深冷制氮的工艺流程说明

深冷制氮的工艺流程说明

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深冷空气分离技术

深度冷冻法分离空气是将空气液化后，再利用氧、氮的沸点不同将它们分离。即，造成气、液浓度的差异这一性质，来分离空气的一种方法。因此必须了解气、混合物的一些基本特征：气-液相平衡时浓度间的关系：液态空气蒸发和冷凝的过程及精馏塔的精馏过程。

1. 空气的汽-液相的平衡，物质的聚集状态有气态、液态、固态。每种聚集态内部，具有相同的物理性质和化学性质并完全均匀的部分，称为相。空气在塔内的分离，一般情况下，物料精馏是在汽、液两相进行的。空气中氧和氮占到99.04%，因此，可近似地把空气当作氧和氮的二元混合物。当二元混合物为液态时，叫二元溶液。

氧、氮可以任意比例混合，构成不同浓度的气体混合物及溶液。把氧、氮溶液置于一封闭容器中，在溶液上方也和纯物质一样会产生蒸汽，该蒸汽是由氧、氮蒸汽组成的气态的相混合物。对于氧氮二元溶液当达到汽液平衡时，它的饱和温度不但和压力有关，而且和氧、氮的浓度有关。当压力为1at时，含氮为0%，2%，10%的溶液的沸点列于表1-5。从表可知，随着溶液中低沸点组分（氮）的增加，溶液的组和温度降低，这是氧-氮二元溶液的一个重要特性。

空气中含氩0.93%，其沸点又介于氧、氮之间。

在空气分离的过程中，氩对精馏的影响较大，特别是在制取高纯氧、氮产品时，必须考虑氩的影响。

一般在较精确的计算中，又将空气看作氧-氩-氮三元混合物，其浓度为氧20.95%，氩0.93%，氮78.09（按容积）。

三元系的汽液平衡关系，可根据实验数据表示在相平衡图上。确定三元系的汽液平衡状态时，必须给定三个独立参数，除给定温度、压力外，需再细定一个组分浓度（气相或液相）平衡状态才能确定。

2. 压力-浓度图和温度-浓度图 在工业生产中，气液平衡一般在某一不变条件下进行的。在温度一定时可得如图1-13所示的压力-浓度的关系图（P-X图）。

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图1-13是根据T=常数，绘出的氧、氮平衡系的P-X图，纵坐标为压力，横坐标取氮的液相及气相浓度（也可取氧的浓度）。每给定一个压力就对应有一个液相及气相浓度。分别连接不同压力下的气相浓度点及液相浓度点，则可得出图中所示的饱和蒸汽线（虚线）和饱和液体线（实线）。其余相区如图所示。

在某一压力P1下，与液、汽饱和线的交点分别为点1（X1）和点2（y2），又因为PN20>PO20根据康诺瓦罗夫定律，氮组分在气相中的浓度要大于在液相中的浓度y2>x1。

一般蒸发（冷凝）过程是在等压下进行的，所以用T-X图来研究这一过程更为方便。在等压下，氧、氮的气液平衡图见图1-14。每经定一个温度，就对应有一个液相及气相浓度。把不同温度下对应的气相浓度点和液相浓度点连接起来，可得饱和蒸汽线（虚线）和饱和液体线（实线）。这两条曲线把图分为三个区域：液相区、气相区及两相区。由图1-14可知，纯组分时的沸点TN20PO20在某一温度T1下，根据康诺瓦罗夫定律可知，y2>x1。同时，还可以看出，当浓度为x1时溶液的沸点是T1，即不等于TO20，也不等于TN20而是介于两者之间。

对于不同压力，可得不同的氧、氮平衡曲线（见图1-15）图中压力P3>P2>P1，压力越高，饱和液体线和饱和蒸汽线之间的距离越窄，也就是说高压下气-液间浓度差变小，而在低压下浓度差加大。在相同的液相浓度X0下，可以看出y1>y2>y3。气液相浓度差越大，表示氧气分离越容易，因此在低压下，分离空气是比较有利的，因为可以大大减少精馏塔板的数量。

