2022年空气分离原理[归 .pdf

Q/NGCC 10001-2009 3-1 4空气分离原理4.1 概述空气中氧和氮占99.23%(容积),因此在一般计算中,可以近似地将空气当做氧和氮的二元混合物,将氩归并到氮中去,其它气体忽略不计,即认为空气中含氧20.9%，含氮 79.1%(容积)。由氧和氮组成的均匀混合物，称为氧氮二元素。当二元混合物为液态时，叫二元溶液。氧和氮可按任意比例均匀混合，构成各种不同的浓度气体混合物或溶液。在氧、氮二元溶液中,氮的沸点低,是容易挥发的组分,因此容易从液相变为汽相；氧的沸点高，是难挥发的组分，因此不容易从液相变为汽相。氧、氮二元素的汽液平衡关系是指在某一温度时,氧氮分子从液相进入汽相和从汽相进入液相的数目相等，变化达到了平衡，平衡处于“动态平衡”。当某些条件如压力、温度改变时,原来的平衡遭到破坏后又会重新建立新的平衡。利用空气中氧、氮沸点的不同，在低温下经过多次的部分蒸发和部分冷凝，将空气分离出高纯度的氧气和氮气，再经氧气压缩机和氮气压缩机外送各用户。1)空气精馏先经预处理,再进行精馏。这些过程及其主要作用如下：2)空气压缩过程（主要设备为空气压缩机），其最基本的作用是使流体获得能沿工艺线路流动的动力头；3)物理吸附法过程（主要设备为分子筛吸附器），脱除掉所有可能在低温下固化的杂质；4)热量交换过程（主要设备为换热器）：用以使空气降温和复热产品气体；5)产冷过程（主要设备为增压透平膨胀机）：（1）是为了开车启动期间的逐渐降温；（2）二是补偿系统的冷损（主要是由于空气与产品气之间的温差、产液体以及装置的跑冷损失造成的）；6）主冷中有害杂质的脱除，降低主冷中易与氧发生危险反应的有害杂质（如碳氢化合物）的含量；7）精馏过程，使空气中的氮、氧分离开来。4.2 主要流路如下表：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-20093-2 4.2.1 冷箱物料平衡及热量平衡关系如下表：表 1 物料平衡热平衡干空气流量+H2O 产品气体的总和+液态产品的总和+残余气体温差冷损+冷箱跑冷损失+液态产品的冷损压缩空气的流量干空气流量产冷量4.2.2 在气体分离、液化或压缩的过程中所消耗的能量（主要是蒸汽和电的能量）4.3 自洁式过滤器和三合一机组4.3.1 自洁式过滤器原理4.3.1.1 过滤过程空气经过过滤筒、由于重力、惯性扩散、静电、接触阻留等综合作用，灰尘沉降、堆积在过滤元件上，干净空气经文氏管再到出风口送出。4.3.1.2 自洁过程空气过滤元件上的灰尘，用定时或定差压的方式，由微电脑自动控制，依次对过滤筒反吹，将沉降物的颗粒灰尘吹落到大气中，每次仅一组（六个）过滤筒处于自洁过程，间隔时间为30 秒，其它过滤筒仍处于正常过滤工作状态，ZKG照常运行。4.3.2 三合一机组4.3.2.1 机组结构离心式空气压缩机由机壳(含蜗壳)、转子、轴、轴衬、密封、齿轮箱、进口导叶机构,中间冷却器等构成。按汽缸分布位置分类,有 D 型单轴式、H 型双轴式、型双轴式等多种型号的机器。C75MX3 为汽缸呈三角形布置,三轴式离心式压缩机。电机带动齿轮箱主动大齿轮，一、二、三级从动小齿轮分布在大齿轮外缘（三级在顶部）呈三角形布置。压缩机配备强制润滑系统，设有主油泵（轴-轴传动）、辅油泵（电机带动）及油冷却器、过滤器等。用以向轴承及齿轮传动装置供油。中间冷却器有一级、二级两只，末级冷却功能由空气冷却塔担任。4.3.2.2 工作原理在离心压缩机中，由于气体在工作轮里的离心力增压，在工作轮中渐扩通道流动时的增压，以及在工作轮后的扩压器、蜗壳等渐扩通道流动时的增压，而使气体压力得到了提高。简言之，压缩空气原理有两点：1)靠工作轮高速旋转，对气体作功。气体分子在离心力作用下使其压力提高。2)扩压管作用原理。高速流动的气体，在工作轮逐渐扩大通道中流动或从叶轮圆周流出时，其流道面积都逐步扩大。因而气体分子流速逐步降低，造成后面高速分子不断挤压前面速度缓慢的气体分子，从而将气体的余速（即动能）的大部分转变为静压能。为了得到某个一定的压力，压缩机往往由许多级组成。因而单机总压比可达192，其出口压力可达 42MPa，排气量可在3000Nm3/h-250000Nm3/h左右。所以离心式压缩机就成为大中型压缩机的主要型式。