空分车间生产工艺与原理.docx

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空分车间生产工艺与原理

空分车间生产基本工艺与原理

1、空分综述

1.1、空气及空气分离

空气存在于我们地球表面，属典型的多组分混合物，主要成分有氮

气、氧气及惰性气体，按体积含量计，氧气占20.95%、氮气占78.09%、

氩占0.932%，此外还有微量的氢、氖、氦、氪、氙、氡，以及不定量的水蒸汽及二氧化碳。

在标准状况下，空气液化温度为87.7K。

空气分离是指把空气通过一定的方法分离出氧气、氮气和惰性气体的过程。

目前分离的方法主要有深冷法、变压吸附法、膜分离法，它们各有自己的优缺点。

变压吸附法、膜分离法主要用于低纯度、小型空分设备；焦炉煤气制合成氨项目用产品气量大且纯度要求高，故采用深冷法。

深冷法基本原理是：

将空气液化后，根据各组份沸点不同，通过精馏将各组分进行分离。

空气分离的主要产品为氧气及部分氮气。

1.2、空分装置简介

1.2.1.装置特点我公司选用了由开封黄河制氧厂生产的第六代空分装置，流程上采用全低压、外压缩，不提氩的结构。

主要特点：

⑴采用带自动反吹的自洁式空气过滤器，保证了运行周期及运行效果；

⑵预冷系统利用多余的污氮气及氮气对水进行冷却，降低冷水机组热负荷，减小冷水机组功率选型，不但节能且充分利用了富余气体干基吸湿

潜热；

⑶采用分子筛吸附，大大简化空气净化工艺，延长了切换周期，减少

加工空气切换损失。

利用分子筛所具有的选择性高吸附率，提高了净化效

果，减少碳氢化合物、氮氧化物及二氧化碳进入液氧的量，确保主冷的安全同时延长装置大加温周期；

⑷采用增压机制动的透平膨胀机，提高单位气体制冷量，减少膨胀空气对上塔精馏段的影响，优化了精馏操作；

⑸分馏塔下塔采用高效塔板，上塔采用规整填料，降低精馏塔操作压

力，提高了塔板和填料的精馏效率，保证了氧的提取率、降低制氧单耗；

⑹设置液氧贮槽及汽化系统，加大主冷液氧排放量，杜绝碳氢化合物、

氮氧化物及二氧化碳在液氧中析出，最大限度保证主冷安全。

液氧汽化系统为空分装置短停时系统用氧提供了方便，确保后工段工艺连续，减少后工段开停车损失；

⑺装置采用DCS集散控制系统，使操作更加方便和稳定。

1.2.2.装置主要参数

空分装置型号为KDON—4500/6000，其主要参数：

⑴空压机：

≥25000Nm3/h,出口压力：

0.6MPa（G）;

⑵氧气：

产量≥4500Nm3/h，纯度99.6%，出界区压力：

3.0MPa（G）;

⑶氮气：

≥6000Nm3/h，纯度99.99%，出界区压力0.8MPa（G）;

⑷仪表空气≥3000Nm3/h，露点≤－40℃,出界区压力≥0.8MPa（G）。

1.2.3.装置设计运行要求

⑴操作弹性

本装置可在不外加任何设备的情况下，能以设计氧产量的75～105%变

负荷工况范围内运行，并满足产品质量要求。

⑵主要操作特性

综合制氧电耗：

≤0.48Kwh/Nm3O2；

连续运行周期：

2年；

装置寿命：

≥20年；

开车时间：

在全部解冻后，达到设计产量的开车时间约36小时；

临时停车后开车时间：

停车8小时后，4~6小时产氧；停车24小时后，8~10小时产氧；

冷箱解冻时间：

约36小时。

1.3、装置组成

主要分两部分：

气体分离部分及气体压缩部分

1.3.1气体分离部分

A.空气压缩系统

空气自洁式过滤器1台、离心式空气压缩机组1套

B.空气预冷系统

空冷塔1台、水冷塔1台、冷却水泵2台、冷冻水泵2台、过滤器5台、冷水机组1台

C.空气纯化系统

分子筛吸附器2台、电加热器2台、程控切换阀1套、消音器1台

D.膨胀制冷系统

增压透平膨胀机组2台、增压机后冷却器2台、过滤器4台

E.

