第三章-空气分离.ppt

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1、煤气化生产技术煤气化生产技术深冷分离工艺技术及主要设备2主要设备及其操作3空气组成及物化性质1第三章 空气分离生产操作的具体步骤4变压吸附工艺技术及主要设备51煤气化生产技术煤气化生产技术 简称空分，利用空气中各组分简称空分，利用空气中各组分物理性质物理性质不不同同，采用，采用深度冷冻、吸附、膜分离深度冷冻、吸附、膜分离等方法等方法从空气中分离出从空气中分离出氧气、氮气氧气、氮气，或同时提取，或同时提取氦气、氩气氦气、氩气等稀有气体的过程。等稀有气体的过程。空气分离的目的是：空气分离的目的是：1.获得获得氧气氧气，用氧气作为气化剂。在煤气化，用氧气作为气化剂。在煤气化生产过程中，煤与气化剂反应

2、生成煤气。生产过程中，煤与气化剂反应生成煤气。2.提供气化、净化、燃机系统所需的惰性气提供气化、净化、燃机系统所需的惰性气体体N2煤气化生产技术煤气化生产技术第一节 空气组成及物化性质12空气组成空气组成空气物化性质空气物化性质3煤气化生产技术煤气化生产技术空气组成空气是一种主要由氧、氮、氩等气体组成的复杂气体混合物,其主要组成及各成分的沸点见表3-1,除表中所列的固定组分外,空气中还含有数量不定的灰尘、水分、乙炔,以及二氧化硫、硫化氢、一氧化氮、一氧化二氮等微量杂质。煤气化生产技术煤气化生产技术一、空气组成表表3-1 3-1 空气组成及各成份的沸点空气组成及各成份的沸点氧、氮、氩和其他物质一

3、样，具有气、液和固三态。在常温常氧、氮、氩和其他物质一样，具有气、液和固三态。在常温常压下它们呈气态。在标准大气压下，氧被冷凝至压下它们呈气态。在标准大气压下，氧被冷凝至183，氮，氮被冷凝至被冷凝至196，氩被冷凝至，氩被冷凝至186即会变为液态，氧和氮即会变为液态，氧和氮的沸点相差的沸点相差，氩和氮的沸点相差，氩和氮的沸点相差，空气的分离就，空气的分离就是充分利用其是充分利用其沸点的不同沸点的不同来将其进行分离来将其进行分离5煤气化生产技术煤气化生产技术二、空气物化性质（氧-氮二元系气液平衡）1 1气液平衡、饱和压力和温度气液平衡、饱和压力和温度煤气化生产技术煤气化生产技术二、空气物化性质

4、（氧-氮二元系气液平衡）2 2氧氧-氮二元系的气液平衡氮二元系的气液平衡由氧和氮组成的均匀混合物，称为氧-氮二元体系。当二元混合物为液态时，称二元溶液，此时，氧、氮可以任意比例均匀混合，组成各种不同浓度的气体混合物及溶液，相同压力下不同浓度溶液的饱和温度不同。煤气化生产技术煤气化生产技术第二节 深冷分离工艺技术及主要设备12概概 述述空气分离的工艺流程空气分离的工艺流程煤气化生产技术煤气化生产技术一、概述空气分离（简称空分）的方法有液化精馏及分子筛吸附两种类型。由于分子筛吸附能耗较高，仅适用于小气量的独立用户。而大型化工生产所需O2、N2量较大，并且纯度较高，多用液化精馏方法分离空气。液化精馏

5、法分离可分为空气净化、空气液化和空气分离空气净化、空气液化和空气分离等三个工序。9煤气化生产技术煤气化生产技术空气的净化 空气净化的目的是脱除空气中所含的机械杂质、水分、二氧化碳、烃类化合物(主要为乙炔)等杂质,以保证空分装置顺利进行和长期安全运转。这些杂质在空气中的一般含量见表煤气化生产技术煤气化生产技术空气的净化空气的净化表表4 4-2 2 大中型空分装置对原料空气的要求大中型空分装置对原料空气的要求杂质机械杂质（标）二氧化碳乙炔CnHm允许含量30mg/m3350mL/m30.5 mL/m330 mL/m3煤气化生产技术煤气化生产技术空气净化一一.空气的净化空气的净化（1）机械杂质的脱除

6、（2）水分及CO2的脱除（3）碳氢化合物的脱除（4）冷箱前端净化煤气化生产技术煤气化生产技术1、机械杂质的脱除 机械杂质一般用设置在空气压缩机入口管道上的空气过滤器脱除。常用的空气过滤器分湿式和干式两类。湿式包括拉西环式和油浸式;干式包括袋式、干带式和自洁式机械杂质的危害？煤气化生产技术煤气化生产技术拉西环式过滤器拉西环式过滤器由钢制外壳和装有拉西环的插入盒构成见图,拉西环上涂有低凝固点的过滤油。空气通过时,灰尘等机械杂质便附着在拉西环的过滤油上,拉西环式过滤器通常适用于小型空分装置。煤气化生产技术煤气化生产技术油浸式过滤器油浸式过滤器由许多片状链组成,链借链轮的作用以2mm/min的速度移动

