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空气分离过程设备密封失效分析Analysis of Air Separation Process Seal failure 领域化学工程张奎同刘丽艳陈永献研究生指导教师企业导师天津大学化工学院二零一二年十月 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：年月日年月日 摘 要空气分离装置是石油化工、钢铁冶炼、煤化工等大型工业应用广泛的关键设备。一般处在工艺流程的前端，空气分离装置能否稳定、长周期运行关系着整个系统的安全稳定和企业的经济效益。根据生产过程中的运行统计，空气分离系统非计划停车多是因为密封失效而造成的。本文介绍了某化工厂空气分离过程中重要的设备及其密封方式。对空气压缩机、汽轮机、循环水泵以及低温液体泵在生产中出现的密封失效的原因进行了分析，涉及到了机械密封、填料密封、迷宫密封等化工生产过程中常见的密封方式。从实际出发，并提出了整改措施，并在生产实践中得了了验证。对空气分离过程中垫片密封失效的原因进行了理论分析，并结合生产实际情况，利用ANSYS软件模拟分析工作状态下法兰密封的可靠性。选取空气分离过程中比较重要的换热设备（蒸汽加热器）为代表，对其封头垫片密封在正常工作状态下的受力情况进行模拟分析，得到垫片在操作工况下的应力及应变分布，判断垫片密封的可靠性。从而能够提前发现存在密封失效隐患的设备，做好计划检修。减少非计划停车对系统的影响，提高经济效益。关键词：空气分离；密封；失效分析；模拟 ABSTRACT Air separation unit is the petrochemical, iron and steel smelting, coal chemicalindustry and other industrial applications of key equipment. Generally in the processof air separation device of front end, whether stable, long cycle operation of the entiresystem safety and economic benefit of enterprise. According to the production processin the operation of air separation system of statistics, unplanned shutdown muchbecause of sealing failure.This paper introduces a certain chemical factory air separation process isimportant equipment and sealing method. On the air compressor, turbine, a circulationwater pump and a cryogenic liquid pump in the production of sealing failure causeswere analyzed, related to the mechanical seal, packing seal, labyrinth seal and otherchemical production process in the common seal.On the air separation process of the gasket sealing failure causes were analyzedin theory, and combining the actual situation of production, use ANSYS software tosimulation analysis under the working condition of flange sealing reliability. Selectionof air separation process of heat exchange equipment ( steam heater ) as therepresentative, the head gasket seal in the