分馏系统

发器1台、过冷器1台、筛板下塔、规整填料上塔、保冷箱、消音器2台、

空气喷射蒸发器1台

F.液氧贮存气化系统

液氧贮槽1台、汽化器1台、液氧冲车泵1台

1.3.2气体压缩部分

A.氧气压送系统

氧压机3台，（活塞压缩机，电机驱动，带中间及末级冷却器）

B.氮气压送系统

氮压机2台，无油润滑双螺杆式压缩机，电机驱动

C.仪表空压站系统

仪表空压机2台，喷油双螺杆式压缩机，电机驱动

1.3.3其他部分：

主要有仪控、电控、化验分析等系统

1.4、空分用途空分车间的产品有氧气、氮气及仪表空气，其用途主要有：

1.4.1.氧气：

主要供合成氨系统的转化炉内焦炉煤气氧化燃烧1.4.2.氮气：

供全厂工艺系统吹扫、置换、升温还原时使用

1.4.3.仪表空气：

供全厂自动化仪控系统使用

1.5、制氧工艺流程原料空气在空气过滤器中除去灰尘和机械杂质后，进入由电机驱动离

心式空气压缩机升压到0.6Mpa（G）。

压缩后空气进入空气冷却塔进行清洗和预冷却，在空气冷却塔中，空气从冷却塔的下部进入，分别与循环水系统来的冷却水和经过水冷塔及冷水机组来的10℃脱盐水逆向接触，降低温度同时空气中一部分酸性气体溶解到水中后从空冷塔顶部出来。

空气冷却塔出口空气温度低于12℃。

另外空气冷却塔顶部设有丝网除雾器，以除去空气中的夹带水滴，避免游离水带入纯化系统。

空气经空冷塔降温后进入由自动程序控制交替使用的分子筛纯化器。

在此原料空气中的H2O、CmHn、CO2等杂质被分子筛吸附器清除净化。

净化后的加工空气分两股，一股相当于膨胀量的空气进入增压透平膨胀机组增压端增压，然后被来自预冷系统冷冻水冷却后进入主换热器。

主换热器中膨胀空气通道分为中部抽出和底部抽出两股，膨胀空气经主换热器两部分抽出口混合后进入增压透平膨胀机组膨胀端，膨胀制冷后送入分馏塔上塔参与精馏；另一股大部分空气直接进入主换热器，被返流产品气体冷却至饱和温度进入下塔。

空气经下塔初步精馏后，在下塔底部获得液空，在下塔顶部获得纯气氮，下塔顶部纯气氮在主冷中被上塔底部液氧冷却后变为纯液氮，一部分回流至下塔的作回流液，另一部分由过冷器过冷后送入上塔精馏段作回流液。

下塔抽取的液空，由过冷器过冷后送入上塔作为提馏段回流液进一步精馏后，在上塔底部获得纯氧，气氧经主换热器复热后出冷箱，经氧气压缩机组加压后进入氧气管网。

从上塔顶部得到的纯气氮，经过冷器、主换热器复热后出冷箱，送至氮压机压缩后进入工厂氮气管网。

从上塔顶部引出污氮气，经主换热器复热后出冷箱，一部分进入电加热器作为分子筛再生气体，其余气体送预冷系统水冷塔增湿后排入大气。

2、空气压缩系统

2.1岗位任务将大气中空气除去灰尘和机械杂质后，通过离心空压机加压至所需压

力，为装置提供所需原料气。

2.2工艺流程

来自大气的空气经自洁式空气过滤器除去灰尘后，经空压机进口导叶进入空压机一级进行压缩，压缩后气体经一级冷器冷却后进入二级，二级压缩后经二级冷器冷却后进入三级，三级压缩后经末级冷却达到工艺要求进入后工序。

