《【培訓(xùn)教材】化工廠經(jīng)典培訓(xùn)教材（空分變換工段低溫甲醇洗工段甲醇合成精餾二甲醚合成99頁(yè)）》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《【培訓(xùn)教材】化工廠經(jīng)典培訓(xùn)教材（空分變換工段低溫甲醇洗工段甲醇合成精餾二甲醚合成99頁(yè)）（101頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、XX雙甲培訓(xùn)教材 目錄 目 錄 空分培訓(xùn)教材 第一節(jié) 概述………………………………………………………1 第二節(jié) 空氣的性質(zhì)及分離原理…………………………………1 第三節(jié) 流程敘述…………………………………………………13 第四節(jié) 主要設(shè)備介紹……………………………………………17 變換工段培訓(xùn)教材 第一節(jié) 一氧化碳變換反應(yīng)基本原理……………………………18 第二節(jié) 一氧化碳變換反應(yīng)催化劑………………………………22 第三節(jié) 一氧化碳變換工藝條件的選擇…

2、………………………24 第四節(jié) 一氧化碳變換的工藝流程………………………………25 第五節(jié) 主要控制回路及裝置特點(diǎn)………………………………26 第六節(jié) 主要設(shè)備介紹……………………………………………26 低溫甲醇洗工段培訓(xùn)教材 第一節(jié) 甲醇洗凈化工藝的理論基礎(chǔ)……………………………28 第二節(jié) 工藝流程說(shuō)明……………………………………………35 第三節(jié) 主要控制回路及流程特點(diǎn)………………………………37 第四節(jié) 主要設(shè)備介紹……………………………………………37 甲醇合成與精餾培訓(xùn)教材 第一節(jié) 概 述……………………………………………………43 第二節(jié) 甲醇的性

3、質(zhì)及合成理論…………………………………43 第三節(jié) 合成甲醇催化劑…………………………………………51 第四節(jié) 工藝流程敘述……………………………………………53 第五節(jié) 主要設(shè)備介紹……………………………………………56 二甲醚合成與精餾培訓(xùn)教材 第一節(jié) 概 述……………………………………………………58 第二節(jié) 二甲醚的性質(zhì)及合成理論………………………………58 第三節(jié) 二甲醚催化劑……………………………………………61 第四節(jié) 工藝流程敘述……………………………………………61 第五節(jié) 主要設(shè)備介紹……………………………………………62 壓縮機(jī)組培訓(xùn)教材

4、第一節(jié) 壓縮機(jī)概述………………………………………………65 第二節(jié) 離心式壓縮機(jī)及汽輪機(jī)的基本原理和結(jié)構(gòu)……………66 第三節(jié) 離心式壓縮機(jī)、汽輪機(jī)運(yùn)行有關(guān)概念…………………77 第四節(jié) 離心式壓縮機(jī)組輔助系統(tǒng)………………………………83 第五節(jié) 離心式壓縮機(jī)工況調(diào)節(jié)的幾種方法……………………89 第六節(jié) 雙甲車間壓縮機(jī)組的介紹………………………………91 ˙99˙ 渭化雙甲培訓(xùn)教材

5、 空分工段 空分培訓(xùn)教材 第一節(jié) 概述 空氣是一種取之不盡的天然資源，它由具有豐富用途的氧氣、氮?dú)?、氬氣等氣體組成。這些氣體在空氣中是均勻地相互混合在一起的，要將他們分離開來(lái)是比較困難的，為此近百年來(lái)，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)空氣的分離形成了三種技術(shù)方法：吸附法、膜分離法及低溫法。 吸附法是一種利用分子篩對(duì)不同分子的選擇吸附性能來(lái)達(dá)到最終分離目的的技術(shù)，該技術(shù)流程簡(jiǎn)單，操作方便，運(yùn)行成本低，但獲得高純度產(chǎn)品較為困難，而且裝置容量有限，所以該技術(shù)有其局限的應(yīng)用范圍。 膜分離法利用的是膜滲透技術(shù)，利用氧、氮通過(guò)膜的速率的不同