normal state of the work force wassimulated and analyzed by the gasket, under the operating condition of stress andstrain distribution, judge the gasket sealing reliability. In order to advance revealed thepresence of seal failure of hidden equipment, well planned maintenance. Reduce theunplanned shutdown of the effect on the system, raise economic benefits.Key words:Air separation; Seal; Failure Analysis; Simulation 目录第一章前言. 1第二章空分行业状况概述 . 32.1国内外空分行业发展概述. 32.2空气分离设备 . 42.2.1静设备. .42.2.2动设备. 142.3密封及其分类 . 162.3.1静密封. 162.3.2动密封. 17第三章空气分离过程设备密封及失效分析. 223.1空分过程动设备密封失效分析 . 223.1.1空压机密封失效分析. 223.1.2汽轮机密封失效分析. 233.1.3循环水泵密封失效分析. 243.1.4润滑油泵密封失效分析. 253.1.5液氧泵等低温液体泵密封失效分析 . 273.2空分过程静设备密封失效分析 . 271 3.2.1设计因素 . 283.2.2装配因素 . 283.2.3连接件因素. 283.2.4垫片材料 . 293.3法兰垫片密封可靠性模拟. 293.3.1模型模拟载荷的计算. 303.3.2.模型构建. 33第四章模拟结果分析. 39第五章结论. 42参考文献: . 43致谢. 452 第一章前言第一章前言空气分离装置简称空分是石油化工、钢铁冶炼、煤化工等大型工业应用广泛的关键设备，为整套生产系统提供压力空气、氧气、氮气以及氩气等气体产品。并且随着科技的进步与经济的飞速发展，其他行业对氧气、氮气、氩气等空分产品的需求量也日益升高，使得空气分离设备也称制氧机越造越大。伴随着计算机技术在空气分离过程中的广泛应用，空气分离设备逐渐向着巨型化、自动化方向发展。空分是利用空气中各组成成分的物理性质不同，一般采用深冷法、吸附法、膜分离法等方法从空气中分离出氧气、氮气，或同时提取氦气、氩气等稀有气体的过程。其中膜分离、吸附、化学分离法属于非低温空气分离方法。深冷法属于低温分离法，是把空气降到 100K以下，加压液化。并且利用空气中各组分沸点的不同，多次发生部分冷凝和部分蒸发从而最终实现氧气、氮气、氩气等稀有气体的分离。由于在大型工业化制取氧气、氮气、氩气方面，特别是在产品纯度方面，低温法制造氧气、氮气、氩气等稀有气体优势明显，是其他几种制氧方法不可取代的。且只有低温法才具有同时生产氩气及其它稀有气体的能力，所以在目前大规模工业生产中低温法在空气分离中占据主导地位。因西方国家工业化进程要早于国内，伴随着工业化大发展而出现的空气分离行业也最先在国外发展壮大。目前国外最先进的低温法制取空分产品的装置已逐步向着高产能、高分离效率、负荷可变、液氧（液氮）内压缩、规整填料塔、全精馏无氢制氩、副产液体产品、自动化水平高、纯度高、性能可靠、运行周期长、能耗低等方向发展。现在国外研究出了分子筛吸附脱除二氧化碳和水，制冷设备采用具有自我增压特点的透平膨胀机，在低温液体泵方面也有较大进展，使得大型空分工艺流程实现了空分过程安全、高效、低耗。在国内，随着杭氧、开空、川空等国内大型空分企业的发展壮大，低温法制取氧气装置近几年在制造水平上也取得了很大的进步和发展，氧气提取率有了很大程度的提高，氧气产品的单位能耗正逐步降低，系统稳定性也有了保障。在工艺流程设计、设备设计制造、设备结构优化等方面都取得了长足进步。随着国内制氧机技术含量的提高经济性能指标也得到了明显提升。在当今空分行业竞争日趋激烈的环境下，制氧机对空气分离设备的要求也越来越高，越来越严，要求空分工艺流程和空分机器设备要达到最优化。回顾我国大中型空分行业近 50年来工艺流程技术方面发展的历程，可以毫不夸张的说每次流程的推进和变革，都是因新工艺、设备的出现而引起的。制冷设备离心式透平膨胀机的出现，使大中型制氧机实现了低压流程。