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1、唐山佳华煤化工有限公司 KDON-11000/4200型 空分设备,员工培训课程 开封东京空分集团有限公司 郑红飞 QQ284483409,主讲内容,第一章 简介 第二章 空气分离的基础知识 第三章 空分工艺流程概述 第四章 预冷系统的工作原理 第五章 纯化系统的工作原理 第六章 分馏塔系统的工作原理 第七章 液体贮存及汽化系统,空分装置运用范围 空分的起源和发展历程,第一章 简介,空分装置的运用,举例：煤化工行业的应用 煤化工包括煤的加工、煤的气化、煤的液化等，在煤气化、煤液化、煤制油及煤基醇醚燃料的工艺过程中，需要大量的氧气，我国“煤代油”战略及相应能源政策的实施，为空分设备在煤化工领域的
2、应用带来了机遇。 1、煤气化 在煤气化中，氧气作为气化剂参与反应，生成合成气，合成气可用于生产合成氨、甲醇等；也可以生产城市煤气，代替部分城市燃气，如焦炉煤气等；也可生产合成天然气，代替天然气。目前，煤气化方法主要用Texaco和Shell法。我国大型化工项目推行的“煤改油”计划，就是煤气化技术。煤气化技术是实现煤炭综合利用和洁净煤技术的重要技术手段，是发展现代煤化工、煤造油、燃料煤气等重要工业生产的龙头。,2、煤液化 煤液化有煤间接液化和煤直接液化两种，即煤间接液化用费托(F.T)合成原理和煤直接液化用加氢液化原理，这两种工艺都需要配套空分设备。煤间接液化合成石油，用氧量较大；煤直接液化生产
3、石油，氧气主要用于煤气化制氢气，工液化煤加氢气和精炼油品使用。 随着空分应用的越来越广泛，空分操作人员的需求量也随之增加，为更好的服务于生产，对空分操作人员的素质要求也将越来越高。,1903年，德国林德利用焦-汤效应，采用高压节流技术，发明了世界第一台10m3/h制氧机开创了世界工业制氧机的先河! 1906年，德国海兰特用一台高压(20MPa)膨胀机来液化空气和生产液氧，建立了“海兰特液化循环”。 1924年，德国法兰克尔提出在中大型空分设备上采用金属填料的蓄冷器，来代替热交换器，成为大规模气体液化与分离方面的一个重要进展。 1930年，前苏联拉赫曼提出了将部分膨胀空气进上塔参与精馏、挖掘上塔
4、潜力的“接赫曼原理”已延用至今。 1932年，林德公司在林德-法兰克尔型制氧机上首次采 用轴流单级冲动式透平膨胀机，由于采用了蓄冷器和透平膨胀机，使空分设备向更经济的方向发展。,空分的起源和发展历程,1939年，前苏联卡皮查发明高效率(80%以上)径流向心反动式透平膨胀机，开始研究全低压空分设备，卡皮查低压循环成为大型全低压空分设备发展的基础。 1940年，林德公司提出采用两种空气压力( 低压、高压)、带透平膨胀机和海兰特液化循环、膨胀空气进上塔的空分设备，也就是以前我们常说的高低压流程制氧机 1950年，各国开始发展大型全低压空分设备，40年代末美国发明切换式换热器并用于空分设备上。 195
5、6年，美国联碳公司林德分公司在高压空分设备上采用分子筛纯化器净化空气。 1972年，美国联碳公司开始采用沸腾侧管子表面为多孔涂层、冷凝侧管子周围刻槽或波纹、传热系数比光管大10倍以上的新型空分主冷凝器结构。,空分的起源和发展历程,1976年，日本神钢在30000m3/h制氧机上采用计算机进行控制，这是世界上第一套用电子计算机全自动控制的空分设备。20世纪7 0年代，苏尔寿公司规整填料成功应用于空分精馏塔，取代传统的筛板塔。 1980年，林德公司在第四届空分设备学术会上示出同时使用蓄冷器和分子筛吸附器的3500t/d(约10万m3/h)空分流程，说制造不成问题。其后，国外开发出分子筛净化带增压透