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-2009 3-3 4.3.2.3 压缩机的特性曲线及喘振压缩机不仅要在设计的情况下工作，而且还要在与设计情况不同的很广的范围内工作，这时，压缩机的转速、流量、压力、功能、效率等亦随之发生变化。我们通常把不同流量时对应的出口压力（亦称压缩比）、效率、功率之间的关系，用曲线的型式反映出来，这些曲线称之为压缩机的特性曲线。当压缩机转速一定，流量减少到一定程度时，压缩机不能产生足够维持气流流动所需的压力，气流将出现倒流，机器将出现不稳定状态：流量、压力在短时间里反复升降，机器产生强烈振动并发出异常噪音，这就是离心式压缩机的喘振。形成原因是：当流量减少到一定程度时，气体流道与叶轮通道发生偏离，从而产生了正冲角，造成速度不均匀引起振动。压缩机产生喘振时，必须紧急开防喘振放空阀，避免机器破坏。本机设置有MP3 微处理器，自动控制进口导叶卸载装置、出口排空阀，防止喘振发生。4.3.2.4 控制方式MP3 运用性能控制和喘振控制方法来满足不同压缩空气的需求。“性能控制”用组合控制的方式，即通过同时控制进气阀和放空阀的动作来改变压缩机能耗。MP3 有三种标准性能控制方式或操作方法：卸载、恒压和自动双式。1）卸载：进气阀打开一点点使进气流量满足压缩机的内部冷却、防止转子失稳和喘振的需要。这部分空气通过全开的放空阀排向大气。2）恒压（调制）：根据用户在MP3 输出的压力设定点，给系统一个恒定的排气压力。这种控制是通过调节进气阀在压缩机节流范围内的开度来实现的。当系统用气量低于压缩机最小节流流量时，通过开启放空阀将部分或全部空气排向大气来维持恒定排气压力，此时进气阀的开度使流量处于大于喘振线的流量。放空阀无论何时打开，进气阀都处在最小节流的设定位置，恒压控制提供一个全量程范围的恒定排气压力。3）自动双式（节能）：当系统用气量在节流范围内变动时，它以恒压同样的方式维持恒压。当系统用气量低于最低节流流量时，压缩机将自动卸载。卸载后，当系统压力低于加载点时，压缩机重新加载。在压缩机重新达到设定压力中，输出压力沿着自然曲线爬升直到达到设定压力，以此循环。恒压调节的目的是当系统用气量变化时，压缩机仍提供给系统一个恒定的排气压力。恒压控制需要在恒压调节时流量从100%变化至0。自动双式控制在运用恒压控制方式时流量从100%变化至卸载点。4.4 空气预冷系统4.4.1 预冷的作用原理预冷系统设置在空气压缩机与纯化器之间，由空气冷却塔、水冷塔、螺杆式冷水机组、氨冷器及四台离心式多级水泵组成，起到降低进纯化器空气温度、减少空气中的含水量，提高分子筛的吸附值的作用。同时，经水洗的空气可除去某些可溶性有害物质，如NH3、SO2、NO2、Cl2、HCl 等，也可除去空气中部分固体颗粒。4.4.2 空气冷却塔的结构三位一体空气冷却塔是一只立式圆柱形气液直接接触散堆填料塔，内径 4350mm，壁厚 5mm，总高 24963mm；塔内装有散堆填料、格栅等内件，上段冷冻水、下段冷却水，均由上往下喷淋溢流。压缩机来之高温空气由下往上流动，分别被冷却水、冷冻水冷却降温；顶部装有高效防带水分配器和高效丝网除沫器，以减少空气中的含水量和防止带水。为了方便安装与检修，设有爬梯、一个人孔及三层平台。4.4.3 水冷塔的结构名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-20093-4 水冷塔是一只立式圆柱形气液直接接触散堆填料塔，内径2500mm，壁厚 10mm，总高 14955mm；塔内装有散堆填料、格栅、水分配器和除雾器等内件；塔内从冷箱过来的污氮气由下向上流动，循环水从上往下喷淋溢流，利用污氮的干燥度和潜热将循环水冷却。4.4.4 冷水机组螺杆式水冷机组是以氟利昂22（R22）为制冷剂、水为载冷剂，提供810冷冻水的成套制冷设备，机组配有高效率的换热器，具有体积小、重量轻、制冷剂充灌量小等特点。该机组由螺杆氟压缩机、油分离器、冷凝器、蒸发器、干燥过滤器、油泵、油冷却器、机架及仪控系统组成。螺杆机组安全装置有：压力继电器的超高、过低停车保护；温度控制器的超高、过低停车保护；时间继电器的延时停机保护；热继电器的电机过载保护等。4.4.4.1 工作原理螺杆制冷压缩机是回转容积型压缩机，是靠进入机器后气体体积的缩小，使单位体积中气体分子密度急剧增大而使气体状态制冷剂（R22）的压力升高。