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空氣分離設備

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  • 空分行業的解說

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空分已經是一個很成熟的領域,具體什么叫空分,就是空氣分離從而產生氧,氮,氬等氣體的設備統稱為空分,那具體空氣分離有那幾種方法?及每種空氣分離的設備有什么用途? 

  一)    空氣分離有哪幾種方法?

1)深度冷凍法: 先將空氣液化,然后利用氧、氮沸點的差異,在一定的設備中(精餾塔),通過精餾過程,使氧、氮分離,此法在大型空分裝置中最為經濟。并能生產純度很高的氧氮產品。如圖:

產品名稱:小型空分設備     所屬類別:空分工程及空分成套設備

 采用中壓及全低壓流程,制取的產品純度高,性能穩定,產氣量大。將低壓流程引入小空分中,大大降低了產品的能耗和用戶的投資。主要規格有:150、180、300、350、600、800m3/h、1000m3/h等系列產品。可根據用戶要求,針對性設計。
儀控方式有機房柜、中控室及計算機控制幾種方式,供用戶選擇。

產品名稱:大中型空分設備      所屬類別:空分工程及空分成套設備

采用分子篩凈化增壓膨脹、規整填料上塔、全精餾制氬的低溫工藝流程。主要產品有1000、1500、3200、4500、6000、6500、10000、15000、20000、23500、28000、30000m3/h、40000m3/h等級系列空分設備。

可根據用戶的具體條件及要求進行針對性設計,以滿足不同用途的特殊要求。
還可視用戶需要可制取氧、氮的氣、液態產品(包括低純度設備和高純度設備)以及對氬、氖、氪、氙氣體的全部或部分提取。

 

從1958年我國試制成功第一套3350m3/h空分設備以來,大中型空分流程已經歷了鋁帶蓄冷器凍結高低壓空分流程、石頭蓄冷器凍結全低壓空分流程、切換式換熱器凍結全低壓空分流程、常溫分子篩凈化全低壓空分流程、常溫分子篩凈化增壓膨脹空分流程、常溫分子篩凈化填料型上塔全精餾制氬流程。各流程簡介如下:
    1,鋁帶蓄冷器凍結高低壓空分流程(簡稱第一代空分)
    鋁帶蓄冷器凍結高低壓空分流程是我國最早的大中型空分設備的主導流程,標志著我國在空氣分離設備的制造已實現了從小型向大型的飛躍發展。
    典型產品:3350m3/h(20℃狀態)空分設備,這是我國第一代空分產品,流程組織較為復雜,主要由空氣過濾壓縮、高壓空氣壓縮、CO2堿洗、氨預冷、膨脹制冷、換熱、精餾等系統組成。
   【流程特點】
   (1)加工空氣壓力分成低壓(0.53~0.57MPa)和高壓(16~20MPa)兩個等級。空分設備的冷量來源于兩個壓力等級下空氣的焦湯效應、氮氣膨脹制冷和氨預冷系統制冷等三個方面。
    (2)采用了氧、氮蓄冷器各兩只(分別一只走正流、另一只走返流),內充盤裝鋁帶填料,供換熱和清除低壓空氣中的水分和CO2用,蓄冷器的自清除效果采用返流氣量大于正流氣量來保證,通常返流與正流氣的流量之比為1.03~1.04倍。
   (3)采用了一對高壓換熱器來冷卻高壓空氣,高壓空氣中的CO2是通過堿洗塔堿液的洗滌,水分是通過氨預冷系統的凍結而清除的。
   (4)將冷凝蒸發器分成主冷和輔冷兩部分,輔助冷凝蒸發器放置位置低于主冷凝蒸發器,利用液氧液位落差使上塔液氧不斷流入輔助冷凝蒸發器,同時被下塔頂部引入的壓力氮氣氣
   化成氧氣后,導入乙炔分離器吸附掉乙炔,作為產品氧氣的一部分輸出,這就保證了精餾塔的安全運行。主冷凝蒸發器為列管式(共17749根列管,溫差1.8K),輔助冷凝蒸發器為盤管式(溫差3.2K)。
   【流程缺點】
   (1)流程組織較復雜。為了提供空分設備所需的部分冷量及由此而引起的高壓空氣中水分、CO2的清除問題,在冷箱外增設了高壓空氣壓縮機、堿洗塔、氨預冷系統等多套機組;同時冷箱內設備也較多,使整套空分設備的操作、維護不便。
   (2)蓄冷器的自清除問題沒有得到妥善解決,氧氣(或氮氣)和空氣的傳質和傳熱雖按不同時間間隔錯開但卻在同一腔內進行,使產品的純度受到較大污染,氧氣純度由99.5%O2下降到99%O2,氮氣純度由99.8%N2下降到98%N2,而后者由于純度較低,只能放空;此外蓄冷器熱端溫差較大(5℃),復熱不足損失大。
   (3)膨脹機結構為沖動式固定噴嘴的型式,效率較低,只有60%左右。若用空氣作膨脹工質,對膨脹后的空氣如何處理,沒有得到妥善解決,影響了空分流程的組織水平。
   (4)氧提取率低,一般只有83.3%。
   (5)能耗高,設計值為0.66kWh/m3O2,而實際運行值高達0.7~0.9kWh/m3O2。


