河北工業(yè)大學(xué)成人高等教育畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文) 姓 名： 張軍平 學(xué) 號(hào)： 20138519 教學(xué)管理單位： 河北工業(yè)大學(xué)伊犁函授站 專 業(yè)： 化學(xué)工程與工藝 題 目： 深冷法在空氣分離中的應(yīng)用 指導(dǎo)者： 評閱者： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要分離過程在化工生產(chǎn)過程中起著舉足輕重的重要作用，本文并闡述了它在當(dāng)今工業(yè)生深冷法空氣分離中的應(yīng)用以及重要性?關(guān)鍵字：空分?分子篩吸附器?雙級(jí)精餾塔空氣中的主要成分是氧和氮，它們分別以分子狀態(tài)存在，均勻地混合在一起，通常要將它們分離出來比較困難，目前工業(yè)上主要有３種實(shí)現(xiàn)空氣分離方法?吸附法：利用多孔性物質(zhì)分子篩對不同的氣體分子具有選擇性咐附的特點(diǎn)，對氣體分子不同組分有選擇性的進(jìn)行吸附，達(dá)到單高純度的產(chǎn)品吸附法分離空氣流程簡章，操作方便運(yùn)行成本較低，但不能獲得高純度的的雙高產(chǎn)品。

?膜分離法：利用一些有機(jī)聚合膜的潛在選擇性，當(dāng)空氣通過薄膜或中空纖維膜時(shí)，氧氣穿過膜的速度比氮快的多的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)氧、氮的分離這種分離方法得到的產(chǎn)品純度不高，規(guī)模也較小，目前只適用于生產(chǎn)富氧產(chǎn)品?深冷法（也稱低溫法）：先將混合物空氣通過壓縮、膨脹和降溫，直至空氣液化，然后利用氧、氮汽化溫度（沸點(diǎn)）的不同進(jìn)行精餾分離深冷與精餾的組合是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的空氣分離方法關(guān)鍵詞： 空分?分子篩吸附器?雙級(jí)精餾塔目 錄 1 引言 422 深冷法空分原理 423 KDON48000/80000型空分裝置簡易流程分析 433.1空氣凈化 443.1.1過濾及壓縮 443.1.2預(yù)冷 443.1.3純化： 443.2空氣液化 443.3空氣精餾 453.3.1下塔精餾 453.3.2上塔精餾 454 空分工藝設(shè)備介紹 454.1潔式空氣過濾器 464.2空氣壓縮機(jī) 464.3?分子篩吸附器 474.4膨脹機(jī) 474.5雙級(jí)精餾塔 48結(jié)論 48參 考 文 獻(xiàn) 48致 謝 481 引言?空氣中的主要成分是氧和氮，它們分別以分子狀態(tài)存在，均勻地混合在一起，通常要將它們分離出來比較困難，目前工業(yè)上主要有３種實(shí)現(xiàn)空氣分離方法。

?吸附法：利用多孔性物質(zhì)分子篩對不同的氣體分子具有選擇性咐附的特點(diǎn)，對氣體分子不同組分有選擇性的進(jìn)行吸附，達(dá)到單高純度的產(chǎn)品吸附法分離空氣流程簡章，操作方便運(yùn)行成本較低，但不能獲得高純度的的雙高產(chǎn)品?膜分離法：利用一些有機(jī)聚合膜的潛在選擇性，當(dāng)空氣通過薄膜或中空纖維膜時(shí)，氧氣穿過膜的速度比氮快的多的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)氧、氮的分離這種分離方法得到的產(chǎn)品純度不高，規(guī)模也較小，目前只適用于生產(chǎn)富氧產(chǎn)品?深冷法（也稱低溫法）：先將混合物空氣通過壓縮、膨脹和降溫，直至空氣液化，然后利用氧、氮汽化溫度（沸點(diǎn)）的不同進(jìn)行精餾分離深冷與精餾的組合是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的空氣分離方法?2 深冷法空分原理?空氣中氧和氮占99.23%(容積),因此在一般計(jì)算中,可以近似地將空氣當(dāng)做氧和氮的二元混合物,將氬歸并到氮中去,其它氣體忽略不計(jì),即認(rèn)為空氣中含氧20.9%，含氮79.1%(容積)?干燥空氣的主要成份如下:名 稱化學(xué)代號(hào)體積百分比重量百分比氧O220.9523.1氮N278.0875.5氬Ar0.9321.29空氣中其它組成成份，如氫、二氧化碳、碳?xì)浠衔锏暮吭谝欢ǚ秶鷥?nèi)變化，而水蒸汽含量則隨著溫度和濕度而變化。