6、，實(shí)現(xiàn)兩種組分的粗分離。這種方法裝置更為簡(jiǎn)單，操作方便，投資小但產(chǎn)品只能達(dá)到28% --35%的富氧空氣，且規(guī)模只宜中小型化，只適用于富氧燃燒及醫(yī)療保健領(lǐng)域應(yīng)用。 低溫法是利用空氣中各組分沸點(diǎn)的不同，通過(guò)一系列的工藝過(guò)程，將空氣液化，并通過(guò)精餾來(lái)達(dá)到不同組分分離的方法。這種方法較前兩種方法可實(shí)現(xiàn)空氣組分的全分離、產(chǎn)品精純化、裝置大型化、狀態(tài)雙元化（液態(tài)及氣態(tài)），故在生產(chǎn)裝置工業(yè)化方面占據(jù)主導(dǎo)地位。和傳統(tǒng)的分離相比，這些氣體的分離需在100K以下的低溫環(huán)境下才能實(shí)現(xiàn)，所以稱之為低溫法（或深冷法）。 我們?cè)谶@所要介紹的就是低溫法空氣分離技術(shù)。 第二節(jié) 空氣的性質(zhì)及分離原理 一．空氣的一般性

7、質(zhì) 空氣是一種混合物,除含有其固定的氧、氮、氦、氖、氬、氪、氙、氡組份外，還含有水蒸氣、二氧化碳、乙炔以及少量機(jī)械雜質(zhì)，其組成如表1所示，各組分氣體的物化參數(shù)如表2所示: 表1 空氣的組成 成分 體積 % 重量 % 成分 體積 % 重量 % 氧 20.93 23.1 氪 1.0810-4 310-4 氮 78.03 75.6 氙 0.0810-4 0.410-4 氬 0.932 1.286 氡 610-10 二氧化碳 0.03 0.046 氫 0.510-4 0.03610-4 氖 (15-18)10-4 1210-4

8、 臭氧 (0.01-0.02) 10-4 0.210-4 氦 (4.6-5.3)10-4 0.710-4 表2 幾種氣體的基本物化常數(shù) 名稱 分子式 分子量 氣體重度 正常沸點(diǎn)(760mmHg) 臨界點(diǎn) 760mmHg 溫度 液體重度 溫度 壓力 kg/m3 K/℃ kg/m3(℃) K/℃ 大氣壓 空氣 28.95 1.293 78.81/-194.35 861(-194) 132.51/-140.65 38.4 氧 O2 32 1.429 90.19/-182.97 1140

9、(-182.8) 154.34/-118.82 49.71 氮 N2 28.016 1.2507 77.35/-195.81 808(-196) 126.03/-147.13 33.49 氬 Ar 39.94 1.782 87.46/-185.7 1374(-183) 150.73/-122.43 48 二氧化碳 CO2 44.01 1.977 194.96/-78.2 1155(-50) 304.26/-31.1 72.9 乙炔 C2H2 26.02 1.1747 升華189.56/-83.6 613(-80)

10、 308.71/35.55 61.65 氙 Xe 131.3 5.86 165.15/-108 氪 Kr 83.8 3.74 119.95/-153.2 209.4/-63.75 54.3 二. 空氣分離的基本原理 空氣壓縮、空氣凈化、換熱、制冷與精餾是空分的五個(gè)主要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)以此來(lái)做理論介紹： 1.制冷 空氣是在-170℃以下的精餾塔中進(jìn)行分離的,所以說(shuō)通過(guò)制冷,獲得所需的低溫并維持這個(gè)環(huán)境,是空氣分離的基本前提條件。 制冷的方法有兩種:節(jié)流與膨脹。為了直觀地描述這兩種熱力學(xué)過(guò)程，先引入溫—熵圖。 (1).溫熵圖（T---

11、S圖） 溫熵圖是以溫度為橫坐標(biāo)，熵為縱坐標(biāo)的熱力學(xué)函數(shù)圖。圖中向上凸起的曲線叫“飽和曲線”，飽和曲線有兩部分組成，左半邊稱為飽和液體線，右半部分稱為飽和蒸汽曲線,兩條曲線的匯合點(diǎn)稱為臨界點(diǎn).在臨界點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度稱為臨界溫度,對(duì)應(yīng)的壓力稱為臨界壓力。臨界點(diǎn)是氣體與液體相互轉(zhuǎn)化的極限(見圖1) 圖1 溫熵圖(T—S圖) 飽和曲線和臨界點(diǎn)將此圖分為三個(gè)區(qū)域（見圖2）: T III I II S 圖2 T – S圖 I區(qū)：臨界溫度以下，飽和液體曲線左邊的區(qū)域?yàn)檫^(guò)冷液相

