一、空分分離常用方法
空氣中的主要成分是氧氣和氮,它們分別以分子狀態(tài)存在。分子是保持它原有屬性的最小顆粒,直徑在10-8cm,而分子的數(shù)目非常多,并且不停地在作無規(guī)則運(yùn)動,因此,空氣中的氧、氮等分子是均勻地相互混合在一起的,要將它們分離開始較困難的。目前主要有三種分離方法:(1)低溫法(2)吸附法(3)膜分離法
二、工藝流程
2.1 基本原理和過程
空氣分離的基本原理,是利用液化空氣中各組份沸點(diǎn)的不同而將各組份分離出來,要達(dá)到這個目的,空分裝置的工作包括下列過程:
? (1) 空氣的過濾和壓縮
? (2) 空氣中水份和二氧化碳的清除
? (3) 空氣被冷卻到液化溫度
? (4) 冷量的制取
? (5) 液化
? (6) 精餾
? (7) 危險雜質(zhì)的排除
2.1.1 空氣的過濾和壓縮:
大氣中的空氣先經(jīng)過空氣自潔式過濾器過濾其灰塵等機(jī)械雜質(zhì),然后在空氣透平壓縮機(jī)中被壓縮到所需的壓力。壓縮產(chǎn)生的熱量被冷卻水帶走。
2.1.2 空氣中水份和二氧化碳碳?xì)浠衔锏那宄?
加工空氣中的水份和二氧化碳若進(jìn)入空分設(shè)備的低溫區(qū)后,會形成冰和干冰,就會阻塞換熱器的通道和塔板上的小孔。因而配用分子篩吸附器來預(yù)先清除空氣中的水份和二氧化碳,進(jìn)入分子篩吸附器的空氣溫度約為~21℃。分子篩吸附器成對切換使用,一只工作時另一只在再生。
2.1.3 空氣被冷卻到液化溫度:
空氣的冷卻是在中壓換熱器I、中壓換熱器II中進(jìn)行的,在其中循環(huán)空氣被來自膨脹后的返流空氣和返流氣體冷卻、增壓空氣被來自膨脹后的返流空氣和返流氣體冷卻到超臨界狀態(tài)。與此同時,冷的返流氣體被復(fù)熱。
2.1.4 冷量的制取:
由于絕熱損失、換熱器的復(fù)熱不足損失和冷箱中向外直接排放低溫流體,分餾塔所需的冷量是由空氣在高、低溫膨脹機(jī)中等熵膨脹和等溫節(jié)流效應(yīng)而獲得的。
2.1.5 液化
在起動階段,加工空氣在中壓換熱器I、中壓換熱器II和過冷器中與返流冷氣流換熱而被部分液化。在正常運(yùn)行中,氮?dú)夂鸵貉醯臒峤粨Q是在冷凝蒸發(fā)器中進(jìn)行的,由于兩種流體壓力的不同,氮?dú)獗灰夯貉醣徽舭l(fā),氮?dú)夂鸵貉醴謩e由下塔和上塔供給,這是保證上、下塔精餾過程的進(jìn)行所必需具備的條件。(注:起動時,大部分氣體也是在主冷中被冷卻至液化溫度而被液化的)。
2.1.6 精餾
空氣中主要組份的物理特性如下表1.1和表1.2
?表 1.1
?
名?? 稱 | 化學(xué)符號 | 體積百分比 | 重量百分比 |
氮 | N2 | 78.09 | 75.5 |
氧 | O2 | 20.95 | 23.1 |
氬 | Ar | 0.932 | 1.29 |
二氧化碳 | CO2 | 0.03 | 0.05 |
氦 | He | 0.00046 | 0.00006 |
氖 | Ne | 0.0016 | 0.0011 |
氪 | Kr | 0.00011 | 0.00032 |
氙 | Xe | 0.000008 | 0.00004 |
?
