《空分培训教材》word版.doc

空分制氮基本原理编写：审核：批准：目录一、空气分离的方法 2二、空气的组成 2三、空气分离制氮的基本原理 2四、空分流程的发展技术 3五、本装置空分流程特点 4六、本装置简介 5七、主要设备介绍 5八、空分主要技术性能指标 5九、空分工艺流程 5一、空气分离的方法空分的含义：简单说就是利用物理或者化学方法将将空气混合物各组进行分开，获得高纯氧气和高纯氮气以及一些稀有气体的过程1.深冷法（也称低温法）将混合物空气通过压缩、膨胀和降温，直至空气液化，然后利用氧、氮汽化温度（沸点）的不同（在标准大气压下，氧的沸点为﹣183℃；氮的沸点为﹣196℃），沸点低的氮相对于氧要容易汽化这个特性，在精馏塔内让温度较高的蒸气与温度较低的液体不断相互接触，低沸点组分氮较多的蒸发，高沸点组分氧较多的冷凝的原理，使上升蒸气氮含量不断提高，下流液体中的氧含量不断增大，从而实现氧、氮的分离要将空气液化，需将空气冷却到﹣173℃以下的温度，这种制冷叫深度冷冻（深冷）；而利用沸点差将液态空气分离为氧、氮、氩的过程称之为精馏过程深冷与精馏的组合是目前工业上应用最广泛的空气分离方法2.吸附法利用多孔性物质分子筛对不同的气体分子具有选择性咐附的特点，对气体分子不同组分有选择性的进行吸附，达到单高纯度的产品。

吸附法分离空气流程简章，操作方便运行成本较低，但不能获得高纯度的的双高产品3.膜分离法利用一些有机聚合膜的潜在选择性，当空气通过薄膜或中空纤维膜时，氧气穿过膜的速度比氮快的多的特点，实现氧、氮的分离这种分离方法得到的产品纯度不高，规模也较小，目前只适用于生产富氧产品二、空气的组成空气是由多种气体组成的，各组分气体的体积分数大约是：氮气78%，氧气21%，氦、氖、氩等稀有气体0.94%，二氧化碳0.03 %，其他气体和杂质0.03%三、空气分离制氮的基本原理空气分离的基本原理就是利用低温精馏法将空气冷凝成液体(空气冷凝温度-173℃)，然后按各组分蒸发温度的不同将空气分离制取氮气压缩空气除去水分和二氧化碳等杂质后，经热交换系统和增压膨胀机制冷后进入下塔，在塔板上气体与液体接触，由于气、液之间温度差的存在,在进行传热和传质交换时,低沸点组分氮吸收热量开始蒸发,氮组分首先蒸发出来，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空气在下塔被初步精馏为气氮、污液氮和富氧液空，以节流阀减压降温后送至上塔作为上塔的回流液，进一步实现精馏，最终在上塔顶部得到纯氮气四、空分流程的发展技术空分设备是由诸多配套部机组成的成套设备，我国空分于1953年起步，经过50多年的发展，从第一代小型空分流程发展到目前的第六代大型全精馏无氢制氩工艺流程每一次空分设备流程的变革和推进，都是新技术、新工艺的创新透平膨胀机的产生，实现了大型空分设备全低压流程；高效板翅式换热器的出现，使切换板翅式流程取代了石头蓄冷器、可逆式换热器流程，使装置冷量回收效率更高；增压透平膨胀机的出现极大的提高了膨胀机的制冷效率并把输出的外功有利的得到回收；常温分子筛净化流程替代了切换式换热器，使空分装置净化系统的安全性、稳定性得到极大提高　并使能耗大大降低，随着规整填料和低温液体泵在空分装置中的应用，进一步降低了空分设备的能耗，实现了全精馏无氢制氩，使空分设备在高效、节能、安全等方面取得了进步随着计算机的广泛应用，空分装置的自动控制、变负荷跟踪调节等变得更为先进。

