PX-OPS-AIR_INTRO-ILT-STD_空气分离的介绍

空气分离的介绍,修订日期:2007.1,2,目录,基本介绍空气压缩和冷却净化换热透平膨胀机液化流程热集成主冷凝器精馏多塔流程氩精制,第一部分:基础理论,空气分离的介绍,修订日期:2007.1,4,培训目标,明确空气中的组分和杂质质量守恒原理回顾热力学基本理论,5,空气的构成,空气的组分%体积含量氮气（N2）78.10%氧气（O2）20.96%氩气（Ar）0.94%空气中的杂质%体积含量水0.1to2.8%二氧化碳（CO2）350-500PPM碳氢化合物1-6PPM,6,质量守恒原理,物质即不能创造，也不能消失，只能以一种状态转换成另一种状态热力学第一定律总的物质输入=总的物质输出对空分单元(ASUs)总输入气流=总流出气流(气态氮,液态氮,污氮气,氩,气态氧,液态氧)该原理同样适用于整个空分装置里的每个单独的单元O2输入量=0.20946*空气的流量=O2输出量,7,基本流程图,主压缩机,再生气风机,再生加热器,纯化器,直接接触冷却器,粉尘过滤器,冷却水来水,污氮,ColdBox,管道氮气,氮气压缩机,管道氧气,氧气压缩机,液氧,液氮,液态氩气,空气冷却,杂质的移除,产品,蒸发冷却器,空气过滤器,冷箱,冷却水来水,8,基本的热力学观点,绝对压力绝对温度显热汽化热潜热冷凝露点凝结热热力学属性之间的关系气液之间体积和温度的关系,9,绝对压力,压力标定用PSIGPSIG表示的是仪表压力，而不是绝对压力(PSIA)表压和绝对压力之间的转化公式如下:绝对压力(PSIA)=表压(PSIG)+标准大气压,10,绝对温度,大部分温度标定都是用华氏温度（F）或者摄氏度（C）来表示的两种温标有其各自的优点在低温过程中，最好使用绝对温度(K或R)来表示下面是换算公式:degK=degC+273.15degR=degF+459.67,11,显热,比热是指质量为1磅（lb）的物质升高1华氏度（F）所需要的热量水的比热=1BTU/lb/F,12,汽化热,当我们给液体加热时，在达到该液体的沸点之前，其温度会一直上升在达到沸点时，该物质的温度不会随着加热而继续上升此时该物质的状态会有所变化，将会由液态变为气态物质从液态变为气态时所需热量就称作该物质的汽化热,13,潜热,汽化潜热是指将一磅重的液体转化成一磅重的气体所需要的总热量水的汽化潜热=970BTU/lb,SensibleHeat,14,冷凝,冷凝和蒸发是两个相反的过程在达到露点温度前，气体放热，其温度会降低在达到露点温度时，放热不会降低该流体的温度此时流体由气态变为液态,15,露点和凝结热,露点纯物质的露点=沸点对于水来说,沸点=露点=212F,100C凝结热对于所有物质而言，汽化热和凝结热的数值是一样的,16,纯液体和纯气体的特性,流体可能存在下面三种状态过冷液体饱和液体/蒸汽过热蒸汽,17,纯液体和纯气体的特性,18,热力学属性之间的关系,对一个给定的物质，下列属性间存在一定的关系压力（P）温度（V）体积（T）,19,水的体积和温度的关系,20,液体和气体的温度压力之间的关系,当一个物质由液态变为气态时，它的体积会变的非常大同时它的密度相应的会变的很小(质量/立方英尺),安全原理:当体积一定时，流体由液体转变为气体，它的压力会变的很大,21,基本的热力学观点,举例盲短泄压阀（LineBlock）是用来防止被聚积在两个阀门之间的液体，由于气化而造成管路爆破利用膨胀因子，在没有盲段泄压阀（LineBlock）时，我们可以知道聚积在两个手动阀之间的液氧气化后的压力值。