12、區(qū)。 II區(qū)：飽和液體曲線和蒸汽曲線下面的區(qū)域?yàn)闅庖汗泊鎱^(qū)。 III區(qū)：臨界溫度以上，飽和蒸汽曲線右測(cè)區(qū)域?yàn)檫^(guò)熱蒸汽區(qū)。 臨界點(diǎn)的存在說(shuō)明：只有氣體的溫度低于其臨界溫度時(shí)，該氣體才可能變成液體。 焓、熵與壓力溫度一樣，都是狀態(tài)參數(shù)，當(dāng)物質(zhì)的狀態(tài)確定后，它的焓、熵也隨之確定。熵代表了流體在流動(dòng)時(shí)所攜帶的能量，單位是KJ/Kmol。 焓（單位質(zhì)量的焓）＝比內(nèi)能＋PV，其中PV為流體受到的推動(dòng)力，P為流體的壓力，V為流體的比容。 流體的內(nèi)能由內(nèi)動(dòng)能與內(nèi)位能組成。溫度越高，內(nèi)動(dòng)能越大。內(nèi)位能不僅與溫度有關(guān)，更主要的取決于分子間的距離，即決定于比容，比容越大內(nèi)位能越大。 流體的熵的變化等于

13、外界傳遞進(jìn)來(lái)的熱量與傳熱時(shí)流體的絕對(duì)溫度之比： △S=△Q/T 如果傳遞熱量過(guò)程中溫度不是常數(shù)，則當(dāng)流體由狀態(tài)1→狀態(tài)2的熵變應(yīng)為： △S=∫12dQ/ T 熵的絕對(duì)值和焓及內(nèi)能一樣,在工程計(jì)算中無(wú)關(guān)緊要,我們所關(guān)心的只是它們的相對(duì)變化量. (2).節(jié)流過(guò)程 當(dāng)一定壓力的流體在管內(nèi)流經(jīng)一個(gè)縮孔或閥門時(shí),由于流通截面突然縮小,流體中會(huì)發(fā)生激烈擾動(dòng),產(chǎn)生旋渦、碰撞、摩擦，流體在克服這些阻力的過(guò)程中，壓力下降，使閥門后的壓力P2低于閥門前的壓力P1(見圖3)，我們把這種因流體流動(dòng)遇到局部阻力而造成的降壓過(guò)程稱之為節(jié)流。流體在管道內(nèi)流動(dòng)和流經(jīng)各種設(shè)備時(shí)也存在著流動(dòng)阻力，壓力也有所下降，所以如

14、果泛指節(jié)流過(guò)程，也包括流體流經(jīng)管道與設(shè)備時(shí)的壓降過(guò)程。從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)來(lái)看，由于工質(zhì)流經(jīng)節(jié)流閥的速度很快，膨脹后來(lái)不及與周圍環(huán)境進(jìn)行熱量交換，并且節(jié)流閥安裝在保冷箱內(nèi)，四周傳給的熱量可以忽略不計(jì)，因此節(jié)流過(guò)程可看成是絕熱過(guò)程。同時(shí)，流體流經(jīng)閥門時(shí)與外界沒(méi)有功交換，在既無(wú)能量收入又無(wú)支出的情況下，流體在節(jié)流前后的能量應(yīng)不變，即節(jié)流前后的焓值相等i1=i2,這說(shuō)明節(jié)流本身并不產(chǎn)生冷量。 節(jié)流過(guò)程是一個(gè)等焓過(guò)程，理想氣體的焓只是溫度的函數(shù)，所以理想氣體節(jié)流后溫度并不發(fā)生變化。而實(shí)際氣體的焓值是溫度和壓力的函數(shù)，因此實(shí)際氣體 圖3 節(jié)流示意圖

15、 節(jié)流后的溫度存在變化，歸納為三種情況：下降、不變、上升。溫度變化與否同節(jié)流工質(zhì)的性質(zhì)和節(jié)流前的狀態(tài)有關(guān)。圖4給出的是由實(shí)驗(yàn)方法得到的空氣節(jié)流轉(zhuǎn)化曲線。轉(zhuǎn)化曲線將坐標(biāo)分割成兩部分,內(nèi)側(cè)為制冷區(qū)，即工質(zhì)節(jié)流前處于該區(qū)域的某個(gè)狀態(tài)，經(jīng)節(jié)流后溫度將下降；外側(cè)為制熱區(qū)，即工質(zhì)在節(jié)流前處于該區(qū)域的某個(gè)狀態(tài)，節(jié)流后溫度將升高。氧、氮、氫、二氧化碳等工質(zhì)均存在相似的轉(zhuǎn)化曲線。 圖4 空氣轉(zhuǎn)化曲線 從上圖可以得知，在相當(dāng)大的范圍內(nèi)，空氣節(jié)流后溫度都會(huì)下降（氧、氮也是如此）。 在常溫范圍內(nèi)，空氣節(jié)流后的溫度變化，可以用每降低一個(gè)大氣壓所降低的溫度ai來(lái)表示:

