空分工艺空分工艺制作单位：生产技术部制作单位：生产技术部制作单位：生产技术部制作单位：生产技术部0 0 目目 录录 一、概述•1、空分的含义•2、空气分离的方法•二、空分装置的流程和特点•1、装置的流程•2、按流程的顺序分别介绍各个系统•三、空分设备的安全规定及一些事故案例1 1 一、概述2 2 空分的含义空分的含义•空分的含义：空分，空分的含义：空分，顾名思义即空气的分顾名思义即空气的分离，是利用不同的方法将空气中的各组分离，是利用不同的方法将空气中的各组分分离开来，从而获得所需要的氧气、氮气分离开来，从而获得所需要的氧气、氮气及一些稀有气体的过程及一些稀有气体的过程3 3 空气分离的方法• 空气中的主要成分是氧气、氮气、氩气、二氧化碳以及一些其它气体和杂质它们在空气中分别以分子的状态存在, 数目非常多，并且永不停息地作无规则的运动，均匀地相互搀混在一起，要将它们分开，目前主要有三种方法：低温法、吸附法、膜分离法空气中主要组分的性质如下：空气中主要组分的性质如下：名称化学符号 沸点℃101.325KPa 熔点℃101.325KPa 密 度 临 界 点Kg/m3气体 Kg/l液体 ℃ 氮N2 -195.8 -209.86 1.25 0.81 -147 氧O2 -183 -218.4 1.43 1.14 -119 氩Ar -185.7 -189.2 1.782 1.4 -122 4 4 • 1、低温法：•原理：是根据空气中各组分的沸点不同，经加压、预冷、纯化、并利用大部分由透平膨胀机提供的冷量使之液化，再进行精馏，从而获得所需要的氧气、氮气及其它稀有气体的过程。
具体原理为空气经过增压膨胀对外作功处于冷凝温度,当穿过比它温度低的氧、氮组成的液体层时,由于气、液之间温度差的存在,要进行热交换,温度低的液体吸收热量开始蒸发,其中氮组分首先蒸发,温度较高的气体冷凝,放出冷凝热,气体冷凝时,首先冷凝氧组分.此过程一直进行到气、液处于平衡状态这时,液相由于蒸发,使氮组分减少,同时由于气相冷凝的氧也进入液相,因此液相的氧浓度增加了,同样气相由于冷凝,使氧组分减少,同时由于液相的氮进入气相,因此气相的氮浓度增加了.5 5 •多次的重复上述过程,气相的氮浓度就不断增加,液相的氧浓度也能不断的增加.这样经过多次的蒸发与冷凝就能完成整个精馏过程,从而将空气中的氧和氮分离开来• 2、吸附法：• 原理：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）对氮具有较强的吸附性能，让氧分子通过，可得到较高纯度的氧气；有的分子筛（碳分子筛等）对氧具有较强的吸附性能，让氮分子通过，可得到较高纯度的氮气，从而实现空气的分离但吸附法目前的氧气纯度只有93%左右 • 3、膜分离法：• 原理：它是利用一些有机聚合膜的渗透选择性，当空气通过薄膜或中空纤维膜时，氧气穿透过薄膜的速度约为氮的4-5倍，从而实现氧、氮的分离 。
膜分离的富氧浓度只能达到28～35%O2 • 目前应用较多的是低温法（又叫深度冷冻法）它的优点：生产量大，产品纯度高，电耗低且可得到液态产品，故应用广泛6 6 二、克旗煤制气公司配套的空分装置的流程和特点7 7 克旗公司采用的空分装置特点•本界区空分装置共三期六套，其中主精馏塔由杭州杭氧股份公司制造，单套空分装置制氧能力48,000Nm3/h，制氮能力80,000Nm3/h，同时副产工厂空气、仪表空气、液氮和液氧•本装置生产的纯度为99.8%的氧气主要供下游气化装置使用，作为气化炉的原料气参加反应；•纯度为99.99%的氮气供下游工艺生产使用，作为保护气和吹扫用气；•副产的工厂空气、仪表空气供所有化工区各分厂和正常生产动力车间生产装置使用，作为仪表气源和吹扫用气8 8 装置的流程形式•空分的设备采用的是单泵内压缩、空气增压循环、膨胀空气进下塔的内压缩流程•空分装置流程主要分外压缩、内压缩•外压缩外压缩就是利用氧气压缩机将空分装置出来的低压产品氧气压缩至 用户所需要的压力等级•内压缩内压缩是采用液氧泵对产品液氧进行压缩，然后换热汽化的一种流程形式•内压缩流程分类 内压缩流程的形式比较多，根据流程形式大致分为三种： 1、单泵、双（多）泵内压缩流程。
