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空分已经是一个很成熟的领域,具体什么叫空分,就是空气分离从而产生氧,氮,氩等气体的设备统称为空分,那具体空气分离有那几种方法?及每种空气分离的设备有什么用途? 

  一)    空气分离有哪几种方法?

1)深度冷冻法: 先将空气液化,然后利用氧、氮沸点的差异,在一定的设备中(精馏塔),通过精馏过程,使氧、氮分离,此法在大型空分装置中最为经济。并能生产纯度很高的氧氮产品。如图:

产品名称:小型空分设备     所属类别:空分工程及空分成套设备

 采用中压及全低压流程,制取的产品纯度高,性能稳定,产气量大。将低压流程引入小空分中,大大降低了产品的能耗和用户的投资。主要规格有:150、180、300、350、600、800m3/h、1000m3/h等系列产品。可根据用户要求,针对性设计。
仪控方式有机房柜、中控室及计算机控制几种方式,供用户选择。

产品名称:大中型空分设备      所属类别:空分工程及空分成套设备

采用分子筛净化增压膨胀、规整填料上塔、全精馏制氩的低温工艺流程。主要产品有1000、1500、3200、4500、6000、6500、10000、15000、20000、23500、28000、30000m3/h、40000m3/h等级系列空分设备。

可根据用户的具体条件及要求进行针对性设计,以满足不同用途的特殊要求。
还可视用户需要可制取氧、氮的气、液态产品(包括低纯度设备和高纯度设备)以及对氩、氖、氪、氙气体的全部或部分提取。

 

从1958年我国试制成功第一套3350m3/h空分设备以来,大中型空分流程已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。各流程简介如下:
    1,铝带蓄冷器冻结高低压空分流程(简称第一代空分)
    铝带蓄冷器冻结高低压空分流程是我国最早的大中型空分设备的主导流程,标志着我国在空气分离设备的制造已实现了从小型向大型的飞跃发展。
    典型产品:3350m3/h(20℃状态)空分设备,这是我国第一代空分产品,流程组织较为复杂,主要由空气过滤压缩、高压空气压缩、CO2碱洗、氨预冷、膨胀制冷、换热、精馏等系统组成。
   【流程特点】
   (1)加工空气压力分成低压(0.53~0.57MPa)和高压(16~20MPa)两个等级。空分设备的冷量来源于两个压力等级下空气的焦汤效应、氮气膨胀制冷和氨预冷系统制冷等三个方面。
    (2)采用了氧、氮蓄冷器各两只(分别一只走正流、另一只走返流),内充盘装铝带填料,供换热和清除低压空气中的水分和CO2用,蓄冷器的自清除效果采用返流气量大于正流气量来保证,通常返流与正流气的流量之比为1.03~1.04倍。
   (3)采用了一对高压换热器来冷却高压空气,高压空气中的CO2是通过碱洗塔碱液的洗涤,水分是通过氨预冷系统的冻结而清除的。
   (4)将冷凝蒸发器分成主冷和辅冷两部分,辅助冷凝蒸发器放置位置低于主冷凝蒸发器,利用液氧液位落差使上塔液氧不断流入辅助冷凝蒸发器,同时被下塔顶部引入的压力氮气气
   化成氧气后,导入乙炔分离器吸附掉乙炔,作为产品氧气的一部分输出,这就保证了精馏塔的安全运行。主冷凝蒸发器为列管式(共17749根列管,温差1.8K),辅助冷凝蒸发器为盘管式(温差3.2K)。
   【流程缺点】
   (1)流程组织较复杂。为了提供空分设备所需的部分冷量及由此而引起的高压空气中水分、CO2的清除问题,在冷箱外增设了高压空气压缩机、碱洗塔、氨预冷系统等多套机组;同时冷箱内设备也较多,使整套空分设备的操作、维护不便。
   (2)蓄冷器的自清除问题没有得到妥善解决,氧气(或氮气)和空气的传质和传热虽按不同时间间隔错开但却在同一腔内进行,使产品的纯度受到较大污染,氧气纯度由99.5%O2下降到99%O2,氮气纯度由99.8%N2下降到98%N2,而后者由于纯度较低,只能放空;此外蓄冷器热端温差较大(5℃),复热不足损失大。
   (3)膨胀机结构为冲动式固定喷嘴的型式,效率较低,只有60%左右。若用空气作膨胀工质,对膨胀后的空气如何处理,没有得到妥善解决,影响了空分流程的组织水平。
   (4)氧提取率低,一般只有83.3%。
   (5)能耗高,设计值为0.66kWh/m3O2,而实际运行值高达0.7~0.9kWh/m3O2。