假设两个阀门间液体的压力为5PSIG，所有的压力都由管路承担且管路没有爆破假设我们处在海平面液体的最初压力=5PSIG+14.696PSI=19.696PSIA气体的最终压力=19.696PSIA*254=5000PSIA,22,小结,了解空气的组分以及其他杂质描述了质量守恒原理了解了热力学的基本理论,第2部分:空气压缩和冷却,空气分离的介绍,修订日期:2007.1,24,培训目标,空气压缩机（BLAC）的部件描述离心压缩机结构和特点空气压缩机的控制组件空气冷却技术及其特点,25,空气压缩机,用途：在空气分离单元（ASU）中用来压缩空气压缩机的部件ASFH入口空气过滤器离心式压缩机空气端设备机械端设备排气阀和消音器控制系统空气冷却,26,压缩系统整体结构图,27,离心压缩机分解图,28,压缩机导流叶片,29,环境的影响,离心式压缩机是设计用来压缩气体的比容积。一定体积的气体的分子个数是由温度决定的当空气温度升高时通过第一级的流量下降冷却剂的温度升高中间冷却器的出口温度同时上升随后各级的流量下降空气中的含水量可能上升压缩机必须压缩更多的水分空气中的水分占据了压缩空气空间，造成空气流量下降,30,压缩机的使用限制,流量范围喘振限定了其最低流量导叶片全开限制最大流量压缩机的压力和流量之间的关系系统阻力曲线,喘振脉冲流体倒流导致不稳定状态喘振原因压力增加流量下降防喘振的控制方法喘振控制线喘振停车线当工作点进入喘振控制区时，喘振控制将会打开放空阀。,31,压缩机控制系统,导叶的控制JIC功率控制FIC流量控制HIC手动控制放空阀的控制PIC压力控制UIC喘振控制HIC手动控制,32,空气冷却技术,空气冷却的优点低温时，分子筛的吸附性更好(TSA)降低了空气中的水分含量空气冷却技术中间冷却器后冷却器冷冻机(TSASystems)使空气温度降到4050F空气直接冷却系统DSA双级冷却器DCA直接接触式后冷却器,33,空气冷却工艺,冷却器管壳式换热器空气在壳程水在管程冷却剂使空气温度降低3-15F趋近温度:冷却器的出口气体温度减去水的进口温度温升：冷却器出口水温减去其进口水温,34,级间冷却器,35,空气压缩和冷却除水,36,空气直接冷冻系统,第一步:后冷却器是用冷却水来冷却空气的第二步:接着冷冻机直接使空气冷却(如：空调)热量在冷冻机里面由空气转移给制冷剂第三步:将空气中的水用水分离器去除,37,双级后冷却器,在冷却器壳里面进行冷却和冷冻在两个换热器中，水都是用来作为换热的载体用泵将冷冻水在DSA系统打循环(闭合环路)冷动机将水冷却到40F,38,空气冷冻去除水分,冷冻机去除水分（GallonsperMillionCubicFeet）,39,小结,BLAC的各组件掌握离心压缩机的分解图和其特点BLAC控制系统空气冷却技术及其特点,第3部分:空气净化,空气分离的介绍,修订日期:2007.1,41,培训目标,普通杂质定义净化工艺及其特点描述,42,净化,空气中的杂质像H2O、CO2和N2O这些杂质会凝结堵塞冷箱碳氢化合物达到一定浓度时会有燃烧的危险乙炔轻组分甲烷，乙烷，丙烷空气净化技术的分类TSA变温吸附纯化器PSA变压吸附纯化器RHX可逆式换热器CEGT冷端吸附器(较旧的工艺)RGT循环吸附器(较旧的工艺),43,变温吸附纯化器概述,变温吸附纯化器的操作变温吸附纯化器的设备阀门2个或者3个净化床加热器粉尘过滤器变温吸附纯化器的控制系统纯