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1、（中职）合成氨工艺及设备项目二教学课件项目二合成氨原料准备任务一任务一合成氨生产固体燃料选取及处理能分析出固定层间歇气化对原料选取及处理能分析出固定层加压连续气化对原料选取及处理能分析出粉煤气流层气化对原料选取及处理能分析出水煤浆加压连续气化对原料选取及处理能列举出煤的性能指标并说明对煤气化的影响一、煤的性质及对煤气化的影响一、煤的性质及对煤气化的影响1.煤的质量指标煤的质量指标（1）水分 煤中水分分为内在水分、外在水分、结晶水和分解水。外在水分是在煤的开采、运输、储存和洗选过程中润湿在煤的外表面以及大毛细孔而形成的。内在水分是吸附或凝聚在煤内部较小的毛细孔中的水分。结晶水是在煤中以硫酸钙(C
2、aSO42 H2O)、高岭土(Al2O32SiO22H2O)等形式存在的，通常大于200以上才能析出。煤化程度越低，煤的内部表面积越大，水分含量越高。常用的水份指标有：全水份：是煤中所有内在水份和外在水份的总和。通常规定在8%以下。空气干燥基水份：指煤炭在空气干燥状态下所含的水份。也可以认为是内在水份.煤中水分过大，不利于加工、运输等，燃烧时会影响热稳定性和热传导。一、煤的性质及对煤气化的影响一、煤的性质及对煤气化的影响1.煤的质量指标煤的质量指标（2）灰分指煤在燃烧后留下的残渣。不是煤中矿物质总和，而是这些矿物质在化学和分解后的残余物。灰分高，说明煤中可燃成份较低，发热量就低。煤的灰分高，一
3、方面增加运输的费用，从工艺角度能降低气化效率，增加炉渣的排出量，增加随炉渣排出的碳损耗量，并且增加气化的各项消耗指标（如氧气、水蒸气和煤的消耗指标），而净煤气的产率下降。一、煤的性质及对煤气化的影响一、煤的性质及对煤气化的影响1.煤的质量指标煤的质量指标（3）挥发份指煤中有机物和部分矿物质加热分解后的产物，不全是煤中固有成分，还有部分是热解产物，所以称挥发份产率。挥发份大小与煤的变质程度有关，煤炭变质程度越高，挥发份产率就越低。煤气化用于合成氨的原料煤一般要求使用低挥发分、低硫的无烟煤、半焦或焦炭，因为变质程度浅(年轻)的煤种，生产的煤 气中焦油产率高，容易堵塞管道和阀门，给焦油分离带来一定的
4、困难，同时也增加含氰废水的处理量。一、煤的性质及对煤气化的影响一、煤的性质及对煤气化的影响1.煤的质量指标煤的质量指标（4）固定碳指煤中不挥发的固体可燃物，不同于元素分析的碳，是根据水分、灰分和挥发份计算出来的。（5）硫分硫是煤中的有害元素，硫分包括有机硫、无机硫，虽对燃烧本身没有影响，但硫不仅对设备造成腐蚀，污染环境，而且会影响后段工序的运行，如造成催化剂中毒，加重脱硫的负担等。所以，气化用燃料中硫含量应是越低越好。一、煤的性质及对煤气化的影响一、煤的性质及对煤气化的影响2.煤的工艺指标煤的工艺指标1.粘结性粘结性是指煤在干馏过程中，由于煤中有机质分解，熔融而使煤粒能够相互粘结成块的性能。黏
5、结性煤在气化时，使料层的透气性变差，阻碍气体流动，出现炉内崩料或架桥现象，使煤料不易往下移动，导致操作恶化。粘结性是进行煤的工业分类的主要指标。煤化程度最高和最低的煤，一般都没有粘结性。一、煤的性质及对煤气化的影响一、煤的性质及对煤气化的影响2.煤的工艺指标煤的工艺指标2.粒度煤的粒度指的是煤炭颗粒的大小程度，煤的粒度不同，将直接影响到气化炉的运行负荷、煤气和焦油的产率以及气化时的各项消耗指标。煤的粒径越小，比表面积越大。粒度越大，传热越慢，煤粒内外温差越大，粒内焦油蒸气的扩散和停留时间增加，焦油的热分解加剧。煤的粒度太小，当气化速度较大时，小颗粒的煤有可能被带出气化炉外，从而使炉子的气化效率
6、下降。煤的粒度减小，相应的气化剂氧气和水蒸气消耗将增大。一、煤的性质及对煤气化的影响一、煤的性质及对煤气化的影响2.煤的工艺指标煤的工艺指标3.活性是指煤在一定温度下与二氧化碳、氧和水蒸汽相互作用的反应能力。它是评价气化用煤的一项重要指标。活性强弱直接影响到耗煤量和煤气的有效成分。煤的活性一般随煤化程度加深而减弱。4.热稳定性热稳定性是指煤在高温作用下保持原来粒度的性能。它是评价气化用煤和动力用煤的又一项重要指标。热稳定性的好坏，直接影响炉内能否正常生产以及煤的气化和燃烧效率。热稳定性差的煤在气化时，伴随气化温度的升高，煤易碎裂成煤末和细粒，对移动床内的气流均匀分布和正常流动造成严重的影响。一