16、ai=(0.268－0.00086P)(273/T)2 ℃/大氣壓 式中P、T分別表示節(jié)流前空氣的絕對(duì)壓力（大氣壓）和絕對(duì)溫度（K）。這樣，當(dāng)空氣從壓力P1節(jié)流到P2時(shí)，產(chǎn)生的溫降為: △T＝ai（P1-P2）=ai△P 從溫降的表達(dá)式可以看出，節(jié)流前的氣體溫度越低，節(jié)流前后壓差越大，節(jié)流所獲得的溫降就越大。氧、氮?dú)夤?jié)流溫降的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式也與此類似。利用以上公式，可以指導(dǎo)我們進(jìn)行空氣節(jié)流制冷的實(shí)際應(yīng)用。 (3).等溫節(jié)流制冷量 既然通過(guò)節(jié)流可以降低溫度，那么節(jié)流后的工質(zhì)相對(duì)于節(jié)流前的溫度就具備一定的制冷能力，我們把這個(gè)制冷能力稱為等溫節(jié)流制冷量（圖5） 單位質(zhì)

17、量工質(zhì)的制冷量: q=CP1△T 即： q= CP1 ai（P1-P2）＝H3 – H2( H1=H2 ，H0=H3) ＝H0 – H1 (CP1：工質(zhì)在P1下的平均定壓比熱) 圖5 一次節(jié)流循環(huán)示意圖 從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，等溫節(jié)流制冷量等于壓縮機(jī)等溫壓縮前后的焓差。事實(shí)上，如前所述，節(jié)流并不產(chǎn)生冷量，只是通過(guò)節(jié)流，把工質(zhì)在等溫壓縮時(shí)已具備的制冷量表現(xiàn)出來(lái)而已。真正的制冷量是在等溫壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的，即冷卻水從壓縮機(jī)帶走的能量大于驅(qū)動(dòng)機(jī)傳給壓縮機(jī)的能量，致使壓縮機(jī)出口工質(zhì)的焓值H1小于入口工質(zhì)的焓值H0

18、 。 另外，等溫節(jié)流制冷量與節(jié)流前有無(wú)換熱器無(wú)關(guān)，壓縮工質(zhì)經(jīng)換熱后，在節(jié)流時(shí)，并不增加制冷量，而是影響節(jié)流前后的溫度，。 單位質(zhì)量的工質(zhì)節(jié)流后，恢復(fù)到換熱器I進(jìn)口溫度T1時(shí)，吸收的熱量等于h 3 -h 4.其中h1-h2這部分熱量用來(lái)冷卻了壓縮工質(zhì)，因此制冷量； q /＝(h3 - h4)—(h1 - h2) 而 h2 = h4 故 q /＝h3 - h1 即制冷量q /與上面推導(dǎo)出來(lái)的沒(méi)有換熱器的制冷量q相同，都等于 h3—h1。 (4).膨脹制冷 利用透平膨脹機(jī)制冷是空分裝置制取冷量獲得低溫的主要途徑，工質(zhì)在膨脹機(jī)內(nèi)膨脹，同時(shí)對(duì)

19、外作功，使膨張后的工質(zhì)大大降溫，膨脹機(jī)安置在保冷箱內(nèi)，而且由于過(guò)程進(jìn)行的很快，來(lái)不及與外界進(jìn)行熱交換．所以膨脹過(guò)程近似可以 看成是絕熱過(guò)程，在理想狀況下（即工質(zhì)在膨脹機(jī)內(nèi)沒(méi)有任何摩擦），膨脹過(guò)程熵值不發(fā)生變化。 如圖6中1→2所示：實(shí)際上，由于氣體與氣體之間，氣體與機(jī)器壁面之間不可避免地要產(chǎn)生摩擦，摩擦熱又傳給氣體，使膨脹后氣體的溫度及焓值增加，熵也增加。實(shí)際的絕熱膨脹過(guò)程應(yīng)如圖6中1→3所示，實(shí)際的絕熱膨脹焓降為i1—i3,它比理想的絕熱膨脹焓降i1—i2要小。 圖6 T –S 圖 通常把氣體實(shí)際的絕熱膨脹焓降與理想的絕熱膨脹焓降之比，稱為膨脹機(jī)的等熵效率，用η