在螺杆制冷压缩机内有8 字形的内腔,其中装有两只互相噛合的阳转子和阴转子。当两转子转动时,因转子的齿部相互插入对方的齿槽内,随着转子的旋转插入的长度越来越大,使其容纳气体槽的容积越来越小,从而达到压缩气体制冷剂的目的。4.4.4.2 制冷剂简介在制冷系统中工作的介质称制冷剂.冷水机组是以氟利昂22(R22)为制冷剂。R22 无毒、没有燃烧和爆炸的危险，对金属（含2%以上的镁合金除外）没有腐蚀性作用；渗透能力很强，极易渗漏且不易发现。4.4.4.3 制冷剂中异物的影响在制冷系统中，制冷剂可能含有各种异物。如水、油、金属屑及其他污物，这些异物对于制冷机的工作都有影响，应给予极大的注意。1）水分的影响：一般含水的制冷剂能腐蚀金属，使润滑油部分乳化，甚至产生冰塞，使制冷效果逐步衰减并最终中断循环。所以应防止水分进入制冷系统。作气密性试验时应用干燥空气或氮气；使用的制冷剂和冷冻油应符合标准；拆检机器时应保持零部件的干燥，检修后应抽真空。2）不凝气体的影响制冷系统内的不凝气体，大多数是侵入的空气或油在高温下分解的气体，他会使冷凝压力上升，排气温度升高，降低制冷能力并增加功率消耗。所以有不凝气体存在于系统中，是十分不利的。因此，在装制冷剂前应将系统抽真空，真空度应在0.096MPa 以上；设备检修后应抽真空；系统是密闭的，不泄漏；在设备工作时间定期或不定期的排放空气。3）油及其他杂质的影响氟利昂制冷剂能溶于油，使油的粘度降低，应注意选择粘度适当的润滑油。4.5吸附器4.5.1 简介纯化设备通常都是用于净化流程空气的前置净化装置。其目的是脱除空气中的水份、碳氢化合物和二氧化碳（CO2 在空气中的平均含量约 400Ppm）。因为 H2O与 CO2的固化温度均高于设备的操作温度，这样，它们的沉积和浓缩，便会对冷箱内设备及管道构成堵塞。碳氢化合物的积聚在精馏塔氧环境中可能会导致精馏塔或者主冷发生爆炸。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-2009 3-5 而吸附净化则是一种安全、有效的净化方法。4.5.2 吸附原理吸附是一种把气态和液态物质（吸附质）固定在固体表面（吸附剂）上的物理现象，这种固体（吸附剂）具有大量微孔的活性表面，吸附质的分子受到吸附剂表面引力的作用，从而固定在上面。引力的大小取决于：1）吸附剂表面的构造（微孔率）；2）吸附质的分压；3）吸附伴随着放热，是一种可逆的现象，类似于凝结：4）加压力，吸附能力增加；5）降低温度，吸附能力增加（如图 5 所示）因此，在吸附时，要使压力升到最高，温度降到最低。解吸时，则要使压力降到最低，温度升到最高。4.5.3 床的净化工艺该工艺也叫空气净化的“干燥脱除CO2”工艺。为使空气获得较低的净化前温度，常用制冷机组或空气冷却塔对其进行降温。（本套装置是采用空气冷却塔、采用液氨和冷水机组辅助制冷）净化装置位于空气压缩机、空气预冷系统之后，为了保持净化器工作的连续性，需要使用两台吸附器。当一台工作时（即正在吸附 H2O与 CO2），另一台处于再生状态。4.5.3.1 吸附阶段由于氧化铝吸附 CO2的效果很差，故它主要用于吸附 H2O，而位于其后的分子筛则处理干燥后含有 CO2的空气。注：分子筛具有很强的吸水性，因此，在吸附和再生期间绝不能让分子筛与水份接触而降低其吸附 CO2的能力。下图显示了吸附质在临近穿透的时刻（在吸附阶段结束），CO2 与 H2O在两种吸附床层中及给定时间内的含量分布图。在净化阶段结束前的瞬间，吸附剂的状态图 2 吸附剂必须在吸附质的前锋抵达吸附出口之前进行再生（即在穿透之前）。4.5.3.2 再生阶段：再生就是利用压力和温度对吸附剂吸附能力的影响，将吸附器里的吸附质排出去。由于吸附剂的吸附能力随吸附质的压力减小而减小，随吸附质温度的增高而减小（如图 5 所示）。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-20093-6 因此，要使其解吸，首先将吸附器降压至较低的压力（大气压力）即再生时对其低压操作，然后用加热的干燥气体对吸附剂进行加温，以尽可能降低吸附剂的吸附能力，从而达到解吸并带走吸附质的目的；最后用未加热的干燥气体，将热端面推向铝胶床层，直至其出口，这样，吸附剂又恢复到吸附阶段时的正常温度。过程见图 5所示：即为：1）吸附净化；2）降压；3）用加热的干气体吹扫吸附器；4）用未经加热的干气体吹扫吸附器；5）升压。