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1、 .目 录一、 前言二、 低温热力学基础三、 空气过滤预冷和净化四、 传热设备五、 空气压缩机六、 透平膨胀机七、 空气分离原理及精馏塔八、 空分设备流程九、 控制技术十、 空分设备部机操作一、前 言空分设备俗称制氧机是在低温工作的一种设备，它应用低温技术，使空气液化分离从而获得氧、氮和五种稀有气体，为获得低温，需要有相应的一套设备，它们由压缩机、膨胀机、或节流装置，以及各种换热设备、精馏设备、净化设备、贮运设备，检测和自检设备组成。空分设备发展概况：1880年，德国人卡尔林德利用焦耳-汤姆逊节流效应发明了气体液化技术，1903年，第一台工业性的10m3/h空分设备运行成功，1952年，我国试
2、制成功30m3/h空分设备。近年来，随着国内经济的高速发展，为冶金、石化、化工和航天等工业领域配套的大中型空分设备得到迅猛发展和广泛应用，空分设备的制氧规模从十年前的1500m3/h等级扩展到5000m3/h等级，新技术在空分设备中被广泛应用，如规整填料塔、全精馏无氢制氩技术，新的内压缩流程技术，先进的高级控制技术，各种先进的配套部机应用，更完善了安全运行和操作技术。二、空分产品性质及其应用氧在自然界分布很广，在空气、水、空石中的氧分子占地壳总重量的一半。氧可通过电解水或分离空气等方法获得。氧在高温时很活泼。能与多种元素直接化合，是一种强烈的氧化助燃剂。氧与可燃气体（乙炔、氢、甲烷等）按一定比
3、例混合后易引起爆炸。氧在加压和管道输送过程中，如有油脂、氧化铁屑或小粒可燃物（如煤粉、碳粒或有机纤维）存在，在气流运动与管壁或机体摩擦、撞击会产生大量热，当温度超过燃点时会导致管道机器着火、燃烧。被氧饱和的衣物以及其他纺织物与火种接触，会立即着火，当液氧浸湿的多孔有机物被引火或给以一定力量的撞击时会产生强烈的爆炸。氧是动物呼吸和可燃物燃烧所必须的气体。氧最先主要是用于医疗上的氧气疗法，输氧抢救病人以及机械工业上的金属焊接和切割，后来逐步应用于冶金、石化、化工、环保等部门。氮的化学性质不活泼，在一定浓度下回使人窒息。氮在冶金、化工、轻化、电子等部门作为原料气、保护气、置换气和密封气。氩不燃烧也不
4、助燃，是惰性气体。作用于金属冶炼的保护气，以及不锈钢铝和其他合金焊接的保护气。其他稀有气体主要用于电子光源和激光技术。二、低温热力学基础1、气体的基础状态参数。描写物质每一聚集状态下特性的物理量称为物质的状态参数描写气体状态的基本参数是温度、压强和比容。温度：表示物体冷热的程度。在工程上常用的测温标尺有摄氏温标和热力学温标。摄氏温标应用得最早而且最广，分度的方法是规定标准大气压下纯水的冰点是0摄氏度、沸点为100摄氏度，将它平分100等份，每份为1度，用符号标记。热力学温标又称绝对温标或开尔文温标，它是依据热力学基础而为主的。绝对温标规定在标准大气压下纯水的三相点为273.16度，沸点与三相点
5、间分为100格，毎格为1度，记做符号为K，把-273.16定为绝对零度，从绝对零度标起，绝对温标的刻度与摄氏温标的刻度相同。华氏温标：物理基础与摄氏温标的物理基础相同，华氏温标规定在标准大气压下纯水的冰点为32华氏度，沸点为212华氏度，将其平分为180等份，每一份为1度，用符号标记。各温标间的换算关系为：t=T-273.16t=5/9(F-32)T=t+273.16F=9/5t+32压强（压力）单位面积上所受的垂直作用力称为压强，工厂中习惯叫做“压力”。在法定计量单位中，压力的符号为P（p），单位名称“帕（斯卡）”，单位符号为Pa。压力常用单位有物理大气压，工程大气压mmH2O，mmHg等。