2、空气增压循环和氮气增压循环 3、膨胀空气进上塔和膨胀空气进下塔•内压缩流程的优点 1、取消了氧压机，无高温气氧，火险隐患小，安全性好 2、从主冷大量抽取液氧，使碳氢化合物的积聚的可能性降低9 9 组成空分装置的几个系统•整个空分装置必须解决以下几个问题：•一、 如何清除空气中的杂质；•二、 如何为装置提供带压的空气；•三、 如何将空气冷却到液化温度；•四、 如何将空气分离成氧、氮；•五、 如何将产品送到用户；•六、 如何控制制氧过程中的正常进行•为此，空分装置中相对应的建立了以下几个系统：•一、 杂质的清除系统（空气过滤器和纯化系统）；•二、 空气加压系统（空压机及增压机系统）；•三、 空气的冷却和液化系统（预冷系统和膨胀机、换热器系统）；•四、 空气的精馏系统（分馏塔系统）；•五、 产品的输送、贮存系统（压氮系统和液体贮存系统）；•六、 仪电控制系统1010 KDON-48000/80000型空分装置简易流程•空气空气蒸蒸汽汽空空冷冷塔塔膨胀机膨胀机汽轮机汽轮机下下塔塔上上塔塔增增效效塔塔 主冷主冷压力氮气去压缩机压力氮气去压缩机分子筛分子筛高压氧气高压氧气4.7MPa污氮气去水冷塔污氮气去水冷塔粗氩气粗氩气低压氮气去水冷塔低压氮气去水冷塔污污氮氮气气去去分分子子筛筛1111 流程叙述流程叙述• 本 装置为分子筛净化空气、空气增压、膨胀空气进下塔、氧气内压缩流程，带中压空气增压透平膨胀机，采用规整填料上塔、增效氩塔工艺。
• 原料空气自吸入口吸入，经自洁式空气过滤器除去灰尘及其它机械杂质过滤后的空气进入离心式空压机，经原料空气压缩机压缩后进入空气冷却塔冷却冷却水为经水冷塔冷却后的水空气自下而上穿过空气冷却塔，在冷却的同时，又得到清洗• 经空冷塔冷却后的空气进入切换使用的分子筛纯化器，空气中的二氧化碳、碳氢化合物和水分被吸附分子筛纯化器为两只切换使用，其中一只工作时，另一只再生纯化器的切换周期约为480分钟，定时自动切换1212 • 净化后的空气分为两股：一股进入低压板式换热器，与返流的气体换热后出换热器底部后进入下塔；另一股去空气增压机• 进入空气增压机的空气经增压机第一段增压后分为两股：一股直接出增压机，经后过冷器冷却后进入膨胀机的增压风机中增压，然后被冷却器冷却至常温后进入高压板式换热器，再从高压板式换热器中部抽出进入膨胀机去膨胀膨胀后的空气送入下塔• 另一股空气在增压机的第二段继续增压并经后冷却器冷却至常温后进入高压板式换热器，与高压液氧及返流污氮气体换热这部分高压空气从换热器底部抽出经节流进入下塔• 空气经下塔初步精馏后，获得液空和污液氮，并经过冷器过冷后节流进入上塔。
经上塔进一步精馏后，在上塔底部获得液氧，并经液氧泵压缩后进入高压板式换热器，复热后出冷箱，进入氧气管网另抽取液氧送入液氧贮存系统• 在下塔顶部获得纯液氮，送入液氮贮存系统• 1313 • 在下塔顶部抽取压力氮气，经低压板式换热器复热后出冷箱，进入氮气管网 从上塔中部抽取一定量的氩馏份送入增效粗氩塔，氩馏份经增效粗氩塔精馏后得到粗氩气粗氩气经过低压板式换热器复热后出冷箱，可以与污氮气汇合去水冷塔也可以单独作为粗氩气产品 从上塔顶部抽取低压纯氮气经过冷器、低压板式换热器复热后送入水冷塔或送入用户管网 从上塔上部引出污氮气经过冷器、低压板式换热器和高压板式换热器复热出冷箱后分成两部分：一部分进入分子筛系统的蒸汽加热器，作为分子筛再生气体，其余污氮气去水冷塔下面分别介绍流程中的各个系统1414 1、空气过滤系统 在工业区的空气含尘量一般为1-5 mg/m3灰尘粒度为0.5-20μm，以 10 000m3/h制氧机的加工空气量估算，每天随加工空气带到空分装置的灰尘就有10kg之多空压机如果直接吸入这样脏的空气，很快就会损坏，因此，在进入空压机之前均设置空气过滤器，清除空气中的固体杂质。