6、平膨胀机的空分流程。美国APCI变压解吸专利技术技术(无热再生)应用于空分设备的分子筛净化系统中。 目前世界上投运的最大的空分装置为液空为SASOL提供的约海平面生产能力120000Nm3/h O2（实际生产能力104000Nm3/h O2 ）,空分的起源和发展历程,第一代：铝带盘蓄冷器的高低压流程； 第二代：铝带盘蓄冷器或石头蓄冷器的全低压流程； 第三代：带产品气盘管的石头蓄冷器的全低压流程； 第四代：切换板式主换热器的全低压流程； 第五代：分子筛吸附、增压透平膨胀机、DCS控制的全低压流程； 第六代：规整填料上塔、全精馏制氩的全低压流程； 第七代：内压缩流程。,空分代的划分,我国自1953
7、年制成第一台空分设备以后就紧随国际潮流的发展。 19551956年，我国已成批生产小型空分。 1958年制造出铝带蓄冷器的3350 m3/h高低压空分设备。 1966年制造出石头蓄冷器的全低压空分设备。 1970年开始生产板翅式的全低压空分设备。 1979年开始生产常温分子筛吸附流程的全低压空分设备。 1987年左右在全低压空分上使用了增压透平膨胀机， 1996年又在大型全低压空分上应用规整填料塔及全精馏制氩。,我国空分设备发展概况,随着中国经济持续稳定地增长，中国空分设备制造业也逐步发展，特别是在大型空分项目上，国产设备的市场份额在逐年上升，以往外国大公司在大型空分项目上一统天下的局面正在逐
8、步改观。但是，在大型空分设备项目上，我们的综合能力与水平同外国各大公司相比，还存在一定的差距。在世界空分设备市场，每年大部分份额由外国大公司所瓜分。 空分行业七大公司大多数都向中国供过大中型空分设备，仅德国Linde公司就向中国供过数百套空分设备，而法液空、BOC、PRAXIAIR、MESSER在中国已投资多家气体公司。另外，法液空与杭氧合资成立液空(杭州)有限公司，林德与金重合资成立林德工艺装置有限公司，主要从事空分设备的生产制造业务。 随着国内空分需求量的增多，用氧量的增大，促使国内三大空分集团（杭氧集团，川空集团，开封空分集团）向大型化空分不断迈进，而一些新兴空分生产厂家也应运而生，和国
9、外空分厂家形成了强有力地竞争。,空分企业格局,基本概念 空气物理性质 空气分离的方法,第二章 空气分离的原理及方法,液化：气体变成液体的过程。 汽化：气态化在液体的外部自由表面产生，并且在任何一个温度下都可以以某一个速度进行。 蒸发：在某种温度下，液体的外露界面上进行的汽化过程。 沸腾：液体内部发生汽化过程，即液体内部不断产生汽泡而上升，变成蒸汽而跑到上部空间去。 饱和蒸汽压:空间中蒸气分子的数目不再增加，蒸汽压力维持一定，达到平衡。 饱和温度：饱和蒸汽压所对应的液化温度。,基本概念,易挥发组份:在同一压力下所对应的饱和温度越低，表示该物质越容易被汽化。 临界温度 :只有低于这个温度才可能采用
10、提高压力的方法使它液化，这个液化的最高温度。 临界压力：在临界温度下，所需要的液化压力。 汽化潜热：在饱和温度下，使液体分子变成蒸汽分子所需的热量。 过热蒸汽：超过饱和温度的蒸气，亦叫未饱和蒸气。 过冷液体：温度低于该压力所对应饱和温度的液体，也叫未饱和液体。,基本概念,温度（T）：是物体冷热程度的标志，对物体的热运动状态有关。T（k）=t（）+273，K为国际温标（也叫绝对温标），t为摄氏温标 压力（P）：单位面积上所受到的垂直作用力。工程上通常使用的压力为表压（即压力表直接读取），物性计算时常用 绝对压力，通常P（绝）=P（表） +1个大气压。 比容与重度：单位重量工质所具有的容积（），单
11、位体积的工质所具有的重量。（） 气体：指远离液体的气态物质。*任何气体都可以液化，只是液化的难易不同而已。,基本概念,蒸汽：指刚由液态转变过来偏离液态不远的气体物质。 理想气体的状态方程:P1 V1/T1=P2 V2/T2=PV/T=常数R 理想气体的比热:使单位质量的物质温度升高一度所吸收的热量称为比热，工质在等压或等容过程中的比热叫做和等容比热。 热力学第一定律:当某一定量机械能产生时（即完成了功），必有相当的热量消失掉，反这，当消耗了一定量的功时，（即消 耗了机械功），必发生相当的热量。 热力学第二定律:热量不可能独自地，不付代价地（没有补偿的）从较冷的物体传向较热的物体。,基本概念,沸
