深冷分離制氧流程

1、第三章深冷分離制氧流程第一節(jié)深冷分離空分裝置的發(fā)展歷程一、深冷分離工藝技術(shù)：近40年來，我國大中型空分流程已經(jīng)歷了：鋁帶蓄冷器凍結(jié)高低壓空分流程；石 頭蓄冷器凍結(jié)全低壓空分流程、切換式換熱凍結(jié)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等5次變革。目前正在實現(xiàn)常溫分子篩全低壓填料精餾空分流程的變革，使我國空分設(shè)備水平能跟進世界先進水平。鋁帶蓄冷器凍結(jié)高低壓空分流程：1968、年前，鋁帶蓄冷器凍結(jié)高低壓空分流程是我國大中型空分設(shè)備采用的主導(dǎo)流 程，典型產(chǎn)品為3150m3/h。這是我國第一代產(chǎn)品，流程組織較為復(fù)雜，主要由空氣過濾 壓縮、高壓空氣壓縮、二氧化碳堿洗、

2、氨預(yù)冷、膨脹制冷、換熱精餾等系統(tǒng)組成。石頭蓄冷凍結(jié)全低壓空分流程：隨著透平膨脹機技術(shù)的開發(fā)，蛇管式石頭蓄冷器的出現(xiàn)及其自清除技術(shù)的改進等， 19681969年出現(xiàn)了石頭蓄冷器凍結(jié)全低壓空分流程。典型產(chǎn)品為6000m3/h空分設(shè)備，這是我國第二代產(chǎn)品。流程大為簡化，同樣主要由空氣過濾壓縮、空氣預(yù)冷、膨脹制冷、 換熱精餾等系統(tǒng)組成。切換式換熱器凍結(jié)全低壓空分流程：隨著高效板翹式換熱器的研制成功和反動式透平膨脹技術(shù)的進一步發(fā)展，空分流程水平又大大向前推進了一步，出現(xiàn)了切換式換熱器凍結(jié)全低壓空分流程。19701978 年, 我國采用該流程自行設(shè)計了 1000m3/h,6000m3/h,10000m3/

3、h。這是我國第三代產(chǎn)品。同樣 主要由空氣過濾壓縮、空氣預(yù)冷、膨脹制冷、換熱精餾等系統(tǒng)組成。常溫分子篩凈化全低壓空分流程1960年分子篩吸附劑進入市場后，德國林德公司開發(fā)出了第一臺分子篩吸附器，并將這種技術(shù)應(yīng)用于空分設(shè)備上。1979年后，我在引進常溫分子篩凈化空氣設(shè)備的設(shè)計制造技術(shù)后，進過二次開發(fā)， 先后設(shè)計制造了 6000m3/h，10000m3/h兩種容量分子篩凈化空分設(shè)備。常溫分子篩凈化全低壓空分流程和切換式換熱器凍結(jié)空分流程之根本區(qū)別在于，將切換式換熱器的傳質(zhì)和換熱兩種功能分開，在冷箱外用分子篩吸附器清除空氣中的水分和二氧化碳，在冷箱內(nèi)的主換熱器僅起到換熱作用。這是我國的第四代產(chǎn)品。常溫

4、分子篩凈化增壓膨脹空分流程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(xiàn)，是空分流程 技術(shù)一大進步。它是常溫分子篩凈化全低壓空分流程的基礎(chǔ)上，將膨脹機的制動發(fā)電機 該成了增壓機。增壓機的作用是將膨脹空氣在膨脹過程中產(chǎn)生的功，直接用來使進膨脹 機的空氣增壓，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(shè)備所 需一定的情況下，膨脹量就可以減少下來，總的加工空氣量也就相應(yīng)降低，這就是常溫 分子篩凈化增壓膨脹空分流程氧提起率能進一步提高，能耗得以下來的原因。19861989年，我國成功地為吉林化肥廠研制出了采用常溫分子篩凈化增壓膨脹空 分流程的6000m3/h空分設(shè)備，這是我

