空分技术要点及操作详解

空分技术要点与操作详解

空分作为化工生产中重要的一个环节，其产生的工业气体用途广泛，作用重大。

煤化工空分装置基本术语

1、空气

存在于地球表面的气体混合物。接近于地面的空气在标准状态下的密度为1.29kg/m3。主要成分是氧、氮和氩；以体积含量计，氧约占20.95%，氮约占78.09%，氩约占0.932%，此外还含有微量的氢及氖、氦、氪、氙等稀有气体。根据地区条件不同，还含有不定量的二氧化碳、水蒸气及乙炔等碳氢化合物。

2、加工空气

指用来分离气体和制取液体的原料空气。

3、氧气

分子式O2，分子量31.9988（按1979年国际原子量），无色、无臭的气体。在标准状态下的密度为 1.429kg/m3，熔点为54.75K,在101.325kPa压力下的沸点为90.17K。化学性质极活泼，是强氧化剂。不能燃烧，能助燃。

4、工业用工艺氧

用空气分离设备制取的工业用工艺氧，其含氧量一般小于98%。（体积比）

5、工业用气态氧

用空气分离设备制取的工业用气态氧，其氧含量大于或等于99.2%。（体积比）

6、高纯氧

用空气分离设备制取的氧气，其氧含量大于或等于99.995%（体积比）。

7、氮气

分子式N2，分子量28.0134（按1979年国际原子量），无色、无臭、的惰性气体。在标准状态下的密度为 1.251kg/m3,熔点为63.29K,在101.325kPa压力下的沸点为77.35K。化学性质不活泼，不能燃烧，是一种窒息性气体。

8、工业用气态氮

用空气分离设备制取的工业用气态氮，其氮含量大于或等于98.5%（体积比）。

9、纯氮

用空气分离设备制取的氮气，其氮含量大于或等于99.995%（体积比）。

10、高纯氮

用空气分离设备制取的氮气，其氮含量（体积比）大于或等于99.9995%。

11、液氧（液态氧）

液体状态的氧，为天蓝色、透明、易流动的液体。在101.325kPa 压力下的沸点为90.17K，密度为1140kg/m3。可采用低温法空气分离设备制取液态或用气态氧液化制取。

12、液氮（液态氮）

液体状态的氮，为透明、易流动的液体。在101.325kPa压力下的沸点为77.35K，密度为810kg/m3。可采用低温法空气分离设备制取液态氮或用气态氮液化制取。