固体杂质颗粒直径大于100μm的在重力作用下会自动降落，小0.1μm的极小粒子不致引起危害,所以需要净除的对象为100-0.1μm的尘粒,空气过滤器主要捕集的是10０-0.1μm的尘粒.净除后空气中含固体杂质的量小于0.5mg/m31515 •一、除尘的方式：• 1、过滤除尘：使含尘气体通过滤料，将尘粒分离捕集• 2、惯性除尘：是使气流进行急剧的方向改变，借尘粒本身的惯性力作用将其分离• 3、离心力除尘：使含尘气体作旋转运动• 4、洗涤除尘：液滴、液膜、气泡、粘附• 5、静电除尘•二、过滤器的分类：• 空气过滤器可分为干式或湿式两种干式过滤器属于表面式过滤器，靠织物网眼阻挡尘粒；湿式过滤器靠油膜粘住灰尘 1616 自洁式过滤器1717 原料空气压缩机和原料空气压缩机和 增压空气压缩机增压空气压缩机 作用：提供带压原料空气结构：成套进口德国曼透平公司的产 品，由汽轮机拖动两台离心式压缩机空压机排气量：251 000Nm3/h, 0.595MPa(A) 增压机 流量 压力一级: 6 000Nm3/h,0.80MPa(A)一段：25 000Nm3/h,2.82MPa(A)二段：83 000Nm3/h,7.30MPa(A) 2、空压机及增压机系统1818 原料空气压缩机和增压空气压缩机原料空气压缩机和增压空气压缩机• 原料空气压缩机和增压空气压缩机均采用离心式压缩机，由透平蒸汽轮机驱动。
原料空气压缩机的作用是为装置提供带压为装置提供带压原料气原料气，增压空气压缩机的作用是为装置为装置提供膨胀及液氧气化提供膨胀及液氧气化的气源的气源 1919 原料空气压缩机原料空气压缩机 空压机为水平剖分外挂悬臂蜗室结构，第一级叶轮外挂悬臂，入口处带有可调进口导叶，第二、三、四级叶轮与一级叶轮同向布置，一、二、三级后均设内置式中间冷却器 2020 增压空气压缩机增压空气压缩机型式： 整体齿轮式进入空气增压机的空气经增压机第一段增压后分为两股：一股直接出增压机，经后冷却器冷却后进入膨胀机的增压风机中增压，然后被冷却器冷却至常温后进入高压板式换热器，再从高压板式换热器中部抽出进入膨胀机去膨胀膨胀后的空气直接送入下塔另一股空气在增压机的第二段继续增压并经后冷却器冷却至常温后进入高压板式换热器，与高压液氧及返流污氮气进行换热这部分高压空气从换热器底部抽出经节流进入下塔2121 3、预冷系统•空气冷却塔 •作用：把空压机出来的高温气体（<116℃）冷却到17℃•结构：填料塔•使用方式：空气从空冷塔下部进入，在填料表面与自上而下流过的冷却水和常温水进行热质交换，使空气冷却并洗除空气中的一些有害杂质，冷却水来自水冷塔。
2222 4、 纯化系统 分子筛纯化系统分子筛纯化系统作用：吸附空气中水分、乙炔、CO2及一些碳氢化合物结构：卧式圆筒体，内设支承栅架使用方式：由于分子筛的吸附特性将空气中的水份、乙炔、 CO2等吸附，后被高温气体反向再生分子筛吸附器成对交替使用，一只工作时，另一只被再生2323 设置此系统的必要性• 空气是多组分组成，除氧气、氮气等气体组分外，还有水蒸汽、二氧化碳、乙炔及少量的灰尘等固体杂质• 