   2 石頭蓄冷器凍結全低壓空分流程(簡稱第二代空分
   管式石頭蓄冷器凍結全低壓空分流程,是我國第二代空分產品,主要由空氣過濾壓縮、空氣預冷、膨脹制冷、換熱、精餾等系統組成。
   典型產品:6000 m3/h空分設備,標志著我國氣體分離和液化設備工業正式進入了全低壓空分流程的時代。
   【流程特點】
   (1)采用反動式固定噴嘴透平膨脹機。空氣在固定噴嘴和葉輪中進行了兩次膨脹,使膨脹機效率有了很大的提高(可達80%),空分設備的制冷手段得到了改善,因此使加工空氣由第一代空分流程的兩個壓力等級轉變到只要0.5MPa(G)的一個壓力等級成為可能,實現了高低壓空分流程向全低壓空分流程的變革。
   (2)將鋁帶蓄冷器改為石頭蓄冷器,讓產品氧氣、氮氣始終走蛇管內部換熱,保證了氧、氮純度不受污染,使氧的純度達到99.6%O2,氮的純度達到100×10-6O2。
   (3)為了清除凍結在石頭上的CO2和水分,除了采用正流空氣和返流污氮氣交替切換的方法外,還采用了中間抽氣法,即在蓄冷器中部抽出了相當于加工空氣量10%的空氣,這就保證了抽口以下正流氣量小于返流氣量的自清除要求,進一步縮小了蓄冷器冷端溫差,使自清除更為徹底。
   (4)膨脹后空氣送入上塔中部參與精餾,充分利用了上塔精餾潛力,提高了氧提取率(可達84%)。
   (5)用循環液氧泵和液氧吸附器組成的強制循環來清除液氧中的乙炔等碳氫化合物,確保了空分設備的安全運行,取消了前一流程的輔助冷凝蒸發器。
   (6)能耗比第一代空分有了明顯的下降,可達到0.55~0.6kWh/m3O2。
   【流程缺點】
    (1)管式石頭蓄冷器中的石頭填料單位體積所具有的比表面積只有鋁帶的1/5,而密度卻遠比鋁帶大,因而處理同樣的空氣量,石頭蓄冷器比鋁帶蓄冷器體積要大5倍以上,這就使得石頭蓄冷器體積龐大、笨重,所需的安裝基礎必須深沉堅實,占地面積大,工程費用多。
   (2)由于采用中間抽氣法來保證蓄冷器的不凍結性,因而設置了相應的抽氣閥箱和CO2吸附器,使冷箱內設備及配管復雜化。
   (3)膨脹機采用固定噴嘴,只能依靠調節壓力來調節氣量,因而膨脹量調節范圍較小,對空分變工況生產需要大量冷量時的適應性較差,只能用增設備用膨脹機來解決冷量的調節問題,這顯得很不經濟。
   (4)主冷凝蒸發器仍為長列管式,管子數目仍然較多,體積大、制造難。

