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1、1郑州大学自学考试助学专业毕 业 论 文题目：我国深度冷冻法空分研究概况我国深度冷冻法空分研究概况学生姓名：宋景要年 级：准考证号：专 业：指导教师：所属学校：二一三年三月十五日2摘要摘要空气是一种均匀的多组分混合气体，其主要成分有氮、氧，还有微量的氦、氖、氩、氪、氙等稀有气体以及对空分有害的二氧化碳、水蒸气、碳氢化合物、固体颗粒杂质。而空气分离就是把空气中不同组分分离出来的过程。随着工业的高速发展，化工朝着大型、节能、环保方面不断发展。化工对其附属配套空分设备的产品提取量和产品多样化有了很大要求，这样以来，促使了空分设备的规模越来越大。本文介绍了空分发展历史、现代空分工艺流程、空分技术的发展
2、现状、 空分技术的发展展望。关键词关键词: 空分历史；空分流程；发展现状；发展展望；空分历史；空分流程；发展现状；发展展望； 3前言前言近年来，随着石油价格的不断攀升和氮肥市场的发展向节能环保化发展，煤化工行业逐渐兴起并向大型化和新型化发展，空分作为一个新兴行业在短短百年里就有了上万倍的飞跃。空气分离的方法可分为深度冷冻法和常温分离法两种，其中常温分离法空气分离方法包括吸附、膜分离、化学吸收法。由于目前在大规模制取氧、氮气液产品，尤其是在制取高纯度产品方面，低温分离法具有无法取代的竞争优势，而且只有低温分离法才具有可同时生产氩或其它稀有气体产品能力，故低温法在空气分离的工业应用中占据非常重要的
3、地位。1.4我国深度冷冻法制氧发展史我国深度冷冻法制氧发展史回顾 60 年来我国空分流程技术发展的历程，我国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、以及现在最先进的内压缩空分流程。每次大中型空分流程的变革，都是空分技术不断发展和科研成果相继被采用的结果；每次空分流程的变革，都以其独具的技术闪光点将空分设备的技术水准推上了一个又一个新的台阶。对空分流程技术的发展历程作一回顾，希望能了解过去，开拓未来，使空分流程的发展迎来一个又一
4、个技术创新和技术改变，让空分技术能更快更好发展。铝带蓄冷器冻结高低压空分流程：铝带蓄冷器冻结高低压空分流程：为了适应冶金工业、化肥工业等方面迫切需要大中型空气分离设备的新形势，铝带蓄冷器冻结高低压空分流程成为当时大中型空分设备采用的主导流程。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、二氧化碳的清除问题，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，给整套空分设备的操作、维护带来诸多不便。膨胀机结构为冲动式固定喷嘴的型式，效率较低。该流程主要由空气过滤压缩、高压空气压缩、二氧化碳碱洗、氨预冷、固定冲动膨胀制冷、换热精馏等系统组
5、成。石头蓄冷冻结全低压空分流程：石头蓄冷冻结全低压空分流程：随着透平膨胀机技术的发展，出现了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两次膨胀，使膨胀机效率有了很大的提高，空分设备的制冷手段得到了改善，实现了高低压空分流程向全低压空分流程的变革。蛇管式石头蓄冷器的出现替代了铝带，以减少温差和阻力。同时自清除技术的也作5出改进。石头蓄冷器冻结全低压空分流程的出现，流程大为简化，同样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。切换式换热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：随着高效板翘式换热器的研制成功和反动式透平膨胀技术的进一步发展，空分流程水平又大大向前
