空气分离的基本原理

1、项目二 空分操作,2-1 空气分离的基本原理,主要内容,一、空分的含义 二、空气的组成及沸点 三、空分方法,一、空分的含义,是利用物理或者化学方法将空气分离，获得纯氧气和纯氮气及一些稀有气体的过程。,二、空气组成及沸点,三、空分原理,1、空气分离的方法 低温法、分子筛吸附、膜分离法 三种类型。,6,1、低温法： 原理：是根据空气中各组分的沸点不同，经加压、预冷、纯化、并利用大部分由透平膨胀机提供的冷量使之液化，再进行精馏，从而获得所需要的氧气、氮气及其它稀有气体的过程。具体原理为空气经过增压膨胀对外作功处于冷凝温度,当穿过比它温度低的氧、氮组成的液体层时,由于气、液之间温度差的存在,要进行热交

2、换,温度低的液体吸收热量开始蒸发,其中氮组分首先蒸发,温度较高的气体冷凝,放出冷凝热,气体冷凝时,首先冷凝氧组分.此过程一直进行到气、液处于平衡状态。这时,液相由于蒸发,使氮组分减少,同时由于气相冷凝的氧也进入液相,因此液相的氧浓度增加了,同样气相由于冷凝,使氧组分减少,同时由于液相的氮进入气相,因此气相的氮浓度增加了.,7,多次的重复上述过程,气相的氮浓度就不断增加,液相的氧浓度也能不断的增加.这样经过多次的蒸发与冷凝就能完成整个精馏过程,从而将空气中的氧和氮分离开来。 2、吸附法： 原理：利用分子筛对不同的分子具有选择性吸附的特点，有的分子筛（如5A、13X等）对氮具有较强的吸附性能，让氧

3、分子通过，可得到较高纯度的氧气；有的分子筛（碳分子筛等）对氧具有较强的吸附性能，让氮分子通过，可得到较高纯度的氮气，从而实现空气的分离。但吸附法目前的氧气纯度只有93%左右。 3、膜分离法： 原理：它是利用一些有机聚合膜的渗透选择性，当空气通过薄膜或中空纤维膜时，氧气穿透过薄膜的速度约为氮的4-5倍，从而实现氧、氮的分离 。膜分离的富氧浓度只能达到2835%O2 。 目前应用较多的是低温法（又叫深度冷冻法）。它的优点：生产量大，产品纯度高，电耗低且可得到液态产品，故应用广泛。,2、空分基本原理,空气分离的基本原理，就是低温精馏原理。利用空气中氧、氮沸点的不同，经膨胀机制冷而获得的液空，在精馏塔

4、中经过多次部分蒸发和部分冷凝，而将各组份分离开来，获得合格氧氮产品的过程。 当空气穿过比它温度低的氧、氮组成的液体层时,由于气、液之间温度差的存在,要进行热交换,温度低的液体吸收热量开始蒸发,其中氮组分首先蒸发,温度较高的气体冷凝,放出冷凝热,气体冷凝时,首先冷凝氧组分.这过程一直进行到气相和液相的温度相等为止,也即气、液处于平衡状态。,这时,液相由于蒸发,使氮组分减少,同时由于气相冷凝的氧也进入液相,因此液相的氧浓度增加了,同样气相由于冷凝,使氧组分减少,同时由于液相的氮进入气相,因此气相的氮浓度增加了.多次的重复上述过程,气相的氮浓度就不断增加,液相的氧浓度也能不断的增加.这样经过多次的蒸

5、发与冷凝就能完成整个精馏过程,从而将空气中的氧和氮分离开来.,3、液化精馏工艺流程分为空气的净化、空气的液化、空气的分离三个工序。,2-2 空气分离的工艺流程,一、空气的净化 1、机械杂质的脱除 空气中灰尘的处理大多以过滤为主，并辅以惯性和离心式来处理，大中型空分均使用无油干式除尘器。目前国内外空分装置使用的气体过滤器有:,惯性除尘器-初步除尘,弯管型,百叶窗型,多层隔板塔型,电动卷帘式干带过滤器-初步除尘,脉冲纸筒式过滤单元,（1）水分及CO2的脱除,脱除CO2、水蒸气一般用吸附法和冻结法。,吸附法是空气通过装有分子筛或硅胶的吸附器，二氧化碳和水蒸气被吸附，达到清除的目的； 冻结法是在低温下