第一代：高低压循环，氮气透平膨胀，吸收法除杂质；第二代：石头蓄冷器，空气透平膨胀低压循环；第三代：可逆式换热器；第四代：分子筛纯化；第五代：规整填料，增压透平膨胀机的低压循环五、主要设备介绍1.空气压缩机（1）空压机的分类A.容积式压缩机：是依靠往复运动或旋转运动来改变工作容积，从而使气体体积缩小而提高气体压力，即压力的提高是依靠直接将气体体积压缩来实现容积式的包括往复式（活塞机、隔膜式）、回转式（罗茨式、螺杆式、滑片式、液环式）B.动力式（速度式）压缩机：是依靠高速旋转叶轮的作用，提高气体的压力和速度，使一部分气体的速度转变为气体的压力能，即借助高速旋转叶轮的作用，使气体分子得到一个很高的速度，然后在扩压器内使速度降下来，把动能转化为压力能速度式包括轴流式、离心式、轴心式+离心复合式、喷射式本装置采用离心式空气压缩机（三级压缩、带末端冷却器）2） 离心式压缩机工作原理电动机带动压缩机主轴叶轮转动，在离心力作用下，气体被甩到工作轮后面的扩压器中去而在工作轮中间形成稀薄地带，前面的气体从工作轮中间的进汽部份进入叶轮，由于工作轮不断旋转，气体能连续不断地被甩出去，从而保持了气压机中气体的连续流动。

气体因离心作用增加了压力，还可以很大的速度离开工作轮，气体经扩压器逐渐降低了速度，动能转变为静压能，进一步增加了压力如果一个工作叶轮得到的压力还不够，可通过使多级叶轮串联起来工作的办法来达到对出口压力的要求级间的串联通过弯通，回流器来实现本装置就采用三级叶轮串联，空气经过三级压缩，出口压力达到0.8Mpa3） 离心式压缩机与螺杆式压缩机的区别A：构造离心式压缩机主要由转子和定子两大部分组成；螺杆式压缩机由双转子、机体、主轴承、轴封、平衡活塞及能量调节装置组成 B：工作原理离心式压缩机气体进入离心式压缩机的叶轮后，在叶轮叶片的作用下，一边跟着叶轮作高速旋转，一边在旋转离心力的作用下向叶轮出口流动，并受到叶轮的扩压作用，其压力能和动能均得到提高，气体进入扩压器后，动能又进一步转化为压力能，气体再通过弯道、回流器流入下一级叶轮进一步压缩，从而使气体压力达到工艺所需的要求；螺杆式压缩机喷油单级双螺杆压缩机，采用高效带轮(或轴器)传动，带动主机转动进行空气压缩，通过喷油对主机压缩腔进行冷却和润滑，压缩腔排出的空气和油混合气体经过粗、精两道分离，将压缩空气中的油分离出来，最后得到洁净的压缩空气2.冷冻干燥机（1）冷冻式干燥机主要零配件  ①压缩机 冷干机使用的制冷压缩机目前大多采用中高温型全密封往复式压缩机，其特点是：结构紧凑、体积小、重量轻、振动小、噪声低，能效比高。

由于全密封压缩机的电动机与压缩机主体密封在一钢制壳体内，电动机处在冷媒气态环境中运行，冷却条件较好，寿命较长壳体下部存有规定数量的润滑油，在压缩机工作时，对各部自动供油，平时不需再添加润滑油在大型冷干机中，也选用半密封往复机或螺杆压缩机，它们的特点是制冷功率大，可进行负荷调节以适应不同需要②热交换、蒸发器 热交换在冷干机里的主要作用是利用被蒸发器冷却后的压缩空气所携带的冷量（对绝大多数用户来讲这部分冷量属废冷）并用这部分冷量来冷却携带大量水蒸气的较高温度的压缩空气，从而减轻了冷干机制冷系统的热负荷，达到节约能源的目的另一方面，低温压缩空气在热交换器里温度得到回升，使排气管道外壁不致因温度过低而出现结露现象 蒸发器是冷干机的主要换热部件，压缩空气在蒸发器中被强制冷却，其中大部分水蒸气冷却而凝结成液态水排出机外，从而使压缩空气得到干燥在蒸发器中进行的是空气与冷媒低压蒸气之间对流热质交换，通过节流装置后的低压冷媒液体，在蒸发器里发生相变成为低压冷媒蒸汽，在相变过程中吸收周围热量，从而使压缩空气降温 为了尽可能获得较高的的传热效果，必须加大放热系数即加换热器的换热面积，因此冷干机蒸发器和热交换器铜管的外壁采用了套铝翅片的措施。