化器的循环步骤和定时器COPSA-40-3变温吸附纯化器的的性能冷吹峰值温度曲线,44,变温吸附纯化器的操作,循环时间4to8hours吹扫/进料比例6to15%进料温度在40Fto60FTinTemp2冷凝流体的露点蒸发流体的沸点,液体,冷凝流体,蒸发流体,蒸汽,Heat,Temp1,Temp2,104,空气分离单元中的热集成,流体的露点/沸点取决于:组分压力因此,可以根据调整流体的压力来使其达到需要的状态,105,N-Plant热集成,蒸发流股组分=56%N22%Argon42%O2压力=19PSIA沸点=87冷凝流股组分=纯N2(10ppmO2)压力=48PSIA露点=89K主冷凝蒸发器温差T=2K,106,混合循环中的热集成,下塔的操作压力比上塔高将两个塔“集成”在一起，既可以生产氧产品，又可以生产氮产品。整个过程的核心是主冷凝器，因为它给下塔提供了回流液，同时又给上塔提供了蒸汽。,107,小结,描述了热集成在以下几个单元中的应用:空气分离单元N-Plants混合循环,第8部分:主冷凝蒸发器,空气分离的介绍,修订日期:2007.1,109,培训目标,主冷凝蒸发器的特点及其重要性主冷凝蒸发器的安全性以及故障的后果主冷凝蒸发器的不安全运行状况主冷凝蒸发器的安全标准,110,主冷凝蒸发器,主冷凝蒸发器有哪些特点?它驱动精馏进行给下塔提供回流液给上塔提供蒸气必须安全的蒸发塔釜的液氧主冷凝蒸发器的性能好坏直接影响进塔空气的压力主冷凝蒸发器如此重要，因此普莱克斯公司对其有特殊的技术,111,传热技术HighFluxTM,下塔气氮,液氮排出,上塔液氧,上塔气氧,上塔液氧,112,传热技术HighFluxTM,应用氧产品蒸发器大容量冷凝蒸发特点结构紧凑，管壳设计简单普莱克斯专有的管道的多孔表面技术在沸腾/冷凝过程中传热性能更好比BAHX安全展开区域大防止固体阻塞水,CO2,烃类,113,主冷损坏克利夫兰,114,工厂的损害贝尔，西弗吉尼亚,115,法液空民都鲁（马来西亚）爆炸事件,116,主冷的安全性,燃烧的三个必要条件燃料氧气火源主冷凝器里面存在大量的氧气因此，所有的燃料的浓度都应该低于其爆炸极限的下限(LELs)甲烷5.1%inO2乙烷3.0%inO2,117,主冷的安全性,足够的液体排出率：避免碳氢化合物聚集(含量最多不超过O2总量的1%)同样应该一直监测贮罐液体中碳氢化合物的量很多厂家都配有AE-11该设备是用来测量总碳氢化合物含量（THC）,118,主冷的安全性,然而，即使在液体中几乎检测不到碳氢化合物，有两种情况仍会造成碳氢化合物局部聚集，。干蒸发死端蒸发结晶体造成通道堵塞珠光砂堵塞(仅限BAHX),119,环境中轻质烃的含量(PPM),120,主冷干蒸发,最低的塔釜液位高度是关键操作参数保证持最小吹扫比4:1(排出L/V)析出的碳氢化合物可在氧气氛围中点燃,碳氢含量高的液体或固体N2O,CO2固体,121,在换热器通道堵塞情况下的死端蒸发,氧蒸发器伴随液氧蒸发，带有污染物的液体继续进入被堵塞段的上部碳氢化合物无限制地积聚。,122,主冷的安全性标准和规程,SOP60,主冷标准作业程序，取样程序确定多久你需要取一次样品COP主冷的关键操作参数(氧蒸发器)SA404:氧蒸发器中高的总碳氢含量SA405:高乙炔含量参见SOP63SA4022:氧蒸发器中高CO2含量SA4031:氧蒸发器中高N2O含量,123,主冷凝器的安全性底线,HighFlux主冷凝蒸发器比其他任何技术本质都安全没有能量的释放主冷凝器的操作安全性CSS关键安全系统知道COP运行范围必要时能自动停车使CSS符合SA39要求取样做实验室分析切勿旁路CSS或使CSS失效！