换热效率1 第一章前言高的铝制板翅式换热器的出现，使石头蓄冷器流程被切换板翅式换热器流程代替。分子筛吸附器以及吸附材料的发明和改进以及高效自增压透平膨胀机的发明，结束了分子筛流程能耗高的缺点，用分子筛吸附脱除二氧化碳和水替代切换式换热器，使空分行业设备技术发展上了一个新的台阶。在降低制氧机能耗方面贡献最大的莫过于规整填料技术在精馏塔中的应用。低温液体泵的出现使液氧内压缩成为可能，并成功取代氧压机，以及全精馏无氢制氩流程的设计和应用使制氧机在安全、高效、节能等方面推进了一大步。另外计算机技术在大型制氧机中的应用和推广，提高了制氧机的自动化水平，解放了劳动力并大大降低了劳动强度，提高了安全系数。从世界工业化进程来看，每次新技术和新工艺的出现都是围绕着安全和节能这两个主题进行的，空分流程的革新也不例外。节能、智能和安全将是空分技术发展不变的主题。空分装置自动化水平的提高，对设备运行的可靠性提出了更高的要求。特别是煤制甲醇企业，尤为重要。煤制甲醇企业的生产特点首先是工艺的连续性，只有系统安全稳定长周期优化运行，才能实现高产低耗，达到效益最大化，增强核心竞争力、才能在当前竞争日益加剧的煤制甲醇行业拥有一席之地。从而有效带动国内煤化企业调整产品结构、延长产业链，实现上下游一体化发展，推动大型煤制甲醇装置的建设。低温法分离制氧作为煤制甲醇企业的第一个环节，制氧机能否稳定、高效运行关系着整个工艺系统的稳定。一旦发生设备故障，轻则造成全系统停车导致巨大的经济损失，重者发生危及人身安全事故，造成极为严重的后果。因此提高空分装置设备稳定性，减少故障率，对整个工艺系统安全稳定长周期优化运行意义重大。2 第二章空气分离行业状况概述第二章空分行业状况概述2.1国内外空分行业发展概述空分行业的发展已有 100余年历史，随着科技水平的不断进步以及高科技成果在空分行业的逐渐普及，空分技术以及发展为一项比较成熟的技术。目前国外著名的空分技术供应商如德国林德公司（ Linde）、美国空气产品和化学品公司（APCI）、法国液化空气公司（Air Liquide）等都可以制作单套制氧能力达到 10万 m3/h以上的制氧机。三大气体公司已形成“三足鼎立”局面，均造出了超大型空分设备。随着国内工业化进程的推进，国内空分产品需求量逐年升高，特别是大型石油化工行业，钢铁冶炼行业以及近年来发展迅猛的煤化工行业，对空分产品需求越来越大。三家大型空气分离技术供应商在我国抢先占领市场，提供专业的空分分离技术，在一定程度上推进了国内大型空分行业的发展。国内大型空分设备行业通过消化吸收国外先进技术，在工艺流程设计、关键设备制造水平等方面取得了重大突破。目前国内已有多套生产能力在 5万m3/h以上的国产制氧机成功开车运行。空分行业围绕着安全与节能，不断创新新工艺、革新新设备，已逐步呈现低压化、大型化、特大化、自动化、高纯化、液体化、贮运化、综合化、现场化。近年来，随着规整填料在空分精馏塔中1的应用，这种效率高、压降小的填料塔优势得到充分体现，逐步替代了板式塔，使空分生产能力得到逐步提高。目前空分精馏填料塔多见于主精馏上塔、粗氩塔、精氩塔。随着规整填料技术的研究，高效的填料塔在主精馏下塔的应用也在逐步增加。国内空分设备制造始于 1955年，国内深冷法制氧空分流程先后经历了铝带蓄冷器冻结高低压空分流程、石头蓄冷器冻结全低压空分流程、切换式换热器冻结全低压空分流程、常温分子筛净化全低压空分流程、常温分子筛净化增压膨胀空分流程、常温分子筛净化填料型上塔全精馏制氩流程。目前国内空2分行业正在逐步实现大型液氧内压缩代替氧气外压缩的空分流程革新，使我国深冷法空分设备制造水平基本达到世界先进水平。国内空分行业经过近 50年的发展，不断引进新技术，吸收消化，目前我国空分设备制造业已有引进学习向自主创新方向发展。经过技术攻关我们已经掌握了大型及特大型空分设备的设计、制造、成套技术，并在 2万6万 m3/h型空分设备中广泛应于。目前国内三家大型制氧机分别是杭州杭氧股份有限公司、四川空分设备(集团)有限公司、开封空分集团有限公司。为我国空分分离行业的发展做出了卓越贡献，三家企业在空分制造行业某些领域达到或超过了国外同行业，填补了国内的空白。杭3 第二章空气分离行业状况概述氧在乙烯冷箱技术方面达到了当前国际先进水平。开空已经率先在国内 6000m3/h型制氧机上实现全精馏无氢制氩工艺，并最先 15000 m3/h型制氧机实现了液氧内压缩流程，打破了西方企业在液氧内压缩流程上的垄断。