3. 汽液平衡浓度图（y-x图） 在一定压力下，取二元溶液中低沸点组分（氮）的浓度xN2为横坐标，与其平衡的气相中氮浓度yN2为纵坐标，构成的图叫y-x图（见图1-16）

在y-x图中P3>P2>P1。当压力愈低时，等压线离y=x的对角钱就愈远，表示组分在汽液中相的浓度差愈大，混合物分离就愈容易。

当压力一定时，由于采用低沸点组分为坐标的，气在气相中的浓度大于液相中的浓度，所以等压线均在对角线（y=x线）以上，并为向上凸起曲线。如以高沸点组分氧为浓度坐标时则相反。

用y-x图了解气液平衡时气液相浓度的关系非常清楚和方便，所以在二元溶液精馏过程中，分析塔板上气液浓度变化时常要用到该图。

4. 焓-浓度图 在空气分离技术中，很多情况下是研究过程的热现象，因此通常采用焓-浓度图（h-x图）来进行研究就显得比较方便。

由给定的压力、温度和成分，再根据热焓的计算式，求出与给定成分相对应的饱和汽相和饱和液相的热焓值，并将所得的点1\\\\、2\\\\…和1\\、2\\、…连接起来，则可得饱和蒸汽线（虚线）和饱和液体线（实

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线）、然后再借助给定压力下的T-x图，求出在两相区的等温线（见图1-17）。

在h-x图上，当xN2=0.xN1=1时，饱和蒸汽线和饱和液体线之间的距离，分别为液氧的汽化潜热ro2和液氮的汽化潜热rN2。当压力改变时，因为各组分的饱和蒸汽和饱和液体的热焓随压力而变化，所以饱和蒸汽线和饱和液体线的位置就不同，压力越高，这两条曲线越向上移。H-x图的用途很广，除用来作精馏计算外，还可以用该图求得氧氮混合物的潜热、液体节流后的汽化率及汽液相浓度。

深冷制氮装置由以下几部分组成：

1、空气压缩与输送系统：包括一台处理气量为50万Nm3/h的自洁式空气过滤器；一台由4万KW蒸汽透平驱动的空气压缩机和空气增压机及其附属设备。

2、空气预冷系统：包括一台处理气量30万Nm3／h的空气冷却塔、水冷却塔、氨蒸发器及附属系统。

3、空气净化系统：包括两台分子筛吸附器和两台蒸汽加热器。

4、空气分馏塔：包括一台主精馏塔；一台辅助冷凝蒸发器；一组低压板式换热器；一组高压板式换热器；一组过冷器；两台粗氩塔；一台精氩塔；一台带增压机的膨胀机；六台工艺低温液体泵。

5、低温液体贮存系统：包括两台200m3平底贮槽；两台100m3真空贮槽；一台高压事故氮泵（低温液体泵）；一台水浴式气化器；一台高压氧气充瓶泵（往复式低温液体泵）；一台空浴式高压汽化器；一套24头充瓶架；两台充车泵。

6、仪表空气压缩贮存系统：包括一台气量为40Nm3/h螺杆空气压缩机，一台150 m3的仪表空气储罐，两台干燥器。

二、流程简述

本空分设备采用分子筛吸附预净化、增压透平膨胀机、全填料精馏（下塔筛板）及双泵内压缩工艺。

1、空气过滤和压缩

空气首先进入自洁式空气吸入过滤器，在其中除去灰尘和其它固体杂质后进入主空压机，经多级压缩后进入空冷塔，压缩机级间的热量被中间冷却器中的冷却水带走。

2、空气的冷却

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空气在进入分子筛吸附器前先在空冷塔中冷却并洗涤。进入空冷塔上部的冷冻水，首先在水冷塔中利用干燥的出分馏塔污氮气和氮气进行冷却，然后再进入空冷塔上部冷却空气。