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-2009 3-7 4.5.4 调节为了减少热量损耗和机械疲劳，最好使吸附器切换的循环周期尽可能长，而升压和降压时间尽可能短，以减少再生后的等待时间。注：若缩短吸附器升压、降压的时间，应使气流在吸附器内的穿行速度不超出允许范围，以减少机械损耗。调节再生气的流量是为了能在要求的时间内完成吸附剂的再生。调整安全的加热温度。调节加热的时间，以便使吸附器出口气流温度实际超过要求的温度（峰值 t2，t3，t4）。设置切换程序压差 PDI-21201 为大于 15kPa 报警，程序停止向下进行，并保持当前状态直至压差小于 15kPa，目的是使系统能安全的切换。从吸附器入口温度曲线，可以识别出加热阶段和冷却阶段，温度曲线中的衰减部分是由于再生吸附器上游的金属余热而形成的（管道，无旁通的加热器）。4.5.5 “经典”故障1）阀门故障（堵塞、泄漏等）；2）升压和降压期间，由于压力调节开关动作失常导致循环中止；3）蒸汽加热器泄漏，导致再生气流含湿（由水份分析控制）；4）加热与冷却超时（再生气量不足）；5）再生温度太低（再生气量太大）；6）两台吸附器的压降不等或压降过大，切换期间引起进冷箱空气压力波动较大，给装置调节带来困难；7）吸附剂破损现象，即由于受气流冲击使吸附剂颗粒破碎，形成粉尘（降压，升压速度过快）。8）其他杂质会使系统发生堵塞、污染制冷剂及冷冻油，应注意选择适当的润滑油。4.6 空气膨胀系统4.6.1 工作原理透平膨胀机组由主机、制动机械、润滑系统和各种自动保护装置组成。本机采用风机制动、选用先进的可调节喷嘴结构，通过喷嘴叶片的转动，可在设计气量的30%范围内实现气量的无级调节。透平膨胀机是一种旋转式制冷机械，当具有一定压力的气体进入膨胀机的蜗壳并被分配到导流器（导流器上装有喷嘴叶片）中。气体在喷嘴中将内部的能量转换成流动的动能，压力、焓降低，流速增高到200m/s 左右。当高速气流冲到叶轮的叶片上时，推动叶轮旋转，将动能转换为机械能，通过转子轴带动制动风机对外输出功。基本原理是利用压缩空气在机内绝热膨胀并对外作功，气体焓值减少、压力降低，从而使气体本身强烈的冷却、降低温度，达到制冷的目的。4.6.2 结构简述4.6.2.1 透平膨胀机结构膨胀机气量调节是由安装在冷箱顶上的气动薄膜执行机构带动喷咀叶片转动，从而改变其通道截面积来实现的，执行机构的阀杆行程反映了喷咀通道宽度的变化，阀杆下移使喷咀通道开大，上移则关小。蜗壳：为不锈钢焊接结构，固定在机身上，通过机身与底座相连，蜗壳内容纳有喷咀和膨胀机名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-20093-8 叶轮。转子：二端分别装有膨胀机叶轮和增压机叶轮（二者均为闭式），为一刚性转子，套装在机身轴承上。轴承：前、后轴承均为径向推力联合式轴承，由进油管供给清洁而充足的润滑油，使转子能长期稳定运转，采用铂电阻温度计测量轴承温度。轴密封：在接近二叶轮的轴上各置有一迷宫密封套，使得气体外漏量控制在最小的范围内，在膨胀机的密封套内充入常温密封气（干燥空气或氮气）以阻止流经膨胀机的低温气体外泄，而跑“冷”，为控制喷咀出口的气体与膨胀机端密封气之间的压力差维持在0.05MPa 左右，特设置一精密减压阀，增压机端的密封套内充入0.5MPa 压力的密封气（干燥空气）。4.6.2.2 离心增压机增压机由进气室、叶轮、无叶扩压器、蜗壳组成，其叶轮与膨胀机叶轮置于同一轴上，二者转速相同，由膨胀机叶轮发出的机械功驱动其旋转，气体进入叶轮后，被加速、增压，进入无叶扩压器之后，又进一步减速增压，最后汇集于蜗壳排出机外，经冷却降温后进入钣式换热器，再进入膨胀机。4.6.3 润滑油系统在正常操作和事故停车阶段，润滑油系统为机组提供经冷却和过滤的润滑油；该供油系统由单独的系统组成，主要包括油箱、油泵、油冷却器、温控阀、蓄压器等。润滑油进入油泵升压后进入油冷却器和切换式油过滤器，再分别进入各轴承，最后由机身内腔汇入回油管回到油箱，另外设置了一蓄压器，在油泵启动后自动充油，用于油压降低或油泵停转后，机组联锁停车时能继续供油一段时间（约1 分钟），确保轴承的安全。注意：不能通过调节润滑油总管的油压来补偿油过滤器的压降；在进行油压调节时，油过滤器必须清洁。