并成功实现了40000 m3/h型制氧机的国产化。川空实现了从切换换热器到分子筛吸附脱除二氧化碳和水的流程革新，在主精馏上塔采用规整填料塔，降低了能耗。虽然近些年来，国内空分行业在技术和设备制造水平上有了较大的进步，但和国外先进的空分公司还存在着差距，主要表现在：（1）在能耗方面，相同生产能力的空分装置，进口设备要比国产设备能耗低。（2）在稳定性方面，进口设备在稳定性方面要优于国产设备，国产空分装置经常发生跳车，影响整套系统的正常生产，并且国产空分装置对操作攻的业务水平要求高，极易因为操作原因导致系统减负荷甚至停车。（3）在安全方面，进口空分装置要比国产空分装置噪声小，国产空分运行环境下，对现场巡检人员的听力具有很大的伤害，必要时要做降噪处理。虽然国产空分在技术上还存在较多问题，但是国产设备在价格方面较进口设备有很大的优势。2.2空气分离设备2.2.1静设备空分过程中静设备主要包括空气预冷系统的空冷塔、水冷塔、空气纯化系统的分子筛、电加热器、蒸汽加热器、板翅式换热(主换热器、过冷器、主冷凝蒸发器、氩系统蒸发器及冷凝器)和精馏塔（上塔、下塔、以及氩塔等）。2.2.1.1空气预冷系统空冷塔一般采用填料塔，空冷塔的填料有三层构成，下层为不锈钢阶梯环，耐高温防止变形，上层和中层为聚丙烯共轭环，可有效增大换热面积，使空气得到充分冷却。整个塔体包括上下封头、筒体、填料、水分离器、填料支架、水分布器、丝网除沫器、人孔管以及气体和液体进出接等部件组成。因散堆填料较规整填料有更大的经济优势，从投资方面考虑填料多选用散装填料。空冷塔出口的防带水装置，由捕雾器、升气装置、水回流管线等组成。在分离水回流管线上设有了液泛和大量夹带游离水的检测、报警设备。正常状态下空气中夹带的游离水在升气管中分离后经限流孔板流回塔底。因工况波动导致空冷塔大量带水时，升气管能将夹带的游离水和泡沫分离并回流到塔底，从根本上避免把水带到后面的分子筛纯化系统。图 2-1是空气预冷系统流程图。空气压缩机出口高温空气进入空冷塔下部，在填料上先后与取自循环水系统经过加压的冷却水以及来自水冷塔的低温水进行逆流传热传质，空气温度逐渐降低，由 100降至 17.5左右，空气中水含4 第二章空气分离行业状况概述量降低。低温冷冻水是由水冷塔供应的。在水冷塔中，冷却水和来自主精馏塔的污氮气在填料上充分接触，利用污氮气干燥吸湿吸热降温原理可把水温从32降至 16.5。图 2-1预冷系统流程图在空气预冷系统的设计过程中需要用到一些几个公式以便确定泛点气速、塔径以及填料层高度。这种氮水预冷系统中是比较关键的。计算过程中的几个相关公式泛点气速计算式 r= A - 1 .750 .2 5 r 0 .125u2ae 3LV（2-1）VLm0 .16LVlg FgrrL式中： ug为重力加速度， 9.81m/ s2；为泛点空塔气速， m/ s；Fa为干填料因子，m-1；3er V、 r L为气相及液相重度， kg/ m3；m L为液相的粘度，cP；L、G为液相及气相的流量， kg/ h；A、B为与填料结构相关的系数;一般取 B=1175, A值的取值见表2-1不同填料的结构系数。5 第二章空气分离行业状况概述表 2-1不同填料的结构系数填料类型瓷拉西环常用 A值0.022瓷弧鞍0.26瓷矩鞍0.176瓷阶梯环0.2943金属鲍尔环0.1金属阶梯环0.106金属环矩鞍0.06225塑料共轭环0.2552（B=1.2542）塑料鲍尔环0.0942塑料阶梯环0.204金属 QH-1扁环压延孔板波纹 4.5压延孔板波纹 6.3CY型金属丝网波纹金属板波纹(250Y)0.0749（B=1.446）0.350.490.300.291空冷塔塔径计算式如下：D = 4 w s p u（2-2）式中：D为空冷塔直径，m；w s塔内空气流量， m3/s；u为空塔气速， m/s。填料层高度计算式VdYZ = H OG N OG=Y1（2-3）K Y aW Y2 Y - Y *式中：Z为填料层高度，m；HOG为气相的总传质单元高度，m；NOGV为惰性气体流量，kmol/h；为气相的总传质单元数；6 第二章空气分离行业状况概述KYa为气相的体积吸收总系数，kmol/(m3s)；Y*为气相平衡浓度，摩尔比；W为塔截面积，m2。2.2.1.2空气纯化系统深冷法制取氧气，去除空气中的水分、二氧化碳和乙炔等杂质非常关键，轻则造成主换热器通道和精馏塔板堵塞，影响系统稳定和安全运行，重者因碳氢化合物超标发生爆炸事故，在分子筛流程净化空气之前采用可逆式热交换器流程，通过冷冻脱除水分和二氧化碳。