6、推进了一步，出现了切换式换热器冻结全低压空分流程。以传热效率高、结构紧凑轻巧、适应性大的板翅式换热器取代了石头蓄冷器、列管式冷凝蒸发器、盘管式过冷器及液化器等，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。同样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。常温分子筛净化全低压空分流程常温分子筛净化全低压空分流程1960 年分子筛吸附剂进入市场后，德国林德公司开发出了第一台分子筛吸附器，并将这种技术应用于空分设备上。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，分子筛净化空气的
7、冷箱外“前端净化”技术，代表20 世纪 70 年代国际空分设备流程发展的主导方向。常温分子筛净化全低压空分流程和切换式换热器冻结空分流程之根本区别在于，将切换式换热器的传质和换热两种功能分开，在冷箱外用分子筛吸附器清除空气中的水分和二氧化碳，在冷箱内的主换热器仅起到换热作用。常温分子筛净化增压膨胀空分流程常温分子筛净化增压膨胀空分流程随着国际工业发展，降低成本减少能耗成为国际工业主题，常温分子筛净化增压膨胀空分流程的出现，是空分流程技术一大进步。它是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该成了增压机。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
8、，膨胀机前压力的提高，就增加了单位膨胀空气的制冷量，在空分设备所需一定的情况下，膨胀量就可以减少下来，总的加工空气量也就相应降低，这就是常温分子筛净化增压膨胀空分流程氧提起率能进一步提高，能耗得以下来的原因。6常温分子筛净化全填料精馏空分流程常温分子筛净化全填料精馏空分流程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中得到广泛采用.但为了进一步提高空分设备效率、降低能耗，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 20 世纪 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。我过国内制造厂商也紧跟脚步引进和开发技术，是常温分子筛净化全
9、填料精馏空分流程在国内发展起来。常温分子筛净化增压膨胀空分流程发展至今，已作为主导流程被国内外广泛采用。但是，为了进一步提高装置效率，降低能耗，国外在常温分子筛净化增压膨胀空分流程的基础上，对其配套的单元设备部机的设计采用规整填料塔全精馏无氢制氩技术。常温分子筛净化大型内压缩流程常温分子筛净化大型内压缩流程近年来由于冶金、化肥和石化工业的迅速发展，空分设备的容量和需求量不断增加。总的来说，空分设备正朝着大型化、气体产品压力等级高、液体产品多、产品纯度高、运行成本低、设备操作稳定可靠、占地面积少等方向发展。为了满足不同行业的用户对产品的种类、纯度、压力等各种需求，内压缩流程应运而生。来自主冷凝蒸
10、发器的产出的液氧被液氧泵压缩到所需要的压力，然后在换热器中被汽化和复热送出得到高压氧气产品。由于用液氧泵取代了价格昂贵的氧气压缩机，可使拖动氧气压缩机的原动机取消，大大的降低了能耗和维护保养成本。使用液氧泵内压缩后，无高温气氧压缩，因此安全性更好，装置也更可靠，液氧泵的氧气压力比氧透压缩机组更容易调节现代空分工艺流程现代空分工艺流程深度冷冻法对空气进行分离的基本原理是因为空气中各组分的沸点不同，通过对空气进行等温压缩之后，使空气具有较高的压力能和较低的温度，然后经过对外做功，使气体的所具有的压力降低，从而获得低温。一般现代空分采7用的都是气体通过对膨胀机做功来制取冷量的。空气在膨胀之前与精馏出
11、的气体进行对流换热，从而获得更低温度。在低温下空气成为液体在精馏塔中多次的部分蒸发和部分冷凝从而产出不同需求的产品。净化系统净化系统大气中的空气首先进入净化系统，对空气中存在的大颗粒灰尘、机械杂质和毛装絮状物之进行净化，以免这些物质进入压缩系统后对压缩系统的运转设备造成损害，从而保证系统的平稳持续运行。现代空分的除尘装置经过了多次的变革形成了现在全自动的自洁式空气过滤器，大大减少了成本，降低了占地面积。空气压缩系统空气压缩系统净化后空气进入压缩系统，然后在压缩机中被压缩到所需的压力，在压缩过程由中间冷却器提供级间冷却，压缩过程中产生的热量被冷却器中冷却水带走。经过压缩系统压缩后的空气进入预冷系