4.6.4 密封气系统增压透平膨胀机采用的是迷宫密封结构，主要的密封部位有增压机及膨胀机的轴承和转子；密封气系统的主要作用是为了防止润滑油进入工艺气系统，同时还阻止冷工艺气泄漏进入轴承箱；开车时，密封气由外部总管密封气提供；正常操作阶段用于轴封的密封气见工艺及仪表流程图。4.6.5 紧急切断阀在膨胀机进口处设置了一个紧急切断阀，当机组处于危险状态时，根据各危险点发出的联锁信号，此阀能在很短时间内关闭，从而切断气源，使其快速停车，起到安全保护作用。在危急情况下，膨胀机仪控系统联锁即切断电磁阀电源，使紧急断阀快速关闭与此同时增压机回流阀自动全开。（此阀的设计是在1.5S 内能关闭）4.6.6 增压机后冷却器为了将增压机出口高温气体冷却以达到空分流程的要求，设置了其冷却器，用冷却水进行冷却，调节进水量可以达到调节出口气体温度的目的，冷却器工况的控制根据其技术参数和流程需要来进行。4.6.7 增压机回流阀设置该阀有以下三个用途：a.压力调节：根据空分流程的要求，一般希望增压机出口压力保持恒定，阀的开大或关小，可使压力降低或升高，该阀在仪控系统自动控制下则可达到压力恒定的目的。b.防喘振：增压机在一定的进口流量和转速下，当进口流量小到一定数值时，机器会发生喘振，此时压力会大幅度波动，并发出强烈的“喘气”声响和振动，将引起机器损坏，为防止这种情况出现，该阀会在进口流量小到一定数值时自动打开。所给定的防喘振流量是根据进口压力，进口温度，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-2009 3-9 转速均为额定值的情况，当这些条件不同时，对防喘振流量值应予修正。c.开大回流阀：可增加增压机的负荷使膨胀机减速。4.7 精馏4.7.1 理论塔板气体的精馏分离需要一系列的精馏塔板，使得上升的蒸汽与下流的液体能在塔板上进行传热传质。1）从某块塔板上溢流下来的液体与塔板上的液体组份相同；2）上升的蒸汽 V1A0通过筛孔进入塔板并与从上一块塔板溢流下来的液体 L2 进行热质交换；3）在传质传热过程中，上升的蒸汽 V1A0有一部分冷凝，塔板上的液体有一部分蒸发，最终，上升的蒸汽 V1A1与塔板上的液体 L1 达到平衡，蒸汽中的易挥发组分含量逐渐高于 L1 中的易挥发组分；4）当塔板上热质传递连续进行时，物料也同时不断得以平衡，这样就能获得一定流量，一定组份的液体 L2。4.7.2 实际塔板在同一块实际塔板上，蒸汽 V1A1和液体 L1 之间并不平衡，其原因如下：1）沿整块塔板分布的液位高度不等，引起偏流；2）沿整块塔板分布的组份不同，塔板入口处的回流液中易挥发组份浓度较高；3）气液之间的接触时间不完全均等。实际的塔板特性可以用效率表示，该效率定义如下：理论塔板数/实际塔板数（能达到与理论塔板数相同分离效果的实际塔板数量）。4.7.3 塔板的操作限制塔板上的液面高度等于以下两个高度之和：h1：由于塔板结构而形成液面高度；h2：使液体足以漫过溢流堰的液位高度，该高度取决于塔内回流液流量，如果回流量太大，回流液体会上涨至上一块塔板而发生液悬。在正常工况下穿过筛孔的气流，其动力应与液面高度产生的静压力相平衡，且该平衡只能在一定的条件下才能实现。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-20093-10 1）如果气流速度过大，液体会被吹飞，塔板上气液接触的时间太短，还会引起雾沫夹带。2）如果气体流速太小，液体则从筛孔中渗透下来，引起漏液。所以，气体流速只有保持在一定的范围内，才能有良好的分离效果。4.7.4 精馏塔的作用4.7.4.1 原理精馏塔系一个装有一系列塔板或填料的塔形容器，气流依次通过这些塔板或填料向上升，液体依次向下回流。空气气流从精馏塔下部进入塔内，穿过塔板或填料上升到塔顶，部分气体被抽出塔外，剩下部分冷凝下来，并以液态形式返回塔底（这部分液体称为回流液）。回流的液体和上升的气流，使精馏工况得以进行，沿塔板上升的气流中所含的易挥发气体组分（氮）浓度越来越高，与此同时沿塔板下降的液体中不易挥发的气体组分（氧）浓度越来越高。4.7.4.2 产品纯度利用一些接近于氧氮实际分离状况的简化V1A1模式，可以得到下列关系：L2 V1A0=V1A1，L2=L1 故而有：1）穿过筛板的气体流量是恒定的，等于塔的空气流量；2）塔顶冷凝的液体量等于空气流量减去从顶部抽走的气量。