这些杂质随空气进入空压机与空气分离装置中会到来较大危害，固体杂质会磨损空压机运转部件，堵塞冷却器，降低冷却效果；水蒸气和二氧化碳在空气冷却过程中会冻结析出，将堵塞设备及气体管道，致使空分装置无法生产；乙炔进入空分装置后会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有必要的2424 分子筛的吸附顺序 CH4C2H6C3H8N2OC2H4CO2C2H2C3H6nC4H10iC4H10C6H6C3H6OO3NOH2O甲烷 CH4乙烷C2H6丙烷 C3H8一氧化二氮N2O乙烯 C2H4二氧化碳 CO2乙炔 C2H2丙烯 C3H6正丁烷 nC4H10异丁烷 iC4H10苯 C6H6丙酮 C3H6O臭氧O3一氧化氮NO 水H2O 设计吸附率CO2含量为0.1ppm时的吸附率0 %0 %65 %65 %85 %100 %100 %100 %100 %100 %100 %100 %100 %100 %100 %0 %0 %50 %50 %70 %100 %100 %100 %100 %100 %100 %100 %100 %100 %100 %2525 5 5、、膨胀机系统膨胀机膨胀机作用：膨胀机是空分设备的心脏部机之一，由气体在膨胀机中等熵膨胀而制取冷量，补充系统冷损。
2626 透平膨胀机制冷的基本原理• 膨胀机是为空分装置提供冷量的设备，根据能量转换和守恒定律，气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外作功时，气体的能量一定要减少，从而使气体本身强烈地冷却，而达到制冷的目的2727 影响膨胀机制冷量大小的因素•1、 膨胀量：• 膨胀量越大，氧提取率越底，膨胀量需同时满足冷量平衡及精馏工况的需求•2、 机前温度：•提高机前温度，单位制冷量提高；•3、 机前压力：•提高机前压力，增大膨胀比，单位制冷量提高；•4、 绝热效率2828 主热交换器作用：进行多股流之间的热交换结构：为多层板翅式，各通道中的冷热气流通过翅片和隔板进行良好的热交换使用方式：对压缩空气进行冷却，直到达到接近液化温度，各返流流体在此被加热到常温主热交换器6、换热系统、换热系统2929 3030 高压板式换热器3131 二、液空、液氮过冷器•两台板翅式铝制换热器•杭氧制造3232 空气的精馏过程： 利用氧、氮的沸点不同，混合液体吸收蒸汽的热量而部分蒸发，沸点低的氮较多的蒸发，而蒸汽在放出热量后部分冷凝，沸点高的氧较多的冷凝这样蒸气中的氮浓度越来超高，液体中的氧浓度也越来越高。
这样通过多次的部分蒸发与部分冷凝来完成整个精馏过程，从而将空气中的氧和氮分离开来7、分馏塔系统3333 分馏塔3434 上塔内部结构示意图3535 下塔原理示意图BUBBLING AREAGASGASLIQUIDSEPARATIONLIQUID FROMGASENTRAINMENTDEGASINGOFLIQUIDCLEAR LIQUIDDOWNCOMERCLEARANCEOUTLET WEIRINLET WEIRTRAY SPACINGDOWNCOMERSEAL PANINLET BAFFLEWEIR CRESTDOWNCOMERSEAL AREA3636 塔板上气体穿过液层3737 精馏系统模型3838 主冷凝蒸发器主冷凝蒸发器•采用全浸式操作方式，不会产生干蒸发，且对于液氧通道采用截距较大的翅片与独特的补液措施，使大液池中低碳氢化合物浓度的液氧不断补充进主冷板式单元的液氧通道中，使单元内液氧中碳氢化合物不浓缩当液氧操作液位低于主冷凝蒸发器板式单元高度的80%时，报警系统立即报警 ——其次对于液氧通道采用截距较大的翅片，使液氧流动更通畅不易堵塞通道，并降低微小颗粒所产生的静电，从结构上根本解决了主冷内部的安全防爆问题。