12、腾：气泡的生成如果不仅在液体的自由表面，并且在整个体积内进行，与汽化的区别在于沸腾是在特定的温度(所谓的沸腾温度或沸点)下进行。,基本概念,液氧（液态氧） 液体状态的氧，为天蓝色、透明、易流动的液体。101.325kPa压力下的沸点为90.17K，密度为1140kg/m3。 液氮（液态氮） 液体状态的氮，为透明、易流动的液体。在101.325kPa压力下的沸点为77.35K，密度为810kg/m3。 液氩 液体状态的氩，是一种无色、无臭、呈透明的液体. 在标准状态下的密度为1.784kg/m3,熔点为84K。在101.325压力下的沸点为87.291K。 产品纯度 用空气分离设备制取的氮气、氧
13、气、氩气，其体积比分别大于或等于99.99%、99.6%、99.999%。,基本术语,液空（液态空气） 液体状态的空气，为浅蓝色、易流动的液体。在101.325kPa压力下的沸点为78.8K，密度为873kg/m3。液空是空气分离过程中中间产物。 富氧液空 指氧含量（体积比）超过的20.95%的液态空气。我们实际控制大约在36%-40%之间。入塔空气在下塔做预分离，做上塔回流液。富氧液空中氧含量受下塔压力、入塔空气含湿量和下塔物理平衡影响。 污氮 由上塔上部抽出的氮含量（体积比）一般为95%-96%的液态。 污液氮 在下塔合适位置抽出的氮含量（体积比）一般为95%-96%的液体。目的是使抽取口
14、以上有足够的回流比，提高氮纯度；抽取口下回流比减小，提高液空中氧纯度。,基本术语,氩馏分 从上塔合适部位提取一股氧、氩、氮混合气作为氩提取设备的原料气体。其组分（体积含量）氩为7%-10%，氮一般小于0.06%，其余为氧。 粗氩 由粗氩塔塔顶获得的氧含量（体积比）小于1PPM。 标准状态 指温度为0C、压力为101.325kPa时的气体状态。,基本术语,冷量损失 指空气分离设备的冷箱由于跑冷损失和复热不足损失的冷量损失。 提取率：产品气体组分的总含量与加工空气中该组分的总含量之比。,基本术语,空气中各种气体的特性,大气中其它组成成份二氧化碳、水蒸气及乙炔等碳氢化合物根据地区和条件的不同在一定范
15、围内变化。水蒸汽含量则随着温度和湿度而变化。,空气分离的方法,空气分离简称空分，是利用空气中各组分物理性质不同，采用不同方法从空气中分离出氧气、氮气，或同时提取氦气、氩气等稀有气体的过程。空气中的氧氮分子是均匀相互掺混在一起的，并且直径的数量级在10-8cm，目前主要有三种分离的方法 1、低温法 2、吸附法 3、膜分离,低温法,低温法空气分离是深冷与精馏的组合，是目前应用最为广泛的空气分离方法。先将空气通过压缩、膨胀降温，直至空气液化，再利用氧、氮的气化温度(沸点)不同(在大气压力下，氧的沸点为90K，氮的沸点为77K)，沸点低的氮相对于氧要容易气化这个特性，在精馏塔内让温度较高的蒸气与温度较
16、低的液体不断相互接触，液体中的氮较多地蒸发，气体中的氧较多地冷凝，使上升蒸气中的含氮量不断提高，下流液体中的含氧量不断增大，以此实现将空气分离。 深度冷冻：将空气液化，需将空气冷却到100K以下的温度，这种制冷叫深度冷冻；,吸附法,它是让空气通过充填在某种多孔性物质分子筛的吸附塔，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）对氮有较强的吸附性，让氧分子通过，可得纯度较高的氧气，有的分子筛（碳分子筛等）对氧有较强吸附性，让氮分子通过，可得纯度较高的氮气，由于吸附剂的吸附容量有限，当吸附某种分子达到饱和时，就没有继续吸附的能力，需要将被吸附的物质驱赶掉，才能恢复吸附的能力，这一过程叫“再生”,吸附法,因此为了保证连续供气，需要两个以上的吸附塔交替使用。再生的方法可采用加热提高温度的方法(TSA)或降低压力的方法(PSA) 这种方法流程简单，操作方便，运行成本较低，但要获得高纯度的产品较困难，产品氧纯度在93%左右。并且适于容量不太大（4000m3/h）的分离装置。,膜分离,