再利用足够的污氮对可逆式热交换器吹扫以清除截留住的水分和二氧化碳。可逆式热交换器并不是在任何情况下都普遍适用的，当要求不含水分和二氧化碳的纯产品超过处理空气量的 50%时，它就不能适用了。然而分子筛净化流程就不受此限制。随着空分装置规模的日益扩大，设备操作的安全性越来越受到重视，特别是这些装置位于严重污染区，例如在石油化工和化学联合企业。吸附器进口空气的二氧化碳含量通常为350400ppm；吸附器净化后空气出口的二氧化碳含量（净化指标）可达 1ppm或更低。空气纯化系统在吸附剂吸附二氧化碳满足要求时可确保彻底清除空气中的乙炔。纯化器净化后空气出口的含水量可达到相当于常压露点70，即水蒸气含量 2.58ppm（V），相当于 20时每立方米空气含水 0.001936克。空气纯化系统包括两台吸附器、一台电加热器、一台蒸汽加热器。（1）吸附器每只吸附器内装分子筛吸附剂和活性氧化铝，用以除去空气中的水蒸汽，二氧化碳以及乙炔等杂质。分子筛常常用 13X，也有选用 5A分子筛吸附剂的情况。但通常认为 13X的二氧化碳吸附能力优于 5A分子筛，但吸水能力弱于5A分子筛。小型空分纯化系统通常设计成单层床，常用 5A分子筛。a吸附器结构按绝热方式分为：内绝热和外绝热按型式分类：按床层分类：立式吸附器和卧式吸附器单层床和双层床b阀门和管道切换系统控制空气的流通和切断，改变空气流向，使两只吸附器交替工作。阀门通常为气动（电动）程控阀，也可以是手动阀。由于系统工作温度较高，因此要求阀门可长时间承受 250以上的高温。通常阀门选型时，要求其工作耐高温温度 300400。（2）蒸汽加热器7 第二章空气分离行业状况概述蒸汽加热器的高温介质可以是饱和蒸汽或过饱和蒸汽。用以加热再生气（空气或污氮）。加热后的再生气温度通常为 150180。一般是为了满足正常再生活化的需要。蒸汽加热器的结构采用双管程单壳程、双管板的 U型管换热器，双管板结构能够确保管程蒸汽串入壳程，保证再生安全。介质流向通常为蒸汽走管程，再生气走壳程。但如果蒸汽加热器采用立式结构，则加热介质和冷却介质所在通道需交换，这主要是因为蒸汽在冷却介质带走热量后会形成冷凝水，并确保冷凝水被带出热流通道的缘故。从蒸汽加热器的制造和传热效率看，卧式蒸汽加热器应略强于立式。（3）电加热器电加热器的作用通常是为了满足纯化系统在高温活化期间，提高再生器温度。由于分子筛使用时间过长，有可能使得吸附剂内部的吸附剂解吸不彻底，长时间积累，造成吸附剂内部吸附质本底含量增加，增大到某一程度，造成整个纯化器系统的纯化效果下降。此时，就需要停止吸附并对吸附剂床层进行高温活化处理，使吸附剂尽可能恢复其最大吸附能力。高温活化的温度通常为230250。在空分设备里面电加热器作为加热器就比蒸汽加热器用的更多，同一台电加热器即可满足正常再生又能满足高温再生，还能自动控制其出口温度，使用起来比蒸汽加热器方便。电加热器主要由管状电热元件电热管和壳体组成。电热元件是用金属管(铜、碳钢或不锈钢 )作外壳，管内放置用镍铬合金或铁铬铝合金材料盘绕的螺旋状电阻丝，并在电阻丝外围充填具有良好绝缘性和导热性的结晶氧化镁(MgO)或石英砂(SiO2)制成。其元件适用的最高温度：铜管170，碳钢管400，不锈钢管600，而镍基合金钢可耐 850。为延长电加热棒使用时间，在运行过程中必须防止出现干烧，确认气体流程打通后电加热器方能投入运行，并且在现场配管中要做到，污氮气进口靠在接线端，出口设在电加热棒末端。在电加热器的选型上可以是立式，也可以是卧式。2.2.1.3板翅式换热器2板翅式换热是换热器家族中具有质量小、效率高、结构紧凑等优点的新型换热器。因其制造难度大、技术含量高，目前只有少数几个国家可以生产。铝制板翅式换热器在空分过程中应用广泛，精馏过程的主要换热器如过冷器、主塔主冷凝蒸发器、主换热器、氩系统粗氩塔冷凝器、精氩塔蒸发器以及冷凝器均采用板翅式换热器。2板翅式换热器流体的每一层通道由翅片、隔板、封条组成。铝板翅式换热器是由板束、封头及支座等附件组成。图 2-2是多股流板翅式换热器的结构示意图：8 第二章空气分离行业状况概述图2-2多股流板翅式换热器结构示意图（1）板束体该部分是板翅式换热器的主要构成部分，由多层构成；每层由导流片、翅片、隔板、封条组成；板束体不可拆卸，整体真空钎焊；层的结构如图 2-3所示。