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1、氮气的制造流程及原理气体化学科目录目录一、大气的组成一、大气的组成二、主要厂家的空分方式和产品纯度二、主要厂家的空分方式和产品纯度三、法美空气分离（精馏）的原理三、法美空气分离（精馏）的原理四、空分的流程四、空分的流程 1 1、过滤及压缩、过滤及压缩 2 2、净化、净化 3 3、制冷，热交换、制冷，热交换 4 4、精馏、精馏一、大气的组成一、大气的组成(体积含量）体积含量）ELEMENTS基本成分基本成分SYMBOL符号符号COMPOSITIONIN VOLUME含量含量OXYGEN氧氧NITROGEN氮氮ARGON氩氩O2N2Ar20.9 %78.1 %0.93%HELIUM氦氦NEON氖氖
2、KRYPTON氪氪XENON氙氙HYDROGEN氢气氢气HeNeKrXeH25.24 ppm18.18 ppm1.139 ppm0.086 ppm0.5 ppmWATER水水CARBON DIOXIDE二氧化二氧化碳碳HYDROCARBONS碳氢化碳氢化合物合物H2OCO2CH4C2+ variable 300 to 700 ppm3 to 5 ppm 0.5 ppm稀有气体杂质大气中含有很多组分，其中含量最多的是氮气，约占总量的78.1%氮气性质不活泼，所以经常用做保护气，防止氧化。空气分离ASU(Air Separate Unit)：目前世界上的空气分离 技术主要有三种方法： 过程过程 D
3、istillation精馏精馏Adsorption吸附器吸附器Membrane膜分离膜分离 发展发展Near 1900: Small devices producing gaseous oxygen and nitrogen氧氮小型装置1970s: PSA N2& PSA O21980s: H2 membranes & N2 membranes开创者开创者设备设备精馏塔精馏塔分子筛分子筛Membranes(hollow fibers)二、主要厂家的空分方式和产品纯度二、主要厂家的空分方式和产品纯度Processes过程过程 Distillation精馏精馏Adsorption吸附吸附Membr
4、ane膜分离膜分离Purity纯度纯度O2: 85% to 99.9%N2: up to 10 ppbAr, Kr, XeO2: 90% to 93%N2: up to 99.9%N2: 95%to99.9%Capacity range产量产量100 T/D to more than 3000T/D5T/Dto150 T/D 5T/D to 99.9% 13.3 g water = 13.3 g water / Nm/ Nm3 3Cooled Compressed Air冷却后的压缩空气Example:6 abs bar 15 C100 % HR= 2.3 g water = 2.3 g wa
5、ter / Nm/ Nm3 3Filter过滤器Liquid PurgeLiquid Purge液体被分离出液体被分离出 11 g / Nm11 g / Nm3 3Separator疏水器Cooler冷却器CompressorCompressor压缩机压缩机空压机本身不带过滤器，过滤单元通空压机本身不带过滤器，过滤单元通过管道与空压机连接，滤芯用反吹继过管道与空压机连接，滤芯用反吹继电器控制阀门吹扫。电器控制阀门吹扫。空压机：空压机：3600KW3600KW 37800NM3/hr 37800NM3/hr 出口压力出口压力70psig(70psig(表压表压5bar)5bar) 2、空分流程、
6、空分流程-净化净化 空气被压缩后，经历哪些净化设备？空气被压缩后，经历哪些净化设备？1.冷冻机冷冻机去除压缩空气中的大多数水去除压缩空气中的大多数水通过冷冻机压缩空气从通过冷冻机压缩空气从35降低到降低到5，随着温度，随着温度的降低，饱和空气中的水分含量也降低，从的降低，饱和空气中的水分含量也降低，从而尽多可能的冷凝空气中的水分，并通过而尽多可能的冷凝空气中的水分，并通过排水阀排放冷凝水排水阀排放冷凝水2.吸附塔吸附塔去除空气中的水蒸气去除空气中的水蒸气去除空气中的去除空气中的CO2去除碳氢化合物（除了去除碳氢化合物（除了CH4）填料：活性氧化铝（去除水分）填料：活性氧化铝（去除水分） 分子筛
7、（去除二氧化碳和碳氢化合物）分子筛（去除二氧化碳和碳氢化合物）吸附塔分吸附塔分A/B两塔，其中一塔吸附，一塔再生（使用污氮）两塔，其中一塔吸附，一塔再生（使用污氮）吸附塔内的主要材质：分子筛（去除吸附塔内的主要材质：分子筛（去除CO2）和氧化铝）和氧化铝(去除去除H2O)Air composition空气组分空气组分Normal正常正常Possible peak in athm. Air在标准状态下可能的最高值在标准状态下可能的最高值Acceptable max. in purified air空气净化后允许的最大值N2 Nitrogen (氮气)O2 Oxygen(氧气)Ar Argon(氩