   2 石头蓄冷器冻结全低压空分流程(简称第二代空分
   管式石头蓄冷器冻结全低压空分流程,是我国第二代空分产品,主要由空气过滤压缩、空气预冷、膨胀制冷、换热、精馏等系统组成。
   典型产品:6000 m3/h空分设备,标志着我国气体分离和液化设备工业正式进入了全低压空分流程的时代。
   【流程特点】
   (1)采用反动式固定喷嘴透平膨胀机。空气在固定喷嘴和叶轮中进行了两次膨胀,使膨胀机效率有了很大的提高(可达80%),空分设备的制冷手段得到了改善,因此使加工空气由第一代空分流程的两个压力等级转变到只要0.5MPa(G)的一个压力等级成为可能,实现了高低压空分流程向全低压空分流程的变革。
   (2)将铝带蓄冷器改为石头蓄冷器,让产品氧气、氮气始终走蛇管内部换热,保证了氧、氮纯度不受污染,使氧的纯度达到99.6%O2,氮的纯度达到100×10-6O2。
   (3)为了清除冻结在石头上的CO2和水分,除了采用正流空气和返流污氮气交替切换的方法外,还采用了中间抽气法,即在蓄冷器中部抽出了相当于加工空气量10%的空气,这就保证了抽口以下正流气量小于返流气量的自清除要求,进一步缩小了蓄冷器冷端温差,使自清除更为彻底。
   (4)膨胀后空气送入上塔中部参与精馏,充分利用了上塔精馏潜力,提高了氧提取率(可达84%)。
   (5)用循环液氧泵和液氧吸附器组成的强制循环来清除液氧中的乙炔等碳氢化合物,确保了空分设备的安全运行,取消了前一流程的辅助冷凝蒸发器。
   (6)能耗比第一代空分有了明显的下降,可达到0.55~0.6kWh/m3O2。
   【流程缺点】
    (1)管式石头蓄冷器中的石头填料单位体积所具有的比表面积只有铝带的1/5,而密度却远比铝带大,因而处理同样的空气量,石头蓄冷器比铝带蓄冷器体积要大5倍以上,这就使得石头蓄冷器体积庞大、笨重,所需的安装基础必须深沉坚实,占地面积大,工程费用多。
   (2)由于采用中间抽气法来保证蓄冷器的不冻结性,因而设置了相应的抽气阀箱和CO2吸附器,使冷箱内设备及配管复杂化。
   (3)膨胀机采用固定喷嘴,只能依靠调节压力来调节气量,因而膨胀量调节范围较小,对空分变工况生产需要大量冷量时的适应性较差,只能用增设备用膨胀机来解决冷量的调节问题,这显得很不经济。
   (4)主冷凝蒸发器仍为长列管式,管子数目仍然较多,体积大、制造难。

 