2.2.1工作原理

离心式空气压缩机在电动机驱动下，带动具有叶轮的主轴旋转使压缩机叶轮对气体做功，同时增大其压力及动能，然后在扩压器内将动能转变为势能，使空气压力进一步提高。

该机组设置了进口导叶用以控制入压缩机流量。

为防止压缩机“喘振”，机组设置防喘振系统。

并设有轴温度、振动、位移、润滑油压力等检测及联锁保护装置。

2.2.2主要控制指标

空气流量：

≥25000Nm3/h；

出口压力：

0.6MPa（G）；

出口温度：

≤80℃；

自洁式过滤器压降：

≤650Pa。

2.2.3设备状况

空气自洁式过滤器1台：

带有自动反吹功能。

离心式空气压缩机组1套：

含油系统、水系统、电控及仪控系统。

10KV异步电机驱动系统。

3.氮水预冷系统

3.1岗位任务

将离心压缩机来的热空气通过冷却水及冷冻水进行冷却，使其温度降至10℃左右，同时洗涤空气中少量灰尘及酸性气体，为分子筛纯化系统提供合格的原料气。

3.2工艺流程

从空压机来的空气进入空冷塔的下部，自下而上穿过空冷塔的填料层。

来自水冷塔的冷冻水经冷冻水泵加压后进入空冷塔上部喷淋而下，上升空

气与下降的冷冻水逆流接触，使空气得到冷却和洗涤；再进入分离器分离出游离水后入纯化系统。

从空分装置来的部分污氮气及氮气进入水冷塔下部，来自脱盐水总管的脱盐水经水冷塔上部喷淋而下，污氮气及氮气与新鲜水逆流接触，使新鲜水温度降至10℃左右。

污氮气及氮气在水冷塔上部放空，新鲜水进入冷冻水泵入口。

3.3工作原理

空冷塔：

空气与低温水在空冷塔的填料中直接进行逆流接触，因温度和湿度的不同，发生传热传质过程，使空气得以冷却。

水冷塔：

脱盐水与污氮气及氮气在水冷塔的填料中直接进行逆流接触，因温度和湿度的不同，发生传热传质过程，使脱盐水得以冷却。

为防止带水，当液面过高或空气压力过大时，装置报警、连锁动作。

3.4、主要控制指标

空气出工序温度：

＜13℃（10℃左右）

空气压力：

0.52MPa

冷冻水流量：

30t/h

空冷塔液位为：

1200mm

水冷塔液位：

1200mm

3.5、设备状况

3.5.1．设备组成

空冷塔1台、水冷塔1台、冷却水泵2台、冷冻水泵2台、过滤器4

台、冷水机组1台

3.5.2．主设备——空冷塔、水冷塔结构及功能介绍塔设备类型有板式塔、填料塔、湿壁塔、降膜塔、喷雾塔等。

其中最常用的是板式塔和填料塔。

我公司的空冷塔、水冷塔均采用填料塔，以下主要对填料塔作一介绍。

A:

填料塔组成及原理填料塔一般由筒体、填料、填料支架、气体及液体分布器、中间支架、再分布器、进出口管及人孔等部件组成。

液体通过液体分布器均匀分布在填料顶层，在重力的作用下沿填料表面向下流动，与在填料空隙中流动的气体相互接触，产生传热和传质。

B:

筒体筒体一般由金属板材组成。

根据安装、检修需要，可采用整体焊接或分节组装结构。

筒体各部分的壁厚既要满足强度和刚度要求，又要满足稳定性要求。

C:

填料填料是填料塔的核心构件，填料的效率主要取决于填料的流体力学性能和传质性能，而其性能由填料的材质、大小及几何形状来决定。

设计中要基于减少压降、增大比表面积、增加流体湍动性及填料的润湿性等要求要考虑。

填料按其装填方式的不同可分为散堆及规整型填料，我公司的空冷塔、水冷塔均采用散堆填料，主要因其价格低廉。

散堆填料在塔内的装填方法有湿装和干装两种，我公司采用较简单的干装。

D:

填料支承填料支承用于支撑填料。

它应有如下：

第一要有足够的强度和刚度，能够承重；第二要具有大于填料层空隙率的开孔率，防止在此首先发生液泛；第三要结构合理，有利于气液的分布、阻力小，好拆装。

E:

液体分布器

填料的传质过程要求其截面上气液两相流体能均匀分布，从而实现密切接触、高效传质，液体的初始分布至关重要。

理想的液体分布器应具有以下条件：

第一液体分布密度要均匀；第二操作弹性要大，适应性好；第三要为气体提供尽可能大的自由截面积，阻力小；第四不易产生雾沫夹带，抗污垢性能好；第五结构合理，便于制造、安装、检修；第六占塔内体积要尽可能小。