6、物理大气压（at或atm）：是指温度为0度时，纬度为45度海平面上大气的平均压力，可以称为标准大气压。工程大气压：是工程技术上常用的压力单位，指每1cm2面积上作用1kg力而产生的压力，单位可用kgf/cm2表示。现在统一用国标单位Pa表示每1cm2面积上垂直作用1N的力而产生的压力。105Pa为1bar（巴），bar可以与国际单位并用。各单位的换算关系为：1at=1.013105Pa 1kgf/cm2=9.81104Pa 1mmH20=9.81Pa测量压力的仪表所指示的压力往往是被测压力的绝对值与大气压力之差，容器内气体对容器内壁的实际压力称为绝对压力，当容器内气体对容器壁的实际压力高于当时
7、的大气压力时，其差值称为表压力，当容器内气体对容器的实际压力比大气压力低时，其差值称为真空度，三者关系：P绝=P表+P大气；P绝=P大气-P真空度。用压力表测出的只能是表压力和真空度，而实际计算时都用绝对压力。比体积又称比容，单位质量气体所居有的体积称为比体积，又称质量体积，俗称比容。用符号V表示，单位m3/kg；反之单位体积的气体质量称为气体密度，以p表示。在表明气体的比体积或密度时，必须注明气体所处的状态，因为同一气体在不同的温度或压力下，具有不同数值的比体积和密度。气体除了T、P、V等基本状态参数外，比热容，热力学能，焓，熵等也是气体状态参数。2、获得低温的方法。获得低温的方法很多，通常
8、有相变制冷（熔解、升华、汽化），气体绝热膨胀制冷，气体绝热放气制冷，涡流管制冷，半导体制冷，绝热退磁制冷，氦稀释制冷等。为使空气液化，先要获得低温，工业上常用空气通过节流阀或膨胀机的膨胀制冷获得低温，甚至液化。这两种方法是以气体膨胀为基础，已应用在气体的分离和液化技术以及气体制冷机中。节流膨胀效应。 通常把高压流体流经管道中的小孔后压力显著降低的过程称为节流，节流孔径越小，则局部阻力越大，节流前后的压力变化也越大，在实际工作中为了便于调节，通常用节流阀代替固定的节流孔。气体在节流时既无能量输出，也无能量输入，所以气体节流前后的能量保持不边，即节流前后的焓值相等；这是节流过程的基本特点，因此，节
9、流过程可以看做近似的绝热过程。实际气体的焓值是温度和压力的函数，所以实际气体节流后的温度是发生变化的，这种现象称作节流效应，（焦耳-汤姆逊效应）空气经过节流虽可降温，但对外没热能交换，也没有做功，因此节流过程本身并没有产冷。气体的等熵膨胀。高压气体等熵膨胀时向外输出机械功，这样消耗了大量的气体内能（焓值减小），另外，由于膨胀气体体积增大，分子间距离增大，但是分子间没有吸引力，为了克服分子间的吸引力又要消耗气体分子的一些动能，这样气体分子的内能和动能在等熵膨胀时大量消耗，从而降低了气体温度，所以等熵膨胀后，气体温度总是降低的。气体在膨胀机中等熵膨胀，温度下降，并输出外功，因此工质具有向外界吸收热
10、量的能力，此热量即膨胀机的制冷量。节流与等熵膨胀的比较。气体等熵膨胀，无论从温度效应及制冷量来看比节流有效地多。除此之外等熵膨胀可以回收膨胀功，因此提高了循环的经济性，而在实际应用方面，节流过程用节流阀，结构简单，便于调节，等熵膨胀则需要用膨胀机，结构复杂，且存在效率问题，这就使等熵膨胀过程的有所减弱，节流阀可以在气液两相区工作，即节流阀出口可以允许有很大的带液量；但带液的两相膨胀剂带液量不能太大，因此节流和等熵膨胀的两个过程，在空分设备中都有应用，它们的选择将依据具体条件而定。三、空气过滤、预冷和净化在应用低温精馏原理制氧的空分设备中，为了保证空气在低温区精馏分离的正常进行，必须在常温区对空