7、、煤的性质及对煤气化的影响一、煤的性质及对煤气化的影响2.煤的工艺指标煤的工艺指标5.机械强度机械强度是指块煤受外力作用而破碎的难易程度。机械强度低的煤投入气化炉时，容易碎成小块和粉末，影响气化炉正常操作。因此，气化用煤必须具备较高的机械强度。6.灰熔点灰熔点就是煤炭中的灰分在燃烧时达到一定温度以后，发生变形，软化和熔融时的温度。煤炭的灰熔点对于固体燃料气化的温度有重要的影响。煤炭气化时的灰熔点有两方面的含义，一是气化炉正常操作时，不致使灰熔融而影响正常生产的最高温度，另一个是采用液态排渣的气化炉所必须超过的最低温度。二、煤的种类二、煤的种类1.煤按照粒度分类对于一个大、中型气化厂来说，考虑原
8、料煤的分级利用。二、煤的种类二、煤的种类2.煤按照性质分类国际上把煤分为三大类：无烟煤、烟煤、褐煤，每一大类又分为若干小类。各类煤的基本特征如下：（1）无烟煤无烟煤又称白煤或硬煤，（如图2-3）是煤化程度最高的一种煤，因其燃烧时无黑烟而称无烟煤。黑色坚硬，有金属光泽，它具有挥发分低、固定碳高(含碳最高达8997)、水分少、比重大(1.41.9左右)、燃点高(普遍在380以上)、化学反应性低等特点。燃烧时无烟，火焰呈青蓝色。（2）烟煤烟煤因燃烧时有烟所以称为烟煤。烟煤的爆化程度低于无烟煤，高于褐煤。一般为粒状、小块状，也有粉状的，多呈黑色而有光泽，质地细致，含挥发分30%以上，燃点不太高，较易点
9、燃；含碳量与发热量较高，燃烧时上火快，火焰长，有大量黑烟，燃烧时间较长；大多数烟煤有粘性，燃烧时易结渣。烟煤包括贫煤、贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、13焦煤、气肥煤、气煤、12中粘煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤。烟煤主要用作燃料及炼焦、低温干馏、气化等原料。（3）褐煤褐煤是未经过成岩阶段，没有或很少经过变质过程的煤，是最年轻的煤，外观呈褐色或褐黑色，多为块状，光泽暗，质地疏松；含挥发分40%左右，燃点低，容易着火，燃烧时上火快，火焰大，冒黑烟；含碳量与发热量较低，燃烧时间短，需经常加煤。三、固体燃料气化对原料的选取及处理三、固体燃料气化对原料的选取及处理1.固定层间歇气化对原料选取及处理固定床煤气化炉
10、的煤从上部加入，以空气和水蒸汽为气化剂，分阶段进行，将空气和水蒸汽交替的通过固定的燃料层，燃料煤床层的相对位置不变，煤的停留时间较长。因而它要求能够气化的煤必须是：有一定粒度，保证床层的孔隙率（能透气）；有一定抗碎强度，煤在运输及从加煤机落到炉内时下能摔碎，以免影响透气；有一定热稳定性，在炉内加热不能爆碎，以免影响透气；灰熔融点越高越好，因为在灰熔点以下温度操作，灰熔点高，可以适当提高气化操作温度，有利于提高反应速度；黏结性要低，粘结性高的煤，在固定床里气化时，在干馏层会产生胶质结焦，粘结在一起影响床层透气。固定层间歇气化法的煤种主要是粒度为25-75mm的块状无烟煤、焦炭。三、固体燃料气化对
11、原料的选取及处理三、固体燃料气化对原料的选取及处理2.固定层加压连续气化对原料选取及处理固定层加压连续气化对以富氧空气（或氧气）与水蒸气为气化剂，连续的通过固体燃料床层，并且加压操作，所以可利用的固体燃料范围比固定层间歇气化法广。固定层加压连续气化要求原料粒度大小均匀的碎煤，粒度在5-50mm粒度的无烟煤或焦炭，机械强度及热稳定性好，不易粘结；灰分含量低，灰熔点高（不小于1200）；化学活性高；氯含量不高于0.5%，以免对设备造成腐蚀。原料煤经过皮带输送机通过煤箱加入到气化炉中。三、固体燃料气化对原料的选取及处理三、固体燃料气化对原料的选取及处理3.粉煤气流层气化对原料选取及处理粉煤气流层气化
12、采用干煤粉为原料，以纯氧气和水蒸气为气化剂在高温状态（1400-1700）下在气化炉内发生煤气化反应，粉煤气流层气化在气化炉内的停留时间非常短，液态排渣，对煤种的适应性比较广泛，从较差的褐煤、次烟煤、烟煤到石油焦均可使用；对煤的灰熔点适应范围比其它气化工艺更宽，即使是高灰分、高水分、高熔点、高硫的煤种也能使用。三、固体燃料气化对原料的选取及处理三、固体燃料气化对原料的选取及处理3.粉煤气流层气化对原料选取及处理粉煤气流层气化的原料煤的煤处理的典型特点粉煤气流层气化的原料煤的煤处理的典型特点为：为：原料煤需要需要经过干燥、磨细为粒度均匀原料煤需要需要经过干燥、磨细为粒度均匀的干煤粉。的干煤粉。干