 

3 切換式換熱器凍結全低壓空分流程(簡稱第三代空分
   隨著高效率板翅式換熱器的研制成功和反動式透平膨脹機技術的進一步發展,空分流程
   水平又大大向前推進了一步,出現了切換式換熱器凍結全低壓空分流程,是我國第三代空分產品。主要由空氣過濾壓縮、空氣預冷、膨脹制冷、換熱、精餾(含提氬設備)等系統組成。
   典型產品:10000m3/h空分設備
   【流程特點】
   (1)板翅式換熱器,取代了石頭蓄冷器、列管式冷凝蒸發器及盤管式過冷器、液化器等,使單元設備的外形尺寸大大縮小,空分設備的冷箱也相應縮小、跑冷損失減少、膨脹量下降、啟動時間縮短等一系列的良性循環,提高了空分設備的技術經濟性。
   (2)用切換式換熱器取代石頭蓄冷器后,由于用間壁式連續換熱代替了蓄冷器的間歇換熱,使溫度場分布較為穩定,同時在氣流通道中供水分和CO2凍結的空間也增大了,使切換周期可以延長,切換損失可由蓄冷器流程的4%下降到2%。
    (3)采用了環流法來保證切換式換熱器的不凍結性,可使空氣和返流污氮氣冷端溫差由蓄冷器流程的3.5℃縮小到2.5℃,這是一種較為完整的不凍結性的方法,不再需要中抽氣閥箱,CO2吸附器等附加設備,使流程簡化。
   (4)采用反動式可調噴嘴的透平膨脹機,使膨脹機效率變化平穩,對變工況生產適應性強,同時采用了電機制動來回收膨脹機的對外做功。
   (5)采用了體積小、重量輕、流通能力大的切換碟閥取代笨重的強制切換閥,使布置緊湊。
   (6)氧提取率提高到~87%。
   (7)能耗大大下降,10000m3/h空分設備一般為0.49~0.52kWh/m3O2,6000m3/h空分設備一般為0.53~0.55kWh/m3O2。
   【流程缺點】
   (1)為了滿足切換式換熱器自清除要求,需要返流污氮氣量較大,一般而言,污氮氣量與總加工空氣量之比不得少于55%,即純氮產量只能達到總加工空氣量的45%,這樣,純氮氣和氧氣產量之比最多只能達到1:1,無法滿足用戶對大量純氮氣需求。
   (2)為滿足切換式換熱器的不凍結性要求,冷端要保證有一個最小溫差,空分設備的啟動要分成四個階段來完成,以避免水分和CO2進入精餾塔內,因而啟動操作要十分小心,比較麻煩。
   這類流程由于技術落后,操作維護復雜,運轉周期較短,是下一步實施技術改造的重點對象。
   4,常溫分子篩凈化全低壓空分流程(簡稱第四代空分)
   隨著國際上分子篩凈化技術的發展和在空分設備中的廣泛應用。分子篩凈化空氣冷箱外“前端凈化”技術,代表著20世紀70年代國際空分設備流程發展的主導方向。該流程設備主要由空氣過濾壓縮、空氣預冷、分子篩凈化、膨脹制冷、換熱、精餾等系統組成。
   典型產品:6000m3/h空分設備
   【流程特點】
   (1)利用分子篩吸附劑在常溫下吸附空氣中水分和二氧化碳及碳氫化合物的特性,將切換式換熱器的傳熱傳質和換熱兩種功能分家,在冷箱外用分子篩吸附器清除空氣中水分和CO2,在冷箱內的換熱器僅起換熱作用,這樣不僅使進冷箱的空氣較純凈,而且延長了換熱器的壽命。冷箱內不再需要設置自動閥箱、液空液氧吸附器循環液氧泵及相應的切換閥門管道等,使空分流程簡化,冷箱內設備減少,操作維護方便。
   (2)由于主換熱器沒有自清除要求,冷端溫差不用嚴格限制,使純氮氣和氧氣產量比大大提高,可達到2.3~2.5,可以滿足需要大量純氮氣的用戶要求。
   (3)分子篩吸附器切換周期為108分鐘,遠遠長于切換式換熱器切換周期3.5分鐘,因此空氣切換損失就大大減少,由通常的占加工空氣總量的2%下降到0.5%,有利于氧提取率的提高。同時切換次數的減少,精餾塔受切換而引起的波動干擾減少,有利于氬的提取。
   (4)分子篩吸附器清除空氣中有害雜質較徹底,空分設備的操作安全性好,連續運行周期可達二年以上。
   (5)啟動和操作過程中,不需考慮自清除的影響,因而操作簡便,有利于實現變負荷操作和提高自動化控制水平。
    (6)氧提取率提高到90~92%,氬提取率~52%。
   【流程缺點】
   為了保證分子篩吸附器能在較佳的溫度8~10℃下工作,以充分發揮分子篩吸附劑的吸附效果,設置了制冷機組;同時為了分子篩吸附劑的加溫解吸,設置了電加熱器。為了保證再生時污氮氣有足夠的壓力,空壓機的排壓應適當提高,這些導致了能耗比切換式換熱器流程要高~4%,約為0.51~0.57kWh/m3O2。
   采用常溫分子篩雖然具有切換損失少、操作維護方便等優點,但由于能耗較高,所以它存在致命的缺點,很快就被新的帶增壓膨脹機的常溫分子篩凈化空分流程所代替。