3 切换式换热器冻结全低压空分流程(简称第三代空分
   随着高效率板翅式换热器的研制成功和反动式透平膨胀机技术的进一步发展,空分流程
   水平又大大向前推进了一步,出现了切换式换热器冻结全低压空分流程,是我国第三代空分产品。主要由空气过滤压缩、空气预冷、膨胀制冷、换热、精馏(含提氩设备)等系统组成。
   典型产品:10000m3/h空分设备
   【流程特点】
   (1)板翅式换热器,取代了石头蓄冷器、列管式冷凝蒸发器及盘管式过冷器、液化器等,使单元设备的外形尺寸大大缩小,空分设备的冷箱也相应缩小、跑冷损失减少、膨胀量下降、启动时间缩短等一系列的良性循环,提高了空分设备的技术经济性。
   (2)用切换式换热器取代石头蓄冷器后,由于用间壁式连续换热代替了蓄冷器的间歇换热,使温度场分布较为稳定,同时在气流通道中供水分和CO2冻结的空间也增大了,使切换周期可以延长,切换损失可由蓄冷器流程的4%下降到2%。
    (3)采用了环流法来保证切换式换热器的不冻结性,可使空气和返流污氮气冷端温差由蓄冷器流程的3.5℃缩小到2.5℃,这是一种较为完整的不冻结性的方法,不再需要中抽气阀箱,CO2吸附器等附加设备,使流程简化。
   (4)采用反动式可调喷嘴的透平膨胀机,使膨胀机效率变化平稳,对变工况生产适应性强,同时采用了电机制动来回收膨胀机的对外做功。
   (5)采用了体积小、重量轻、流通能力大的切换碟阀取代笨重的强制切换阀,使布置紧凑。
   (6)氧提取率提高到~87%。
   (7)能耗大大下降,10000m3/h空分设备一般为0.49~0.52kWh/m3O2,6000m3/h空分设备一般为0.53~0.55kWh/m3O2。
   【流程缺点】
   (1)为了满足切换式换热器自清除要求,需要返流污氮气量较大,一般而言,污氮气量与总加工空气量之比不得少于55%,即纯氮产量只能达到总加工空气量的45%,这样,纯氮气和氧气产量之比最多只能达到1:1,无法满足用户对大量纯氮气需求。
   (2)为满足切换式换热器的不冻结性要求,冷端要保证有一个最小温差,空分设备的启动要分成四个阶段来完成,以避免水分和CO2进入精馏塔内,因而启动操作要十分小心,比较麻烦。
   这类流程由于技术落后,操作维护复杂,运转周期较短,是下一步实施技术改造的重点对象。
   4,常温分子筛净化全低压空分流程(简称第四代空分)
   随着国际上分子筛净化技术的发展和在空分设备中的广泛应用。分子筛净化空气冷箱外“前端净化”技术,代表着20世纪70年代国际空分设备流程发展的主导方向。该流程设备主要由空气过滤压缩、空气预冷、分子筛净化、膨胀制冷、换热、精馏等系统组成。
   典型产品:6000m3/h空分设备
   【流程特点】
   (1)利用分子筛吸附剂在常温下吸附空气中水分和二氧化碳及碳氢化合物的特性,将切换式换热器的传热传质和换热两种功能分家,在冷箱外用分子筛吸附器清除空气中水分和CO2,在冷箱内的换热器仅起换热作用,这样不仅使进冷箱的空气较纯净,而且延长了换热器的寿命。冷箱内不再需要设置自动阀箱、液空液氧吸附器循环液氧泵及相应的切换阀门管道等,使空分流程简化,冷箱内设备减少,操作维护方便。
   (2)由于主换热器没有自清除要求,冷端温差不用严格限制,使纯氮气和氧气产量比大大提高,可达到2.3~2.5,可以满足需要大量纯氮气的用户要求。
   (3)分子筛吸附器切换周期为108分钟,远远长于切换式换热器切换周期3.5分钟,因此空气切换损失就大大减少,由通常的占加工空气总量的2%下降到0.5%,有利于氧提取率的提高。同时切换次数的减少,精馏塔受切换而引起的波动干扰减少,有利于氩的提取。
   (4)分子筛吸附器清除空气中有害杂质较彻底,空分设备的操作安全性好,连续运行周期可达二年以上。
   (5)启动和操作过程中,不需考虑自清除的影响,因而操作简便,有利于实现变负荷操作和提高自动化控制水平。
    (6)氧提取率提高到90~92%,氩提取率~52%。
   【流程缺点】
   为了保证分子筛吸附器能在较佳的温度8~10℃下工作,以充分发挥分子筛吸附剂的吸附效果,设置了制冷机组;同时为了分子筛吸附剂的加温解吸,设置了电加热器。为了保证再生时污氮气有足够的压力,空压机的排压应适当提高,这些导致了能耗比切换式换热器流程要高~4%,约为0.51~0.57kWh/m3O2。
   采用常温分子筛虽然具有切换损失少、操作维护方便等优点,但由于能耗较高,所以它存在致命的缺点,很快就被新的带增压膨胀机的常温分子筛净化空分流程所代替。

 