13、煤粉由于是小颗粒的固体粉尘，所以在输干煤粉由于是小颗粒的固体粉尘，所以在输送上需要由惰气（氮气或者二氧化碳）作为输送载送上需要由惰气（氮气或者二氧化碳）作为输送载体，输送到煤气发生炉。体，输送到煤气发生炉。合格原料煤由原料贮运系统通过胶带输送机送入磨合格原料煤由原料贮运系统通过胶带输送机送入磨煤机前碎煤仓。碎煤仓中的煤通过称重给煤机送到煤机前碎煤仓。碎煤仓中的煤通过称重给煤机送到磨煤机中磨粉。从热风炉送来的热烟气送入磨煤机磨煤机中磨粉。从热风炉送来的热烟气送入磨煤机中对煤粉干燥，在磨粉的同时，经旋转分离器分选，中对煤粉干燥，在磨粉的同时，经旋转分离器分选，将干燥后合格的煤粉吹入煤粉袋式过滤器分
14、离收集，将干燥后合格的煤粉吹入煤粉袋式过滤器分离收集，经旋转给料器、螺旋输送机送入煤粉贮仓中贮存。经旋转给料器、螺旋输送机送入煤粉贮仓中贮存。分离后的尾气经循环风机加压后大部分循环至热风分离后的尾气经循环风机加压后大部分循环至热风炉循环使用，部分排入大气炉循环使用，部分排入大气。三、固体燃料气化对原料的选取及处理三、固体燃料气化对原料的选取及处理4.水煤浆加压连续气化对原料选取及处理对原料煤适应性较广，气煤、烟煤、次烟对原料煤适应性较广，气煤、烟煤、次烟煤、无烟煤、高硫煤及低灰熔点的劣质煤、煤、无烟煤、高硫煤及低灰熔点的劣质煤、石油焦等均能作气化原料。但要求原料煤含石油焦等均能作气化原料。但要
15、求原料煤含灰量较低、还原性气氛下的灰熔点低于灰量较低、还原性气氛下的灰熔点低于13001300，灰渣粘结特性好。，灰渣粘结特性好。水煤浆加压连续气化对原料的工艺处理的水煤浆加压连续气化对原料的工艺处理的典型特点是：典型特点是：原料煤经过洗选、筛分、研磨、加水和原料煤经过洗选、筛分、研磨、加水和少量添加剂制成粘稠的水煤浆少量添加剂制成粘稠的水煤浆水煤浆性质特殊，所以由高压煤浆泵输水煤浆性质特殊，所以由高压煤浆泵输送。送。三、固体燃料气化对原料的选取及处理三、固体燃料气化对原料的选取及处理4.水煤浆加压连续气化对原料选取及处理水煤浆的工艺流程：由煤贮运系统来的小于10mm的碎煤进入煤贮斗后，经煤称
16、量给料机称量送入磨机。粉末状的添加剂由人工送至添加剂溶解槽中溶解成一定浓度的水溶液，由添加剂溶解槽泵送至添加剂槽中贮存。并由添加剂计量泵送至磨机中。添加剂槽可以贮存使用若干天的添加剂。在添加剂槽底部设有蒸汽盘管,在冬季维持添加剂温度在20-30，以防止冻结。工艺水由研磨水泵加压经磨机给水阀来控制送至磨机。煤、工艺水和添加剂一同送入磨机中研磨成一定粒度分布的浓度约6065%合格的水煤浆。水煤浆经滚动筛滤去3mm以上的大颗粒后溢流至磨机出料槽中，由磨机出料槽泵送至煤浆槽。磨机出料槽和煤浆槽均设有搅拌器，使煤浆始终处于均匀悬浮状态。任务小结任务小结合成氨生合成氨生产产固体燃料的固体燃料的选选取与取与
17、处处理理固定固定层间层间歇气化法歇气化法固定固定层层加加压连续压连续气化气化粉煤加粉煤加压连续压连续气化气化水煤水煤浆浆加加压连续压连续气化气化块块煤、焦炭；机械煤、焦炭；机械强强度高；度高；热稳热稳定性高；灰熔点高；粘定性高；灰熔点高；粘结结性低；化学活性高性低；化学活性高碎碎煤煤；无无烟烟煤煤或或焦焦炭炭，机机械械强强度度及及热热稳稳定定性性好好；不不易易粘粘结结；灰灰分分含含量量低低；灰灰熔熔点点高高；化学活性高化学活性高煤粉；褐煤、次烟煤、烟煤、煤粉；褐煤、次烟煤、烟煤、石油焦；灰熔点适石油焦；灰熔点适应应范范围宽围宽；高灰分、高水分、高熔点、高灰分、高水分、高熔点、高硫的煤种也能适用
18、高硫的煤种也能适用水煤水煤浆浆；气煤、烟煤、次烟；气煤、烟煤、次烟煤、无烟煤、高硫煤、劣煤、无烟煤、高硫煤、劣质质煤、石油焦等均可；灰分低；煤、石油焦等均可；灰分低；灰熔点低；灰渣粘灰熔点低；灰渣粘结结性好性好思考与练习思考与练习1.煤的质量指标有哪些？对煤气化有什么影响？2.煤的工艺指标有哪些？对煤气化有什么影响？3.煤的种类有哪些？分别有哪些特点？4.固定层间歇气化法对煤种有什么要求？5.固定层加压连续气化发对煤种有什么要求？6.粉煤加压连续气化对煤有什么要求？7.水煤浆加压连续气化对煤有什么要求？8.为什么水煤浆加压气化需要加添加剂？9.粉煤在输送时为什么要使用惰性气体？10.查阅资料选
19、择一个使用固体燃料合成氨的企业说明其原料的处理方式，画出流程图。任务二任务二合成氨生产气体原料选取及处理能分析天然气需要脱硫的原因能说明天然气的主要成分能说出天然气的组分能列举出天然气脱硫的方法 查阅资料解释天然气可以作为 合成氨原料在世界范围内广泛使用 的优越性一、天然气一、天然气天然气是埋藏在地下的主要含甲烷的可燃性气体。其中的组分包括烃类组分、含硫组分和其它组分。1.烃类组分天然气中除甲烷组分外，还有乙烷、丙烷、丁烷（含正丁烷和异丁烷），它们在常温常压下都是气体。有些天然气中，乙烷、丙烷和丁烷的含量较高，而丙烷、丁烷常可以适当加压或降温而液化，这就是常说的液化石油气，简称为液化气。天然气