F:

气体进出口管及人、手孔气体进出口管的设计主要考虑气体分布均匀、结构简单、便于制造安装等。

人、手孔主要用于装卸填料及内件，因此应注意其位置。

4、纯化系统

4.1、岗位任务

将预冷系统来的空气通过吸附除去水分、二氧化碳、乙炔及烃类化合物后，成为合格的原料气供给分馏系统及膨胀机组。

4.2、工艺流程

预冷系统来的空气经过分子筛，把其中的水分、二氧化碳、乙炔及烃类化合物吸附干净后，成为合格的原料气供给分馏系统及膨胀机组。

分子

筛吸附程序控制，分为吸附、泄压、加温、吹冷、充压、并联等几个阶段，再生用的污氮气来自分馏塔，加热时采用电加热器。

4.3、工作原理

空气纯化是利用分子筛的选择性，按照变温变压吸附的原理，吸附空气中的水蒸气、二氧化碳、乙炔等有害成分。

分子筛纯化系统由两台内装分子筛及铝胶的吸附器及切换阀门构成，铝胶主要吸附空气中水分，分子筛吸附空气中二氧化碳、乙炔等有害成分，吸附过程在低温、高压下进行。

由于分子筛吸附一定时间后达到饱和，需要对其进行再生，再生过程在高温、低压下进行，再生温度约160～190℃。

当一台吸附器处于吸附阶段时，另一台吸附器则处于再生阶段，再生气用来自分馏塔污氮气。

再生分为如下几个阶段：

通过泄压降低再生压力、利用电加热器对污氮气提高温度、通过冷吹达到下一次吸附的温度、通过充压、并联来缓解对分子筛的冲击，再生气从消音器放空。

两台吸附器根据时间顺序进行切换。

分子筛运行初期或大检修后，一般需要高温再生，温度约250℃。

因吸附过程

为放热过程，故吸附后空气温度升高。

为防止出工序空气二氧化碳超标、电加热器超温，均设置报警及联锁。

4.4、主要控制指标

空气出口二氧化碳：

≤1ppm空气出口露点温度：

小于-65℃再生温度：

160～190℃再生气流量：

5000Nm3/h高温再生温度：

250℃

4.5、设备状况

分子筛吸附器2台（内装吸附剂）、电加热器2台

程控切换阀1套、消音器1台

5、膨胀制冷系统

5.1、岗位任务将纯化系统来的部分空气经增压透平膨胀机组增压机增压并经主换

热器冷却后，由膨胀机的喷嘴节流降温及气体对膨胀机叶轮做功产生的等熵膨胀，从而产生冷量补充分馏系统的冷损。

5.2、工艺流程将纯化系统来的部分空气经增压机增压后由增压机后冷却器冷却，然

后入主换热器被出分馏塔的污氮、氮气及氧气冷却，通过对主换热器抽出气流量调节来控制进膨胀机的空气温度，进入膨胀机的空气经喷嘴节流及气体的等熵膨胀，从而产生冷量后进入分馏塔上部参与上塔精馏。

5.3、工作原理膨胀机制冷主要通过其喷嘴节流降温及气体对膨胀机叶轮做功产生等熵膨胀。

增压后的空气通过喷嘴后，因节流空气流速增大并且减压膨胀，使气体温度降低，而获得最大的速度；喷嘴出来的高速空气，又通过膨胀机叶轮做功，所做功由主轴传递给增压端叶轮对气体增压，实现等熵膨胀，使空气温度进一步降低。

膨胀机设有可调喷嘴来调节气体流量；并可通过增压机旁路来防止喘振及改变机组转速；安全方面设有温度、转速、油压等检测及联锁装置，并在膨胀机入口设有紧急切断阀

5.4、主要控制指标

增压机流量：

～3200Nm3/h

增压机进、出口压力：

0.635/0.84Mpa（G）

膨胀机入口温度：

168℃

膨胀机转速：

＜36000rpm

5.5、设备组成

增压透平膨胀机2台、增压机后冷却器2台、过滤器4台、油站2台

6、分馏系统

6.1、岗位任务

将分子筛来的空气冷却达到露点温度后，在分馏塔内通过精馏将空气分离成符合要求的氧气及氮气。

6.2、工艺流程

分子筛来的空气经主换热器被返流的污氮、氮气及氧气冷却后，达到露点温度进入分馏塔下塔，通过精馏在下塔底部得到富氧液空，下塔顶部获得高纯气氮，下塔纯氮气经主冷与上塔底部液氧换热后变为纯液氮。