13、液空（液态空气）

液体状态的空气，为浅蓝色、易流动的液体。在101.325kPa压力下的沸点为78.8K，密度为873kg/m3。液空是空气分离过程中的中间产物。

14、富氧液空

指氧含量超过的20.95%（体积比）的液态空气。

15、馏分液氮（污液氮）

在下塔合适位置抽出的、氮含量一般为95%~96%（体积比）的液体。

16、污氮

在上塔上部抽出的、氮含量一般为95%~96%（体积比）的气态体。

17、标准状态

指温度为0℃、压力为101.325kPa时的气体状态。

18、空气分离

从空气中分离其组分以制取氧、氮和提取氩、氖、氦、氪、氙等气体的过程。

19、节流

流体通过锐孔膨胀而不作功来降低压力。

20、节流效应（焦耳—汤姆逊效应）

气体膨胀不作功产生的温度变化。

21、膨胀：

流体压力降低，同时体积增加。

22、等熵膨胀效应：

气体在等熵膨胀时，由于压力变化产生的温度变化。

23、空气膨胀：

空气在膨胀机内绝热膨胀，同时对外作功的过程。

24、一次节流的液化循环（林德循环）

以高压节流膨胀为基础的气体液化循环，其特点是循环气体既被液化又起冷冻作用。

25、带膨胀机的高压液化循环（海兰德循环）

对外作功的绝热膨胀与节流膨胀配合使气体液化的循环，其特点是膨胀机进口的气体状态为高压常温。

26、带膨胀机的中压液化循环（克劳特循环）

对外作功的绝热膨胀与节流膨胀配合使气体液化的循环，其特点

是膨胀机进口的气体状态为中压低温。

27、带膨胀机的低压液化循环（卡皮查循环）

对外作功的绝热膨胀与节流膨胀配合使用的气体液化循环，其特点是膨胀机进口的气体状态为低压低温。

28、斯特林循环：

由两个等温过程和两个等容过程组成的理论热力循环。

整个循环通过等温压缩、等容冷却、等温膨胀、等容加热等四个过程来完成。

29、升华：

从固相直接转变为气相的相变过程。

30、温差：

指冷热流体两表面或两环境之间有热量传递时的温度差。

31、热端温差：

指冷热流体在换热器热端的温度差。

32、中部温差：

指冷热流体在换热器中部的温度差。

33、冷端温差：

指冷热流体在换热器冷端的温度差。

34、拉赫曼空气

由下塔底部抽出部分空气、经切换式换热器冷段复热，进入透平

膨胀机绝热膨胀后直接送入上塔参加精馏的空气。

35、液汽比（回流比）：

在精馏塔中下流液体量与上升蒸汽量之比。

36、液泛：

在精馏塔中上升蒸汽速度过高，阻止了液体正常往下溢流的工况。

37、漏液：

在筛孔板精馏塔中因上升蒸汽速度过低，使液体从筛孔泄漏的工况。

38、变压吸附

利用压力效应的吸附工艺在吸附—再生操作周期中，较高压力下吸附，较低压力下（或负压）下再生的过程。

39、跑冷损失

在低于环境温度下工作的设备与周围介质存在的温差所产生的冷量损失。

40、复热不足损失

在换热器热端冷热流体间存在的温差而导致冷量回收不完全的损失。

41、冷量损失

指空气分离设备的冷箱由于跑冷和复热不足的冷量损失。

42、提取率：

产品气体组分的总含量与加工空气中该组分的总含量之比。

43、单位能耗：

指空气分离设备生产单位产品气体所消耗的电能。

44、低压流程：

空分正常操作压力大于至小于或等于1.0MPa的工艺流程。

45、中压流程：

空分正常操作压力大于1.0MPa至小于或等于5.0MPa的工艺流程。

46、高压流程：

空分正常操作压力大于的5.0MPa工艺流程

47、高低压流程：

高压流程与低压流程相结合的流程。

48、带分子筛吸附器低压流程

采用分子筛吸附器来清除空气中水分和二氧化碳及碳氢化合物的低压流程。

49、空气分离设备

以空气为原料，用低温技术把空气分离成氧、氮、氩及其他稀有气体的成套设备。

50、大型空气分离设备

指生产氧气产量大于或等于10000m3/h（标准状态）的成套空气分离设备。

51、中型空气分离设备

指生产氧气产量大于或等于1000m3/h至小于10000m3/h（标准状态）的成套空气分离设备。

52、小型空气分离设备

指生产氧气产量小于1000m3/h（标准状态）的成套空气分离设备

空分工艺简介

制氧空分工艺

由于氧、氮在工业生产和科学技术发展中有重要的作用，工业上制氧的方法有：

?低温精馏分离法

?吸附法

?电解法

其中，低温精馏分离方法是目前普遍采用的方法，特点是生产成本低，技术成熟，不仅最经济，又能大量生产氧、氮气，而且适合大规模工业化生产，是主要的制取方法。

低温精馏分离法

低温精馏分离法制氧就是以自然界中的空气为原料，先使空气在低温下液化。然后在精馏塔中利用氧、氮各组分沸点不同，分离为氧气和氮气。

空分装置的工作过程：

1.空气的过滤和压缩

2.压缩空气的初步冷却

3.空气的净化，包括水分和碳氢物的去除

4.空气被冷却到液化温度

5.冷量的制取

6.液化和精馏

7.危险杂志的排除

吸附法

变压吸附法是20世纪50年代末才开发成功的，由于其独有的灵活方便、投资少、能耗低的优点，近年来变压吸附空分富氧技术在中小规模富氧应用领域得到越来越多的应用。

氮分子含有孤对电子而极性大于氧并且有较大的四极矩，因而N2与沸石骨架中阳离子的作用力强。空气逐层通过沸石柱后，气相中的含氧量逐渐提高，这样便可得到富氧流出气。

一套变压吸附制氧（制氮）系统主要包括三部分：空气压缩系统、压缩空气预处理系统、吸附分离系统。

变压吸附空气分离的技术进步主要集中在两个方面：

?变压吸附空分工艺过程的改进，使过程更加节能高效；

?变压吸附空分吸附剂性能的改进。

吸附剂是变压吸附技术的基础，吸附剂的性能决定着吸附分离效果，从而决定着吸附设备投资和分离的经济性。

特点：

1）开停车方便：原始开车几十分钟左右可按要求获得合格产品。

临时停车后重新启动即可迅速恢复供给合格产品。

2）操作弹性大。

3）自动化程度高。整个吸附分离过程由PLC或DCS控制，可以实现无人操作。

4）操作成本较低。运行成本较低，主要操作成本为电耗，先进的装置电耗≤0.4kW?h/m3(O2)。

5）分子筛寿命长。在正常操作情况下一般可使用8～10年，无环境污染。

6）投资省，一次性投资低。

电解法

把水放入电解槽中，加入氢氧化钠或氢氧化钾以提高水的电解度，然后通入直流电，水就分解为氧气和氢气。每制取一立方米氧，同时获得两立方米氢。用电解法制取一立方米氧要耗电12～15千瓦小时，是很不经济的。所以，电解法不适用于大量制氧。