5、國的第五代產(chǎn)品。常溫分子篩凈化全填料精餾空分流程常溫分子篩凈化增壓膨脹空分流程發(fā)展至今，已作為主導(dǎo)流程被國內(nèi)外廣泛采用。 但是，為了進一步提高裝置效率，降低能耗，國外在常溫分子篩凈化增壓膨脹空分流程 的基礎(chǔ)上，對其配套的單元設(shè)備部機的設(shè)計采用了 “各個擊破”的戰(zhàn)略，進行了深入的 研究和開發(fā)，并取得了大幅度增效減耗得整體效應(yīng)。7T頭茅電蠱*片詵打黑阱i聿低巫 F t A4V化奉送止? 莎ui.用億JftL骼圧 在廿堿拆戶命個i霞t k 金城斜皓燉-品範(fàn)j：訂氧r之比J1L?” 32, 2 f利.f師K7料十7fi提皿峯”昇牛円扌土 )r叩* a鎂點)7L站師13 *7 , &丹1A忤?y.和叫汕

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7、。工作壓力一般為 0.50.6MPa在下塔，原料空氣達到初步 分離，可獲得純液氮和富氧液空。(2) 上塔又叫低壓塔。塔的工作壓力一般為0.050.06MP&以富氧液體為原料進 行分離，取得高純度氧和氮產(chǎn)品。(3) 冷凝蒸發(fā)器(簡稱主冷凝器)。一般介于上下塔之間。上塔通過主冷凝器，從 下塔取得熱量，使液氧蒸發(fā)。下塔通過主冷凝器，從上塔取得冷量，使氮氣冷凝。精餾塔是設(shè)有多層塔板(對篩板塔，填料塔德工作原理相同)的設(shè)備。在塔板上有 一定厚度的液體層。精餾塔一般多為雙級精餾塔，分為上塔和下塔兩部分。壓縮空氣徑清除水分，二氧化碳，并在熱交換器中被冷凝卻及膨脹(對中壓流程) 后送入下塔的底部，最為下塔的上

8、氣。因為它含氧 21%在0.6MPa下，對應(yīng)的飽和溫度 為100.05K。在冷凝蒸發(fā)器中冷凝的液氮從下塔的頂部下流，作為回流液體。因其含氧 為0.011%，在0.6MPa下的飽和溫度約為96.3K。由此可見，精餾塔下部的上升蒸汽溫 度高，從塔頂下流的液體溫度較低。下塔的上升氣每經(jīng)過一塊塔板就遇到比它溫度低的 液體，氣體本身的溫度就要降低，并不斷有部分蒸汽冷凝成液體。由于氧是難揮發(fā)組分， 氮時易揮發(fā)組分，在冷凝過程中，氧要比氮較多地冷凝下來，于是剩下的蒸氣中含氮濃 度就有所提高。就這樣一次一次地進行下去，到塔頂后，蒸汽中的氧絕大部分已被液體 中去了，其含氮濃度高達99%上。這部分氮氣被引到冷凝蒸

9、發(fā)器中，放出熱量后全部 冷凝成液氮，其中一部分作為下塔的回流液從上往下流動。液體在下流的過程中，每經(jīng) 過一塊塔板遇到下面上升的溫度較高的蒸汽，吸熱后一部分液體就要氣化，在氣化過程 中由于氮時易揮發(fā)組分，氧時難揮發(fā)組分，因此氮氣比氧較多地蒸發(fā)出來，剩下的液體 中氧濃度就有所提高，這樣一次、一次地進行下去，到達塔底就可以得到氧含量為38%40的夜空。因此，經(jīng)過下塔的精餾，可將空氣初步分離成含氧38%40的富氧夜空 和含氮99%以上的液氮。然后將夜空徑節(jié)流降壓后送到上塔中部，作為進一步精餾的原料。與下塔精餾的原 理相同，液體下流時，徑多次部分蒸發(fā)，氮較多地蒸發(fā)出來，于是下流液體中的含氧濃 度不斷提高