20、中常含有一定量的戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷、和癸烷，这些含碳量较多的烷烃，简称为碳五以上组分，它们在常温常压下是液体，是汽油的主要成分。在天然气开采中，上述组分凝析为液态而被回收，称为凝析油，是一种天然汽油，可以用作汽车的燃料。含碳量更高的烷烃，天然气中的含量极少。图图2-8 2-8 甲烷的分子结构甲烷的分子结构一、天然气一、天然气2含硫组分天然气中的含硫组分，可分为无机硫化物和有机硫化物两类。无机硫化物组分，只有硫化氢，分子式为 H2S。硫化氢是一种比空气重、可燃、有毒、有臭鸭蛋气味的气体。硫化氢的水溶液叫硫氢酸，显酸性，故称硫化氢为酸性气体。有水存在的情况下，硫化氢对金属有强烈的腐蚀作用
21、，硫化氢还会使合成氨转化催化剂中毒而失去活性。因此，天然气中含有硫化氢时，必须经过脱硫净化处理，才能进行转化。由脱硫工艺可知，在进行天然气脱硫的同时，可回收硫化氢并将它转换为硫磺及进一步加工为硫化工产品。天然气中有时含有少量的有机硫化物组分，例如硫醇、硫醚、二硫醚、二硫化碳、羰基硫、噻酚、硫酚等。有机酸化物对金属的腐蚀不及硫化氢严重，但对化工生产中的催化剂的毒害作用与硫化氢一样，使催化剂失去活性。大多数有机硫有毒、具有臭味、会污染大气，因此，对天然气中的有机硫，也应该通过净化处理，尽量脱除。一、天然气一、天然气3其它组分天然气中，除去烃类和含硫组分之外，相对而言，较为多见的组分，还有二氧化碳及
22、一氧化碳、氧和氮、氢、氦、氟以及水汽。二氧化碳是无色、无臭、比空气重的不可燃气体，溶于水生成碳酸，故二氧化碳是酸性气体。有水存在时，二氧化碳对金属设备腐蚀严重，通常在天然气脱硫工艺中，将二氧化碳同硫化氢一起尽量脱除。一氧化碳在天然气中的含量甚微。根据天然气的组成可将天然气分为干气和湿气。干气主要成分是甲烷,其次还有少量的乙烷,丙烷和丁烷及更重的烃烃,也会有CO2、N2、H2S和NH3等。对它稍加压缩不会有液体产生,故称为干气；湿气除甲烷和乙烷等低碳烷烃外，还含有少量轻汽油，对它稍加压缩就有称为凝析油的液态烃析出来,故称为湿气。干气是生产合成氨和甲醇的重要化工原料。湿气中C2以上烃类含量高,这些
23、烃类都是热裂解制低级烯烃的优质原料。二、天然气的物理性质二、天然气的物理性质1.天然气密度单位体积气体的质量称天然气密度，单位是“千克每立方米(kg/cm3)。工作中常采用的是相对密度，即在任意压力和温度下的天然气密度，与在标准条件下同体积干燥空气的密度的比值。密度的大小与气体的组分成正比，相对密度在0.58-1.6之间多为干气，相对密度在1.6以上的称为湿气。2.饱和蒸汽压力 将气体变成液体时所需要的最低压力称为此气体的饱和蒸汽压力。饱和蒸汽压力随温度的增高而增高。二、天然气的物理性质二、天然气的物理性质3.3.溶解度溶解度 任何气体均有不同程度的溶解于液体的性能，气体溶于液体的数量，决定于
24、液体与气体的性质、压力、温度及已溶于液体中的其他溶解物的特点。在地层中，天然气一般溶于油和水中，轻质石油比重质石油溶解容易的多，而重的碳氢化合物气体较轻的碳氢化合物气体易于溶解。当天然气溶于石油后就会降低石油的密度、粘度及表面张力，使石油的流动性增大。4.4.热值热值 每立方米天然气燃烧时，所发出的热量称为热值，其单位为kJ/m3。气体的热值变化很大，天然气中的湿气具有最大的发热量，可达83kJ/m3，远远小于石油的发热值二、天然气的物理性质二、天然气的物理性质5.5.天然气的粘度天然气的粘度是天然气流动时气体内部分子间的摩擦力。是天然气流动时气体内部分子间的摩擦力。6.6.天然气的体积系数天
25、然气的体积系数 天然气在油层条件下所占的体积与标准状况（天然气在油层条件下所占的体积与标准状况（2020，0.101Mpa 0.101Mpa）下）下所占体积的比值。单位是所占体积的比值。单位是“m“m3 3/m/m3 3”7.7.弹性压缩系数弹性压缩系数 压力每变化压力每变化1Mpa1Mpa，气体体积的变化率。，气体体积的变化率。三、天然气的预处理三、天然气的预处理三、天然气的预处理三、天然气的预处理天然气用作化工原料、如生产合成氨、甲醇及液体燃料时常需要将其硫含量降至1ml/m3或更低即为精脱硫，也称深度脱硫。原因是：硫化物有毒，它与水形成酸腐蚀管线和设备，还使钢材发生氢脆和硫化物应力开裂。