,124,小结,阐释了主冷的特性以及其重要性；描述了主冷的安全性以及故障的后果明确主冷一些不安全操作状况确定主冷的安全标准,第9部分:精馏,空气分离的介绍,修订日期:2007.1,126,培训目标,了解分离技术描述精馏和质量传递在空气分离中所起的作用阐释精馏塔板如何工作描述在空分塔中N2,O2和Ar如何精馏,127,分离技术,在工业气体生产过程中应用了很多分离技术VPSA真空变压吸附化学反应(去氧)精馏膜分离所有的分离工艺都是依据纯组分之间某些特定性质的差异来操作的，如尺寸的大小，反应活性等精馏操作是唯一一种可以将空气分离为三种纯组分气体/液体的技术,128,精馏的原理,当各组分之间的沸点差别比较大时，精馏操作才有效。空气中各组分的沸点(露点)如下所示：,129,质量传递,当蒸气穿过塔板上升时O2离开了蒸汽而进入液体N2离开了液体而进入蒸汽为什么?,N2,O2,N2,O2,N2,O2,130,精馏塔板,用来促进气液之间的接触它们的形状像圆盘液体通过一个U型路径通过塔板气体通过塔板的小孔穿过塔板,131,氮气精馏,氮气精馏操作是靠在塔里面的连续回流来实现的回流液由塔顶的部分蒸气冷凝产生。经过一定的塔板数，回流液将进料空气中的O2脱除,132,用精馏法将N2从空气中分离,氮气的纯度取决于:塔板数回流比回流比R=L/D回流比高,产物纯度高回流比高,提取率低对于N-Plants，其回流比R=50/50=1,133,用精馏法将氩气从O2中分离,O2和Ar的沸点比较接近因此，用精馏法分离Ar比分离N2要困难的多R=L/D=23/1=23当回流比R=23,Ar中仍有少量O2存在,134,小结,了解分离技术描述精馏和质量传递在空气分离中所起的作用阐释精馏塔板如何工作描述在空分塔中如何用精馏方法将N2,O2和Ar分离,第10部分:多塔流程,空气分离的介绍,修改日期:2007.1,136,培训目标,描述双塔系统的特点区分双塔系统和三塔系统之间的不同明确影响氩提取的因素,137,双塔系统,下塔生产纯氮，大部分产品以液体的形式抽出，作为上塔的回流液运行压力中等(65-100PSIG)上塔生产纯N2和O2在低压下运行(3-7PSIG),138,双塔系统,上塔顶部的回流液氮来源于下塔抽出的液氮,99.5%O2,10PPMO2,10PPMO2,37%O2,139,双塔系统流程图,100,55,70,45,10,20,除了一小股污氮用于纯化器的再生，该工艺可以提取全部的N2和O2,140,压力和温度,80PSIGT=104K,3PSIG80K,7PSIG95K,下塔的运行压力比上塔的运行压力高为什么?,76PSIG97K,141,双塔流程,在双塔流程中,没有氩富集区绝大多数氩气成分随污氮放掉UC1分离O2和Ar,UC1,142,三塔系统,下塔生产纯N2,大部分以液体的形式抽出用作上塔的回流液在中压下运行(65-100PSIG)上塔生产纯N2和纯O2UC1从O2中分离Ar在低压下运行(3-7PSIG)粗氩塔是设计用来除去氩气中的O2氩馏分大体由90%O2和10%Ar组成氩馏分中仅仅含有微量N2(500PPM)生产粗氩(96.5%Argon,2.5%O2,1%N2)在低压下运行(3-5PSIG),3-Col,LRC,143,三塔系统,CrudeArgon96.5%Argon2.5%O21.0%N2,144,三塔系统氩富集区,粗氩塔从上塔的氩富集处抽出氩馏分（富集区）,145,三塔系统氩富集区,影响氩气富集的因素很多O2产品纯度上塔的回流量氩馏分抽取量基于设计工况，可以找出这三个因素的理想结合点。