制氮空分工艺简图

以空气为原料，利用物理的方法，将其中的氧和氮分离而获得。

工业中有三种，即深冷空分法、分子筛空分法(PSA或变压吸附

式)和膜空分法（中空纤维膜分离）。

深冷空分制氮

深冷空分制氮是一种传统的制氮方法，已有近几十年的历史。它是以空气为原料，经过压缩、净化，再利用热交换使空气液化成为液空。液空主要是液氧和液氮的混合物，利用液氧和液氮的沸点不同(在1大气压下，前者的沸点为-183℃，后者的为-196℃)，通过液空的精馏，使它们分离来获得氮气。深冷空分制氮设备复杂、占地面积大，基建费用较高，设备一次性投资较多，运行成本较高，产气慢(12～24h），安装要求高、周期较长。综合设备、安装及基建诸因素，3500Nm3／h以下的设备，相同规格的PSA装置的投资规模要比深冷空分装置低20％～50％。深冷空分制氮装置宜于大规模工业制氮，而中、小规模制氮就显得不经济。

分子筛空分制氮

也叫PSA或变压吸附式，以空气为原料，以碳分子筛作为吸附剂，运用变压吸附原理，利用碳分子筛对氧和氮的选择性吸附而使氮和氧分离的方法，通称PSA制氮。此法是七十年代迅速发展起来的一种新的制氮技术。与传统制氮法相比，它具有工艺流程简单、自动化程度高、产气快(15～30分钟)、能耗低，产品纯度可在较大范围内根据用户需要进行调节，操作维护方便、运行成本较低、装置适应性较强等特点，故在3000Nm3／h以下制氮设备中颇具竞争力，越来越得到中、小型氮气用户的欢迎，PSA制氮已成为中、小型氮气用户的首选方法。

膜空分制氮

也叫中空纤维膜分离，是以空气为原料，在一定压力条件下，利用氧和氮等不同性质的气体在膜中具有不同的渗透速率来使氧和氮分离。和其它制氮设备相比它具有结构更为简单、体积更小、无切换阀门、维护量更少、产气更快(≤3分钟)、增容方便等优点，它特别适宜于氮气纯度≤99.5％的中、小型氮气用户，有最佳功能价格比。而氮气纯度在98%以上时，它与相同规格的PSA制氮机相比价格要高出15%以上。

看了以上的分离方法，其实空气分离的方法可分为低温和非低温两种，其中非低温空气分离方法包括吸附、膜分离、化学分离法。由于目前在大规模制取氧、氮气液产品，尤其是高纯度产品方面低温分离法具有无法取代的竞争优势，而且只有低温分离法才具有可同时生产氩等稀有气体产品的能力，故低温法在空气分离的工业应用中占据非常重要的地位。

大型空分故障处理案例：

煤化工项目配套2x48000Nm3/h大型空分设备。

其配套压缩机组由汽轮机拖动，汽轮机为双轴伸结构，排汽端与主空压机中压缸和低压缸相连，进汽端通过变速机驱动增压机。

压缩机组主空压机型号为DMCL1204+2MCL1203;增压压缩机型号3BCL527。压缩机共分为三缸、六段、十四级，经四次中间冷却和两次水气分离。在增压机的出口还设置了末段冷却器。

原动机是HNKS50/71/32型全凝式反动式汽轮机，主空压机低压缸、中压缸、汽轮机、变速机和增压机之间均通过膜盘联轴器相联接。

两套压缩机组在装置试车投用过程中出现一些问题，但在相关人员的共同努力下将运行中出现的故障逐一予以解决。

1、机组工艺流程介绍

项目配有2套空气离心压缩机组，该机组是由主空压缩机和增压机组成，由汽轮机拖动。汽轮机通过联轴器分别驱动空压机和增压机。机组采用双层布置，主机布置在二楼，辅机布置在一楼。

空气首先进入自洁式过滤器，后分两路进入主空压机，分别经过低压缸DMCL1204压缩后在出口蜗室混合，混合后的气体经过一次冷却和水气分离后进入下一级，即进入中压缸的一段进行压缩，气体经一段两级压缩冷却分离后，进入本缸内的二段进行一级压缩后排出，至此，空压机的全部压缩过程，达到主空压机的出口压力(251000Nm3/h，0.532MPa)要求。