8、气)78.11% 20.96% 0.93%Na(无)Na(无)H2O Water(水)Depends on weather100% at inlet of purification取决于大气进口的气候100% in atm. air0,1 ppmCO2 Carbon dioxide 二氧化碳350 to 450 ppm600 ppm0,1 ppmCnHm Total carbons(without CH4)碳氢含量(不包括甲烷) 0.1 ppm0.5 ppm0.1 ppmNe Neon(氖气)He Helium (氦气)CH4 Methane (甲烷)Kr Krypton (氪气)H2 Hyd
9、rogen (氢气)Xe Xenon(氙气)18 ppm5.2 ppm1 to 6 ppm 1.139 ppm 0.5 ppm0.086 ppm15 ppm8 ppm净化前后的空气组分净化前后的空气组分通过吸附塔去除压缩空气中的水、二氧化碳、通过吸附塔去除压缩空气中的水、二氧化碳、碳氢化合物的必要性：碳氢化合物的必要性：1 1、去除水蒸气、去除水蒸气 在以后的深冷单元，水蒸气将凝结成固态，造成管路堵塞在以后的深冷单元，水蒸气将凝结成固态，造成管路堵塞2 2、去除二氧化碳、去除二氧化碳 在以后的深冷单元，二氧化碳将凝结成固态，俗称干冰，造成管路在以后的深冷单元，二氧化碳将凝结成固态，俗称干冰，造
10、成管路 堵塞堵塞3 3、去除碳氢化合物、去除碳氢化合物 根据周围环境的不同，尽管含量很低，却能再精馏塔内聚集，在氧根据周围环境的不同，尽管含量很低，却能再精馏塔内聚集，在氧气存在的环境中会导致爆炸气存在的环境中会导致爆炸 3、空分流程、空分流程-制冷制冷空气为什么需要制冷？空气为什么需要制冷？ 将空气温度降低到将空气温度降低到-150，达到空气液化的临界值，进入下一步精馏塔内参与，达到空气液化的临界值，进入下一步精馏塔内参与精馏精馏给空气换热的冷量来自哪里？给空气换热的冷量来自哪里？精馏产生的低温污氮精馏产生的低温污氮精馏产生的低温循环气精馏产生的低温循环气精馏产生的低温氮气精馏产生的低温氮气
11、Distillation ColumnsDistillation Columns精馏塔精馏塔Main Main ExchangerExchanger主换热器主换热器Pre-coolingPre-coolingPurificationPurification预冷与净化预冷与净化 T TAir to Air to distillation distillation columncolumn空气去精馏塔空气去精馏塔Production from Production from distillation distillation columncolumn出精馏塔的产品出精馏塔的产品Air Air Co
12、mpressionCompression空气压缩空气压缩精馏塔层面上的冷量产生精馏塔层面上的冷量产生：冷箱层面上的冷量产生冷箱层面上的冷量产生Air CompressionAir Compression空气压缩空气压缩Heat ExtractionHeat Extraction冷量的制取冷量的制取Main ExchangerMain Exchanger主换热器主换热器Distillation Distillation ColumnsColumns精馏塔精馏塔Insulated cold boxInsulated cold box绝热冷箱绝热冷箱Pre-coolingPre-coolingPur
13、ificationPurification预冷与净化预冷与净化 T THeat lossesHeat losses热量损失热量损失Heat LossesHeat Losses热量损失热量损失Air to distillation Air to distillation columncolumn空气进入精馏塔空气进入精馏塔Production from Production from distillation columndistillation column从精馏塔返流的产品从精馏塔返流的产品Production to liquid Production to liquid storagest
14、orage输送到储罐的液体产品输送到储罐的液体产品 冷量平衡冷量平衡Free air expansion自由膨胀(节流)expansion with “external work” (turbine) 输出外功的膨胀Liquid assist 辅助液体Radiation (imperfect insulation) 热辐射（非理想状况的绝热）Difference at the warm end of the main exchanger 主换热器热端温差Liquid products 液体产品Cold production冷量产生Cold losses冷量损失 Air separation u
