型空分设备上空压机前配置二级空气过滤器，后一级应有更高的过滤效率，保证去除大于1m的尘粒。有的空分设备达到了0.5m 以上尘粒，过滤效率大于99 % 的指标。 ( 二 ) 化学法净除CO2：空气中C02 的净除 大气中CO2的含量为0.03 0.04 ，即一立方米空气中含有300 400ppm或600 800 毫克CO2 。CO2的三相点特征温度为56.6，蒸汽压力5.28个大气压。低于此点，CO2 由气体直接转变为固体。 在空分分离低压流程中，空气压力为6大气压，其内CO2 分压是1.32毫米汞柱，相应转为固态的温度近似-133。压力由l 200大气压，空气中开始的CO2含量为0 .0 3，空气的压力对CO2露点有影响。固体CO2 在液氧，液氮中的溶解度几乎相等，溶解度随温度的高低不同。CO2在液氧中溶解度：当温度为9 8 K时，溶解度为4.9cm3/L ，9 0 K时，为3 .6 9 c m3/L 。进下塔空气中 CO2 含量应小于2 ppm，否则会导致CO2 在塔内沉积，造成阻塞 如何净除空分设备空气中CO2：， ( 1 )化学法：用苛性钠水溶液吸收 CO2( 2 )吸附法：低温下用硅胶和常温下用 5 A，1 3 X分子筛吸附CO2； ( 3 )冻结法：蓄冷器或切换式换热器内低温下冻结净除CO2 。 化学法净除CO2 净除空气中CO2 是在洗涤塔内进行，环境温度下空气压力为0.3 0.6MPa ，空气与苛性钠溶液接触，其内所含CO2。被碱液吸收，其化学反应如下： 2 Na OH +CO2 =Na2CO3+H2 O 理论上吸收 1 kg CO2 需要1 .82 k g纯苛性钠。 吸附法净除CO2 吸附法净除空气中CO2，能达到很高的净除程度。特别是常温下用活性氧化铝和13X分子筛两层床共吸附净脱空气中H2O，CO2和C2H2 ，碳氧化合物等杂质，净化后空气中CO2含量可小于1ppm，吸附工艺日趋完美，同时大大的简化了空分设备的工艺流程，它已成为空分设备中空气净化的主要方法。目前广泛应用于大、中，小型空分设备上。 过滤法净除CO2 通过化学，吸附等方法虽然对空气中CO2含量采取了净化措施，但仍有少量CO2 随空气进入下塔，这些CO2主要积聚在下塔的液空中，其量为l升液空中CO2含量在240cm ( 折算为气态)范围内变动，下塔 l升液空能溶解56 cm。的 CO2，余下的CO2以固体微粒状态悬浮于液空中。如果入下塔空气中 CO2为2 0 25ppm。如果进入空分塔的空气中CO2含量下降，塔内CO2。分布则相应变化。许多空分设备采用过滤器净除液空中圆体CO2。过滤器安装在液空去上塔的管道上，过滤器能去除大部分固体CO2。如进入下塔的空气CO2小2ppm，则在空分塔内无CO2沉积。 当前大部分过滤元件采用多孔陶瓷管，外形圆柱形，过滤元件厚度1 5 3 0 mm， 孔径为5 0 7 0 微米。过滤元件的阻力不超过0.2 0.3大气压，液空流过过滤元件表面上流速为0.50.8 （升时厘米）。在少油和液空中CO2较少的情况下，可采用较高的过滤表面流速，由于多孔陶瓷管在温度波动时有开裂的倾向，产生了烧结金属多孔滤管，各种烧结金属过滤器对CO2结晶截阻能力有影响。过滤元件不宜采用滤网。原因是可用面积较小且有堵塞危险。从而引起不希望的压力损失。 冻结法净除CO 2 大中型空分设备上采用蓄冷器或可逆式换热器，空气中所含的CO2随着空气的冷却，从空气中逐渐析出，以固态沉积在传热表面上。切换后，返流污氮气流通过传热表面，沉积的C02蒸发，升华进入污氨气流，被带出蓄冷器或可逆式换热器。空气通过蓄冷器或可逆式 换热器冷却到101K左右，其内的CO2：含量可低于2ppm，达到很高的净除程度。 空气中H2O和CO2，依其分压的不同，在空气冷却时，于可逆式换热器不同温度区域中析出来。空气温度在一60以上区域。空气中水分先以液滴状态析出沉积在传热面上，空气温度低于0时，水分则以霜、雪固体形态析出沉积在传热面上。至一60，空气中水分含量为0.011g/m100 %空气中水分已除去，此区域称水分沉积区，空气温度在-6-130区域，空气中残存的水分以冰状沉积在传热面上，CO2尚没析出，空气温度在-130 -170 区域。大气压空气中CO2的分压在1.31.5 mmHg之间，CO2 分压力在1.3 mmHg 时，饱和温度为-133。因此，空气温度低于-133 时CO2 以固态析出，沉积在传热面上，至-160，CO2 饱和蒸汽压为6.21 0 -3mmHg，9 9%空气中CO2已除去 ( 三 )CO2和H2 0在可逆式换热器中的清除 在一定温度下，气流中允许含某种气体组分的最大数量是一定的，它的饱和蒸汽压亦是一定的。随着温度的降低，气流中允许含某种气体组分的最大数量和它的饱和蒸汽压亦减小。如果气流中所含某种气体组分的实际数量大于该温度下允许含有的最大数量，即它的分压大于其饱和蒸汽压时，某种气体组分即从气流中析出。反之，外界的某种气体组分会扩散进入气流。可逆式换热器内进行着冷、热气流闻的热交换，同时具有净化空气中某种气体组分的功能，即按此原理工作的。可逆式换热器中，当空气温度冷却至 H20和CO2分压下饱和温度时H2O和CO2即：冷凝、结晶，从空气中析出沉积在通道内换热面上。切换后，当返流 污氮通过时，沉积 在换热面上的 H2 0和CO2便蒸发，升华进入污氮中，被带出可逆式换热器。如果空气沉积在换热面上 H20和 CO2 能全部被返流污氮带走，可逆换热器内无沉积物，可逆式换热器能长期正常工作，即称可逆式换热器具有自清除能力，或称可逆式换热器的不冻结性。 （5） 总结空分设备的空气净化部分是空气分离能否正常进行的保证，不管是固体杂质的净除还是气体杂质的除去，都是为了后面的工艺过程做准备。工