并且在液氧侧还有接地保护装置——再次，在整个液氧大池中，保持液氧侧较高的循环倍率，并通过加大液氧排放量使液氧底部不会出现易燃化合物的凝结3939 三、空分设备的安全三、空分设备的安全规定及一些事故案例规定及一些事故案例4040 空分装置的安全操作•在正常生产时，冷凝蒸发器液氧中的乙炔、碳氢化合物是空分装置的主要引爆源，必须对其严格控制液氧的安全排放是冷凝蒸发器防爆的一个有力措施，不能忽视 主冷液氧液位不能长期处于低液位，尽可能避免低液位，低液位易造成乙炔等CH化合物增浓，造成危险 •乙炔、碳氢化合物在液氧中的含量极限值规定如下: 化合物名称正常 值报 警 值停 车 值乙 炔0.01PPm0.1PPm1PPm碳氢化合物30PPm以下50PPm100PPm4141 一些空分装置的事故案例•空分装置主冷乙炔、碳氢化合物超标后，引发的主冷凝主冷凝蒸发器蒸发器爆炸4242 保温材料排放不当引起冷箱爆炸•预防措施：•（1） 严格按照规定珠光砂排放规程；•（2） 必须首先打开主冷箱顶部和板式冷箱顶部的所有人孔，适量通入冷箱密封气进行彻底加温；•（3） 与此同时必须将冷箱内所有设备加温至常温；•（4） 然后检查冷箱内气体的氧含量，若其氧含量超过20.95%，则应调整空分设备静置等待，直到符合标准。
以上工作检查均合格，方可排砂；•（5） 珠光砂的排放必须从冷箱顶部逐渐向下排放，下部人孔（包括珠光砂排放孔）严禁直接打开，珠光砂的排放应缓慢，若有冰块，必须从冷箱顶部取出．4343 液氧泵及氧气管道的燃烧爆炸• 氧气管道设计和操作不当会引起爆炸，摩擦发热，产生火花，会引起燃烧爆炸4444 3.27沙钢制氧厂氧气管道爆炸事故沙钢制氧厂氧气管道爆炸事故•2008/3/27沙钢制氧厂氧气管道爆炸,死亡2人.其中一人为沙钢正处干部,袁加宇厂长教训：：开关氧气阀门要慢！不一定只是有杂质才会爆炸，氧气管道瞬间加压产生的高温可能是主因！送氧之前一定要记得先吹扫，之后送氧时氧气阀门一定要缓慢打开，速度千万不能快•直接原因•1、吹扫不彻底吹了2次) 2、阀门前后压差大，未充压阀前20公斤氧气压力)•3、也是最重要的一点，从该阀门拆卸后从该阀的旁通阀中发现有油•间接原因•1、施工单位分3包，工程质量存在一定的问题•2、管道连接未氩弧焊打底，且发现内有钢筋一根•3、也是最重要的一点，公司赶时间赶进度4545 其他事故案例•1997年5月16日，辽宁抚顺乙烯化工厂6 000m3／h空分塔发生恶性爆炸，设备、厂房均遭严重毁坏，4人死亡、4人重伤、27人轻伤。
•2000年8月21日，江西萍乡钢铁公司制氧厂1 500m3／h空分装置检修现场发生燃爆事故，造成22人死亡、7人重伤、17人轻伤 •2003年8月22日，马鞍山钢铁公司氧气厂20 000m3／h空分设备安装时发生爆燃，人被弹出，并35％烧伤，经抢救脱险 •2006.5.30 日15 时，浙江义乌市凌云立交桥工地，一人在卸氧气瓶过程中发生气瓶碰撞，引发爆炸，该人当场死亡4646 工业气体的安全 • 防止窒息引起死亡的措施：• a、防止氮气的局部增浓，如有增浓做出标记，并加以强制通风；•ｂ、严禁人员进入氮气增浓区域；•ｃ、人员进入氮气容器或管道前，必须检查确认无氮气增浓方能进去，并在安全人员的监督下进行4747 充装站的安全• 1、氧气流通严禁油脂；• 2、氧气放散严禁烟火；• 3、氧气、液氧、液空和氮气设备管道上铺设防静电积累的放静电接地装置• 4、防水；• 5、严禁吸烟、明火；• 6、人员穿戴不带有铁钉的鞋子，衣着也要禁油，防静电；• 7、防超压4848 结束语 •目前，空分装置正在紧锣密鼓的试运之中，空分分厂检修小组正在以饱满的热情投身到各项准备工作中，我们的目标：保证空分界区正常运转。
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