5,常温分子筛净化增压膨胀空分流程(简称第五代空分)
   在寻求降低能耗的途径上,常温分子筛净化增压膨胀空分流程的出现,是空分流程技术的一大进步。这一时期,国内空分设备制造商纷纷应用该技术,实现了制氧容量从小到大的全系列空分设备的升级换代,使我国的空分设备整体性能接近20世纪80年代国际先进水平。
    典型产品:6000m3/h空分设备。
   【流程特点】
   (1)在常温分子筛净化全低压空分流程的基础上,将膨胀机的制动发电机改成了增压机。增压机的作用是将膨胀空气在膨胀过程中产生的功,直接用来使进膨胀机的空气增压,使膨胀机前压力的提高,就增加了单位膨胀空气的制冷量,在空分设备所需冷量一定的情况下,减少了膨胀空气量,总的加工空气量也就相应降低,使常温分子筛净化增压膨胀空分流程的氧提取率进一步提高、能耗进一步下降。第五代空分的提取率可达到93%~97%,氩提取率54%~60%。
   (2)采用了全可控涡理论设计的三元流叶轮和全等温冷却的单轴空气透平压缩机。
   (3)采用了立式单层床内绝热结构的分子筛吸附器。
   (4)成功地实现了计算机集散控制系统对空分流程的控制调节要求,使自动化控制水平上了一个台阶。
   (5)由于加工空气量下降了~4%,能耗与切换式换热器冻结全低压空分流程相当,约为0.47~0.53kWh/m3O2。


   6
,常温分子筛净化填料型上塔全精馏制氩空分流程(第六代空分)
   常温分子筛净化增压膨胀空分流程,已作为主导流程在国际空分行业广泛采用。但是为了进一步提高空分设备效率、降低能耗,20世纪80年代初期,国外一些著名空分制造商开始将规整填料技术应用于空分设备上,到了90年代采用规整填料和全精馏无氢制氩技术的
   空分设备已全面推向工业化应用。主要由空气过滤压缩、高效空气预冷、分子筛双层床净化、增压膨胀制冷、换热、精馏及全精馏制氩等系统组成。
   典型产品:6000、20000m3/h空分设备
   【主要特点】
    (1)继承了第五代空分的所有优点:具有流程简单,操作维护方便、采用DCS集散系统、切换损失少、碳氢化合物清除彻底、空分设备的操作安全性好,连续运行周期大于二年等优。
    (2)采用规整填料型上塔代替筛板型上塔,上塔阻力只有相应筛板塔的1/4~1/6,使空压机的排压由0.65MPa(A)下降到0.61MPa(A),使空压机的能耗节约5%~7%。
    (3)由于上塔操作压力降低、操作弹性大,使空分装置的氧提取率进一步提高,精馏塔的氧提取率可达99.5%;空分设备氧提取率97%~99%。
    (4)精氩的制取采用低温精馏法直接获得,即一步到位的采用全精馏(无氢)制氩技术。节约了制氢能耗3%~4%,同时,精馏塔氩提取率大大提高,可达65%~84%。精氩产品的品质高:含氧量可以低于2ppmO2。
   (5)采用了高效空气预冷系统,空气预冷系统设置水冷塔,充分利用干燥氮气的吸湿性,使冷却水温降低,可减少冷水机组的制冷负荷;根据用户用氮情况也可不另配冷水机组。
   (6)分子筛纯化空气系统采用活性氧化铝-分子筛双层床结构,大大延长了分子筛的寿命,同时可使床层阻力减少。
   (7)采用了高效增压型透平膨胀机技术,膨胀机效率可达83~88%。
   (8)采用先进的DCS计算机控制技术,实现了中控、机旁、就地一体化的控制,可有效的监控整套空分设备的生产过程。成套控制系统具有设计先进可靠、性能价格比高等特点。
   (9)第六代空分设备由于采用了多项新技术,节能效果显著,与第五代空分相比设备总能耗约下降8%~10%,制氧能耗为0.37~0.43kWh/m3O2。