 

5,常溫分子篩凈化增壓膨脹空分流程(簡稱第五代空分)
   在尋求降低能耗的途徑上,常溫分子篩凈化增壓膨脹空分流程的出現,是空分流程技術的一大進步。這一時期,國內空分設備制造商紛紛應用該技術,實現了制氧容量從小到大的全系列空分設備的升級換代,使我國的空分設備整體性能接近20世紀80年代國際先進水平。
    典型產品:6000m3/h空分設備。
   【流程特點】
   (1)在常溫分子篩凈化全低壓空分流程的基礎上,將膨脹機的制動發電機改成了增壓機。增壓機的作用是將膨脹空氣在膨脹過程中產生的功,直接用來使進膨脹機的空氣增壓,使膨脹機前壓力的提高,就增加了單位膨脹空氣的制冷量,在空分設備所需冷量一定的情況下,減少了膨脹空氣量,總的加工空氣量也就相應降低,使常溫分子篩凈化增壓膨脹空分流程的氧提取率進一步提高、能耗進一步下降。第五代空分的提取率可達到93%~97%,氬提取率54%~60%。
   (2)采用了全可控渦理論設計的三元流葉輪和全等溫冷卻的單軸空氣透平壓縮機。
   (3)采用了立式單層床內絕熱結構的分子篩吸附器。
   (4)成功地實現了計算機集散控制系統對空分流程的控制調節要求,使自動化控制水平上了一個臺階。
   (5)由于加工空氣量下降了~4%,能耗與切換式換熱器凍結全低壓空分流程相當,約為0.47~0.53kWh/m3O2。