26、天然气转化所使用的催化剂为镍，硫化物会造成镍催化剂的中毒，所以转化前必须将硫化物脱除掉硫是有用的化工原料，可以加以回收。1中温氧化锌脱硫2钴钼加氢转化氧化锌脱硫任务小结任务小结气态原料合成氨天然气的来源与组成天然气的物理性质天然气的脱硫思考与练习思考与练习1.天然气中的主要成分是什么？2.天然气中还有什么其他的成分？3.天然气转化制取合成氨原料气为什么要脱硫？4.查阅资料了解脱硫的方法有哪些？5.天然气有哪些物理性质？6.查阅资料天然气的来源是哪里？任务三任务三空气液化分离任务要求任务要求能说明空气的液化分离对合成氨的作用能说明空气的液化分离必须包含的几个过程能分析空气的组分及各组分对空气的液
27、化分离的影响能列举空气的液化分离的主要设备及作用能画出双级精馏塔的结构简图并说明其工作原理能查阅资料说明空气的液化分离的主要产品在其它行业的应用一、空分装置的的基本原理和过程一、空分装置的的基本原理和过程空气的液化分离的主要目标是将空气中的氮气和氧气分离开，并且要得到纯度较高的氮气和氢气。空气的是从大气中吸入系统中，经过除掉空气中的固体杂质和水分、二氧化碳、碳氢化合物等杂质后，降低空气的温度，使其液化为液态空气，然后利用氧和氮的沸点不同在空气分馏塔内进行精馏，最终得到氧气和氮气。空气液化分离基本工艺流程是：空气从空气吸入塔进入工艺系统，经过过滤和空气压缩机加压后，进入空气预冷塔，用冷却水对空气
28、进行冷却，经冷却后的空气送入纯化系统，空气经过纯化系统吸附净化后，在膨胀机中进行膨胀,温度下降，空气液化，在精馏塔系统中，空气将实现分离，最终得到氧气和氮气。自然界的空气是一种混合物，除了主要的氮气和氧气意外，还有少量的固体粉尘颗粒，另外还有水、二氧化碳等。二、实现空气分离的过程二、实现空气分离的过程1.空气的过滤和压缩空气由于存在灰尘等固体杂质，带入系统会影响压缩机的运转及堵塞管道等一系列的不良影响，所以需先经过空气过滤器过滤其灰尘等机械杂质，然后在空气压缩机中被压缩到所需的压力。压缩产生的热量被冷却水带走。2.空气预冷干燥系统从压缩机组来的压缩空气进入空气预冷干燥系统，被冷却后进入气水分离
29、器，被冷却至5-8并分离游离水后进入空气纯化系统。二、实现空气分离的过程二、实现空气分离的过程3.空气纯化系统空气中的水和二氧化碳若进入空分设备的低温区后，会形成固态的冰和干冰，会阻塞换热器的通道和塔板上的小孔。空气中的危险杂质还有碳氢化合物，尤其是是乙炔，在精馏过程中如乙炔在液空和液氧中浓缩到一定程度就有发生爆炸的可能，因此乙炔在液氧中含量规定不得超过0.1PPm，这必须予以充分的注意。这些组份必须在空气进冷箱前除去。这一部分是空气纯化系统。用分子筛吸附器来预先清除空气中的水份、二氧化碳及碳氢化合物，从空气预冷干燥系统出来的空气进入分子筛吸附器，分子筛吸附器成对切换使用，一只工作时另一只在再
30、生。进入分子筛吸附器的空气温度约为-21。二、实现空气分离的过程二、实现空气分离的过程4.空气被冷却到液化温度空气的冷却是在中间换热器中进行的，在其中循环空气被来自膨胀后的返流空气和返流气体冷却、增压空气被来自膨胀后的返流空气和返流气体冷却到超临界状态。与此同时，冷的返流气体被复热。5.冷量的制取要将空气液化，必须要在深冷条件下（-100）以下，这样的低温是由膨胀机做功，使空气在高、低温膨胀机中等熵膨胀和等温节流效应而获得的。另外冷量的损失、换热器的复热不足损失和冷箱中向外直接排放低温流体等冷量都是由上述设备和原理完成的。二、实现空气分离的过程二、实现空气分离的过程6.6.液化液化在正常运行中
31、，氮气和液氧的热交换是在冷凝蒸发器中进行的，由于两种流体压力的不同，氮气被液化而液氧被蒸发，氮气和液氧分别由下塔和上塔供给，这是保证上、下塔精馏过程的进行所必需具备的条件。7.7.精馏精馏空气的精馏是在双极精馏塔内完成的。空气的精馏是在氧氮混合物的气相与液相接触之间的热质交换过程中进行的，气体自下而上流动，而液体自上而下流动，该过程由筛板（填料）来完成。由于氧、氮组份沸点的不同，氮比氧易蒸发，氧比氮易冷凝，气体逐板（段）通过时，氮浓度不断增加，只要有足够多的塔板（填料），在塔顶即可获得高纯度的氮气；反之液体逐板（段）通过时，氧浓度不断增加，在下塔底部可获得富氧液空（液态空气中氮组分蒸发后剩余的
