几种空分制氩流程简介和探讨.pdf

年第期设计制造深冷技术几种空分制氨流程简介和探讨王靖昭周智用何子田杭州制氧机集团有限公司技术开发处,杭州东新路”号,摘要详细介绍了粗氮经吸附制取纯氛、粗氮经加氛除乳精馏 除氮制取纯氛和填料塔全精馏制氮三种制氮流程的流程特点、优缺汽及日前各流程 的使用情况,并提出 了今后制氛流程的发展趋势主题词空气分离设备粗妞纯氮随着冶金、化工及电子等工业 的不断发展,空分用户对空分设备的需求不只局限于氧、氮,用户还需大量的氮气,甚至其它各种稀有气体,而且用户对氨的提取率的要求也在日趋上升国产设备为了适应这一发展需要,在制氨方面作了许多改进,尤其是年代后期,随着分子筛增压流程的开发成功,氢系统无论在提取率还是在自控方面都有了更进一步的发展目前,国内空分制氢设备的流程一般分为三种粗氨经吸附制取纯氢、粗氢经加氢除氧精馏除氮制取纯氢和最新发展起来的填料塔全精馏制氢一、粗傲经吸附制取纯氢图为吸附制氨的流程图氢馏分从上塔馏分抽口抽出组分一般为进入 粗氢塔进行氢一氧分离,粗氨塔的冷源为来自下塔并经过冷后的富氧 液空为了保证吸附制氨的可靠性及稳定性,一般粗氨塔出口粗氨的组分取氢、氮、氧纯度吸附加氢除氧全精馏坡料塔流程大于的粗斌气经管道直接送入吸附 器。

考虑到需吸附氧氮和本身的再生间题,吸附器没置两组并切换使用,每组两只,一只吸氮,另一只 吸氧由于分子筛对氧氮吸附的选择性,一般吸氮的这一只内装分子筛,吸氧的这一只 内装分子筛根据吸附剂的吸附机理,粗氢先进入分子筛进行吸氮,再进入分子筛迸行吸氧,吸图分子筛吸附制超流程图过冷器下塔主冷凝蒸发器理上塔粗氢塔体,粗氖冷凝器了吸附器组吸附器组王靖昭,男,年月日出生,工程师,年月华中理工大学动力工程系 深冷及低温技术专业本科毕业,年月年月在杭州制氧机集团公司技术开发处从事空气分离及稀有气体设计工作,年月至令,在温州空调器总厂从事产品设计与开发工作深冷技术年第期书成斌川硕供目侧附后氢的纯度可达到再经膜压机压缩达到用户要求的压力吸附制氨的优点,在于工艺流程简单、操作方便、成本低但是氢的纯度只能达到要想制取纯度大于”的高纯氢气就很不容易吸附制氨的关键在于吸附器本身的设计和制造,由于吸附器需要在低温下工作,又要在高温下再生,故对吸附器 的结构设计较难确定目前国内的流程一般均采用液空作为冷源,其结构有夹套式、列管式和复合式前两者的组合对于氨提取量较小的设备,采用同样的气休流速,则吸附器的本体直径较小,这样不论采用何种结构方式均可达到比较理想的冷却效果。

但对于提氨量较大的设备来讲,其设计直径势必较大,这样无论采用何种冷却结构,要做到均匀冷却是相当困难的因此,由于这些局限性,使得低温吸附制氢的发展受到一定的制约目前国内吸附制氢设备的提氢量尚未超过,所配的空分设备一般也限于以下国 内主要在的空分设备上采用过由于吸附制氢设备的成本较低,所以系统所采用的控制及分析的装置也比较原始,一般都采用手动控制及手动分析二、粗盆加氮除叙精馏除氮制取纯氮这是目前国内空分设备制取氨的主要流程,自年代引进德国林德公司设计技术以后,该制氢流程设备得到了不断的扩充和开发,无论是设备的结构还是流程的组织都有了较大的革新加氢除氧制氢流程共分三部分粗氢提取系统、加氢除氧系统和纯氢提取系统从目前国内的设备来看,粗氨提取系统的流程基本未变,还是利用粗氢塔制取纯度为的粗氢纯氢系统一般采用气态进料和液态进料两种流程,加氢除氧系统的原理基本一致,但也有一定的区别气态进料流程图为气态进料流程示意图氮馏分从上塔抽出,其组分为、、沁,进入 粗氢塔底 部利用液空做冷源,在粗氢塔 内发生精馏,精馏的结果是在粗氢塔的顶部 得到气体组分为,、的粗氨气此粗氢气经空分主换热器复热后进入加氢除氧系统,加压到,与氢气 纯度大于的电解氢气混合,经阻火器和纯化器后除去氧组分再经空气冷却器和水冷却器分凝部分水蒸气,由汽液分离器分离水分然后进入干燥器除去微量水分。