图2-3板束体层的结构示意图1封条；2隔板（或侧板）；3翅片（或导流片）9 第二章空气分离行业状况概述图2-4隔板与翅片钎焊前后(红色为隔板两侧的钎料)（a）翅片板翅式换热器的传热过程是通过翅片与介质之间的对流以及热传导实现的。翅片节距较小，细小颗粒入内，都能导致流道堵塞，并不易吹除，特别是在管道吹扫和试压时要特别注意；翅片类型较多，主要分为多孔型、波纹型、锯齿型、平直型等。结构如图 2-5所示。a：锯齿型b：多孔型c：平直型d：波纹型图2-5主要翅片类型（b）导流片导流片在铝板翅式换热器中主要是起流体的进出口导向作用。根据板束的宽度及导流片在板束内的开口位置和开口方向，导流片一般有如图 2-6（a）-（h）所示等多种型式。10 第二章空气分离行业状况概述（a）通道侧面开口型导流片结构示意图（b）通道敞开导流片结构示意图（c）通道中间开口导流片结构示意图（d）通道端头局部开口的导流片结构示意图（e）通道侧面开口导流片结构示意图（f）通道侧面开口导流片结构示意图板束中部通道中流体导出导入时导流片结构示意图板束中部通道流体导入或抽出时导流片结构示意图（g）（h）图2-6导流片结构示意图（c）封条封条在每层的四周，把介质与外界隔开；在流体进、出口处开口；封条常用截面形式如图 2-7（a）所示。端部接口型式如图 2-7（b）11 第二章空气分离行业状况概述图2-7（a）常用封条的截面型式图2-7（b）封条端部接口型式（以截面型式 IV为例）（d）隔板隔板是二层翅片之间的金属平板，它在母体金属表面覆盖有一层钎料合金，在钎焊时合金熔化而使翅片、封条与金属平板焊接成一体。隔板把相邻两层隔开，热交换通过隔板进行，常用隔板一般厚 1mm-2mm。（2）封头封头通常由封头体、接管、端板、法兰等零件经焊接而成。封头用于流体分布；接管材料通常是 5052或 5083，封头的接管与外部管道联接时，采用焊接结构见图 2-8（a）；封头的接管与外部管道联接时，采用法兰联接结构见图2-8（b）；封头的接管与外部异种金属管道（不锈钢或铜）采用焊接结构见图 2-8（c）；12 第二章空气分离行业状况概述1闷盖（工艺封头）；2接管；3封头体1法兰；2接管；3封头体（a）接管与外部铝合金管道采用直接焊接的封头结构（b）接管与外部管道采用法兰连接的封头结构1异种金属接管； 2封头体（c）异种金属接管与外部不锈钢（或铜）管道连接的封头结构图2-8封头结构示意图2.2.1.4精馏塔在制氧机中，精馏过程是在精馏塔中进行的。精馏塔为一直立圆柱形筒，其内安装有水平的塔板，氧、氮所组成的液体混合物沿塔板向下流，氧、氮混合物的蒸汽穿过每块塔板的开孔向上升，在塔板上气与液直接接触(象前面所说的容器一样)，蒸汽中的部分氧冷凝成液相，同时部分氮从液相中蒸发出来。蒸汽每穿过一块塔板，就要和液体接触一次，发生一次传质传热过程，这种多次的蒸发与冷凝就完成了精馏过程。精馏塔系统是空分设备的核心系统，一般为双级精馏塔，分为上塔和下塔两部分，国内一般下塔采用筛板塔，上塔采用填料塔。精馏塔的保冷通常采用珠光砂。珠光砂是一种由酸性火山玻璃质熔岩经破碎、预热、焙烧膨胀而制成的具有多孔结构的、白色、粒状松散材料、具有容量小、导热系数低、化学稳定性好、不燃、无毒、无味、吸音等特性。珠光砂由于它具有极低的导热性和可靠的化学稳定性，良好的充填流动性和极低的容重性而被广泛的应用于空分设备保冷。通常，精馏塔的操作温度极低，普通的保温层无法达到保冷的效果，因此，包括精馏塔等低温设备放置于冷箱中。13 第二章空气分离行业状况概述图 2-9空气分离过程精馏塔2.2.2动设备动设备主要包括压缩机组（空压机、增压压缩机、汽轮机）、离心泵（工艺液氩泵、中压液氧泵）、增压透平膨胀机组等。原料空气压缩机有空压机和增压机组成，由汽轮机拖动，是空分设备必须配备的，它是空分设备工艺流程中的非常重要的一个动设备。含尘空气经过空气过滤器除掉其中机械颗粒、粉尘等后，经入口导叶进入原料空压机。根据空分工艺流程的要求，原料空气压缩机一般均采用等温型，具有比较高的等温效率。在一级进口设置了进口导叶，由气动或电动的执行机构控制。对流量进行调节，调节范围：75105%。原料空气压缩机的冷却器，采用叠片式或高螺纹管式，气相走壳程冷却水走管程。湿空气冷却器还带有气水分离器，气体冷却器中卧式布置较多。原料空气压缩机的典型结构有单轴等温型和整体齿轮型。离心压缩机是产生压力的机械，是透平压缩机的一种。压缩机转子叶轮在原动机的拖动下高速旋转，流体在离心力的作用下由转子的机械能转化成流体的动能，随后流体排出叶轮进入扩压器，在扩压器中流体进行动能到压力能的转化，流速逐渐下降压力升高。