32、组分），在上塔底部可获得高纯度氧气。在下塔中空气被初次分离成富氧液空和氮气，液空由下塔底部抽出后经节流送入和液空组份相近的上塔某段上，一部分液氮由下塔顶部抽出后经节流送入上塔顶部，液空和液氮在节流前先在过冷器中过冷。空气的最终分离是在上塔进行。产品氧气是由上塔底部抽出，而氮气由上塔顶部抽出，并通过主换热器复热到常温后送出。二、实现空气分离的过程二、实现空气分离的过程（8 8）危险杂）危险杂质的排除质的排除在冷凝蒸在冷凝蒸发器发器中，由于液氧的不断蒸发，将会使碳氢中，由于液氧的不断蒸发，将会使碳氢化合物有浓缩的危险，但是只要从冷凝蒸发器中连续化合物有浓缩的危险，但是只要从冷凝蒸发器中连续排放部分
33、液氧就可防止浓缩。而当在冷凝蒸发器中提排放部分液氧就可防止浓缩。而当在冷凝蒸发器中提取液氧时，就可不用再另外排放液氧来防止碳氢化合取液氧时，就可不用再另外排放液氧来防止碳氢化合物浓缩。物浓缩。三、空气分离的工艺流程三、空气分离的工艺流程三、空气分离的工艺流程三、空气分离的工艺流程原料空气自大气中吸入，经空气过滤器除去灰尘及其它机械杂质。空气经过滤后在离心式空气压缩机中压缩，经空气冷却塔预冷，冷却水分段进入冷却塔内，下段为循环冷却水，上段为低温冷冻水，空气自下而上穿过空气冷却塔，在冷却的同时，又得到清洗。空气经空气冷却塔冷却后，温度降至-10，然后进入切换使用的分子筛吸附器，空气中的二氧化碳，碳
34、氢化合物及残留的水蒸气被吸附。分子筛吸附器为两只切换使用，其中一只工作时，另一只再生。三、空气分离的工艺流程三、空气分离的工艺流程空气经净化后，分为两路：大部分空气直接进入分馏塔，而另一路去增压膨胀机增压后进入分馏塔。大部分空气在主换热器中与返流气体（纯氧、纯氮、污氮等）换热达到接近空气液化温度约-173进入下塔。增压空气在主换热器内被返流冷气体冷却至-109时抽出进入膨胀机膨胀制冷，膨胀后空气进入上塔参加精馏。在下塔中，空气被初步分离成氮和富氧液空，顶部氮气在冷凝蒸发器中被冷凝为液体，同时主冷的低压侧液氧被汽化。部分液氮作为下塔回流液，另一部分液氮从下塔顶部引出，经过冷器被氮气和污氮气过冷并
35、节流后送入上塔顶部。液空在过冷器中过冷后经节流送入上塔中部作回流液。三、空气分离的工艺流程三、空气分离的工艺流程氧气从上塔底部引出，并在主换热器中复热后出冷箱进入氧气压缩机加压送往用户。污氮气从上塔上部引出，并在过冷器及主换热器中复热后送出分馏塔外，部分作为分子筛吸附器的再生气体，其余氮气进入水冷却塔。氮气从上塔顶部引出，在过冷器及主换热器中复热后出冷箱，一部分作为产品氮气送出，去氮气压缩机加压后送往用户，其余氮气进入水冷却塔中作为冷源冷却外界水。产品液氧从主冷中排出送入液氧贮槽保存。从液氧贮槽中排出液氧，利用液氧泵加压，加压后的液氧进入汽化器，蒸发成氧气，然后送用户。四、空气分离的主要设备四
36、、空气分离的主要设备（1）空气过滤器空气过滤器（图2-14）的作用是清除空气中的机械杂质及灰尘。空分对0.1m以下的粒子不作太多要求，因过滤网眼太小，阻力大；对0.1微米以上的粒子要100%的除去；空气穿过高效过滤筒，粉尘由于重力、静电和接触被阻留，净化空气进入净气室。可对大于1m以上的灰尘过滤效率达99.9%，滤筒上的灰尘通过专用喷头吹除达到清除。图2-14空气过滤器四、空气分离的主要设备四、空气分离的主要设备（2）空气透平压缩机空气压缩机的作用是把空气压缩到设计压力。离心式压缩机又称为透平压缩机（图2-15、2-16）。因为离心式压缩机流量均匀，空分使用离心式压缩机。离心式压缩机是利用装于
37、轴上带有工作轮的叶片在原动机械的带动下做高速旋转运动，叶轮对气体做功，使气体获得动能，然后气体在扩压器中速度下降，动能转变为静压能，压力得到进一步提高的过程。空气经过滤器过滤其中的机械杂质、灰尘等，然后进入原料空气压缩机经过压缩后，送至空气冷却塔冷却。图2-15离心式压缩机图2-16 离心式压缩机的内部四、空气分离的主要设备四、空气分离的主要设备（3）空气冷却塔空气冷却塔的作用是把出空压机的高温气体（大约为100）冷却到约8-10，将空气降温的意义为，一方面空气和水直接接触，既换热又受到洗涤，进一步除去灰尘并溶解一些腐蚀性的杂质气体。另一方面空气的温度降低，则进后工序分子筛的空气的露点降低，减