同时热交器铜管上套翅片后可降低空气对铜管的冲击及避免铜管破裂 ③冷凝器、二次冷凝器（预冷回热器） 在冷干机中冷凝器的作用是将冷媒压缩机排出的高压、过热冷媒蒸气冷却成为液态制冷剂，使制冷过程得以连续不断进行由于冷凝器排出的热量包括冷媒从蒸发器吸取的热量以及由压缩功转换过来的热量所以冷凝器的负荷比蒸发器来得大，冷干机中冷凝器分空气冷却式（风冷型冷凝器）和水冷却式（水冷型冷凝器）两种 二次冷凝器（预冷回热器）在机台与热交换功用相同，两者区别在于热交换器主要是高温和低温的压缩空气的换热，而二次冷凝主要利用低温的压缩空气与冷冻系统的高压部分进行冷却，使冷媒达到充分的冷却，从而提高机台的制冷效率，同时避免机台冷凝器散热不良所带来的高压跳机或机台故障 ④旋风分离器（气水分离器） 旋风分离器也是一种惯性分离器，较多地用于气固分离压缩空气沿筒壁切线方向进入分离器后，在里面产生旋转，混在气体中的水滴也跟着一起旋转并产生离心力，质量大的水滴所产生的离心力大，在离心力作用下大水滴向外壁移动，碰到外壁（也是挡板）后再集聚长大并与气体分离 ⑤干燥过滤器 运行中的制冷装置，由于制冷剂和冷冻油存在水分、固体粉未、污垢等杂质，情况严重时会使节流结构的节流孔产生脏堵。

因此在冷媒供液管前必须装设干燥过滤器另外，制冷剂中微量水分对制冷系统的危害最大对冷媒，冷冻油及蒸发器、冷凝器和配管的干燥处理是极为重要的 （2）制冷系统冷媒循环原理 开机后冷媒经压缩机压缩由原来的低温低压状态变成高温高压的蒸气高温高压的蒸气流入冷凝器及二次冷凝器，其热量通过热交换被冷却介质带走，温度下降，高温高压的蒸气因为冷凝变成了常温高压的液体 常温高压的液体冷媒流过膨胀阀，因为膨胀阀的节流作用压力降低，使得冷媒变成常温低压的液体 常温低压的液体进入蒸发器后，因为压力的降低液态冷媒沸腾蒸发变成低压低温的气体，冷媒蒸发时吸收了大量压缩空气的热量，使得压缩空气的温度下降达到干燥的目的蒸发后的低温低压冷媒蒸气，从压缩机的吸气口流回，被压缩压缩后排出进入下一循环3）工作原理潮湿高温的压缩空气流入前置冷却器（高温型专用）散热后流入热交换器与从蒸发器排出来的冷空气进行热交换，使进入蒸发器的压缩空气的温度降低换热后的压缩空气流入蒸发器通过蒸发器的换热功能与制冷剂热交换，压缩空气中的热量被制冷剂带走，压缩空气迅速冷却，潮湿空气中的水份达到饱和温度迅速冷凝，冷凝后的水分经凝聚后形成水滴，经过独特气水分离器高速旋转，水分因离心力的作用与空气分离，分离后水从自动排水阀处排出。

经降温后的空气压力露点最低可达2℃降温后的冷空气流经空气热交换与入口的高温潮湿热空气进行热交换，经热交换的冷空气因吸收了入口空气的热量提升了温度，同时压缩空气还经过冷冻系统的二次冷凝器，与高温的冷媒再次热交换使出口的温度得到充分的加热，确保出口空气管路不结露同时充分利用了出口空气的冷源，保证了机台冷冻系统的冷凝效果，确保了机台出口空气的质量3.分子筛纯化器（TSA）分子筛吸附式干燥装置是通过压力变化来达到干燥效果由于空气容纳水汽的能力与压力呈反比其干燥后的一部分干燥空气(称为再生气)减压膨胀至大气压，这种压力变化使膨胀空气变得更加干燥，然后让它流过未接通气流的需再生的干燥剂层(已即吸收足够水汽的干燥塔)，干燥的再生气吸出干燥剂里的水分，将其带出干燥剂来达到脱湿干燥的目的分子筛吸附式干燥装置一般要消耗6％左右的再生压缩空气，其输出干燥气体露点可达－40℃～－70℃4.透平增压膨胀机（1）工作原理本机组工作介质先经增压机增压，再经过冷却后进入主换热器，然后再进入膨胀机进行绝热膨胀产生空分装置所需要的冷量，与此同时产生的机械功又为增。