塔顶的氮纯度取决于两个因素：1）平衡参数（由塔的操作压力而定）；2）塔的回流比（L/V1A），当 L/V1A 增大时，也即当抽气量减小时，氮的纯度增加。塔底的液氧浓度和塔顶的氮纯度同步增加。4.7.4.3 塔的操作压力平稳运行的时候（塔内无气体累积）所达到塔顶的气体必须冷凝下来，这需要进行一定量的热交换，因此冷凝蒸发器两侧的温差T便成为热交换的动力，而温差的大小又影响着两侧的热交换。T=T2-T1 T1蒸发侧温度。T2冷凝侧温度。塔的操作压力就等于塔顶温度 T2 对应的饱和氮气压力，并取决于蒸发侧的温度 T1 和冷凝气量。4.7.4.4 从中部抽出贫液（污液氮或贫液空）的下塔的操作（WLN、LA）在这种情况下，塔将分成回流比（L/V1A）不同的三段。上段塔的分离效果较好（L/V1A较大）。改变污液氮和贫液空的抽出量会影响中段和下段塔的分离效果，而上段塔的分离效果保持不变，但由于污液氮和贫液空抽口以下塔板上的浓度发生了变化，所以塔顶的浓度也会随之改变。这种精馏塔的设计是用于生产：1）塔顶为纯氮；2）塔的中上部为污氮馏份液（WLN）；3）塔的中下部为贫液空；4）塔底：富氧液空。4.7.5 双级精馏塔的操作下塔顶部气体的冷凝及上塔底部的液体蒸发是在同一个换热器（位于二个塔之间的主冷）里进行的。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-2009 3-11 4.7.5.1 操作压力正如上面看到的，上塔顶部的压力是污氮流量的函数，塔的阻力取决于上升的气量及塔板上液面高度。如果 P0 是上塔塔顶的压力，上塔底部的压力则为：P1=P0+上塔的阻力 P 上塔底部液体的平均饱和温度T1取决于相应的饱和压力。下塔的顶部温度：T2=T1+T 主冷温差 T与冷凝蒸发器的换热面积和热负荷有关，下塔顶部的压力 P2 等于与 T2 对应的饱和压力，与上塔一样，下塔的塔板也会产生压降，其结果为：下塔的进口压力 P3=P2+下塔的阻力 P。下图显示了塔的进口压力 P3 与空气流量及总产品量（氧和氮）的函数关系：4.7.5.2 精馏塔的调节调节三个参数：1)气氧流量它主要影响上塔下段的精馏，并能调节氧的浓度，当抽出的气氧流量减小时，回流比（L/V1A）趋近 1，氧的纯度提高。2)贫液空流量它能调节下塔底富氧液空浓度，从而达到调节上塔的目的。3）液氮流量它能调节下塔塔顶的氧含量，将塔顶的氧含量降到最低，减少装置的氧流失。4.7.6 塔的物料、能量的平衡对塔内的上升蒸汽和回流液体作一个简化计算使我们可以：1）估算回流比并对分离效果作评价；2）检查总物料平衡和冷凝蒸发器的热平衡并依次检验精馏塔的工作稳定性。虽然没有对装置中的污氮馏份液和富氧液空的流量进行测试，但仍可用上述方法作设定的分析。我们可用一个只生产气体的基本设备作例子，并先假定入塔空气量为 2000Nm3/h。1）出塔气氮量设为 400Nm3/h，冷凝蒸发器的冷凝量为 1600Nm3/h，上塔侧汽化的流量也为1600Nm3/h。2）1600Nm3/h 的冷凝液在下塔中向下回流，700Nm3/h 的污液氮被抽出。3）流到下塔下部的 900Nm3/h 的贫液空、富氧液空必须抽出，以保持塔底的液位恒定，通名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-20093-12 过两个控制塔底液位的节流阀的开度，达到物流量平衡。4）在上塔的上段有 700Nm3/h 的污氮馏份液向下溢流。5）到了下段 900Nm3/h 的贫液空、富氧液空加上从上段流下来的 700Nm3/h，即共 1600Nm3/h 的液体流到上塔的底部。6）从汽化的 1600Nm3/h 中抽出 400Nm3/h 作为气氧，其余 1200Nm3/h 沿塔上升，在塔顶变为污氮送出塔外。根据这些流量可计算出回流比（L/V1A）。4.7.6.1 改变空气流量空气流量从 2000Nm3/h 降到 1000Nm3/h。从此，可以看出若维持各段 L/V1A 不变，（氧气，污氮气，污液氮）的流量就必须按与空气相同的比例减量。这些主要流量的减少，会导致压降减少，热交换量减少，及操作压力的降低。4.7.6.2 抽出液体量的影响无论是抽取液氧或液氮，都会破坏上塔底部的物流量平衡。