除去氧组分的氨气称为工艺氢,于燥器 出口的工艺氢组分一般为十,含氧约为奋奋幕奎奎霏节一一一一一二二, 丫底底已 臾臾扭去「「「「「「「 ’” ⋯日日日日日加氮除叙制盆流程气态进料流程图,‘勺犯图卜记引过冷器下塔主冷凝蒸发器上塔粗氢塔体粗氨冷凝器纯氢冷凝器纯氢塔体纯氢蒸发器氢换热器粗氢压缩机阻火器纯化器空气换器热、水冷却器水分离器氢干燥器年第期深冷技术将工艺氢送入冷箱,经氢换热器冷却到饱和温度点附近一般过热℃,再送入精氨塔中部氨换热器的冷态物流为精氢塔蒸发的氮气和余气工艺氢进入精氢塔中部沿塔上升,经精氨冷凝器后,高佛点的氨组分被冷凝,而低沸点的氮和氢组分则随余气排出精氢塔的冷源为液氮,压力约另外精氨塔还设有蒸发器,冷凝下来的液氢经蒸发器后被蒸发‘,这样在精氢塔中不断冷凝、蒸发、精馏,结果在精氨塔底部获得纯度大于”助的 高纯液氨,如果需要也可改产气氢精氨蒸发器的热源为下塔来的压力氮气气态进料流程的特点是工艺简单,操作简便,产品纯度可 达到”但是此种流程的过量氢气无法回收,而且塔顶的余气排放量也较大一般约为粗氢量的,所以氨的提取率相对来讲不是太高下面就系统中的主要设备结构加以介绍粗氢塔冷凝器粗氢塔由冷凝器和塔体组成。

粗氢冷凝器一般采用板式结构,根据目前国内设备运转及设计的情况来看其种类很多,主要有三种口口口口口图加氮除叙制氮流程粗复冷凝器结构①图结构,特点为粗氢塔上升的气体直接进入板翅式换热器,而被冷凝的高沸点组分液体沿板式通道直接流入塔体这种结构相当简练,制造也 比较方便,但必须解决粗氢塔顶部的不 凝气排放间题,一般解决方法是在板翅式换热器的顶部设置一个不凝气排放口这种结构一般用于提氢量较小的情况,因为提氢量小的时候不凝气量相对少一些②图结构,特点是冷凝器和塔体隔开,用出气管和进液管相连接这种结构与前者相比,其优点在于无需特别设置不凝气排放口,从而产品氢的提取率较高,而且在氨馏分含氮略微偏高时仍可胜任这种结构一般都用在大型空分设备上,首钢扭空分设备中的粗氢冷凝器,就是采用此种结构③图结构,此种结构与图结构基本相似,其主要 区别在于祖氢塔的升气管是从筒体内部穿过这种结构在国内使用较多,一般用于空分 设备的粗氢塔粗氢塔体目前国内空分设备的粗氢塔,一般采用环流塔板、对流塔板或导向塔板环流塔板采用同向流,其塔板效率比较高但由于环流塔板有一个中心筒而使塔径变得很大,而且其结构较复杂,对于小设备尚可,对于大的提氢设备就不太适用。

对流塔板采用对向流,其塔板效率相对于环流塔板要低一些,但它没有中心筒,而且结构简单,这样就大大减少 了塔的直径目前,国内大的空分提氢系统大多采用此种塔板导向塔板是以对流塔板为墓础发展而成的它的主要特点是使塔板的液层流动有一定的方向性和流动性,加速传质传热,从而提高塔板效率,降低阻力目前,杭氧集团“及”以上空分,设备的粗氢塔,均采用此种塔板导向塔板是在原筛板塔板的表面冲压许多斜坡口而成,使液体的流动性更好,其安装时的方向性相当重要,绝对不能装反,否则塔板效率会更低精氢塔一深冷技术字找二第期精氢塔由冷凝器、蒸发器及塔体组成,过去精氢塔的塔体均为环流塔板,现在基本上采用对 流塔板,对于特别小的精氢塔还可采用高效填料塔精氢冷凝器及蒸发器,目前国内均采用板翅式结构,但引进的爪大型空分设备,其结构仍采用列管和绕管式换热器精氢冷凝器在设计时必须考虑不产生液泛的最小截面,否则精氢塔的工况将不稳定精氨塔的主要功 能是氨一氮分离,由于氨和氮的沸点相差较远,相对来讲分离较齐易些纯化系统为了顺利除去粗氨中的氧组分及其生成物水分,氛纯化系统设 置一系列 大小不 一的设备阻 火器是为了防止 纯化器 中氢氧反应产生的火焰倒流而设置的,其内部充填的是热容量较大的拉西铜和拉西铝,纯化器 内充填的是催化剂把触煤,其床层高度一般为、 皿,以保一证气体充分接触,达到 除尽氧组分的效果,三只 冷却器的作用是冷却工艺氨并分凝少量水分水分离器分凝工艺氢中的水分并将其排 出系统,氢干燥器采用分子筛,对工艺氢中微量水进行吸附,遵分子筛不仅对水有吸附性,而且对氧组分也有一定的吸附能力。