20、s表示； ηs=(i1-is)/(i1-i2) 透平膨脹機(jī)的等熵效率與設(shè)計(jì)制造的質(zhì)量有關(guān)，同時(shí)與安裝、維修也密切相關(guān)。正常情況下，現(xiàn)在的透平膨脹機(jī)的等熵效率一般都能達(dá)到85％以上。 經(jīng)膨脹機(jī)膨脹后的降溫效果要比節(jié)流好的多，這是由于當(dāng)氣體經(jīng)膨脹機(jī)膨脹時(shí)，除了產(chǎn)生節(jié)流降溫效果．氣體還同時(shí)在膨脹機(jī)中對(duì)外作功，消耗氣體自身的能量，使分子的動(dòng)能進(jìn)一步減少，因此降溫更顯著。 膨脹機(jī)前后的壓差及膨脹機(jī)進(jìn)口的工質(zhì)溫度，直接影響著膨脹機(jī)的制冷效果。如果膨脹機(jī)的等熵效率保持不變，進(jìn)口溫度一定時(shí)，當(dāng)壓差越大，那么單位質(zhì)量的工質(zhì)膨脹后的焓降也越大，對(duì)外作功也越多，溫度降低越顯著，當(dāng)膨脹機(jī)前后的壓差一定時(shí)，提高

21、進(jìn)膨脹機(jī)的溫度，膨脹后的工質(zhì)溫度升高，則降溫效果變大，單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷量增加。 對(duì)于理想氣體，膨脹溫降可以用下面的關(guān)系式精確表達(dá)： (雙原子的理想氣體R=1.4) 對(duì)于實(shí)際氣體，膨脹過(guò)程的溫降常用熱力學(xué)圖（T一S圖）查找。 (5).膨脹機(jī)的制冷量 膨脹機(jī)的作用相當(dāng)于—個(gè)對(duì)外作功的節(jié)流閥。所以單位質(zhì)量的膨脹工質(zhì)的制冷量分為兩部分：見圖7 圖7 膨脹機(jī)制冷循環(huán)示意圖 q＝等溫節(jié)流制冷量+膨脹機(jī)的輸出功=(i1 –i4)+(i2 –i3)． (6).膨脹機(jī)工作時(shí)的能量轉(zhuǎn)移 壓力工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)行絕熱膨脹后，以較低的溫度和壓力排出機(jī)外

22、，同時(shí)膨脹機(jī)對(duì)外作功。過(guò)去常用電機(jī)或風(fēng)機(jī)作為膨脹機(jī)的制動(dòng)設(shè)備。現(xiàn)在往往用單級(jí)離心壓縮機(jī)(增壓器)作為制動(dòng)裝置。增壓器獲得膨脹功后，將送入膨脹機(jī)的工質(zhì)進(jìn)一步升壓。隨著膨脹機(jī)入口壓力增加，單位質(zhì)量的工質(zhì)制冷量也將增大。當(dāng)空分裝置的冷量要求一定時(shí)，膨脹量就可以因此減少。 圖8 膨脹機(jī)工作能量轉(zhuǎn)移示意圖 另外，采用增壓器這種制動(dòng)方式還避免了機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能所導(dǎo)致的損失，提高了膨脹功的回收效率。所以說(shuō)它是先進(jìn)的。 膨脹機(jī)在絕熱條件下工作，根據(jù)能量守恒： G膨i1 = W膨十G膨i2 所以 ： W膨 = G膨(i1- i2) (7).

23、節(jié)流制冷與膨脹制冷的比較: a.從降溫效果看，膨脹制冷要比節(jié)流制冷強(qiáng)烈得多。 b.比結(jié)構(gòu)來(lái)看，節(jié)流閥結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，操作也方便，而膨脹機(jī)是一套機(jī)組，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作、維修要求高。 c.從使用范圍來(lái)看，節(jié)流閥適用于氣液兩相區(qū)內(nèi)工作，即節(jié)流閥出口可以允許有很大的帶液量，但目前帶液的兩相膨脹機(jī)，其帶液量尚不能很大。 根據(jù)以上特點(diǎn)，在全低壓空分裝置中．一般都同時(shí)采用節(jié)流制冷與膨脹制冷，互補(bǔ)所缺。 (8).裝置的冷量平衡 維持系統(tǒng)的冷量平衡，是空分裝置正常運(yùn)行的基本保證，空分裝置的冷量損失主要包括以下幾項(xiàng)： a.跑冷損失：透過(guò)保冷層，周圍大氣傳遞給冷箱內(nèi)低溫設(shè)備及管道的熱量，即相對(duì)冷箱而