,146,影响氩提取的因素O2纯度,假如O2浓度在高于99.5%的浓度下运行，这会迫使氩富集区上升，从而减少氩的提取率,LN2,99.9%O2,绝大多数工厂O2纯度不能低于99.5%,147,影响氩提取的原因上塔回流量,较大的回流量，氩馏分抽口处氩含量更高。,LN2,.25PPM,回流比越大，分离效果越好！,30,100,N2浓度必须低于3%,148,影响氩提取的原因氩馏分抽取量,当氩富集区氩含量高时，最好是最大的氩馏分抽取量，从而增加LRC的回流比。,LN2,3PPM,在低氧浓度和最大回流的情况下会有很好的氩气富集区形成,45,100,99.6%O2,22+,21,N2浓度小于3%,LRC进料量受限于进入塔内的N2量,149,影响氩提取的原因氩塔氮塞,假如N2在粗氩塔的顶部聚集，冷凝器就会停止工作同时造成进粗氩塔的流量减小。,LN2,CrudeArgon92.5%Argon2.5%O25.0%N2,P=5to10PSIG,P=3PSIG,P=6PSIG,150,影响氩提取的因素,5PSIG,KettlePressure,2.5o,CrudeArgonDewPoint,151,小结,描述了双塔流程的特点双塔过程和三塔流程的不同了解影响氩提取的因素,第11部分:氩气的精制,空气分离的介绍,修订日期:2007.1,153,培训目标,氩气精制过程氩气精制的主要组分粗氩塔的主要组分普莱克斯对于氩气精制的纯度要求,154,氩蒸气进料精制流程,155,氩气换热器,经燃烧和干燥后的氩气与从来自粗氩塔的粗氩进行换热，氩气被冷却至深冷温度（粗氩被加温至环境温度）；两个并联的换热器，每次只有一个在工作如果氩气不够干燥，会堵塞换热器，这时一个换热器加温吹扫，另外一个换热器则投入运行。正常的水分积累(氩气中水的含量低于2ppm)可以将换热器两年左右加温一次假如氩气压缩机太小，则两个换热器可以一起使用这会减少粗氩气的压力降，同时可以增加压缩机的进口压力,156,氩气压缩机,将粗氩气压缩到大概65psig这一压力是精制过程再沸器所必须的压力压缩机类型1990年之前往复式压缩机应用比较多控制系统粗氩气的产品流量由分程控制阀控制050%流量控制器输出控制压缩机回流阀开度为0100%50100%流量控制器输出控制粗氩气的放空阀门开度为0100%压缩机通常都是回流压缩。,157,接触反应法移除氧气除氧炉,在压缩机出口处将H2加入到粗氩气当中H2和O2在粗氩中反应变成H2O(在钯催化剂表面)过量H2以使O2完全转化为H2O最终的O2残余量为1-2ppmO2粗氩中每1%氧气都会使粗氩气的温度升高175C由于关键操作参数（COP）的限制，粗氩中O2的含量不能高于2.5%，这样除氧炉的温度才能低于其600C的设计温度。,158,氩气冷却器和冷冻机,冷却器使从除氧炉里出来的氩气冷却使氩气温度由600C降到接近冷却水的温度使在除氧炉里生成的水冷凝水被水分离器除去,冷冻机单独的制冷单元或冷冻水并非所有的流程都使用使氩气温度降到40-50F使从除氧炉里生成的水分冷凝,159,氩气干燥器,剩余的水分在氩气干燥器里面被除去干燥器含有分子筛,当气体流过床层时水分被充分吸收两个分子筛干燥床一个干燥床工作另一个床用热的、干燥的氮气再