表1.2
名稱 | 化學(xué) 符號 | 氣化溫度℃ | 熔化溫度℃ | 比?? 重 | 臨?界?點(diǎn) |
Kg/m3 | Kg/l | ℃ | 10-1MPa(G) |
氮 | N2 | -195.8 | -209.86 | 1.25 | 0.81 | -147 | 34.5 |
氧 | O2 | -183 | -218.4 | 1.43 | 1.14 | -119 | 51.3 |
氬 | Ar | -185.7 | -189.2 | 1.782 | 1.4 | -122 | 49.59 |
氦 | He | -268.9 | -272.55 | 0.18 | 0.125 | -267.7 | 2.335 |
氖 | Ne | -246.1 | -248.6 | 0.748 | 1.204 | -228.7 | 28.13 |
氪 | Kr | -153.2 | -157.2 | 1.735 | 2.155 | -63.7 | 56 |
氙 | Xe | -108.0 | -111.8 | 1.664 | 3.52 | +16.6 | 60.1 |
空氣中99.04%是氧氣和氮?dú)猓?.932%是氬氣,它們基本不變。氫、二氧化碳和碳?xì)浠衔镆暤貐^(qū)和環(huán)境在一定范圍內(nèi)變化??諝庵械乃羝侩S著飽和溫度和地理環(huán)境條件影響而變化較大。水蒸汽和二氧化碳具有和空氣大不相同的性質(zhì),在大氣壓力下,水蒸汽達(dá)到0℃和二氧化碳達(dá)到-79℃時,就分別變成冰和干冰,就會阻塞板式換熱器的通道和篩板上的小孔。因此這些組份必須在空氣進(jìn)冷箱前除去。空氣中的危險雜質(zhì)是碳?xì)浠衔?,特別是乙炔。在精餾過程中如乙炔在液空和液氧中濃縮到一定程度就有發(fā)生爆炸的可能,因此乙炔在液氧中含量規(guī)定不得超過0.1PPm,這必須予以充分的注意。稀有氣體中的不凝性氣體如氖氦氣,由于其冷凝溫度很低,總以氣態(tài)集聚在冷凝蒸發(fā)器中,侵占了換熱面積,而影響換熱效果,因此也要經(jīng)常排放。
分離過程可獲得相當(dāng)產(chǎn)量的高純度產(chǎn)品。空氣的精餾是在氧—氮混合物的氣相與液相接觸之間的熱質(zhì)交換過程中進(jìn)行的,氣體自下而上流動,而液體自上而下流動, 該過程由篩板(填料)來完成。由于氧、氮組份沸點(diǎn)的不同,氮比氧易蒸發(fā),氧比氮易冷凝,氣體逐(段)板通過時,氮濃度不斷增加,只要有足夠多的塔板(填料),在下塔頂部可獲得高純的液氮,反之液體逐板(段)通過時,氧濃度不斷增加,在下塔底部可獲得富氧液空,在上塔底部可獲得高純度液氧。
上升氣體和下流液體在塔板(填料)上的熱質(zhì)交換過程可從圖1.1中理解:進(jìn)入某一段塔板(填料)上的上升氣體在A點(diǎn)的溫度T2比在相同成份下的液體的B點(diǎn)的溫度T1高,隨后的平衡將發(fā)生在T1與T2間垂直線上的C點(diǎn)(溫度T3),但在T3溫度下,只有具有比B點(diǎn)氧濃度更高的液體E點(diǎn)和比A點(diǎn)氧濃度更低的氣體D點(diǎn)才能平衡,這樣氧組份在下流液體中聚集,而氮組份在上升氣體中富集,通過足夠多塔板(填料)的分離,最后可得液體為純氧,氣體為純氮。
在下塔中空氣被初次分離成富氧液空和氮?dú)猓嚎沼上滤撞砍槌龊蠼?jīng)節(jié)流送入和液空組份相近的上塔某段上,一部分液氮由下塔頂部抽出后經(jīng)節(jié)流送入上塔頂部,液空和液氮在節(jié)流前一般先在過冷器中過冷??諝獾淖罱K分離是在上塔進(jìn)行。產(chǎn)品液氧是由上塔底部抽出,同時,另一部分液氧經(jīng)液氧泵壓縮送入換熱器汽化后,以產(chǎn)品高壓氧氣輸出,氮?dú)庥缮纤敳砍槌?。而產(chǎn)品液氮由下塔頂部抽出,并通過過冷器過冷后送出。