从分子筛纯化器出来的干燥空气(137000Nm3/h，0.49MPa)进入增压机一段压缩，经过冷却器冷却后中抽一部分气体(4000Nm3/h，1.2MPa)。其余气体进入增压机二段压缩，经过冷却器冷却后中抽一部分气体(53000Nm3/h，2.74MPa)做膨胀气。最后一部分气体进入增压机三段压缩，经过最后一级冷却器冷却后进入冷箱高压板式换热器。

高压蒸汽(8.8MPa，510℃)经电动闸阀、速关阀、调速汽阀后进入汽轮机内膨胀做功。为了降低开车时的启动阻力矩，汽轮机配置了顶轴油泵和手动盘车装置。做功后的乏汽排入空冷器，在其中乏汽被冷凝为水，冷凝液由冷凝液泵送出界区。

机组试车中的故障分析及处理

试车准备中真空度过低

在试车准备工作中，汽轮机建立的真空度一直临近跳车值，效果不是很好，一旦汽轮机暖机冲转时，很可能因为真空度降低而跳车。查看相关设备的真空度试验报告，结果合格。现场人员开始全面检查凝汽系统，检查时可用轻盈的布条靠近设备及管道的法兰或螺纹的密封处，观察是否有吸粘现象。最终原因为汽轮机排气压力测点引气管的螺纹连接点密封不好。旋紧螺纹后还是轻微泄露，而且由于汽轮机在暖机期间，只能涂抹密封甘油隔绝密封，待停车后需要重新处理。

机组回油不畅通，大量油烟外排

在压缩机组试车前期，压缩机组联轴器护罩的全部排油烟管出现大量油烟并伴随有喷油现象，且回油管线一直趋于满管回油状态。现场技术人员研究决定加高排烟管线以减少喷油量，并将回油管线沿回油方向降低高度。经改变后仍然有大量油烟外排。排查原因时发现排烟风机排气量很小，油箱未能保住微负压，初步怀疑是其功率不满足条件。后检查排烟风机时发现，虽然风机在旋转排烟，但由于接线问题，使其反转导致叶轮叶片由后弯型

变成了前弯型，大大降低了排烟能力。修正后排烟管线不再出现油烟，并有倒吸现象，证明了油箱、轴承箱、联轴器护罩及回油管线存在微负压现象。

联动试车中增压机瓦温过高

空分Ⅱ系列压缩机组自2013年7月27日至8月8日，三机联动运行共三次，增压机两块支撑瓦四个温度测点中三个温度测点出现超过报警值。其中7月27日转速升至3452rpm，一个测点温度达到跳车联锁值;8月1日转速升至4294rpm，两个温度测点分别达到报警，8月8日转速升至333.6rpm，两个温度测点分别达到跳车联锁值。

停车后对增压机轴瓦进行拆检，结果为驱动端侧径向轴瓦过热，下瓦损伤0.01-0.02mm，非驱动侧轴瓦无磨损，温度探头安装正常。此支撑瓦为美国沃克沙公司制造的可倾瓦轴承，经对轴瓦、进油压力及回油量和温度进行研究，分析原因可能为：

1、轴瓦径向间隙过小，瓦块的支撑点不正确导致进油后形成不了油楔;

2、瓦背进油流道过小，不满足正常运行时的进油量;

3、回油不畅通，导致在轴瓦里的油无法顺利带走热量。处理结果为：

1、修正轴瓦径向间隙，下瓦块进油侧加开10um*8mm油楔;

2、瓦背进油流道开宽8mm;

3、增加挡油环的径向间隙，在下瓦回油外槽和上瓦挡油环出开孔槽减小回油阻力。后经再次三机联动，之的试运行过程中增压机轴瓦温度已趋于正常。

汽轮机集液箱液位异常

汽轮机排汽系统中热井和集液箱底部与上部都由管道联通，将两设备的气侧及水侧都使之联通。在Ⅱ系列汽轮机单机试车过程中，出现热井与集液箱的液位不同的现象。集液箱的液位显示已经为满液位，但热井还没到高液位联锁(本装置热井液位过高时会联锁启动备用凝结水泵)。现场看来是热井内部凝结水由凝结水泵打入抽气器换热器中，经换热后又回流到热井中，此时凝结水由于在一定真空状态下温度过高导致大量汽化。气侧平衡管由于管道口径过小，热井上部压力大于集液箱上部压力，使集液箱内凝结水无法顺利流入热井中产生液位不同现象。后经过外送冷凝液及向热井中补充脱盐水，使凝结水温度降低到饱和温度后，两设备的液位基本达到平衡。