11、气进行过滤、预冷和精华等预处理。原料气中除了尘埃外，还有水分，二氧化碳和乙炔等碳氢化合物，现代空分设备大多采用分子筛纯化系统来清除这些杂质，以提高进入冷箱空气的纯净度，防止水分和二氧化碳在低温设备中冻结而影响传热传质过程的正常进行，避免乙炔等碳氢化合物在液氧中积聚浓缩而威胁空分设备的安全运行，因此气体的过滤、预冷和净化是空分设备不可缺少的一个组成部分。1、除尘系统从气体和微粒混合物中分离粒子的操作称除尘。除尘机理共有一下五种惯性撞击布朗扩散直接拦挡重力沉降静电沉降。实际上过滤器捕集粒子的机理相当复杂，通常是一种或几种机理同时参与除尘。在“350”空分设备中使用了惯性撞击、布朗扩散和直接拦挡方法
12、去除尘埃。原料空气在滤气室进行粗过滤，利用滤气海绵除去较大的尘埃和机械杂质，再经精细空气过滤器进行精过滤。二、空气预冷系统在空压机出口端设置空气预冷系统，用来降低进分子筛吸附器的空气温度与含水量，合理的使用空气预冷系统，有利于空分设备长期安全运转。应用在空分设备中的预冷系统有很多种，大体上分为氮水预冷系统，活塞式冷水机组，螺杆式冷水机组，氨冷机组，吸收式冷水机组和空气预冷机组。“350”空分设备中应用了较为简单的空气预冷机组（流程见图1），型号为GAYL-2250/7预冷机是根据水的饱和和蒸汽压力和温度之间的对应关系，利用制冷原理强制冷却压缩空气，使压缩空气中的水蒸气在低温下过饱和而冷凝结露，
13、并分离出水分，正常状态下可将空气温度降至2-10，其基本原理可以从良方面描述：A、 压缩空气流程：湿热压缩空气直接进入蒸发器与制冷剂进行热交换，温度降低，其中水蒸气冷凝结成水滴，经气水分离器将空气与水分离，冷凝水排出，冷干空气由出口排出进入纯化器。B、 制冷系统流程：制冷剂（R22）经压缩机压缩后成为高温高压的过热R22蒸汽，经水冷却器降温，在蒸发器内吸热气化，制冷剂又变成低压低温的气态，进入压缩机完成制冷循环。3、分子筛纯化系统、分子筛吸附器的作用就是吸附清除原料空气中的水分、乙炔和二氧化碳以及一些碳氢化合物，以保证空分设备的正常运行。分子筛纯化系统电加热再生流程如图2所示。被压缩的空气经预
14、冷系统冷却到一定温度后，自下向上通过MS1（或MS2）分子筛吸附器时，空气中所含的H2O、C2H2、CO2等杂质相继被吸附清除，净化后的空气进入冷箱中的主热交换器。吸附器成对交替使用，一只工作时，另一只再生。净化原理及过程本流程设有两只纯化器，它们轮换使用，一只再生，另一只使用，在每只纯化器吸附筒内装有1000kg，3-4mm球型UOP13X-APG分子筛，其分子式为Na80(A1O2)86(SIO2)106xH2O。分子筛对H2O有较大的吸附容量，同时有共吸附性能可吸附H2O、C2H2和CO2等，当空气通过它时，几乎所有的H2O、C2H2和CO2均被其吸附，当达到饱和后即不气吸附作用，这时就
15、需要对其进行再生，由于13X分子筛具有这样的特性，温度越高，吸附能力越小，当达到一定温度时，吸附能力就变为零，当温度降低后，又回复原有的吸附能力，所以再生过程，实际上就是对13X分子筛进行加热和冷却的过程。 本流程中纯化器使用周期设计为8小时，其再生气采用分子馏塔出来的污氮气，加热热源采用三组共42KW的电炉，加热器结构型式为管状电热元件，三层筒体结构，常温氮气在进口处首先在最外层预热，再经中间夹层预热，而进入置有管状电热之件筒内被加热，共有12支加热管，每支3.5KW。加热时间设定为240分钟，加热进口温度为160，冷却时间设定为220分钟，冷却温度为常温。 从压缩机出来的压缩空气在各级冷却器中除去一部分冷凝水后进入空气预冷机预冷再除去一部分冷凝水后从纯化器下部进入，经13X分子筛将残留的水分以及乙炔和CO2清除后从纯化器上部出来，进入下一阶段。纯化器的自动控制本流程采用可编程控制器和气动蝶阀，对纯化器的切换过程进行自动控制，它采用日本三菱公司小型可编程控制器FX2-48MR作为主单元