24、言損失了的冷量，叫跑冷損失。 b.熱交換不完全損失：低溫氣體離開冷箱時(shí)，在理想狀態(tài)下它應(yīng)復(fù)熱到正流工質(zhì)進(jìn)入冷箱的溫度，這樣冷量可全部回收，但由于存在傳熱溫差，在換熱器熱端，復(fù)熱工質(zhì)不能達(dá)到正流工質(zhì)的進(jìn)口溫度而帶走的冷量損失。 c.生產(chǎn)液態(tài)產(chǎn)品帶走的冷損（如果不生產(chǎn)液態(tài)產(chǎn)品，就沒(méi)有這項(xiàng)冷損）。 d.其它冷損：當(dāng)裝置有泄漏時(shí)，損失了一部分低溫液體或氣體，這種損失屬于其它冷損。 在正常生產(chǎn)過(guò)程中，空分裝置處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)能量守恒定律，則有：等溫節(jié)流制冷量+膨脹機(jī)制冷量=跑冷損失+熱交換不完全損失+液體產(chǎn)品帶走的冷損。 如圖9所示。(注：對(duì)于內(nèi)壓流程而言，冷損中還包

25、括高壓氧氣帶走的冷，該項(xiàng)冷量相當(dāng)于等溫壓縮制冷的逆過(guò)程。) 圖9 空分裝置其它冷損示意圖 該等式也可以用焓值來(lái)表示： 跑冷損失十進(jìn)入冷箱各項(xiàng)工質(zhì)的焓值之和 = 離開冷箱的各項(xiàng)工質(zhì)的焓值之和十膨脹機(jī)的輸出功，即： 2.精餾 空氣在低溫下變成液體，由于其中氧和氮的蒸發(fā)溫度不同，就可以通過(guò)專門設(shè)備（精餾塔），將它們彼此分離。 在第二節(jié)開始介紹了空氣是混合物，其中氧和氮占了99% ，因此在一般情況下可以近似地把空氣當(dāng)成二元混合物，將氬歸到氮組分中去。其他微量氣體可以忽略不計(jì)，即認(rèn)為空氣中含氧20.9%，含氮79.1%（體積比） 在介紹精餾分離過(guò)程中，為方便起見

26、，我們把空氣當(dāng)做兩元體系。 (1).氧-氮二元體系氣液平衡 某物質(zhì)在一定溫度、壓力下，如果單位時(shí)間內(nèi)離開液體的分子數(shù)目和回到液體內(nèi)的分子數(shù)目相等，這是整個(gè)氣液系統(tǒng)便處于平衡狀態(tài)。當(dāng)氣-液處于平衡狀態(tài)時(shí)，液面上方的蒸汽叫飽和蒸汽，飽和蒸汽壓力稱為飽和壓力，其對(duì)應(yīng)溫度稱飽和溫度，也叫沸點(diǎn)。 對(duì)于單一物質(zhì)，例如氧、氮等，其飽和蒸汽壓與沸點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，而沸點(diǎn)隨飽和蒸汽壓的升高而升高，反之亦然。不同的物質(zhì)，在同一溫度下，有不同的飽和蒸汽壓。在同一溫度下蒸汽壓的大小，表明液體的氣化難易程度，容易氣化的，揮發(fā)性大，飽和蒸汽壓大。氧與氮相比，氧就是相對(duì)難揮發(fā)的物質(zhì)，在相同溫度下，氮的飽和蒸汽壓總是大于氧的飽

27、和蒸汽壓。如圖10所示，對(duì)于由氧、氮組成的二元溶液來(lái)說(shuō)，飽和蒸汽壓不但與溫度有關(guān)，還與組分的濃度存在一定關(guān)系，壓力一定時(shí)氧氮溶液的沸點(diǎn)隨著氮組分(低沸點(diǎn)組分)的增加而降低。 圖10 氧、氮、氬飽和壓力與溫度的關(guān)系 當(dāng)壓力不很高時(shí)．氧一氮二元溶液可以看作理想溶液，該理想溶液的蒸發(fā)氣體可以看作理想氣體。因?yàn)槔硐霘怏w遵循道爾頓分壓定律，因此飽和蒸汽壓P可表示為： P = PO2 + PN2 (PO2：氧組分的分壓力，PN2:氮組分的分壓) 且 Po2=P*YO2 ,PN2 =P*YN2 Yo2 氧在氣相中的摩爾濃度，YN2 氮在氣相中的摩爾濃度 又因?yàn)?/p>