空氣中的主要成份的物理特性如下:名稱化學(xué)符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的液化溫度(℃)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的固化溫度(℃)臨界溫度(℃)臨界壓力MPa(A)氧 O2-183-218.4 -1195.079氮N2-195.8-209.86-1473.394氬Ar-185.7-189.2-1224.862 空氣的精餾就是利用空氣的各種組份具有不同的揮發(fā)性,即在同一溫度下各組份的蒸汽壓不同，將液態(tài)空氣進(jìn)行多次的部分蒸發(fā)與部分冷凝，從而達(dá)到分離各組份的目的當(dāng)處于冷凝溫度的氧、氮混合氣穿過比它溫度低的氧、氮混合液體時(shí)，氣相與液相之間就發(fā)生熱、質(zhì)交換，氣體中的部份冷凝成液體并放出冷凝潛熱，液體則因吸收熱量而部份蒸發(fā)因沸點(diǎn)的差異，氧、氬的蒸發(fā)順序?yàn)椋旱?氬>氧，冷凝順序?yàn)椋貉?氬>氮在本系統(tǒng)中，該過程是在塔板上進(jìn)行的，當(dāng)氣體自下而上地在逐塊塔板上通過時(shí)，低沸點(diǎn)組份的濃度不斷增加，只要塔板足夠多，在塔的頂部即可獲得高純度的低沸點(diǎn)組份同理，當(dāng)液體自上而下地在逐塊塔板上通過時(shí)，高沸點(diǎn)組份的濃度不斷增加，通過了一定數(shù)量的塔板后，在塔的底部就可獲得高純度的高沸點(diǎn)組份由于氧、氬、氮沸點(diǎn)的差別，在上塔的中部一定存在著氬的富集區(qū)，制取粗氬所需的氬餾份就是從氬富集區(qū)抽取的處于冷凝溫度的氧、氮混合氣穿過比它溫度低的氧、氮組成的液體時(shí)，氣體要部分冷凝，轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w并放出冷凝潛熱，沸點(diǎn)較高的氧較多的冷凝，這樣蒸氣中的氮濃度越來超高?；液體則吸收熱量而蒸發(fā)。

沸點(diǎn)較低的氮較多的蒸發(fā)，液體中的氧濃度也越來越高，每經(jīng)過一次蒸發(fā)—冷凝過程，氣體中氮組分就增加，而液體中氧組分也增加如果這種同時(shí)發(fā)生的蒸發(fā)—冷凝過程進(jìn)行多次，混合物中的氧和氮便可分離??3 KDON50000/50000型空分裝置簡易流程分析3.1空氣凈化3.1.1過濾及壓縮含塵空氣入空氣過濾器，過濾掉其中機(jī)械顆粒、粉塵等經(jīng)過濾的空氣再入空氣壓縮系統(tǒng)，被空氣壓縮系統(tǒng)壓縮到0.53MPa.G后進(jìn)入空氣預(yù)冷系統(tǒng)空氣冷卻塔為裝有兩層塔料的填料塔，空氣由空氣壓縮機(jī)送入空氣冷卻 塔底部，由 下往上穿過填料層，被從上往下的水冷卻，并同時(shí)洗滌部分NOx，SO2，C1+等有害雜質(zhì)，最后穿越頂部的絲網(wǎng)分離器，進(jìn)入分子篩純化系統(tǒng)，出空冷塔空氣的溫度約為14.5℃3.1.2預(yù)冷?進(jìn)入空冷塔的水分為兩段下段為由涼水塔來的冷卻水，經(jīng)循環(huán)水泵加壓入空冷塔中部自上而下出空冷塔回涼水塔上段為由水冷塔來的冷卻水，經(jīng)水冷塔與由分餾塔來污氮?dú)鉄豳|(zhì)交換冷卻后由冷凍水泵加壓，送入空氣冷卻塔頂部，自上而下出空氣冷卻塔回涼水塔空氣經(jīng)空氣冷卻塔冷卻后，溫度降至18℃?3.1.3純化?空氣經(jīng)空氣冷卻塔冷卻后進(jìn)入切換使用的分子篩純化器1#或2#，空氣中的二氧化碳、碳?xì)浠衔锛皻埩舻乃羝晃健?/p>

