深冷法分离空气的基本原理.docx

深冷法分离空气的基本原理一、空气的组成与产品(氮气、氧气)的制取空气是一种复杂的气体混合物,由多种气体组成。干燥空气的组成,各类组份的性质不同,一般来说,常规情况下空气的组成可视为不变,只有二氧化碳在空气中的含量,随地区条件的不同有一些变化,另外空气中还含有少量的机械杂质、水蒸气、乙炔、甲烷、二氧化氮、一氧化碳等对空气分离有害的成分。深冷法(低温法)分离空气的基本过程是:将空气压缩到所需要的压力后,先彻底去除空中的水蒸气与二氧化碳,而后送入分馏塔。空气在分馏塔中的主换热器内与返流的产品气、富氧气体进行热交换,被冷却并部分液化,最后进入精馏塔。空气在塔内变成液体聚积在塔底,利用氧、氮沸点之差使之分离,成为产品气和富氧空气。分离产品经主换热器复热后送出分馏塔,产品气使用点,富氧气一部分去纯化器再生,多于富氧气出分馏塔直接放空。水在0°C要结冰,二氧化碳在~79°C要变成干冰。,其液化温度约为~172。5°C,因此,如果水和二氧化碳不先除去,则随空气的冷却它们将先后变成冰和干冰,并随气体一起流动积聚,堵塞主换热器的空气通道、精馏塔筛板小孔、阀芯,影响装置的正常运转。水、二氧化碳、润滑油一样,对空气分离装置低温部分危害极大。空气中的碳氢化合物,特别是乙炔,在精馏过程中,如液空和液氧中的乙炔的浓度浓缩到一定程度就有爆炸的可能。。空气中的不凝性气体,如氖、氦气,由于其冷凝温度太低,在空气设备的运行中,总是以气态集聚在冷凝蒸发器内,侵占冷凝蒸发器的热换面积,增大了热阻,影响热交换效果,因此也需要经常排放。空气的深冷分离过程是一个物理过程,空气冷却与液化并使冷箱内的各部分冷却到各自的工作温度并始终维持在各自的工作温度,所需要的“冷量”主要是膨胀机提供的。从上面的简单叙述中可以知道,深冷法分离空气一般包括以下一些过程:空气中的机械杂质的去除空气压缩到所需要的压力空气中水分、二氧化碳与乙炔的去除冷量的产生空气的冷却、液化与分离产品的复热液态空气的精馏、分离成产品气和富氧空气产品气的压缩与液化产品的贮存、运输和汽化此外还有保温与绝热、计量、检测与控制等内容。下面对各个过程再做较深一层的叙述与介绍二、空气中的机械杂质的除净空气中的灰尘等固体微粒称为机械杂质。这些固体微粒如不清除,会使高速旋转的空气透平压缩机和膨胀机的叶轮、导流器磨损加剧,如带到换热器中会污染换热器表面,导致传热系数下降,阻力增大。这些会影响空气设备的正常运行。~。在冶金企业周围,,,一般在空压机吸风口设置空气过滤器来清除空气中的固体杂质。三、空气的压缩如前所述,深冷法分离空气,首先要使空气冷却和液化。空气的液化过程使一种能量的转换的过程。空气只要有足够的压力,才能通过膨胀机的节流效应产生足够的冷量,使它降到所需的温度,并从气态变成液态。压缩空气的压力,根据用户对产品气压力的要求、设备的大小、空气流程的不同,是设计、制造与操作维护的水平来决定。在空气分离设备的中,空气压缩机是最主要消耗电能的设备。尽可能提高空气中氮、氧产品的提取率,减少分离的空气量减少设备的冷损,降低空气压力。四、空气的净化空气压缩后由于体积小,单位体积空气内能容纳的水蒸汽量也减少,所以空气被压缩时,其中所含的部分水分也将在压缩机的冷却器内冷凝析出,并在水分离器内排除掉。大气中的二氧化碳含量为300~400ppm,一般气体随压力和温度的不同,由气态、液态和固态三种,而在空气中二氧化碳只有气态和固态两种状态。空气中的二氧化碳在一定的温度下也有一个最大的含量,叫饱和含量。与饱和含量相对应有一个饱和分压。如果二氧化碳的分压超过了他的饱和分压,那会有二氧化碳析出,析出二氧化碳成雪花状。空气中的水分、乙炔和二氧化碳是在纯化器的吸附筒中被清除的。吸附筒中装满了一种能吸附水、二氧化碳与乙炔的物质叫吸附剂,吸附剂吸附水份与二氧化碳的能力,与空气的压力、温度、空气在吸附筒内的流速、吸附剂床层高度等因素有关,空气的压力是由流程决定的,不能任意改变。吸附温度降低,吸附剂对二氧化碳的吸附能力增加。从能耗及投资两方面的综合考虑,一般吸附温度为10°C,为此,在空气压缩机末级冷却器与纯化器之间,还设置了预冷机组,其目的是将空气从40°C降低到10°C,并除去空气中的大部分水份,以提高吸附剂的吸附能力。吸附剂吸附水分和二氧化碳有一定的限度,达到了这个限度吸附就“饱和”了,必须将吸附在吸附剂中的水分及二氧化碳清除掉,才能恢复其工作能力,这叫做吸附剂的“再生”。根据这一特性,何止了两只吸附筒及再生电加热器,两只吸附筒轮流工作,一只从空气中吸附水分与二氧化碳,另一只用加热再生气将吸