在这两种情况下，液体蒸发的量都要比进塔的量多 100 Nm3/h，这将导致上塔底部液位下降，使装置运行状态不稳定。这就需要往塔内注入等量的液体。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-2009 3-13 4.8 换热器4.8.1 换热器介绍换热器是一种将一股（或几股）流体的热量或冷量传递给另一股（或几股）流体的静止设备。在下面例举的换热器中，进口气流的流量和温度都是一定的，出口气流的温度将由该换热器的工作来决定（进、出口的流量相同）。气流进口温度 25 C，出口温度90 C。气流进口温度100 C，出口温度 20C。这样，热端的温差为 5 C，冷端的温差为10 C。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-20093-14 4.8.2 热传道4.8.2.1 传热过程换热器内部的热量传递可以用图示意。如图所示，气流1 与气流2 之间的热传递可以通过 TA到 TB的温度变化曲线予以说明。在换热器壁面上及其邻近区域，由于层流流动，流体与流体所产生的热阻R1和 R3 减弱了热量的传递。此外，由于壁面本身的热量传递产生了一个附加的热阻R2。R1，R2，R3 分别确定了局部换热系数 K1，K2和 K3，由它们导出一个总的换热系数K，其定义如下：1111123123KRRRKKK气流与气流的换热量与换热表面积及温差成正比：QKST整台换热器的换热量为：QKST 平均4.8.2.2 某段换热区间内的热平衡名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-2009 3-15 根据前面的公式，该区间内所传递的热量：QKSTT312()QKSTTLnTT31212（设TT12）这三个换热量是相等的：QQQ123我们可以根据温度分布在图上显示出整台换热器的换热量。4.8.3 传热曲线4.8.3.1 简单换热器（无相变）改变相对流量：增加热气流1 的进口流量。对于前面的例子来说，如果热气流量增加，则线条1 的斜率增加斜线 1 变成了 1”。从图上可以看出：(1)换热量增加；(2)热端温差减小；(3)冷端温差增加。必须注意 T 是气流 1 与气流 2 之间的平均温差。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-20093-16 Tm Tm 平均温差 T 增加，则Q增加到 Q。其它状况：同理，其它状况也如此考虑，最终结论归结于下表。流量T 热端温差T 冷端温差Q 换热量热气流WARM GAS 冷气流COLD GAS 4.8.3.2 有相变的换热器换热器中的热气流出现液化。斜率 W1Cp1 增至无穷大。因为气流1 达到其液化温度Ts时，比热Cp增至无穷大。1)改变相对流量让我们考虑这样的情况，在与前者相同的换热器里增加气体流量，我们从图上看到：（1）换热量增加；（2）热端温差减少；（3）冷端温差恒定不变；（4）液化率减少。按照前面无相变换热的方法，我们得到:W1斜率 W1Cp1 TmQ由此可以得到下表：流量Q 换热量T 热端温差T 冷端温差液化率热气流WARM GAS constant constant 冷气流constant名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-2009 3-17 COLD GAS constant 2）改变进入换热器的热气体的压力。此时，改变了热气流1 的压力。从右图我们注意到：（1）换热量增加了（2）热端温差减小（3）冷端温差增加（4）液化率增加若 P增加，则液化温度Tc增加平均T 增加 Q 增加。压力Q 换热量T 热端温差T 冷端温差液化率热气体WARM GAS 3）在冷却时：因为液相的比热比气相比热小，故过冷段的曲线斜率小于气相段的曲线。因而出换热器的热流温度比其液化温度Tc要低。4)液化气体：（见下图 d）5)气化冷凝：（见下图e）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-20093-18 4.8.3.3 其它换热情况 1）有返流中抽 2）中抽返流量改变增加返流量W2后，如图示：曲线 1 变为 1，2 变为 2，从图示可见：(1)换热器热段的换热量增加；(2)换热器冷段的换热量增加；(3)冷端温差 T降低；(4)热端温差 T升高；(5)中部抽口处温度降低。