12、统。因为空分装置不同产品样式和产品产量的需求，大中型空分一般采用用原动机带动双压缩机进行对气体的压缩增压，从而产生不同压力等级的气体，以满足后续流程的需求，小型空分一般采用的是电机带动的全低压压缩流程。空气预冷系统空气预冷系统空分装置希望压缩空气进装置时的温度仅可能低。以降低空气中的饱和水含量和主换热器的热负荷。为了实现实现空气的等温压缩，增大等温效率，降低空气进主换热器的温度，使纯化系统工作条件在最优状态。压缩后空气进入预冷系统中冷却，以尽可能的降低空气的温度，减少空气中水含量，减少空气中的有害物质，并对空气进行洗涤。为了增加空冷塔效率和节能，空冷塔一般采用双级上下两段。进空冷塔下段的冷却水
13、，直接用循环水有泵加压后进入空冷塔，进空冷塔上段的水是利用分馏塔产出的气体产品在水冷塔中和循环水进行换热后产出的冷冻水，然后通过泵加压进入空冷塔。有时为了获得更低温的冷冻水，还要在加入冷冻水装置。大型空分中一般采用氨冷冻机组，小型空分8一般采用冷水机组。纯化系统纯化系统预冷后的空气有多种组分组成，除、稀有气体、氧气、氮气气体组分外，还有、水蒸汽、二氧化碳、乙炔等杂质。这些杂质随空气进入后边系统中会引来较大危害。水和二氧化碳等高沸点组分会在管道设备冻结，从而磨损运转部件，堵塞换热器，降低换热效果。乙炔进入空分装置后会在液氧中集聚导致爆炸事故的发生，所以为了保证制氧机的安全运行，清除这些杂质是非常
14、有必要的。清除空气中的这些杂质最常用的是吸附法。吸附法就是用硅胶或分子筛等作为吸附剂，把空气中所含的水分、二氧化碳和乙炔等杂质分离出来，浓聚在吸附剂的表面上，吸附一段时间后加温再生把这些杂质吹走，从而达到净化的目的。降温制冷系统降温制冷系统在空分装置中要实现氧氮分离，首先要使空气液化，这就必须设法将空气温度降至液化温度。空分设备中在启动时靠膨胀后的低温空气来冷却正流压力空气的，空气要膨胀，空气膨胀可以通过节流膨胀或膨胀机膨胀。节流膨胀是高压气体在高压气体节流阀前后形成一个温降过程，而在过程中焓值不变，减低少有的几度温度，对低温状态介质节流效应明显。膨胀制冷是气体对膨胀机做功引起内能降低从而降低
15、温度的过程，是空分冷量制取的主要方法。膨胀机有气体和液体两种，气体膨胀机是主要制冷设备，而液体膨胀机则是为了对空分能量的回收，降低能耗。换热系统换热系统空分设备中的换热器及冷凝蒸发器对液体的产生起到关键的作用。主换热器是利用膨胀后的低温、低压气体作为换热器的反流气体，来冷却高压正流空气，使它在膨胀前的温度逐步降低。同时，膨胀后的温度相应地逐步降得更低，直至最后能达到液化所需的温度正流空气部分液化。空分设备在启动阶段的降温过程就是这样一个逐步冷去的过程。9现代空分中的换热系统有了大的变化，随着工业发展各种设备材质的高强度化，空分中使用的板翅式换热器能使超高压气体和低压气体形成换热，从而更好的回收
16、冷量降低能耗，节约成本。过冷器系统过冷器系统空气在下塔精馏后产生的夜空和液氮，通过节流阀供给上塔作为精馏所需的回流液。处于饱和状态的液体经过节流阀时，由于压力降低，其相应的饱和温度也降低，部分液体将要气化，这就使得上塔的回流液量减少，对上塔的精馏不利。为了减少节流气化率，因而设置了过冷器。它是靠回收上塔的污氮、纯氮的冷量、使液空、液氮的温度降低。此外，过冷器还起到调配冷量的作用。它可使一部分冷量又返回上塔。因此，空气带入下塔的能量升高，使冷凝蒸发器的热负荷增加，对上塔德精馏有利。精馏系统精馏系统现在空分采用内压缩全填料塔流程，膨胀后的介质进入精馏系统带来源源不断的冷量，保证了精馏进行。现在的精馏塔采用双级上下两塔通过中间冷凝蒸发器连接形成上下换热下塔形成氮气、液氮、富氧夜空，上塔形成氮气、污氮气、中间氩馏分、液氧。下塔液氮、富氧夜空经过过冷进入上塔参与上他精馏，下塔氮气去换热系统后可与作为产品，液氮经过液氮泵加压后作为产品和直接作为产品。上塔氮气、污氮气过冷后去换热系统作为产品，液氧经过液氧泵加压后去换热系统换热作为产品和直接取过冷系统过冷后储存为液体产品。制氩系统制氩