38、少分子筛的吸附负荷，改善分子筛吸附器的工作情况，更好的纯化空气，保证进精馏塔空气的洁净，而且充分回收、利用氮气、污氮的冷量来冷却空气。空气冷却塔的结构为立式圆筒型塔，分上下二段，内装散装填料，出口安装高效除雾器。冷却分两段，下段为冷却水泵提供的常温冷却水，上段为经过水冷却塔和冷水机组降温的冷冻水。出空压机的空气从下部进入空气冷却塔，水通过布水器均匀地分布到填料上，水从上往下流，空气从下穿过填料层，在其间空气被水洗涤并冷却，最终在塔顶被除雾器分离水份后出塔，升温后的冷却水从塔底排出。图2-17 空气冷却塔和水冷却塔四、空气分离的主要设备四、空气分离的主要设备（4）水冷却塔水冷却塔的作用是利用分馏
39、塔出来的低温干燥氮气和污氮气预冷却外界供水，使水有较低的温度，经过冷冻机组进一步冷却后输送至空冷塔上段，用于冷却空气。其结构为立式圆筒体，内设支撑板，以支撑填料(图2-17)。外界供水（温度为约32）自上而下流经填料，与从分馏塔出来的冷的干燥氮气和污氮气进行热质交换，使外界供水冷却下来，水在塔底被水泵抽走，上升气体带走热量后从塔顶排往大气。图2-17 空气冷却塔和水冷却塔四、空气分离的主要设备四、空气分离的主要设备（5）分子筛吸附器分子筛吸附器的作用是吸附空气中的水份、二氧化碳等杂质，使进入冷箱的空气净化。其结构为立式圆筒体，内设支承棚架，以承托分子筛吸附剂。内部装填分子筛吸附剂（图2-18、
40、2-19）。分子筛是人工合成的晶体铝硅酸盐，是一种多孔性固体物质，具有较大的内表面积，吸附过程产生在分子筛的微孔上，凡是被处理流体的分子大于微孔尺寸的都不能通过微孔，它把小于微孔的分子吸入孔内，把大于微孔的分子挡在孔外，起着筛分分子的作用。空气中的组分由于分子的极性、不饱和程度和空间结构不同，在分子筛上就会被不同程度的吸附，从而达到净化作用。目前空分上使用最多的的分子筛是13X分子筛，13X分子筛是一种离子形吸附剂，对极性分子有强的亲和力。13X分子筛有条形，球形之分（图2-20、2-21）。四、空气分离的主要设备四、空气分离的主要设备当吸附剂达到最大吸附能力后，需要进行再生使其恢复吸附能力，
41、再生的方法有热再生和减压再生，在空分流程中常采用热再生。热再生是利用吸附剂在高温时吸附容量降低的原理，把加温气体通入吸附层，使吸附层温度升高，被吸附组分解吸。所以在流程中分子筛吸附器是两个，当一个在用于吸附时，另外一个就被再生。空气通过分子筛床层时，由于分子筛的吸附特性将空气中的水份、二氧化碳、乙炔等碳氢化合物吸附，在再生周期中，先被高温干燥污氮反向再生后，再被常温干燥污氮冷却到常温，分子筛吸附器成对交替使用，一只工作时，另一只被再生。图2-20球形分子筛图2-21条形分子筛四、空气分离的主要设备四、空气分离的主要设备（6）增压透平膨胀机透平膨胀机的作用是使空气在膨胀机中等熵膨胀获得分馏塔所需
42、冷量也是提供空分装置所需冷量的装置。膨胀机是空分设备的心脏部机之一。其工作原理是使工作介质在透平膨胀机的通流部分膨胀获得动能，并由工作轮轴端输出外功，因而降低了膨胀机出口工作介质的内能和温度。膨胀机主要是被用来生产冷量造成低温，其工作的对象主要是气体。主机主要由膨胀机蜗壳、机身、增压机蜗壳、转子、可调喷嘴、轴承、及密封件等组成，工作介质由进口管进入蜗壳，经可调喷嘴再进入工作轮作功，然后经扩压室、排气管排出。工作介质先经增压机增压，再经冷却后进入主换热器，然后再进入膨胀机进行绝热膨胀产生空分装置所需的冷量，与此同时产生的机械功又为增压机所吸收（图2-22、2-23）。图2-22透平膨胀机内部结构
43、模拟图图2-23运行中的增压透平膨胀机四、空气分离的主要设备四、空气分离的主要设备（6）增压透平膨胀机透平膨胀机的作用是使空气在膨胀机中等熵膨胀获得分馏塔所需冷量也是提供空分装置所需冷量的装置。膨胀机是空分设备的心脏部机之一。其工作原理是使工作介质在透平膨胀机的通流部分膨胀获得动能，并由工作轮轴端输出外功，因而降低了膨胀机出口工作介质的内能和温度。膨胀机主要是被用来生产冷量造成低温，其工作的对象主要是气体。主机主要由膨胀机蜗壳、机身、增压机蜗壳、转子、可调喷嘴、轴承、及密封件等组成，工作介质由进口管进入蜗壳，经可调喷嘴再进入工作轮作功，然后经扩压室、排气管排出。工作介质先经增压机增压，再经冷却
44、后进入主换热器，然后再进入膨胀机进行绝热膨胀产生空分装置所需的冷量，与此同时产生的机械功又为增压机所吸收（图2-22、2-23）。图2-22透平膨胀机内部结构模拟图图2-23运行中的增压透平膨胀机四、空气分离的主要设备四、空气分离的主要设备（7 7）热交换器）热交换器热交换器的作用是进行多股流之间的热交换。结构为多层板翅式，各通道中的冷热气流通过翅片和隔板进行良好的换热。对经分子筛吸附器除去水分和二氧化碳的压缩空气进行冷却，直至达到接近液化温度，各返流气在其中被加热到常温。（8 8）过冷器）过冷器过冷器的作用是对低温液体进行过冷。结构为多层板翅式换热器。相邻通道间物流通过翅片和隔板进行良好的换