3）换热器有附加冷源名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 18 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-2009 3-19 如图，在附加冷源的这一高度上，气流有一个温降，但此时气流1 与 2 之间没有进行换热。4)气体过临界点此时，气流1 的压力高于其临界压力。气流 1 越接近其临界温度，比热Cp 越大，因此在Tc1 附近，斜率Cp*W1将趋向于垂直方向。Tc1：气流 1 的临界温度。4.9 低温液体泵4.9.1 概述低温液体泵主要分离心泵和柱塞泵，离心泵流量大、压力较低，柱塞泵流量小、压力高，在制氧厂应用较广。4.9.2 离心式液体泵的密封气离心式液体泵采用密封气的目的是为了防止液体的泄漏，但不允许出现带气现象。因此，调节密封气压力的原则是让泵在极少量的液体泄漏、汽化的情况下进行运转。当密封前后过低时，就会出现液体泄漏；当密封气压力过大时，将有气体通过迷宫密封漏到泵体内，造成叶轮内带气甚至只空转，因此打不上液体或压力将下来。通常密封气压力减去叶轮背压力为0.005 0.01MPa 范围比较好。密封气介质的选用也很讲究，一般用氮气或仪表空气，对于没有精氩塔的无氢制氩流程，为防止密封气的渗入使精液氩含氮不合格，循环氩泵的密封气选用氩气或采用泵侧用氧气电机侧用氮气双密封方式。4.9.3 密封系统说明：泵在备用状态下要做好密封,防止油泄漏,水、灰尘、沙子进入。密封气在投用前要防止雨水进入迷宫密封系统。在停泵后要继续通密封气，时间根据环境设定，但不能少于10 分钟。密封气要求：密封气必须是清净、干燥的氮气。密封气温度大于0 度或室温，露点：-80。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 19 页，共 20 页 -Q/NGCC 10001-20093-20 4.9.4 离心液体泵气蚀和气堵离心式泵有时会发生排不出液体，出口压力升不上去或发生很大的波动，泵内有冲击声，甚至泵体发生振动，使液体泵无法继续工作。这种现象称为液体泵的“气堵”，气堵是由于泵内液体大量汽化而堵塞流道造成的。“气蚀”不同与“气堵”，“气蚀”是一种对泵的损害过程。离心泵在运转时，叶轮内部的压力不同，进口处压力较低，出口处压力较高。而液体的汽化温度是与压力有关的；压力越低（或越高），所对应的汽化温度也越低（或越高）。如果液体进到泵里的温度高于进口压力所对应的汽化温度，则部分液体会产生汽化，形成气泡。而当气泡被液体带到压力较高的区域时，由于对应的汽化温度相应提高，蒸汽又会重新冷凝成液体，气泡迅速破裂。这时，由于气、液的密度相差几百倍，所以在气泡凝结、体积突然缩小的瞬间，周围的液体便以很高的速度冲向气泡原来所占的空间，在液体内部发生猛烈的冲击应力而被侵蚀，所以叫做气蚀。气蚀过程发生时，出口压力激烈波动，流动的连续性遭到破坏，泵的流量急剧下降。当然，气蚀发生严重时，常常伴随有气堵现象。不过不同于单纯的气堵现象之处在于：气蚀要对泵造成严重损坏。液体泵产生气蚀的外部原因尽管很多，例如除与泵本身的结构有关外，还与安装、操作密切相关，但是根据产生气蚀的根本原因是由于部分液体在泵内汽化，所以防止液体汽化是避免液体泵气蚀的根本措施。为了防止液体汽化，一方面可以提高液体的压力，以提高它的汽化温度；另一方面应减少外部能量的传入，以避免液体温度提高。为此注意下列事项：首先要了解NPSH（净正吸入压头）概念。要成功地设计一个高效的低温液体泵系统，必须保证维持在泵的进口所需的NPSH，此值要求在泵的吸入阀兰处，在各种情况下均能可靠地达到，此值应高于流动介质的蒸汽压力。NPSH 是泵进口处的液体静压，与泵进口处液体开始沸腾（饱和）的压力之差。NPSH的值是随液体介质的不同、沸腾温度的不同而变化的。对压缩所指定的液体，NPSH 所需的值一般在液体泵制造商的操作手册中有陈诉，在配管中必须满足所需的NPSH储槽中液体压力必须高于饱和压力（PSL），以克服有摩擦引起的压力损失和液体在管道中流动至泵时的冷量损失。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 20 页，共 20 页 -