6、，水分和二氧化碳以固态形式冻结，在切换式换热器的通道内而被除去。经过一段时间后，自动将通道切换，让干燥的返流气通过该通道，使前一段时间冻结的二氧化碳和水蒸气在该气流中蒸发、升华而被带出装置。,另外也可用8%10%的氢氧化钠溶液洗涤空气中的二氧化碳。,（3）碳氢化合物的脱除,碳氢化合物特别是乙炔进入空分装置并积累到一定程度时易造成爆炸事故，因此必须脱除。各种烃类在液氧中爆炸敏感性顺序为：乙炔丙烯丁烯丁烷丙烷甲烷。清除空气中的乙炔采用吸附法。在低温下，乙炔呈固体微粒状浮在液体空气和液体氧中，当通过装有硅胶的吸附器时，乙炔被硅胶吸附脱除。,（4）冷箱前端净化,空气经除尘、压缩、水冷后，水分、CO2及

7、烃类物质还存留在其中，为了保证冷箱内设备不受堵塞并消除爆炸危险，现在直接利用分子筛吸附法，可以使各种有害气体杂质清除干净。,分子筛,分子筛即人工沸石，为强极性吸附剂，对极性分子有很大的亲和力，并且其热稳定性和化学稳定性高。分子筛具有微孔尺寸大小一致的特点，凡被处理的流体分子若大于其微孔尺寸的都不能进入微孔，起到筛分作用，所以被称为分子筛。,分子筛硅酸盐,分子筛,20,分子筛的吸附顺序,。,CH4 C2H6 C3H8 N2O C2H4,CO2 C2H2 C3H6 nC4H10 iC4H10 C6H6 C3H6O O3 NO H2O,甲烷 CH4 乙烷 C2H6 丙烷 C3H8 一氧化二氮 N2O

8、 乙烯 C2H4 二氧化碳 CO2 乙炔 C2H2 丙烯 C3H6 正丁烷 nC4H10 异丁烷 iC4H10 苯 C6H6 丙酮 C3H6O 臭氧 O3 一氧化氮 NO 水 H2O,设计吸附率,CO2含量为 0.1ppm时的 吸附率,0 % 0 % 65 % 65 % 85 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 %,0 % 0 % 50 % 50 % 70 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 % 100 %,2.空气的液化,空气的液化必须采

9、用深冷技术,深冷技术：工业上常将获得-100oC以下温度的方法称为深度冷冻法，简称深冷法,工业上深度冷冻一般利用高压气体进行绝热膨胀来获得低温,（1）节流膨胀-对外不做功,节流膨胀：在绝热和不做功的条件下，高压流体通过节流阀膨胀到低压的过程称为节流膨胀。,节流效应：节流时由于压力降低而引起的温度变化称为节流效应。,节流阀原理示意,节流阀,（2）等熵膨胀-对外做功,等熵膨胀：等熵膨胀是压缩气体经过膨胀机，在绝热条件下膨胀到低压，同时输出外功的过程,由于对外做功，使膨胀后的气体不仅温度降低，同时产生冷量。,透平膨胀机原理示意,透平膨胀机,3.空气的分离,要获得氧氮双高浓度的产品，精馏塔必须满足下列

10、条件，即提馏段塔釜必须加热蒸发，精馏段塔顶必须冷凝回流。由于精馏过程在很低的温度下进行，一个精馏塔不能同时满足这两个条件，因此采用双级精馏塔。双级精馏塔由上塔、下塔和上下塔之间的冷凝蒸发器组成。下塔的作用是将空气进行初步分离，得到液体氮和液体富氧空气；上塔的作用是将空气进一步分离，得到纯氧和纯氮。,双级精馏塔,双极精馏塔,冷凝蒸发器,上塔,下塔,将空气进行初步分离 得到液氮和富氧液空,对富氧液空进行最后的分离 得到纯氧 纯氮,是联系上塔和下塔的换热，为列管式换热器，管内与下塔相通，管间与上塔相通。管间的液氧吸收热量而蒸发，管内的气体氮放出热量而冷凝,内件,板式塔 或 填料塔，上塔填料，下塔板式