   7,常温分子筛净化大型内压缩空分流程?
   典型产品:16000、28000、30000、40000m3/h空分设备?
   主要由空气过滤压缩、空气预冷、分子筛净化、空气(氮气)循环增压系统、膨胀制冷、高压换热系统、精馏等系统组成。
   【流程特点】
    (1)内压缩流程空分设备是在第六代空分设备流程的基础上,采用液氧泵对氧产品进行压缩的一种流程形式。 根据循环增压机压缩的介质不同,流程形式可分为空气循环和氮气循环两种流程。根据膨胀后空气进塔位置的不同,内压缩流程又可分为膨胀空气进上塔流程和膨胀空气进下塔流程。内压缩流程还可根据产品压缩情况分为单泵内压缩流程和双泵内压缩流程。
    (2)与加压液氧进行换热的空气(或氮气)压力和流量的确定;高压换热系统的组织和精馏的组织等是内压缩空分流程的核心问题。所以,与常规外压缩流程不同的是:内压缩流程要根据最终产品的压力、流量及使用特点等具体情况经过不断的优化计算,选择合理的流程组织方式、最佳的气化压力和循环流量,使空分设备的氧、氩提取率更高。
    (3)内压缩流程取消了氧压机,因而无高温气氧,火险隐患小、安全性好。主冷大量抽取液氧,保证碳氢化合物的积聚可能性降到最低程度。产品液氧在高压下蒸发,使烃类物质积累的可能性大大降低。特殊设计的液氧泵自动启动与运行程序可有效地保证装置的安全运行与连续供氧。
    (4)内压缩流程的低温高压液氧泵均采用进口产品,且在线冷备用,若运行泵出故障,则备用泵在10秒钟内自动达到工作负荷,所以,内压缩流程的可靠性较高。
    对于化工和石化用户一般要求氧气压力很高,因而采用外压缩则必须是氧透+活塞式氧压机,而内压缩流程则只用一台增压空压机替代了二台氧压机,其运行可靠性大大增加。
   (5)高压液氧泵操作方便,维修工作量极少。内压缩流程主空压机与增压空压机如采用汽轮机一拖二的形式,布置紧凑,占地面积小。而氧压机则需要有足够多的安全距离,占地面积大,且基建费用高。
   (6)内压缩流程的单位产品能耗与空分设备的规模、产品压力、液体产品的多少有较大关系,由于内压缩的不可逆损失大,产品的提取率略低,内压缩流程的单位产品能耗要比常规外压缩流程约高3%~7%(按相同产品工况比较)。


2) 变压式吸附制氮: 变压吸附制氮设备是采用碳分子筛为吸附剂,利用变压吸附原理来获取氮气的设备。在一定的压力下,利用空气的氧、氮在碳分子筛孔隙中扩散速率不同而达到分离空气的目的,即碳分子筛对氧的扩散吸附远大于氮,通过可编程序来控制多个阀门的导通、关闭,达到两吸附罐的交替循环,加压吸附,减压脱附的过程,而完成氧、氮的分离,得到所需纯度的氮气。 如图:

产品名称:变压吸附制氮设备     所属类别:变压吸附设备

产量:10~3000Nm3/min
   工作压力:0.4-0.8Mpa
   产品氮气纯度:≥99.9995%
   产品氮气中氧含量:≤1ppm
   产品氮气中二氧化碳含量:≤1ppm
   产品氮气露点:-60℃ (常压)
   变压吸附制氮机的特性:
   (1)分子筛性能先进,用量少,使用寿命长。
   (2)产品氮气纯度高。
   (3)与同类产品相比,该设备具有生产单位氮气其能耗及冷却水消耗都较低的特点。
   (4)整套设备的自动化程度高.

 

制氮机主要由两个填满碳分子筛的吸附塔组成,当洁净的压缩空气进入吸附塔时,由于其中的O2在碳分子筛内扩散速率较快,使N2在气相中得到富集;另一塔已完成吸附的碳分子筛则被减压解吸,然后用N2吹扫再生,使其恢复原有吸附能力,两塔交替循环,即可得到纯度为99%-99.9%的廉价氮气。再用氮气净化装置除去其中微量的O2,H2O等杂质,N2纯度可达99.999%以上。
   2、工艺特点:
    能耗低,故运行成本比其它制氮工艺低;
    结构简单,占地面积小;
    微电脑控制,只要轻轻一按,30分钟,即可产出合格氮气,即开即用,实现无人值守,纯度、流量长期稳定;
    使用方便,省去了不断更换钢瓶的麻烦;
   使用更安全,且无须支付运费。
   3、应用范围
   金属热处理--渗碳、碳氮共渗、光亮退火、粉末金属及磁性材料烧结、氮基气氛保护 
   石油天然气、化学工业--管道及容器空气置换、注氮采油、化工过程保护气 
   电子工业--半导体及电子元件生产的氮气保护 
   煤炭工业--煤矿井下防灭火
 
   食品工业--充氮包装、保鲜、酒类保存 
   医药工业--原料及药品充氮保存,中草药防虫、防霉 
   玻璃工业--浮法玻璃生产过程的保护 
   其他需用氮气的工业部门 

 

3)变压吸附制氧:我国变压吸附法制富氧的研究始于20世纪70年代初,到20世纪90年代初才实现了小型装置的工业化,制约我国PSA制氧技术发展的主要因素包括:高性能程控阀门技术、高性能富氧吸附剂技术和流程技术,目前,上述技术均得到有效的解决,采用进口的德国分子筛、进口程控阀门再配以国内自行研制的流程可以方便的制取富氧。

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