15、nit空分装置Liquid Production液体产品 冷损的分布：冷损的分布：Small units小型装置小型装置Large units大型装置大型装置GAS气体气体LIQUID液体液体GAS气体气体LIQUID液体液体Insulation 绝热绝热70%7%20%1%Warm end gaps 热端温差热端温差30%2%80%3%Liquid production 液体产品液体产品0%91%0%96% 冷量的补充：冷量的补充： 1 1、通过空气节流获得，流过阀门时空气、通过空气节流获得，流过阀门时空气流会产生膨胀和温降。气体的总能量不便，流会产生膨胀和温降。气体的总能量不便，压力盒温度
16、下降（焦耳压力盒温度下降（焦耳- -汤姆逊效应）汤姆逊效应） 2 2、通过外部做功膨胀获得，通过膨胀机、通过外部做功膨胀获得，通过膨胀机的空气流会产生压降和温降，涡轮做功能消的空气流会产生压降和温降，涡轮做功能消耗气体的能量，气体的能量通过膨胀机的主耗气体的能量，气体的能量通过膨胀机的主轴发散轴发散 3 3、通过液体辅助获得，流程中注入的液、通过液体辅助获得，流程中注入的液态氮能再流程中抵消冷损态氮能再流程中抵消冷损膨胀循环膨胀循环膨胀循环：膨胀循环：膨胀循环：膨胀循环：HPGAN高压氮气LIN液氮AIR空气Q cycle 循环氮气LPGAN低压氮气FeedCompressor进料压缩机 氮气
17、膨胀单循环模式：氮气膨胀单循环模式：AIRAIR空气空气GANGAN氮气氮气 WN WN污氮污氮 GOX GOX氧气氧气空气膨胀单循环模式：空气膨胀单循环模式：AIRGAN WN GOX完整的循环过程：完整的循环过程：WNWN2 2 污氮污氮LIN LIN 液氮液氮Gaseous nitrogen to networkGaseous nitrogen to network气氮入管网气氮入管网LP GAN LP GAN 低压氮气低压氮气Air from purificationAir from purification来自净化系统的空气来自净化系统的空气C2C2C3C3D1D1Expansion
18、ExpansionValveValve节流阀节流阀Gaseous air to MP Gaseous air to MP columncolumn气态空气入中压塔气态空气入中压塔（下塔（下塔）Gaseous nitrogen to compressorsGaseous nitrogen to compressors气氮进压缩机气氮进压缩机Waste nitrogen to purificationWaste nitrogen to purification污氮入净化器污氮入净化器Liquid air to LP Liquid air to LP columncolumn液态空气入低压塔液态空气
19、入低压塔E3E3空分装置源源不断生产氮气，精馏塔内保持-150以下的低温是怎样做到的冷量补充1膨胀机-气体通过膨胀机对外做功，降低气体的焓 值从而使气体的温度降低，产生冷量2储罐内的液氮-法美高新B50储罐，作为每次开机 启动的冷源，向精馏塔内补充低温液体，从而快 速让塔内温度下降到适合精馏的温度4、空分流程、空分流程-精馏精馏空气中最主要的两个组分为氮气和氧气，其中氮气沸点-196，氧气沸点-183相对而言，氮气属于易于挥发组分，而氧气属于不易挥发组分（易冷凝组分）Most volatile element易挥发氮组分聚集在塔顶Less volatile element易冷凝氧组分聚集在塔底
20、CONDENSER冷凝器Trays塔板BOILER沸腾器Enrichment in LightEnrichment in Heavy建设中的精馏塔建设中的精馏塔现场实物：现场实物： 精馏填料：精馏填料：NITROGEN氮气OXYGEN氧气PACKINGPACKING填料填料Continuous liquid vapor contact持续的液体蒸气接触VAPOR RICHER AND RICHER蒸气中氮气浓度越来越高IN NITROGEN氮气LIQUID RICHER AND RICHER液体中氧浓度越来越高IN OXYGEN气态液态持续接触经过内部若干层换热塔板的热交换，越往塔顶氮气纯度越
21、高，而相应的越往塔底氧气的纯度越高。京东方所需要的氮气就是在精馏塔顶产生的（见图气氮提取）！然而精馏塔产生的气氮压力约30Kpa，需要经过氮气压缩机加压到9barg,通过氮气输送管道输送到京东方再经过减压到7barg左右进入产线如果只需要氮产品，仅仅上半段的精馏塔就足够了LIN液氮LOX液氧HP GAN中压氮气LP column低压塔HP columnGOX氧气Rich liquid液空Lower稍低部Impure nitrogen污氮LP GAN低压氮气Top hat辅塔Upper顶部lean liquidlean liquid贫液Gaseous AIR气态空气动力技术部动力技术部 气体化学科气体化学科