28、理想溶液遵循拉烏爾定律；氣液平衡時(shí)，某組分的蒸汽分壓等于該組分在相同溫度下的飽和蒸汽壓與該組分在溶液中的摩爾濃度乘積 即：PO2 = PO2O XO2 PN2 = PN20 XN2 PO2O 相同溫度下氧飽和蒸汽壓， PN20 相同溫度下氮飽和蒸汽壓 XO2 液相中氧組分的摩爾濃度； XN2 液相中氮組分的摩爾濃度 且：XO2 + XN2 = 1 結(jié)論：氧氮二元溶液，當(dāng)氣液處于平衡狀態(tài)時(shí)，氣相中的氧濃度總是小于液相中的氧濃度，氣相中的氮濃度總是大于液相中的氮濃度。 下面將借助兩種相平衡圖加深對(duì)這個(gè)結(jié)論的認(rèn)識(shí)。 (2).相平衡圖 a

29、 T—X—Y圖(溫度一濃度圖) 橫坐標(biāo)表示氮組分的濃度，縱坐標(biāo)表示溫度T，在同一壓力下，對(duì)應(yīng)著兩條曲線，上面的一條曲線稱為氣相線，下面的一條曲線稱為液相線，氣相線與液相線將全圖劃分為三部分，見下圖11所示 b X—Y圖（圖12） 它的橫坐標(biāo)為液相中的氮的濃度，用X表示。縱坐標(biāo)為與液相相平衡的氣相中的氮濃度，用Y表示。圖中每一個(gè)壓力，對(duì)應(yīng)一條平衡曲線。從圖中看出，平衡曲線上任一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)Yn總是大于橫坐標(biāo)Xn，而且壓力越大．曲線越平癟，氣液相之間的濃度差越小。 (3).空氣的精餾 在某一壓力下，非平衡狀態(tài)的氧氮混合物的上升蒸汽和下流液體接觸，蒸汽和液體

30、濃度將不斷變化。直到它們達(dá)到平衡狀態(tài)為止。在這個(gè)過(guò)程中，由于上升的蒸汽溫度高于下流液體的溫度，接觸后液體與蒸汽之間就將發(fā)生熱交換，并且 圖11 溫度—濃度圖 部分冷凝的蒸汽釋放的冷凝熱將蒸發(fā)一部分液體(由于氧、氮的氣化潛熱相近。所以蒸發(fā)的液體量近似等于冷凝的液體量)。當(dāng)液相與氣相達(dá)到平衡時(shí)．上升的蒸汽中易揮發(fā)組分的濃度將相對(duì)增加(即氮組分的濃度增加)，下流液體中不易揮發(fā)組分的濃度也將相對(duì)增加(即氧組分的濃度增加)。多次這樣的蒸發(fā)、冷凝過(guò)程就構(gòu)成了空氣的精餾。分離出來(lái)高純度的氧和氮。 圖12 X – Y 圖 氣液是在塔板上充分接觸的。當(dāng)氣液達(dá)到平衡后，每塊塔板上的液體中

31、組分的平均濃度就保持恒定。并且從下往上塔板上液體中的易揮發(fā)組分(氮)的濃度依次階躍地增加。 (4).雙級(jí)精餾塔 精餾塔有單級(jí)精餾塔和雙級(jí)精餾塔，因?yàn)閱渭?jí)精餾塔只能制取一種純產(chǎn)品，而且空氣分離得很不完善、經(jīng)濟(jì)性能差，不能滿足制取雙高產(chǎn)品的要求，所以在此不作介紹。 雙級(jí)精餾塔是由下塔、上塔及上、下塔之間的冷疑蒸發(fā)器組成的。接近冷凝的空氣從下塔底部進(jìn)入，自下向上穿過(guò)每一塊塔板。在塔頂部得到高純度的氮?dú)?，在下塔底部得到富氧液?38—40％O2)。氮?dú)獠糠肿鳛楫a(chǎn)品氣引出，大部分進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器壓力側(cè)，在冷凝蒸發(fā)器中，由于氮?dú)獾臏囟缺鹊蛪簜?cè)的液氧溫度高，因而氮?dú)獗焕湟沙梢旱〔糠肿?/p>