7、或间歇移动(见图）。片状链上有钢架,钢架悬挂在链的活动接头上,架上铺有孔为1mm2的细网。空气通过网架时,将所含灰尘留在网上的油膜中。随着链的回转,附着的灰尘通过油槽时被洗掉,并重被覆盖一层新的油膜。油浸式过滤器的效率一般为93%99%煤气化生产技术煤气化生产技术袋式过滤器袋式过滤器一般由滤袋、清灰装置、清灰控制装置等组成(见图)。滤袋是过滤除尘的主体,它由滤布和固定框架组成煤气化生产技术煤气化生产技术干带式过滤器干带式过滤器的结构如图所示。干带式过滤器所用的干带,是一种尼龙丝组成的长毛绒状制品或毛质滤带。干带上、下两端装有滚筒,滚筒由电动机及变速器传动。当通过干带的空气阻力超过规定值(200

8、Pa)时,滚筒电动机启动,使干带转动,脏带存人上滚筒。当阻力恢复正常后,即自动停煤气化生产技术煤气化生产技术自洁式空气过滤器自洁式空气过滤器的结构如图所示。主要由高效过滤桶、文氏管、自洁专用喷头、反吹系统、控制系统、净气室、出风口和框架等组成。(1)过滤过程(2)自洁过程煤气化生产技术煤气化生产技术空气的净化空气的净化煤气化生产技术煤气化生产技术2、水分、二氧化碳的脱除脱除水分、二氧化碳的方法有吸附法吸附法和冻冻结法结法等。不同的装置采用不同的方法。煤气化生产技术煤气化生产技术空气预冷系统 空气预冷系统是空气分离设备的一个重要组成部分,它位于空气压缩机和分子筛吸附系统之间,用来降低进分子筛吸附

9、系统空气的温度及H2O(g)、CO2含量,合理利用空气分离系统的冷量。在填料式空气冷却塔(简称空冷塔)的下段,出空压机的热空气被常温的水喷淋降温,并洗涤空气中的灰尘和能溶于水的NO2、SO2、Cl2、HF等对分子筛有毒害作用的物质;在空冷塔的上段,用经降温过的冷水喷淋热空气,使空气的温度降至1020。煤气化生产技术煤气化生产技术分子筛吸附法 自20世纪70年代开始,在全低压空分设备上,逐渐用常温分子筛净化空气的技术来取代原先使用的碱洗及干燥法脱除水分和二氧化碳的方法。此法让空冷塔预冷后的空气,自下而上流过分子筛吸附器(以下简称吸附器),空气中所含有的H2O、CO2、H2等杂质相继被吸附剂吸附清

10、除。吸附器一般有两台,一台吸附时,另一台再生,两台交替使用。此种流程具有产品处理量大、操作简便、运转周期长和使用安全可靠等许多优点,成为现代空分工艺的主流技术。煤气化生产技术煤气化生产技术吸附剂的再生 吸附剂的再生是吸附的吸附质脱附脱附的过程。用干燥的热气流流过吸附剂床层,在高温的作用下,被吸附的吸附质脱附,并被热气流带走。煤气化生产技术煤气化生产技术3、乙炔和碳氢化合物的脱除问：1、为什么脱除？2、脱除方法？煤气化生产技术煤气化生产技术4.冷箱前段净化分子筛吸附法分子筛（人工合成沸石）微孔、分子尺寸大于微孔不能通过表表4-3 4-3 常用分子筛的组成及孔径常用分子筛的组成及孔径煤气化生产技术

11、煤气化生产技术分子筛吸附具有高选择性温度越低，压力越高，对吸附越有利吸附过程：膜扩散 孔扩散控制控制煤气化生产技术煤气化生产技术二二.空气的液化空气的液化空气的液化指将空气由气相气相液相液相的过程,要将气体液化，必须把气体的温度降到它的临界温度临界温度以下。目前采用的方法为给空气降温降温,让其冷凝。煤气化生产技术煤气化生产技术空气的空气的液化液化表表4 4-1 1 空气的组成与各组分的临界参数空气的组成与各组分的临界参数煤气化生产技术煤气化生产技术氧、氮、氩和其他物质一样，具有气、液氧、氮、氩和其他物质一样，具有气、液和固三态。在常温常压下它们呈气态。在和固三态。在常温常压下它们呈气态。在标准