45、热。液空和液氮在流经过冷器时被氮气和污氮气进一步冷却，使之低于饱和温度，这样，液空和液氮在节流后可以减少气化，改善上塔的精馏工况。四、空气分离的主要设备四、空气分离的主要设备（9）冷凝蒸发器冷凝蒸发器位于双级精馏塔的中部，是连接上塔和下塔进行换热的换热设备，供氮气冷凝和液氧蒸发用，以维持精馏塔精馏过程的进行。其结构为多层板翅式，相邻通道的物流通过翅片和隔板进行良好的换热。冷凝蒸发器置于上、下塔之间，下塔上升的氮气在其间被冷凝，而上塔回流的液氧在其间被蒸发。这个过程得以进行，是因为氮气压力高，液氧压力低。例如氮气压力为0.46MPa时，液化温度为95.5K，而液氧在压力为0.039MPa时，蒸发
46、温度93.6K，两者温差1.9K。这样，氮气的冷凝和液氧的蒸发就可进行。冷凝蒸发器都是按此原理进行的，只是冷凝和蒸发的介质不同而已。四、空气分离的主要设备四、空气分离的主要设备（10）双级精馏塔在下塔精馏过程中，液体自上往下逐一流过每块筛板，由于溢流堰的作用，使塔板上造成一定的液层高度。当气体由下而上穿过筛板小孔时与液体接触，产生了鼓泡，这样就增加了汽液接触面积，使热质交换过程高效地进行。低沸点组份逐渐蒸发，高沸点的组份逐渐液化，至塔顶就获得低沸点的纯氮，在塔底获得高沸点的富氧液空组份。上塔在精馏过程中，气体穿过分布器沿填料盘上升，液体自上往下通过分布器均匀地分布在填料盘上，在填料表面上气、液
47、充分接触进行高效的热质交换。上升气体中低沸点组份（氮）含量不断提高，高沸点组份（氧）被大量的洗涤下来，形成回流液。最终在塔顶得到低沸点纯氮气，塔底得到高沸点的液氧。图2-24 双级精馏塔1-筛板上塔 2-冷凝蒸发器 3-筛板下塔 4-过冷器 5.6-节流阀四、空气分离的主要设备四、空气分离的主要设备（10）双级精馏塔双极精馏塔是利用混合气体中氧氮组分的沸点不同，将氧氮组分分离成所要求纯度的产品。双极精馏塔由位于下部的下塔，位于中部的冷凝蒸发器和位于上部的上塔组成。精馏塔分为筛板塔和填料塔两大类。填料塔又分为散堆填料和规整填料两种。筛板塔虽然结构较简单，适应性强，在空分设备中被广泛采用。但是，随
48、着气液传热、传质技术的发展，对高效规整填料的研究，一些效率高、压降小、持液量小的规整填料的开发，填料塔也逐渐应用到空分精馏塔上。规整填料由金属波纹板组成，一块块排列起来的金属波纹板，低温液体在每一片填料表面上都形成一层液膜，与上升的蒸气相接触，进行传热传质。规整填料的金属比表面积大，液氧持留量小，操作弹性大，热、质交换充分，分离效率高。对负荷变化的应变能力较强。目前填料塔有逐步替代筛板塔的趋势。图2-25 双级精馏塔实物图五、空气液化分离安全规程五、空气液化分离安全规程安全注意事项:空分装置的工作区及所有储存，输送和再处理各类产品气的场所，都必须注意以下安全事项。（1）防止火灾和爆炸:1)禁止
49、吸烟和明火，会产生火苗的工作，如电焊、气焊、砂轮磨刮等，通常禁止在空分生产区进行，如确需进行，则必须采取措施，确保氧浓度不高的场地，并要在专职安全人员的监督下才能进行。2)不得穿着带有铁钉或带有任何钢质件的鞋子，以避免摩擦产生火花。并不能采用易产生静电火花的质料作工作服。3)严格忌油和油脂，所有和氧接触的部位和另件都要绝对无油和油脂，因此要进行脱脂清洗，应该用碳氢氯化物或碳氢氟氯化合物，例如全氯乙烯来清洗，一般的三氯乙烯等不适用于铝或铝合金的清洗，因为，这会引起爆炸反应。由于这类清洗剂有毒，在使用时，必须注意通风，皮肤的保护，并戴防毒面具。4)现场人员的衣着必须无油和油脂。即使脂肪质的化妆品也
50、会成为火源。5)装置的工作区内禁止贮放可燃物品。对于装置运行所必需的润滑剂和原材料必须由专人妥善为保管。6)要防止氧气的局部增浓。如果发现某些区域已经增浓或有可能增浓，则必须清楚地作出标记，并以强制通风。人员在进入氧气容器或管道之前，必须用无油空气吹除，并经取样分析确认含量正常才能进入。7)人员应避免在氧气浓度增高的区域停留。如果已经停留则其衣着必被氧气浸透，应立即用空气彻底吹洗置换。8)氧气阀门的启闭要缓慢进行，避免快速操作，特别是对加压氧气必须绝对遵守。9)冷凝蒸发器液氧中的乙炔和碳氢化合物的浓度必须严格控制。五、空气液化分离安全规程五、空气液化分离安全规程（2）防止窒息引起死亡:1)要防