10、，到達上塔底部可得到含氧 99.2%99.6%液氧。從液空進料口至上塔底部塔 板上的精餾時提高難揮發(fā)組分的濃度，叫提留段。這部分液氧在冷凝蒸發(fā)器中吸熱而蒸 發(fā)成氣氧，在0.14MPa下塔德溫度為93.7K左右。一部分氣氧作為產(chǎn)品引出，大部分作 為上塔的上升氣。在上升過程中部分蒸汽冷凝，蒸汽中的氮含量不斷增加。由于上塔中 部液空入口處的上升氣中還有較多的氧組分， 如果放掉氧的損失太大，所以在進行精餾。 從冷凝蒸發(fā)器引出部分含氮99%上的液氮節(jié)流后送至上塔頂部，作為回流液，蒸汽在 進行多次部分冷凝，同時回流液多次部分蒸發(fā)。其中氧較多地留在液相里，氮較多地蒸 發(fā)到氣相中，至打上塔頂，便可得到含氮 9

11、9%以上的氮氣。從液氮進料口到液空進料口 是為了進一步提高蒸汽中低沸點組分（氮）的濃度，叫精餾段。如果需要純氮產(chǎn)品還需 要再次精餾，才能得到含氮99.99%的純氮產(chǎn)品。這就是精餾塔內(nèi)將空氣分離成氧、 氮的 過程。3、精餾塔精餾塔分為篩板塔和填料塔兩大類。填料塔分為散堆填料和規(guī)整填料兩種。篩板塔 雖然結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強，宜于放大，在空分設(shè)備中被廣泛使用。但是，隨著氣液傳熱， 傳質(zhì)技術(shù)的發(fā)展，對高效規(guī)整填料的研究，一些效率高、壓降小、持液量小的規(guī)整填料 的開發(fā)，在近十多年內(nèi)，有逐步替代篩板塔德趨勢。規(guī)整填料由厚約0.22m m的金屬波紋板組成，一塊塊排列起來的金屬波紋板，低溫 液體在每一片填料表面

12、上都形成一層液膜，與上升的蒸汽相接觸，進行傳熱傳質(zhì)。規(guī)整 填料的金屬比表面約是篩板的30倍，液氧持留量僅為篩板的35%40%而且，因為精餾 塔截面積比篩板塔小1/3，填料垂直排列，不存在水平方向濃度梯度的問題，只要液體 分布均勻，精餾效率較高，壓力降較小，氣體穿過填料液膜的壓差比傳過篩板液層的壓 差要小很多，約只有50Pa,上塔底部壓力的下降，必然可導(dǎo)致下塔壓力降低，進而主空 壓機的出口壓力相應(yīng)將降低，時整套空分的能耗降低。同時，規(guī)整填料液體的滯留量小， 因此，對負荷變化的應(yīng)變能力較強。歸納起來，規(guī)整填料塔與篩板塔相比，有以下優(yōu)點：1）壓降非常小。氣相在填料中的液相膜表面進行對流傳質(zhì)、傳熱、不

13、存在塔板上清液層及篩孔的阻力。在正常情況下，規(guī)整填料的阻力只有相應(yīng)篩板塔阻力的1/51/6。2）熱、質(zhì)交換從分，分離效率高，時產(chǎn)品的提取率提高；3）操作彈性大，不產(chǎn)生液泛或漏液，所以負荷調(diào)節(jié)范圍大，適應(yīng)性強。負荷調(diào)節(jié)范圍可以在30%110%篩板的調(diào)節(jié)在70%100%4）液體滯留量少，啟動和負荷調(diào)節(jié)速度快；5） 可以節(jié)約能源。由于阻力小，空氣進塔壓力可降低0.07MPa左右，因而使空氣 能耗減少6.5%左右；6）塔徑可以減少。此外，應(yīng)用規(guī)整填料后，由于當(dāng)量理論塔板的壓差減小，全精餾制氬可能實現(xiàn)，氬提取率提高10%15%規(guī)整填料精餾塔一把分為35段填料層，每段之間有液體收集器和在分布器，傳統(tǒng) 篩板