   6
,常溫分子篩凈化填料型上塔全精餾制氬空分流程(第六代空分)
   常溫分子篩凈化增壓膨脹空分流程,已作為主導流程在國際空分行業廣泛采用。但是為了進一步提高空分設備效率、降低能耗,20世紀80年代初期,國外一些著名空分制造商開始將規整填料技術應用于空分設備上,到了90年代采用規整填料和全精餾無氫制氬技術的
   空分設備已全面推向工業化應用。主要由空氣過濾壓縮、高效空氣預冷、分子篩雙層床凈化、增壓膨脹制冷、換熱、精餾及全精餾制氬等系統組成。
   典型產品:6000、20000m3/h空分設備
   【主要特點】
    (1)繼承了第五代空分的所有優點:具有流程簡單,操作維護方便、采用DCS集散系統、切換損失少、碳氫化合物清除徹底、空分設備的操作安全性好,連續運行周期大于二年等優。
    (2)采用規整填料型上塔代替篩板型上塔,上塔阻力只有相應篩板塔的1/4~1/6,使空壓機的排壓由0.65MPa(A)下降到0.61MPa(A),使空壓機的能耗節約5%~7%。
    (3)由于上塔操作壓力降低、操作彈性大,使空分裝置的氧提取率進一步提高,精餾塔的氧提取率可達99.5%;空分設備氧提取率97%~99%。
    (4)精氬的制取采用低溫精餾法直接獲得,即一步到位的采用全精餾(無氫)制氬技術。節約了制氫能耗3%~4%,同時,精餾塔氬提取率大大提高,可達65%~84%。精氬產品的品質高:含氧量可以低于2ppmO2。
   (5)采用了高效空氣預冷系統,空氣預冷系統設置水冷塔,充分利用干燥氮氣的吸濕性,使冷卻水溫降低,可減少冷水機組的制冷負荷;根據用戶用氮情況也可不另配冷水機組。
   (6)分子篩純化空氣系統采用活性氧化鋁-分子篩雙層床結構,大大延長了分子篩的壽命,同時可使床層阻力減少。
   (7)采用了高效增壓型透平膨脹機技術,膨脹機效率可達83~88%。
   (8)采用先進的DCS計算機控制技術,實現了中控、機旁、就地一體化的控制,可有效的監控整套空分設備的生產過程。成套控制系統具有設計先進可靠、性能價格比高等特點。
   (9)第六代空分設備由于采用了多項新技術,節能效果顯著,與第五代空分相比設備總能耗約下降8%~10%,制氧能耗為0.37~0.43kWh/m3O2。


   7,常溫分子篩凈化大型內壓縮空分流程?
   典型產品:16000、28000、30000、40000m3/h空分設備?
   主要由空氣過濾壓縮、空氣預冷、分子篩凈化、空氣(氮氣)循環增壓系統、膨脹制冷、高壓換熱系統、精餾等系統組成。
   【流程特點】
    (1)內壓縮流程空分設備是在第六代空分設備流程的基礎上,采用液氧泵對氧產品進行壓縮的一種流程形式。 根據循環增壓機壓縮的介質不同,流程形式可分為空氣循環和氮氣循環兩種流程。根據膨脹后空氣進塔位置的不同,內壓縮流程又可分為膨脹空氣進上塔流程和膨脹空氣進下塔流程。內壓縮流程還可根據產品壓縮情況分為單泵內壓縮流程和雙泵內壓縮流程。
    (2)與加壓液氧進行換熱的空氣(或氮氣)壓力和流量的確定;高壓換熱系統的組織和精餾的組織等是內壓縮空分流程的核心問題。所以,與常規外壓縮流程不同的是:內壓縮流程要根據最終產品的壓力、流量及使用特點等具體情況經過不斷的優化計算,選擇合理的流程組織方式、最佳的氣化壓力和循環流量,使空分設備的氧、氬提取率更高。
    (3)內壓縮流程取消了氧壓機,因而無高溫氣氧,火險隱患小、安全性好。主冷大量抽取液氧,保證碳氫化合物的積聚可能性降到最低程度。產品液氧在高壓下蒸發,使烴類物質積累的可能性大大降低。特殊設計的液氧泵自動啟動與運行程序可有效地保證裝置的安全運行與連續供氧。
    (4)內壓縮流程的低溫高壓液氧泵均采用進口產品,且在線冷備用,若運行泵出故障,則備用泵在10秒鐘內自動達到工作負荷,所以,內壓縮流程的可靠性較高。
    對于化工和石化用戶一般要求氧氣壓力很高,因而采用外壓縮則必須是氧透+活塞式氧壓機,而內壓縮流程則只用一臺增壓空壓機替代了二臺氧壓機,其運行可靠性大大增加。
   (5)高壓液氧泵操作方便,維修工作量極少。內壓縮流程主空壓機與增壓空壓機如采用汽輪機一拖二的形式,布置緊湊,占地面積小。而氧壓機則需要有足夠多的安全距離,占地面積大,且基建費用高。
   (6)內壓縮流程的單位產品能耗與空分設備的規模、產品壓力、液體產品的多少有較大關系,由于內壓縮的不可逆損失大,產品的提取率略低,內壓縮流程的單位產品能耗要比常規外壓縮流程約高3%~7%(按相同產品工況比較)。