?分子篩吸附器為臥式雙層床結(jié)構(gòu)，下層為活性氧化鋁，上層為分子篩，兩只吸附器切換工作當(dāng)一臺(tái)吸附器工作時(shí)，另一臺(tái)吸附器則進(jìn)行再生、冷吹備用由分餾塔來的污氮?dú)?，?jīng)蒸汽加熱器加熱至-170℃后，入吸附器加熱再生（高溫再生時(shí)，再生氣經(jīng)蒸汽加熱器及電加熱器加熱至260℃后，入吸附器加熱再生），脫附掉其中的水份及CO2，再生結(jié)束由分餾塔來的污氮?dú)饫浯?，然后排入大氣放?3.2空氣液化?空氣經(jīng)凈化后，由于分子篩的吸附熱，溫度升至～20℃，然后分兩路：?第一路：空氣在低壓主換熱器中與返流氣體(純氮?dú)狻毫Φ獨(dú)?、污氮?換熱達(dá)到接近空氣液化溫度約-173℃后進(jìn)入下塔進(jìn)行精餾；???第二路：空氣進(jìn)入增壓空氣壓縮機(jī)1段進(jìn)行增壓，壓縮后的這部分空氣又分為二部分：?①?相當(dāng)于膨脹空氣的這部分空氣從增壓空氣壓縮機(jī)的Ⅰ段抽出，經(jīng)膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)的增壓機(jī)，消耗掉由膨脹機(jī)輸出的能量，使空氣的壓力得以進(jìn)一步提高，增壓后進(jìn)入高壓主換熱器在高壓主換熱器內(nèi)被返流氣體冷卻至152k(-121℃）抽出，進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹制冷，膨脹后的空氣，經(jīng)汽液分離器分離后氣體部分進(jìn)入下塔，液體經(jīng)節(jié)流后送入粗氬冷凝器（液空冷源）???②?另一部分繼續(xù)進(jìn)增壓空氣壓縮機(jī)的Ⅱ段增壓，從增壓空氣壓縮機(jī)的Ⅱ段抽出后，進(jìn)入高壓主換熱器，與返流的液氧和其他氣體換熱后冷卻至106K（-167℃）經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入下塔中部；???3.3空氣精餾?3.3.1下塔精餾?在下塔中，空氣被初步分離成頂部氮?dú)夂偷撞扛谎跻簯B(tài)空氣。

?頂部氮?dú)猓喉敳繗獾谥骼淠舭l(fā)器中液化，同時(shí)主冷凝蒸發(fā)器的低壓側(cè)液氧被氣化絕大部分液氮作為下塔回流液回流到下塔，其余液氮經(jīng)過冷器，被純氣氮和污氣氮過冷并節(jié)流后送入上塔頂部作為上塔回流液?壓力氮?dú)猓簤毫Φ獨(dú)鈴南滤敳恳鰜?，在低壓主換熱器中復(fù)熱后出冷箱?污液氮：在下塔下部得到污液氮，經(jīng)過冷器過冷后，節(jié)流至上塔上部參與精餾?富氧液態(tài)空氣：從下塔底部抽出的富氧液空在過冷器中過冷后，一部分作為粗氬冷凝器冷源，另一部分經(jīng)節(jié)流送入上塔中部作回流液???3.3.2上塔精餾?經(jīng)上塔的精餾，在頂部得到產(chǎn)品氮?dú)?，在上部得到污氮?dú)猓撞康玫揭貉?液氧：液氧從上塔底部通過管道導(dǎo)入主冷凝蒸發(fā)器中，在主冷凝蒸發(fā)器中被來自下塔的壓力氮?dú)馄?汽化后的低壓工藝氧氣通過管道導(dǎo)入上塔液氧在主冷凝蒸發(fā)器底部導(dǎo)出經(jīng)高壓液氧泵加壓，然后在高壓換熱器復(fù)熱后以4.8MPa(G)的壓力作為氣體產(chǎn)品出冷箱???污氣氮：污氣氮從上塔上部引出，并在過冷器中復(fù)熱后，部分低壓主換熱器中復(fù)熱后做為分子篩純化器的再生氣體；其在余高壓主換熱器中復(fù)熱后，進(jìn)入水冷塔作為冷源?純氣氮：純氣氮從上塔頂部引出，?在過冷器及低壓主換熱器中復(fù)熱后出冷箱，作為產(chǎn)品送往氮壓機(jī)，多余部分送往水冷卻塔中作為冷源冷卻外界水。