14、塔的板間距為110160mm而規(guī)整填料的等板高為 250300mm因此填料塔的高度 會增加。一般都選擇鋁作為規(guī)整填料的材料，這樣可減輕重量和減少費用，但必須控制 好填料金屬表面殘留潤滑油量小于 50mg嚴。在這樣條件下，可認為鋁填料和鋁篩板塔用 于氧精餾時同樣安全的。當(dāng)然，規(guī)整填料的成本要比篩板塔高，塔身也較高。但是，它的優(yōu)點是突出的，所 以，進入90年代后，許多空分設(shè)備生產(chǎn)廠首先在上塔和氬塔用規(guī)整填料替代了篩板塔， 并有進一步在下塔也采用的趨勢。規(guī)整填料的每1m填料相當(dāng)?shù)睦碚撍鍞?shù)與上升氣體的空塔流速成反比，與氣體的 密度的1/2次方成反比。由于下塔的壓力高，氣體密度大，當(dāng)處理的氣量和塔徑一

15、定時， 每米填料的理論塔板數(shù)減少，即需要有較高的下塔才能滿足要求，這將是阻力增大，能 耗增加，如果靠增大塔徑來降低流速，提高每米填料的理論塔板數(shù)，側(cè)會增加下塔的投 資成本。因此，下塔是否才用規(guī)整填料，需要權(quán)衡利弊。目前還是以采用篩板塔居多。4、精餾塔的調(diào)純回流比：在空氣精餾中，回流比一般是指塔內(nèi)下流液體量與上升蒸汽量之比，它又 稱為液氣比。而在化工生產(chǎn)中，回流比一般是指塔內(nèi)下流液體量與塔頂餾出液體量之比。精餾產(chǎn)品的純度，在塔板數(shù)一定的條件下，取決于回流比的大小。回流比大時所得到的氣相氮純度高，液相氧純度就低。 回流比小時得到的氣相氮純度就低，液相得氧純 度就高。這是因為溫度較高的上升氣與溫度較

16、低的下流液體在塔板上混合，進行熱質(zhì)交 換后，在理想情況下他們的溫度可趨于一致，即達到同一個溫度。這個溫度介于原來的 氣、液溫度之間。如果回流比大、即下流的冷液體多或者上升的蒸汽少時，則氣液混合 溫度必然偏于低溫液體邊，于是上升蒸汽的溫降就大，蒸汽冷凝的就多。因氧時難揮發(fā) 組分，故氧組分冷凝下來相應(yīng)也較多些，這樣離開塔板的上升氣體的氮濃度也提高很快。 每塊塔板都是如此，因此在塔頂?shù)玫降钠渌兌染透?。另一方面，?yīng)為氣液混合物 溫度偏于低溫一邊，于是下流液體的溫升就小，液體蒸發(fā)得也少，因而液體中蒸發(fā)出來 的氮組分相應(yīng)也少些，這樣離開塔板的下流液體中氧濃度就提高的很慢。因而導(dǎo)致塔底 液體的氧濃度就

17、低。常說的精餾塔塔溫高，實際就是指回流比小，塔溫低，就是回流比 大的情況。純度控制：精餾空氣必須具備兩個條件；一是有一定的回流液，二是有一定的上升 蒸汽量。若其比例（回流比）不合適，就不能制取高純的氧、氮產(chǎn)品。當(dāng)上升蒸汽量過 少，回流液過多，液體中的氮分子由于蒸汽傳入的熱量不過而不能充分的蒸發(fā)，氧純度 就降低；反之，當(dāng)回流液相對過少時，回流液不能是蒸汽中的氧分子充分冷凝下來，氮 純度就降低。下塔的液空，液氮時提供給上塔做為精餾的原料液，因此，下塔精餾時上塔精餾的 基礎(chǔ)。妥善地控制夜空，液氮純度的目的在于保證氧、氮產(chǎn)品的純度和產(chǎn)量。液空純度高時，氧氣純度才可能提高。液氮純度高而輸出量大時，氮氣純