低溫全精餾制氬(無氫制氬)的所有設(shè)備均置于空分設(shè)備的保冷箱內(nèi),粗氬塔Ⅰ、粗氬塔Ⅱ(因粗氬塔太高故分成兩段)、純氬塔均為填料塔。在粗氬塔Ⅰ內(nèi),氣態(tài)氬餾份沿填料盤上升,由于氧的沸點(diǎn)比氬高,故高沸點(diǎn)組分氧被大量地洗滌下來,形成回流液返回上塔。粗氬塔Ⅱ底部粗液氬返回粗氬塔I上部作回流液。因此上升氣體中的低沸點(diǎn)組份(氬)含量不斷提高,最后在粗氬塔Ⅱ頂部得到含氧≤2PPM,含氬98~99%的粗氬氣,粗氬氣在粗氬冷凝器中被液空冷凝成粗液氬。
由于氮的沸點(diǎn)(-195.78℃)與氬的沸點(diǎn)(-185.7℃)相差較大,因此含氮量約為1~1.5%的粗液氬在純氬塔中得到進(jìn)一步分離,最后在純氬塔蒸發(fā)器底部得到99.999%Ar以上的純氬產(chǎn)品。
??? 2.1.7 危險雜質(zhì)的排放:
空氣中的危險雜質(zhì)是碳?xì)浠衔?,特別是乙炔。在精餾過程中如乙炔在液空和液氧中濃縮到一定程度就有發(fā)生爆炸的可能,因此乙炔在液氧中含量規(guī)定不得超過0.1PPm,這必須引起充分的注意。
在冷凝蒸發(fā)器中,由于液氧的不斷蒸發(fā),將會有使碳?xì)浠衔餄饪s的危險,但是只要從冷凝蒸發(fā)器中連續(xù)排放部分液氧就可防止?jié)饪s。
2.2 主要指標(biāo)
現(xiàn)場核對為準(zhǔn)確
2.3工藝流程概述
2.3.1 液氧和液氮的生產(chǎn)
原料空氣從空氣吸入塔入口吸入,經(jīng)自潔式空氣過濾器AF除去灰塵及其它機(jī)械雜質(zhì),空氣經(jīng)過濾后在離心式空壓機(jī)(原料、循環(huán)一體機(jī))TC中的原料段經(jīng)壓縮至0.51Mpa左右。經(jīng)空氣冷卻塔AC預(yù)冷,冷卻水分段進(jìn)入冷卻塔內(nèi),下段為循環(huán)冷卻水,上段為經(jīng)水冷塔WC冷卻后的水,空氣自下而上穿過空氣冷卻塔,在冷卻的同時,又得到清洗??諝饨?jīng)空氣冷卻塔冷卻后,溫度降至~21℃,然后進(jìn)入切換使用的分子篩純化器MS1201(或MS1202),空氣中的二氧化碳、碳水化合物及殘留的水蒸氣被吸附。分子篩純化器為兩只切換使用,其中一只工作時,另一只再生。純化器的切換周期約為240分鐘,定時自動切換。
空氣經(jīng)凈化后,由于分子篩的吸附熱,溫度升至26℃~28℃。這股空氣與膨脹后通過中壓換熱器Ⅰ(E1)、中壓換熱器Ⅱ(E2)復(fù)熱的空氣混合,經(jīng)離心式空壓機(jī)TC中的循環(huán)段壓至2.75 Mpa,再分成兩股。其中一股經(jīng)高、低溫膨脹機(jī)的增壓機(jī)增至4.687 Mpa進(jìn)入冷箱,經(jīng)中壓換熱器Ⅰ冷卻至-173℃后,再次分成兩股。一股進(jìn)入低溫膨脹機(jī)膨脹后進(jìn)入下塔,另一股繼續(xù)在中壓換熱器Ⅱ中被返流氣體冷卻液化節(jié)流后進(jìn)入下塔。而另外一股壓力為2.75 Mpa的中壓空氣,經(jīng)中壓換熱器Ⅰ冷卻至-23℃,進(jìn)入高溫膨脹機(jī)膨脹,膨脹后的空氣與從下塔返抽經(jīng)中壓換熱器II的空氣在中壓換熱器I中匯合,再復(fù)熱后出冷箱,進(jìn)入離心式空壓機(jī)TC中的循環(huán)段作為循環(huán)空氣。
在下塔中,空氣被初步分離成氮和富氧液體空氣,頂部氣氮在主冷凝器K1中液化, 同時主冷的低壓側(cè)液氧被氣化。部分液氮作為下塔回流液,另一部分液氮從下塔頂部引出,經(jīng)過冷器E4被純氮?dú)夂臀鄣獨(dú)膺^冷并節(jié)流后送入上塔C2頂部。污液氮(含氧量為19.45% O
2)經(jīng)過冷器E4過冷后,再經(jīng)節(jié)流送入上塔C2上部。液空在過冷器E4中過冷后經(jīng)節(jié)流送入上塔C2中部作回流液。