11、,双级精馏塔,筛板,注：下塔板数与氮纯度有关，当不产纯氮时25块即可，上塔板数取决于氧的纯度，当氧气纯度为98.5%时，大于50块，为99.5%时，大于76块。,板翅式换热器,板翅式换热器实物,空分简易流程图,高压氧气,高压氮气,蒸汽,空冷塔,分子筛,膨胀机,空压机,下塔,上塔,增效塔,主冷,粗氩气,空气,36,组成空分装置的几个系统,整个空分装置必须解决以下几个问题： 一、 如何清除空气中的杂质； 二、 如何为装置提供带压的空气； 三、 如何将空气冷却到液化温度； 四、 如何将空气分离成氧、氮； 五、 如何将产品送到用户； 六、 如何控制制氧过程中的正常进行。 为此，空分装置中相对应的建立了

12、以下几个系统： 一、 杂质的清除系统（空气过滤器和纯化系统）； 二、 空气加压系统（空压机及增压机系统）； 三、 空气的冷却和液化系统（预冷系统和膨胀机、换热器系统）； 四、 空气的精馏系统（分馏塔系统）； 五、 产品的输送、贮存系统（压氮系统和液体贮存系统）； 六、 仪电控制系统。,空分流程,空压机,预冷系统,纯化系统,热交换器,氩系统,精馏系统,低压氮气,膨胀机,制冷,增压机,高压氧气,高压氮气,压力氮气,低压氮压机,压力氮压机,开工氮压机,KDON58000/97500型空分装置简易流程,蒸汽,空冷塔,膨胀机,空压机,下塔,上塔,增效塔,主冷,压力氮气去压缩机,分子筛,高压氧气,高压氮气

13、,污氮气去水冷塔,粗氩气,低压氮气去压缩 机,污氮气去分子筛,空分流程,过滤系统 压缩系统 预冷系统 纯化系统,空气过滤系统,自洁式空气过滤器 作用：清除原料空气中的机械杂质、灰尘 结构：由高效过滤筒、文氏管、自洁专用喷头、反吹系统、控制系统等组成 使用方式：在吸气负压作用下，空气穿过高效过滤筒，粉尘由于重力、静电和接触被阻留。,空分压缩系统,原料空气压缩机和增压空气压缩机 作用：提供带压原料空气 结构：成套进口德国曼透平公司的产品，由汽轮机拖动两台离心式压缩机 原料空压机排气量（MAC)：357870Nm3/h,0.488MPa(G) 增压机(BAC)： 一段流量154950Nm3/h, 5

14、6950Nm3/h,2.099MPa(G) 87000Nm3/h,6.99MPa(G),预冷系统,空冷塔 作用：把出空压机的高温气体（105）冷却到14 结构：填料塔 使用方式：空气从塔下部进入，在填料表面与自上而下流过的冷却水和常温水进行热质交换,纯化系统,分子筛纯化系统 作用：吸附空气中水分、CO2、乙炔等碳氢化合物 结构：卧式圆筒体，内设支承栅架 使用方式：由于分子筛的吸附特性将空气中的水份、 CO2等吸附，后被高温气体反向再生。分子筛吸附器成对交替使用，一只工作时，另一只被再生。,膨胀机系统,膨胀机 空分设备的心脏部机之一，由气体在膨胀机中等熵膨胀而制取冷量，补充系统冷损。 工作原理：

15、 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。,膨胀机和换热系统,换热系统,主热交换器 作用：进行多股流之间的热交换 结构：为多层板翅式，各通道中的冷热气流通过翅片和隔板进行良好的热交换 使用方式：对压缩空气进行冷却，直到达到接近液化温度，各返流流体在此被加热到常温。 包括10个低压板式换热器和3个高压板式换热器,精馏系统,空气的精馏过程： 处于气液平衡状态的空气，液相由于蒸发，氮组份减少，同时由于气相冷凝的氧也进入液相，因此液相的氧含量增加；同样气相由于冷凝，使氧组份减少，同时由于液相蒸发的氮进入气相，因此气相的氮含量增多。 经过多次的蒸发与冷凝就能够完成整个精馏过程，从而将空气中的氧和氮分离开来。,精馏塔,产品出处,低压氮气从上塔顶部出。 压力氮气从下塔顶部出。 高压氮气：液氮从主冷中出，经高压液氮泵加压，高压板式换热器吸热成高压氮气。 高压氧气：液氧充主冷中出，经高压液氧泵加压，高压板式换热器吸热成高压氧气。 液氧直接从主冷中抽出到液氧贮槽。 液氮充主