18、度才能達 到理想純度，但是，液空、液氮的純度是互相制約的。一種純度提高，另一種純度必然 降低。并且，液空、液氮的純度和各自的輸出量也互相制約，提高其純度，流量必然減 少。從以上種種制約可以看出，液空、液氮的純度和導(dǎo)出量又個平衡點，這就需要穩(wěn)步 地，認真仔細地尋求。下塔的操作要點在于控制液氮節(jié)流閥的開度。具體地來說，就是 要在液氮純度合乎上塔精餾要求的情況下，盡量地加大其導(dǎo)出量。這樣可以為上塔精餾 提供更多的回流液?；亓鞅鹊脑龃罂墒沟獨饧兌鹊玫奖Ｕ稀Ｓ诖送瑫r，下塔回流比也會 因此而減少，液空純度會得到提高，進而可以是氧氣純度得到提高。液氮節(jié)流閥究竟開到什么程度合適呢？這可以同過液氮純度與氣氮的純

19、度差額來 判斷。在正常情況下，噴淋液氮與出上塔氣氮純度相等或者液氮稍低，允許液氮純度低 于氣氮純度0.51%2%純度越低，其差值越大；純度越高，差值越小，當(dāng)氣氮純度高于 99.9%時，貝U應(yīng)使液氮出動相當(dāng)于氣氮純度。如果出現(xiàn)液氮純度很高，而氣氮純度比液氮純度還低的不正?，F(xiàn)象，則說明導(dǎo)入上 塔的液氮量太少，從而造成上塔頂部塔板的液體不足，精餾段回流比不夠，氮氣純度無 法提高。同時，下塔也會因液氮節(jié)流閥開度太小，回流比增大，液空純度下降，進一步 造成氧氣純度降低，此時，液氮節(jié)流閥開度必須加大。這時，液氮純度雖然會有所下降。 但是氣氮純度卻反而能提高。在具有污液氮節(jié)流閥和純液氮節(jié)流閥的流程中，在操作

20、時, 通常用污液氮節(jié)流閥控制液空純度，而用純液氮節(jié)流閥控制氮純度。氧、氬精餾常規(guī)的制氬方法先從精餾塔抽取含氬達 9%12%勺氬餾分，再在粗氬塔中進行氧氬分 離，獲得96%A葉2.5%2+1.5%N組成的粗氬。然后經(jīng)加氫除氧純化后，最終在精餾塔實 現(xiàn)氬氧分離，獲得99.999%的精氬產(chǎn)品。加氫法除去粗氬中的氧，是一種傳統(tǒng)的氬精制法，應(yīng)用化學(xué)原理在粗氬中加入純氫 氣，粗氬由氧與氫在鈀觸媒的催化作用下化合成水，并放出熱量。約1%的氧可使塔溫升高230E。加氫后粗氬徑冷凍機降溫，除去生成的水，在徑活性氧化鋁干燥器除去微量 水。這種方法的工藝流程復(fù)雜，產(chǎn)品提取率低，設(shè)備費用及運行費用高，安全性差。全精餾制氬，即全部用精餾的方法除去餾分氬中的氧、氮、得到高純氬氣。通常氬 氮的分離都是用全精餾的方法來實現(xiàn)的。 由于氧、氬在常壓下沸點僅差3K,非常接近， 如果用低溫精餾來實現(xiàn)氧一氬分離，約需要150180塊理論塔板，用篩板塔來分離的實際塔板數(shù)要170200塊塔板，以每塊塔板阻力為0.3KPa計算，170塊塔板產(chǎn)生的壓差為 51KPa粗氬塔粗氬蒸汽的冷凝式靠冷凝器另一側(cè)富氧夜空蒸發(fā)，而蒸發(fā)側(cè)的壓力與上 塔中部的操作壓力相平衡，可確定粗氬塔頂部的溫度和壓力，而粗氬塔底部餾分氬入口 的壓力取決于上塔中、下部的壓力。這樣看來，粗氬塔德總壓差式有限的，估計在 518KPa允許設(shè)置5060塊塔板，這