液氮除一部分回下塔作为下塔回流液外，其余经过冷器过冷后送入上塔作为精馏段回流液。

下塔抽取的液空，经过冷器送入上塔作为提馏段的回流液。

最后在上塔底部获得氧气，经主换热器复热后出冷箱，通过氧气压缩机组加压后进入氧气管网，另外在主冷中取一部分液氧送至液氧贮槽；从上塔顶部得到纯氮气，经过冷器、主换热器复热后出冷箱，通过氮压机压缩后送工厂氮气管网，从上塔上部抽出部分污氮气，经过冷器、主换热器复热后出冷箱，一部分作为纯化系统再生气，其余送至水冷塔。

从膨胀机出来的膨胀空气经进入分馏塔上部参与精馏。

喷射蒸发器的动力气热源来自离心空压机出口，将分馏塔排放的部分液氧、液氮及液空

气化后排入大气。

6.3、工作原理

首先将加压空气在主换热器中进行冷却，使其达到露点温度开始液化，然后送入分馏塔下塔，由于各组份的沸点不同，利用精馏原理通过传热传质，通过多次的部分气化和部分冷凝，在下塔底部产生富氧液空，下塔顶部产生纯氮气。

冷凝蒸发器是联系上、下塔的纽带，对上塔是蒸发器，对下塔是冷凝器。

由于上、下塔压力不同，温度也不同，下塔氮气在主冷凝蒸发器内与上塔液氧换热变成液氮，分别作为上、下塔的回流液。

下塔底富氧液空过冷后再送至上塔继续精馏，则在上塔底部产生液氧，顶部产生纯氮气，中上部抽出部分污氮，经主换复热后送出系统。

6.4、设备组成

主换热器（污氮换热器、氮换热器、氧换热器）2组、主冷凝蒸发器

1台、过冷器1台、筛板下塔、规整填料下塔、保冷箱、消音器2台、空气喷射蒸发器1台。

7、气体压缩系统

7.1、岗位任务

氧压系统：

氧压机是将分馏塔来氧气加压后送至净化系统转化炉使用。

氮压系统：

将分馏塔来的氮气加压后送至工厂各工段供开停车时吹扫置换、触媒升温还原，流量约6000Nm3/h。

其中2400Nm3/h用无油润滑螺杆压缩机输送，其余在后工段开停车吹扫置换时由氧气压缩机输送。

仪表空压系统：

在空分装置开车时为全厂气动仪表提供3000Nm3/h无

尘、露点为－40℃的仪表空气。

7.2、流程简述

来自空分装置的氧气先进入氧气缓冲槽，分别经氧压机加压至3.0Mpa进入贮槽进行缓冲后送至用户。

来自空分装置来的氮气先进入氮气缓冲槽，经螺杆式氮压机加压至

0.8Mpa进入贮槽缓冲后送至用户。

空压机压缩后的空气其压力位0.8Mpa，进入再生空气干燥器，在这里空气中的灰尘和水分被吸附，空气露点达到≤－40℃，经仪表空气贮气罐缓冲稳压后，送仪表空气用户。

7.3、设备组成

7.3.1.氧压机3台正常时2开1备

活塞压缩机：

电机驱动、带中间及末级冷却器

进口流量：

2300Nm3/h进口压力：

0.02Mpa出口温度：

≤100℃转速：

495rpm

7.3.2.氮压机2台双螺杆压缩机：

电机驱动进口流量：

1200Nm3/h进口压力：

0.01Mpa出口温度：

≤40℃

进口温度：

15℃

出口压力：

3.0Mpa

电机功率：

400KW

进口温度：

15℃

出口压力：

0.8Mpa

电机功率：

132KW

7.3.3仪表空压机2台双螺杆压缩机：

电机驱动

进口流量：

3000Nm3/h（干）进口温度：

35℃

进口压力：

92.92（A）Kpa出口压力：

0.8Mpa

出口温度：

≤40℃电机功率：

280KW