空冷塔下部采用全厂循环水供水系统的循环水对空气进行初步冷却。

3、空气的净化

空气净化系统由两台分子筛吸附器和两台双管板蒸汽加热器组成，分子筛吸附器吸附空气中的水份、二氧化碳和一些碳氢化合物。两台分子筛吸附器一台工作，另一台再生。再生气的加热由蒸汽在蒸汽加热器中完成。

4、空气的精馏

出吸附器的空气分为两股，一股直接进入主换热器冷却后进入下塔；另一股通过空气增压机进一步压缩，并经增压机后冷却器冷却后送入冷箱经高压主换热器冷却变为液体后节流进入下塔。

膨胀空气自空气增压机中部抽出，首先经过膨胀机增压端的压缩及后冷却器的冷却，再进入主换热器冷却，经膨胀机膨胀后进入下塔。

下塔中的上升气体通过与回流液体接触含氮量增加，在塔顶得到纯氮气。塔顶所需的回流液氮来自下塔顶部的冷凝蒸发器，在这里氧得到蒸发，而氮得到冷凝。下流的液体与上升的蒸汽接触含氧量增加，在塔底得到富氧液空。下塔各液体馏分经过冷、节流后分别送入上塔不同部位进一步分离，并在上塔顶部得到纯氮气，底部得到液氧。

4、1下塔从上到下产生以下产品：

?纯液氮 ?纯氮气 ?污液氮

?～22%O2的贫液空 ?～38%O2的富氧液空

下塔各产品去向如下：

①富氧液空经过冷器过冷节流后： ?一部分进入上塔，作为其回流液，

?另一部分进入粗氩塔冷凝器被汽化后送入上塔 ②贫液空

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?大部分进入上塔，作为其回流液。

?一部分进入精氩塔冷凝器被汽化后送入上塔， ③污液氮

?自下塔中上部抽出，去上塔中上部 ④纯液氮：

?大部分纯液氮在过冷器中过冷后送入上塔顶部作回流液。 ?少部分纯液氮作为产品抽出。

?部分纯液氮在液氮泵中被压缩至所需压力。然后送到高压换热器中通过与高压空气进行热交换而得到高压氮气。 ⑤纯氮气：

?部分纯氮气经主换热器复热作为产品抽出。

4、2在上塔从上到下产生以下产品：

?顶部产生纯氮气 ?上部产生污氮气 ?中部抽取氩馏份 ?底部产生液氧

上塔各产品去向如下：

①纯氮气从上塔顶部抽出后经过冷器和主换热器复热至设计温度出冷箱； ②污氮气从上塔上部抽出后经过冷器和主换热器复热至设计温度出冷箱； ③氩馏份从上塔中部抽出,经粗氩塔精馏在顶部产生工艺氩； ④液氧从上塔底部抽出。

?在液氧泵中被压缩至所需压力。然后送到高压换热器中通过与高压空气进行热交换而得到高压氧气。

?需要时部分液氧可作为产品送出冷箱

4、3在粗氩塔顶部产生工艺氩。

4、4在精氩塔底部产生纯液氩。

5、产品的分布

气氧回路 气氧以所需压力5.1MPa（G）直接从冷箱输出。 气氮回路

低压气氮 上塔低压气出冷箱后送到水冷塔对水进行冷却。 压力气氮 下塔压力氮气出冷箱后送出界区。（0.5 MPa（G））

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高压氮气 下塔顶部液氮由液氮泵加压，经高压板式汽化复热送出 液氩 从精氩塔底部抽出去贮槽。

污氮回路 一股污氮用于分子筛吸附器的再生, 另一股送到水冷塔对水进行冷却，还有一小部分进入冷箱，对冷箱充气。

仪表及解冻用的干燥空气

空分设备仪表及解冻（处于正常工作状态）用的干燥空气从分子筛吸附器的出口抽出后送至仪表空气网络。

液体排放 从冷箱排出的所有低温液体汇集后送至喷射蒸发器与蒸汽混合蒸发后排入大气。

排气 设备的排气先送至各消音器再排入大气。

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