增压机出口管道振动剧烈

空分Ⅰ系列压缩机组于9月1日三机联动试车，转速升至3400rpm时，增压机一段出口管线发生剧烈的振动现象并伴随着强烈噪音，查看一段冷却器后压力测点，显示压力未满足工艺指标，变速器低速轴振动值及支撑瓦温度值都加剧上升，最终达到报警值，试车被迫停止。

停车后经拆检发现，增压机二段进气侧轴端密封磨损并发生粘连现象，增压机轴端轴端密封口环向外窜动2mm。后经设备故障排查认定增压机一段冷却器进出口存有盲板，导致增压机一段出口阻力加大且二段入口流量降低而引起机组喘振。建议后续装置试车阶段，加大试车前的检查力度，对开车条件逐一检查并登

记造册，明确职责，以保证设备平稳、安全运行。

机组盘车脱扣时轴振动过高

本机组采用电动盘车装置配套带有SSS离合器，SSS表示‘同步自动移位’，即离合器的驱动和被驱动齿牙是分阶段进行，然后自动转移到转动轴啮合时完全相同的速度运行，当输入速度相对于输出速度减慢，离合器自动分离，也就是说当盘车转速小于汽轮机转速时，盘车工作就自动停止。

在机组刚刚启动转速很低时，增速器的振动值在某一时刻瞬间升高，并达到联锁值导致跳车，振动探头检查后没有发现问题，后又经几次启动，虽然没有跳车，但振动也达到了接近联锁值，后随着转速增加，振动值降低到正常值。分析此现象初步得出结论为，SSS离合器在自动脱扣时会使其输出轴跳动，导致增速器低速轴振动瞬间升高，这也说明SSS离合器在盘车装置中应用还需进一步改进。

增压机轴振动过高在线监测分析

9月25日，Ⅰ系列压缩机组三机联动运行试车，增压机转速达到1967rpm时机组温度、振动正常。当转速升至3944rpm时，增压机振动测点达到联锁值，机组跳车。后再次启动了三次，转速分别为3246rpm、3173rpm、3177rpm时，其振动测点都达到联锁值，导致机组跳车。

由于多次启动，增压机进口流量均偏低，出口压力指示也达不到正常工况，疑似管线阻塞。将增压机二级出口管线止逆阀拆

卸检查，发现阀门严重锈蚀。处理后再次开车，但转速升至3148rpm时，由于振动过高再次联锁跳车。

公司针对此次连续跳车现象，决定采用由河南电力中心实验所状态检修中心联合深圳创为实技术发展有限公司共同开发的S8000大型旋转机械在线状态监测与分析系统(以下简称S8000系统)[2]对增压机进行在线监测。通过图谱进行分析诊断，自振动趋势增大开始，对应的各转速下，一倍频明显，低频及高频成分不明显;心轨迹为标准椭圆;相位随工作转速渐变，振幅逐渐增大，重复性较好;判断为典型的不平衡现象。运行初期，介质纯净，不可能出现结垢，而且振幅不是阶梯行急剧增大，最终诊断为叶轮吸入某些异物，堵塞流道。

停机拆卸查看，发现增压机二段叶轮里塞有手套一只。再次开机时振值稳定。对于有开口的设备，施工安装及检修时必须用临时盲板堵死。以防止有杂物进入，影响机组安全运行。

因仪表故障导致机组跳车

10月20日下午5点25分，Ⅰ系列压缩机组增压机轴瓦温度突然超过联锁值导致机组跳车。机组轴瓦上安装的是分度号为Pt100的测温铂热电阻，测温元件检测出轴瓦温度信号引至控制室进行显示并监控。当时在显示温度曲线上可以看出温度值开始时趋于平稳，突然在正常值与报警值之间跳动，后跳动幅度增大导致跳车。经过仪表人员怀疑是线路虚接，而且检查发现出厂时温度变送器设置为热电阻元件断路时，温度取值为无限高。

将温度变送器设置改为电阻断路时温度取值为零，再次启动机组，达到正常运行时，该温度测点还是存在跳动，观察期间其值突然显示为零，经过一段时间后又速升到联锁值跳车。初步判断为热电阻元件的端子虚接或接触不良，导致开始时断开阻值无限大，温度显示为零，后又在虚接过程中使阻值降到联锁值以上且没超量程的状态，使之跳车。本人认为应在温度变送器后加时间延时，阻值无限大的时间一旦超过设定时间就默认为断路故障。这样就不会出现因为端子虚接或接触不良导致的跳车现象。