离心压缩机适用于大中流量、中低压的场合。离心压缩机单级提升压力的能力能力有限，实际工业生产中，为获得较高的压力多采用多级式压缩机，多组叶轮串联，逐级提升流体压力。在实际生产中，离心式压缩机多发生泄漏事故，轻则造成压缩机出力能力下降，能耗升高，重者造成安全事故，特别是一些有毒有害气体的泄漏。多级离心压缩机的泄漏一般分为内、外两种形式。因级间密封失效导致高压侧气体漏回低压侧或通过与14 第二章空气分离行业状况概述机壳之间的空隙漏回到进口称为内泄漏；而压缩气体通过密封间隙直接漏到大气中的泄漏称为外泄漏。图 2-10空气压缩机增压透平膨胀机组是空分设备的核心部机之一，在空分装置中为低温精馏提供充足的冷量，对产品的液体产量进行有效的调节。增压机由蜗壳、叶轮、进气室、扩压器组成。增压透平膨胀机采用同轴设计，增压端与膨胀端叶轮在同一轴上，转速相同。膨胀机侧加压后的气体通过喷嘴进入膨胀机，推动叶轮高速旋转，在增压机侧气体经过叶轮后加速增压，在叶扩压器中进一步降速增压最终排出机外，经冷却降温后进入板式换热器，再进入膨胀机。转子两端分别装有膨胀机叶轮和增压机叶轮（二者均为闭式），为一刚性转子，套装在机身轴承上。在靠近叶轮的轴上各置有一迷宫密封套，使得气体外漏量控制在最小的范围内。在靠近膨胀机的密封套内充入常温密封气（干燥空气或氮气）以阻止流经膨胀机的低温气体外泄，而跑“冷”。为控制喷咀出口的气体与膨胀机端密封气之间的压力差维持在 0.05 MPa左右，特设置一精密减压阀，增压机端的密封套内充入 00.5 MPa压力的密封气。空分设备的密封在整个生产过程中具有重要的作用，对设备效率、产品纯度等都有很大影响。由于空气分离过程低温、高压等特点，对设备的密封性能要求比较高。空分设备中密封方式较多，但无论是何种密封方式对密封件的要求都是相同的。要求密封可靠、泄漏量少，维修方便，使用周期长，结构紧凑简单，成本低，互换性好。空分过程和其他化工行业对密封件的要求是一样的，要求密封可靠，一旦发生泄漏都会造成经济损失甚至是人身危害；另外，密封件使用寿命能够满足系统长周期运行；最后密封件要求具有很好的互换性，便15 第二章空气分离行业状况概述于备用设备密封失效时的更换。此外，空分过程中的密封件要经济适用、安装方便。正因为空分过程对设备密封性能的要求较高，因此对密封失效的研究便于改进密封技术，减少泄漏，延长空分系统运行周期。2.3密封及其分类密封是为了防止固体微粒或流体在相邻接触面之间泄漏和外界杂质如大气、水分、灰尘等侵入设备内部而设置的零部件或采取的措施。密封的本质是控制密封空间与周围环境之间的质量交换，决定流体密封质量的基本要素是流体流动的推动力和连接件接合面的间隙，随着科技的发展，易燃易爆、有毒有害、高温高压、强腐蚀性和放射性介质在工业生产中应用日益增多，一旦这些介质发生泄露，不仅会造成生产中断、资源浪费、财产损失，还会造成污染环境甚至是人员伤亡。因此防止过程设备泄漏对工业生产至关重要，是必须解决要解决的重要问题。密封的分类方法有很多。根据所密封的介质状态可分为气体密封、液体密封；根据密封介质的压力可分为真空密封、中低压密封、高压密封等；在工业生产中多根据接触面之间的运动状态把密封分为静密封和动密封。相对静止或没有相对运动的接触面之间的密封称为静密封，如各种容器设备和管道法兰接合面的密封，阀门的阀座、阀体以及各种机器的机壳接合面的密封等。有相对运动的接触面之间的密封称为动密封，如各机泵的机械密封，干气密封以及填料密封等。2.3.1静密封2.3.1.1胶密封胶密封中起密封作用的粘合剂称为密封胶，它能较容易地填充在法兰、阀门、弯头接头及接合面较复杂的螺纹连接等连接部分的间隙中，形成均匀、连续、稳定的剥离的或粘性、粘弹性的薄膜，阻止流体介质从密封面泄漏，起到密封作用。密封胶作为一种密封填料，填充在设备各部件的接合面之间或泄漏点处起到密封作用。密封胶具有流动性，不存在固体垫片和填料在密封时必须要有的压缩变形，因而没有内应力、松弛、蠕变和疲劳破坏等导致泄漏的因素。根据密封胶使用方法、使用场合不同，胶密封可以分为带压注剂密封和粘接密封。带压注剂密封为带压堵漏，即不停车堵漏的一种，通过注胶枪把密封胶注入在泄漏点预先设置好的护胶卡具内，待密封胶固化后起到堵塞泄漏通道，实现密封的目的。粘接密封通常是将密封胶涂敷在连接的接合面处，或对泄漏点，如容器、管道上的孔洞、裂纹等进行涂胶贴补，待胶固化后形成一定的粘接强度，从而阻止流体介质泄漏，起到密封的作用。