2) 變壓式吸附制氮: 變壓吸附制氮設備是采用碳分子篩為吸附劑,利用變壓吸附原理來獲取氮氣的設備。在一定的壓力下,利用空氣的氧、氮在碳分子篩孔隙中擴散速率不同而達到分離空氣的目的,即碳分子篩對氧的擴散吸附遠大于氮,通過可編程序來控制多個閥門的導通、關閉,達到兩吸附罐的交替循環,加壓吸附,減壓脫附的過程,而完成氧、氮的分離,得到所需純度的氮氣。 如圖:

產品名稱:變壓吸附制氮設備     所屬類別:變壓吸附設備

產量:10~3000Nm3/min
   工作壓力:0.4-0.8Mpa
   產品氮氣純度:≥99.9995%
   產品氮氣中氧含量:≤1ppm
   產品氮氣中二氧化碳含量:≤1ppm
   產品氮氣露點:-60℃ (常壓)
   變壓吸附制氮機的特性:
   (1)分子篩性能先進,用量少,使用壽命長。
   (2)產品氮氣純度高。
   (3)與同類產品相比,該設備具有生產單位氮氣其能耗及冷卻水消耗都較低的特點。
   (4)整套設備的自動化程度高.

 

制氮機主要由兩個填滿碳分子篩的吸附塔組成,當潔凈的壓縮空氣進入吸附塔時,由于其中的O2在碳分子篩內擴散速率較快,使N2在氣相中得到富集;另一塔已完成吸附的碳分子篩則被減壓解吸,然后用N2吹掃再生,使其恢復原有吸附能力,兩塔交替循環,即可得到純度為99%-99.9%的廉價氮氣。再用氮氣凈化裝置除去其中微量的O2,H2O等雜質,N2純度可達99.999%以上。
   2、工藝特點:
    能耗低,故運行成本比其它制氮工藝低;
    結構簡單,占地面積小;
    微電腦控制,只要輕輕一按,30分鐘,即可產出合格氮氣,即開即用,實現無人值守,純度、流量長期穩定;
    使用方便,省去了不斷更換鋼瓶的麻煩;
   使用更安全,且無須支付運費。
   3、應用范圍
   金屬熱處理--滲碳、碳氮共滲、光亮退火、粉末金屬及磁性材料燒結、氮基氣氛保護 
   石油天然氣、化學工業--管道及容器空氣置換、注氮采油、化工過程保護氣 
   電子工業--半導體及電子元件生產的氮氣保護 
   煤炭工業--煤礦井下防滅火
 
   食品工業--充氮包裝、保鮮、酒類保存 
   醫藥工業--原料及藥品充氮保存,中草藥防蟲、防霉 
   玻璃工業--浮法玻璃生產過程的保護 
   其他需用氮氣的工業部門 

 

3)變壓吸附制氧:我國變壓吸附法制富氧的研究始于20世紀70年代初,到20世紀90年代初才實現了小型裝置的工業化,制約我國PSA制氧技術發展的主要因素包括:高性能程控閥門技術、高性能富氧吸附劑技術和流程技術,目前,上述技術均得到有效的解決,采用進口的德國分子篩、進口程控閥門再配以國內自行研制的流程可以方便的制取富氧。

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