12、大气压下，氧被冷凝至标准大气压下，氧被冷凝至183，氮被，氮被冷凝至冷凝至196，氩被冷凝至，氩被冷凝至186即会即会变为液态，氧和氮的沸点相差变为液态，氧和氮的沸点相差，氩，氩和氮的沸点相差和氮的沸点相差，空气的分离就是，空气的分离就是充分利用其充分利用其沸点的不同沸点的不同来将其进行分离。来将其进行分离。空气中除氧、氮和氩外，还有氖、氦、氪、空气中除氧、氮和氩外，还有氖、氦、氪、氙等稀有气体，这些稀有气体广泛应用在氙等稀有气体，这些稀有气体广泛应用在国防、科研及工业上，稀有气体的提取也国防、科研及工业上，稀有气体的提取也直接关系到空分装置氧气的提取率和生产直接关系到空分装置氧气的提取率和生

13、产运行能耗。目前大型的空分装置都普遍带运行能耗。目前大型的空分装置都普遍带无氢制氩工艺。无氢制氩工艺。煤气化生产技术煤气化生产技术空气的液化空气的液化（1 1）节流膨胀（焦耳节流膨胀（焦耳-汤姆逊效应）汤姆逊效应）（2 2）等熵膨胀）等熵膨胀 深冷法：将获得深冷法：将获得-100以下温度的方法称为以下温度的方法称为深度冷度法深度冷度法煤气化生产技术煤气化生产技术1.节流膨胀连续流动的高压气体,在绝热和不对外做功的情况下,经过节流阀急剧膨胀到低压的过程,称为节流膨胀。由于节流前后气体压力差较大,因此节流过程是不可逆过程。气体在节流过程既无能量收人,又无能量支出,节流前后能量不变,故节流膨胀为等焓

14、过程等焓过程。气体经过节流膨胀后,一般温度要降低。温度降低的原因是因为气体分子间具有吸引力,气体膨胀后压力降低,体积膨胀,分子间距离增大,分子位能增加,必须消耗分子的动能。煤气化生产技术煤气化生产技术2.等熵膨胀 压缩气体经过膨胀机在绝热下膨胀到低压,同时输出外功输出外功的过程,称为膨胀机的绝热膨胀。由于气体在膨胀机内以微小的推动力逐渐膨胀,因此过程是可逆的。可逆绝热过程的熵不变,故膨胀机的绝热膨胀为等熵过程。气体经过等熵膨胀后温度总是降低的温度总是降低的,主要原因是气体通过膨胀机对外做了功,消耗了气体的内能,另一个原因是膨胀时为了克服气体分子间的吸引力,消耗了分子的动能。煤气化生产技术煤气化

15、生产技术3.空气的分离空气的分离空气经低温液化后，产生了气液两相平衡的氧氮混合物利用液体精馏的原理即可将液体空气进行分离。空气分离的基本原理基本原理是利用低温精馏法,将空气冷凝成液体,然后按各组分蒸发温度的不同将空气分离。空气的精馏根据所需的产品不同,通常有单级精馏单级精馏和双级双级精馏精馏,两者的区别在于:单级精馏以仅分离出空气中的某一组分(氧或氮)为目的;而双级精馏以同时分离出空气中的多个组分为目的。煤气化生产技术煤气化生产技术单级精馏 单级精馏塔有两类:一类是制取高纯度液氮(或气氮);一类是制取高纯度液氧(或气 氧),如图所示。单级精馏塔分离空气是不完善的,不能同时获得纯氧和纯氮,只有在

16、少数情况下使用。为了弥补单级精馏塔的不足,便产生了双级精馏塔。煤气化生产技术煤气化生产技术煤气化生产技术煤气化生产技术二、双级精馏 双级精馏塔如图所示,双级精馏塔由下塔、上塔和上、下塔之间的冷凝蒸发器组成。煤气化生产技术煤气化生产技术二、空气分离的工艺流程1.1.空气的净化空气的净化（1）机械杂质的脱除（2）水分及CO2的脱除（3）碳氢化合物的脱除（4）冷箱前端净化煤气化生产技术煤气化生产技术二、空气分离的工艺流程表表3-2 3-2 空气的组成与各组分的临界参数空气的组成与各组分的临界参数煤气化生产技术煤气化生产技术二、空气分离的工艺流程表表3-3 3-3 大中型空分装置对原料空气的要求大中型

17、空分装置对原料空气的要求杂质机械杂质（标）二氧化碳乙炔CnHm允许含量30mg/m3350mL/m30.5 mL/m330 mL/m3煤气化生产技术煤气化生产技术二、空气分离的工艺流程煤气化生产技术煤气化生产技术二、空气分离的工艺流程表表3-4 3-4 常用分子筛的组成及孔径常用分子筛的组成及孔径煤气化生产技术煤气化生产技术二、空气分离的工艺流程煤气化生产技术煤气化生产技术二、空气分离的工艺流程2.2.空气的液化空气的液化（1）节流膨胀（焦耳-汤姆逊效应）（2）等熵膨胀 （3）深度冷冻循环的发展过程 煤气化生产技术煤气化生产技术二、空气分离的工艺流程3.3.空气的分离空气的分离空气经低温液化后