???氬餾份：從上塔相應(yīng)部位抽出氬餾份送入粗氬冷凝器，粗氬冷凝器采用過冷后的液空作冷源，氬餾份直接從增效塔的底部導(dǎo)入，上升氣體在粗氬冷凝器中液化，得到粗液氬和粗氬氣，前者作為回流液入增效塔，而后者經(jīng)進(jìn)入低壓換熱器復(fù)熱到常溫送出冷箱；在粗氬冷凝器蒸發(fā)后的液空蒸汽和底部少量液空同時(shí)返回上塔?4 空分工藝設(shè)備介紹4.1潔式空氣過濾器?空氣中含有大量的塵埃，空壓機(jī)在長時(shí)間的高速運(yùn)行中，粉塵會(huì)造成機(jī)器內(nèi)部的葉輪、葉片等部件的磨損、腐蝕和結(jié)垢，縮短機(jī)器的使用壽命，因此設(shè)置空氣過濾器，清除掉空氣中的灰塵及雜質(zhì)作用為清除原料空氣中的機(jī)械雜質(zhì)、灰塵?結(jié)構(gòu)：由高效過濾筒、文氏管、自潔專用噴頭、反吹系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、凈氣室出風(fēng)口、柜架等組成?原理：在吸氣負(fù)壓作用下，空氣穿過高效過濾筒，粉塵由于重力、靜電和接觸被阻留，凈化空氣進(jìn)入凈氣室可對大于1UM以上的灰塵過濾效率達(dá)99.9%，濾筒上的灰塵通過專用噴頭吹除達(dá)到清除?4.2空氣壓縮機(jī)?原料空氣壓縮機(jī)和增壓空氣壓縮機(jī)作用是為提供帶壓原料空氣?結(jié)構(gòu)：成套進(jìn)口德國曼透平公司的產(chǎn)品，由汽輪機(jī)拖動(dòng)兩臺(tái)離心式壓縮機(jī)，?原料空壓機(jī)排氣量：266000Nm3/h,??0.53MPa(A)、125000Nm3/h進(jìn)入低壓換熱器；增壓機(jī)中抽：54000Nm3/h,2.7MPa(G)；末級(jí)抽出：70000Nm3/h,7.0MPa(G)?。

?離心式壓縮機(jī)是利用裝于軸上帶有工作輪的葉片在原動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，葉輪對氣體做功，使氣體獲得動(dòng)能，然后氣體在擴(kuò)壓器中速度下降，動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，壓力得到進(jìn)一步提高的過程?汽輪機(jī)的工作原理：利用高溫高壓蒸氣進(jìn)入噴嘴靜葉柵中蒸氣內(nèi)能減少，動(dòng)能增加，獲得了很大的流速，蒸氣的溫度壓力下降，高速氣流沖擊動(dòng)葉片，使葉輪旋轉(zhuǎn)，蒸氣的熱能又轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的機(jī)械能，同時(shí)蒸氣的溫度壓力下降空氣經(jīng)自潔式過濾器過濾其中的機(jī)械雜質(zhì)、灰塵等，。