加氢除氧系统根据工艺要求必须要有一定量的氢气,除尽一个体积的氧气需两个体积的氢气相配,而且氢氧反应后还需一定量的过量氢气,以便达到最佳的除氧效果一般情况下,工艺氨中的过量氢约为所以采用气态迸料流程,当提氨量较大时,氢气耗 量较大,而且过 量氢气全部随着余气排放到大气中,又不能回收,显得不很经济但在提氢量较小的情况下,这种流程还是可行的目前,国内空分提氢量小“丫的制氢设备均采用这种流程汉态迁门流仪图为液态进料流程氢馏分经粗氨塔后获得组分为的祖氢,再送入纯化系统,与精氨塔来的混和气组分为一卜小混合后进入氢压缩机,压缩到,再与氢气混合然后经纯化器除去氧组分,经于燥器吸附水分,再送入冷箱,经氢换热器冷却到饱和状态 一般过热℃后,先导入精氨塔蒸发器,在蒸发器 内工艺氛中的高沸点组分被冷凝,而低沸点的组分成为不凝气由蒸发器上部排出不凝气通常被称之为混合气,这股气体的量一般约为粗氢量的,排出后经管道减压后送到压缩机前,与粗氢混合,并进行压缩,从而回收了大部分的过量氢气在精氢塔蒸发器中被冷凝的液态 工艺氢经调节阀减压到、后,送入精氢塔,叮六共二二二二二二二二匕二二二二二 ⋯⋯, ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯卜卜卜卜卜一一, , , , , , ,州州 ,卜一州州州州一一一一一一必‘阳于于低低低低低低低低低低低名名卜一于一一一玲玲图加氢除氮制氮流程液态进料流程图过冷器下塔主冷凝蒸发器上塔粗氢塔体粗氢冷凝器,纯氢冷凝器纯氢塔体纯显蒸发器氢换热器氛压缩机阻火器纯化器凌空气换热器水冷却器托水 冷却器水分离器氢干燥器年第期冷技术,中上部,再进行精馏,从而在精氨塔的底部获得高纯液氢。

由于这种流程进精氢塔中上部的流体为液体,故通常称之为液态进料工艺流程这一流程的氢压缩机为了安全,有时 也采用水环式压缩机采用水环式压缩机时,压缩机后还需设置一个水分离器,加氢的位置将移到压缩机进口,这样可使氢气与粗氢视合得更加均匀,并使其除氧效果更好液态进料流程的优点是能回收大量的过量氢气,从 而减少用户的氢气耗量另外,液态进料流程由于在精氢蒸发器中将高低沸点的组分先粗略地分离了一次,使得塔内的氨一氮分离更容易、更彻底、更完善,并可获得更高纯度的氨气这种流程在气量很大的情况下也可采用无 油润滑螺杆式压缩机目前,国内一般在提氢量小于时,用无油 润滑活塞式压缩机提氨量大于时,用水环式压缩机提氨量大于时,采用无油润滑螺杆式压缩 机粗 氛 自增压流程图为粗氨自增压流程示意图该流程的特点是在粗氢塔的冷凝器提取粗液氨,然后利用粗液氢的液氢柱进行增压,在冷箱内或冷箱外气化,从而达到增压的目的一般增压后的压力可 达到,当然这主要与粗氛塔的安装位置有关由于采用丁自增压流程,从而省掉了加氢除氧系统中的压缩机机组,这样使整个系统的运转比较稳定这种流程的缺点是①过量氢不能回收,主要是一般情况下其增压后的压力无 法达到回收过量氢所需的压力②由于增压后的压力较低,则饱和工艺氢气体中的含水量较大,这样氨干燥器的负荷就要大大增加,造成吸附器的体积也增大。

三、全精馏制氮流程全精拙制氨流程是空分设备发展到今天洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲亚亚亚亚‘‘‘‘‘‘图加氮除盆制妞流程粗拭自增压流程图过冷器下塔主冷凝蒸发器上塔粗氢塔体粗氢冷凝器纯氢冷凝器纯氢塔休纯氢蒸发器氢换热器粗液氢过玲器图中误贴为—编者·粗氢出为粗氢出冷箱经粗氢气化器后去纯化系统的最新流程,空分设备从环流塔板到对流塔板再到导向塔板,流程也从切换式流程到分子筛流程再到分子筛增压流程随着工业的不断发展,常规的粗氢经加氢除氧精馏除氮制取纯氢的方法越来越显得落后自从新型填料间世以来,无氢制氢全精馏制氢技术就突飞猛进,且很快占领 了市场这种流程简便,又 因无需氢气既安全又可靠,提取率高,而且可获得高纯产品,是国内外。