18、，产生了气液两相平衡的氧氮混合物。利用液体精馏的原理即可将液体空气进行分离。煤气化生产技术煤气化生产技术二、空气分离的工艺流程4.4.工艺流程工艺流程根据操作压力进行分类，空分操作可分为高、中、低压三种流程。即高压（7.120.3）MPa、中压（1.52.5）MPa和低压（1MPa）。目前大、中型空分装置普遍采用低压流程，操作压力在0.6MPa左右。煤气化生产技术煤气化生产技术二、空气分离的工艺流程5 5KDON-3200/3200KDON-3200/3200型空分工艺流程型空分工艺流程（1）空气的压缩与预冷（2）空气中水分、CO2的脱除与深度冷冻（3）空气的精馏分离煤气化生产技术煤气化生产技

19、术二、空气分离的工艺流程煤气化生产技术煤气化生产技术第三节 主要设备及其操作12双级精馏塔双级精馏塔可逆式换热器可逆式换热器煤气化生产技术煤气化生产技术一、双级精馏塔空气分离的主要设备之一的双级精馏塔，其结构如图3-5所示。由常压操作的上塔、加压操作的下塔和连接上下塔的冷凝蒸发器组成。49煤气化生产技术煤气化生产技术一、双级精馏塔精馏塔的内件可采用板式塔或填料塔。一般多用筛板塔，在上下塔内均设有若干块筛板，上塔有70块塔板，下塔有36块塔板，全塔由铝合金制成。煤气化生产技术煤气化生产技术二、可逆式换热器可逆式换热器也称为板翅式换热器，如图3-7所示，是由隔板、波形翅片和封条三部分组成，在相邻两

20、隔板之间放置翅片及封条组成夹层，称为通道。也可采用以石头或铝带为填料的蓄冷器代替可逆式换热器。煤气化生产技术煤气化生产技术第四节 生产操作的具体步骤12开车过程开车过程正常操作正常操作3异常现象及处理异常现象及处理煤气化生产技术煤气化生产技术一、开车过程1 1原始开车原始开车（1）开车前的准备工作（2）系统吹除（3）气密试验（4）常温干燥（5）第一次裸冷（6）加热干燥（7）试压试漏（8）装填硅胶和珠光砂 53煤气化生产技术煤气化生产技术一、开车过程2 2系统的启动系统的启动系统启动是指空分装置自膨胀机启动到转入正常运转的整个过程。（1）启动前的准备工作（2）启动操作 煤气化生产技术煤气化生产技

21、术二、正常操作1 1下塔精馏工况的调节下塔精馏工况的调节（1）液空、液氮纯度的调节（2）下塔液空液面的调节 2 2塔精馏工况的调节塔精馏工况的调节（l）氧纯度的调节（2）氮纯度的调节 3.3.冷凝蒸发器液位的调节冷凝蒸发器液位的调节煤气化生产技术煤气化生产技术三、异常现象及处理表表 3-5 3-5 异常现象及处理异常现象及处理煤气化生产技术煤气化生产技术三、异常现象及处理续上表续上表煤气化生产技术煤气化生产技术第五节 变压吸附工艺技术及主要设备12概概 述述变压吸附基本原理变压吸附基本原理3变压吸附主要设备与流程变压吸附主要设备与流程煤气化生产技术煤气化生产技术一、概述传统的空气分离是采用深冷

22、法，不适宜于中小气量设备。而变压吸附气体分离技术（PSA）工艺过程简单，设备制造容易，占地少。启动时间短，设备维护简便，适应性强，自动化戳高，可随时开停车不需采用特别措施。因此，近年来，变压吸附在中小装置的应用日益增加。59煤气化生产技术煤气化生产技术二、变压吸附基本原理1吸附的定义2常用的吸附剂3吸附剂的再生4变压吸附基本工作步骤煤气化生产技术煤气化生产技术二、变压吸附基本原理煤气化生产技术煤气化生产技术三、变压吸附主要设备与流程1.1.过滤器过滤器主要用于过滤空气中的粉尘等杂质。2.2.冷却及分离器冷却及分离器冷却空气及分离空气中的游离水。3.3.真空解吸泵真空解吸泵用来进行分子筛吸附剂再生。煤气化生产技术煤气化生产技术三、变压吸附主要设备与流程流程一流程一 PSAPSA工艺流程工艺流程煤气化生产技术煤气化生产技术三、变压吸附主要设备与流程流程二流程二 变压吸附与低温精馏组合式制氧流程变压吸附与低温精馏组合式制氧流程煤气化生产技术煤气化生产技术Thank youThank you