16 第二章空气分离行业状况概述2.3.1.2垫片密封垫片通常由石棉板、橡胶片、或金属材料制成，夹在两个密封面之间，确保连接在预定的使用寿命内，保证两个连接件的有效密封。垫片必须能够密封接合面，并且不被密封介质渗透和腐蚀，能够经受温度和压力等的作用。垫片密封是工业化生产装置中管道、法兰、容器、工艺设备等活连接处主要的密封方式。垫片密封所处的工况比较复杂，密封的流体介质范围相当广泛，防止液体或气体从这些接头处泄漏，是垫片密封的功能所在。虽然法兰接头与泵轴等动密封面相比，其泄漏量较小，但法兰连接的数量要比其它密封面多得多，所以保证垫片密封的可靠性是非常重要的。2.3.2动密封2.3.2.1接触密封（1）填料密封填料密封主要用于动设备的密封，如离心泵、真空泵、搅拌机、反应釜等的转轴和往复泵、往复式压缩机的柱塞或活塞杆，以及做螺旋运动的阀门的阀杆与固定机体之间的密封。填料密封依其采用的密封填料的形式，分为软填料密封和硬填料密封，硬填料密封主要用于高温、高压、高速下工作的设备和机器。由于软填料密封构造简单，更换容易，应用较硬填料密封广泛得多。与机械密封相比，填料密封结构简单、价格便宜、加工方便、装拆容易和使用范围广等优点，缺点是填料密封依靠压紧力使填料与轴紧密接触而填塞泄漏通道的，故填料对轴表面的磨损较大，造成材料和功率消耗也大。为了润滑摩擦部位并带出摩擦热，降低材料磨损，延长使用寿命，填料密封要允许有一定的泄漏，故对密封要求严格的场合不适用填料密封。常用的填料有亚麻填料、石棉填料、聚四氟乙烯填料、石墨填料等。图 2-11填料密封17 第二章空气分离行业状况概述（2）往复轴密封往复轴密封是指用于往复运动机构处的密封，包括气动密封、液压密封、柱塞泵密封以及活塞环密封等。往复运动密封与旋转密封不同之处在于，往复运动密封的泄漏率在构成一个循环的两个行程中是彼此不相同的。（3）旋转轴弹性体密封旋转轴弹性体密封形式主要有旋转轴唇形密封和 O型圈密封。唇形密封由于结构简单、紧凑，摩擦阻力小，对无压或低压环境的旋转轴密封可靠，因而应用广泛。在无压环境中，常用于防止机械润滑油的向外泄露，故又称为“油封”，它有多种结构形式，其主要作用是封堵润滑剂，多用于轴承密封。早期的油封用皮革制作，现在大多数油封的主体材料为橡胶等弹性体，密封面制作成唇口形状，故称为唇形密封。同一种密封，根据安装位置的不同，其作用可能不同，唇形密封的作用一般是油封或者防尘密封。O型圈密封是密封元件中使用最早、最多，也是最普遍的密封形式。O型圈密封有很多优点，如密封性好，寿命长，结构紧凑，动摩擦阻力小，对介质、温度和压力的适应性好，制造简单，装拆方便，成本低廉等。O型圈密封可用在静密封、往复轴、旋转轴等部位。（4）机械密封机械密封是工业生产中应用较多的动密封，应用在旋转设备的密封处，是一种旋转轴密封，在离心泵、离心机、反应釜和压缩机等的轴封装置中比较常见。机械密封一般由动环、静环、弹簧座、弹性元件（弹簧）、紧定螺钉、密封圈等组成，动环和旋转轴同步旋转，静环固定在压盖上。机械密封质量的好坏关键看动、静环接触面的加工精度，精度越高密封效果越好。另外，弹簧预紧力要适中，弹簧力大动静环之间摩擦力大使用寿命减少，预紧力小不能使动静环贴合在一起，起不到密封的作用。图 2-12是机械密封示意图。在机械密封中，根据运行环境的不同，部分机械密封必须通密封介质，一方面强制给结合面处降温，另一方面防止密封流体中固体颗粒进入接触面，对密封造成破坏。图 2-12机械密封18 第二章空气分离行业状况概述2.3.2.2非接触密封（1）干气密封干气密封是近年来采用较多的一种非接触式密封，一般在旋转环端面上开有螺旋槽，见图 2-13干气密封螺旋槽，图 2-13干气密封螺旋槽在离心力的作用下，密封气体被压缩至螺旋槽根部，动环和静环由螺旋槽根部压力气体提供开启力，图 2-14螺旋槽类型示意图。（a）单向螺旋槽(b)双向螺旋槽图 2-14螺旋槽类型同时弹簧力和流体压力共同作用提供配合端面的闭合力，在这开启力和闭合力的共同作用下实现干气密封端面的非接触运转。典型的干气密封一般由静环、旋转环、静密封、O形圈、弹簧及弹簧座组成。干气密封是一种新型的、先进的旋转轴密封，由它来密封旋转机械中的气体或液体介质。与其它密封相比，干气密封具有泄漏量少、磨损小、寿命长、能耗低，操作简单可靠，被密封的流体不被油污染等特点，广泛应用在压缩机领域，特殊泵领域。（2）迷宫密封19 第二章空气分离