32、為液態(tài)產(chǎn)品引出，其余作為下塔的回流液。 在下塔底部的液空經(jīng)節(jié)流后送入上塔中部，由上往下沿塔板逐塊流下，與上升的蒸汽接觸，在塔板上進(jìn)行傳質(zhì)傳熱，液體中的氧組成逐漸富集，只要塔板數(shù)足夠多，在低壓塔底部便可得到純液氧，部分液氧在冷凝蒸發(fā)器中蒸發(fā)，作為上升蒸汽，部分作為產(chǎn)品引出。 污液氮從壓力塔中部引出，經(jīng)節(jié)流后送入上塔中上作為上塔精餾段的回流液，用來(lái)提高蒸汽中易揮發(fā)組分（氮）的濃度。 另外，還從下塔抽出液氮，送入上塔頂部，作為上塔頂部的回流液（針對(duì)二期流程）。 冷凝蒸發(fā)器對(duì)上塔而言是一個(gè)蒸發(fā)器，對(duì)下塔而言是一個(gè)冷凝器。雖然在同等的壓力下，氧的沸點(diǎn)比氮高，但下塔的工作壓力高于上塔，使氮在下塔壓

33、力下的沸點(diǎn)大于上塔壓力下液氧的沸點(diǎn)，這樣氮?dú)庥隼淅淠聛?lái)，同時(shí)將冷凝熱傳給液氧，作為液氧的蒸發(fā)熱。冷凝蒸發(fā)器的傳熱溫差是由上、下塔的壓力差保證的。對(duì)于冷凝蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)考慮保證傳熱溫差。 (5).回流比（L/G） 精餾塔內(nèi)工況與“回流比”有著密切的關(guān)系 “回流比”是指精餾塔內(nèi)下流液體量L與上升蒸汽量G的比值?！盎亓鞅取痹谝欢ǔ潭壬洗砹怂迳掀褐g進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱過(guò)程的推動(dòng)力。如果回流比L/G較大，則達(dá)到指定的分離要求所需的理論塔板數(shù)較少。但是增大回流比是以增加能耗為代價(jià)的。因此，回流比的選擇是個(gè)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，需要在操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用之間作出權(quán)衡。 從回流比的定義式來(lái)看，回流比可以在

34、零至無(wú)窮大之間變化。前者對(duì)應(yīng)于無(wú)回流，后者對(duì)應(yīng)于全回流，但實(shí)際上對(duì)指定的分離要求，回流比不能小于某一下限，否則即使有無(wú)窮多個(gè)理論塔板也達(dá)不到要求，回流比的這一下限稱為最小回流比，這不是個(gè)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，而是技術(shù)上對(duì)回流比選擇所加的限制。 理論計(jì)算與實(shí)際操作均表明，在一般雙級(jí)精餾塔中，上塔的實(shí)際氣液比比精餾所需要的氣液比大，存在富裕的回流比。富裕的回流比表明：在減少回流比后只要適當(dāng)增加塔板數(shù)仍能保證所需的產(chǎn)品純度，即精餾尚有一定的潛力可挖。 (6).抽取氬組分的雙級(jí)精餾塔 氬是一種重要的工業(yè)氣體，從空分裝置中提取氬，不僅能夠帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且也有利于上塔內(nèi)的氧、氮分離。

35、 空氣進(jìn)入下塔后，經(jīng)下塔初步精餾，在塔頂獲得高純氮，氧、氬相對(duì)氮是高沸點(diǎn)組分，因此氬絕大部分冷凝在液空中，液空中含氬量可達(dá)1.3 -- 1.6%。 由于氬的沸點(diǎn)處于氧、氮之間，當(dāng)氬隨液空進(jìn)上塔后，在提餾段由于氮相對(duì)氬和氧是易揮發(fā)組分。液空在下流時(shí)氮組分蒸發(fā)的多，因此液體中氧、氬的濃度有所升高。待到經(jīng)過(guò)一定數(shù)量的塔板精餾后，氮含量已很少，則主要是實(shí)現(xiàn)氧氬的分離，而氬相對(duì)于氧來(lái)說(shuō)是易揮發(fā)組分，隨著液體繼續(xù)下流，氬濃度將減少。因此，在提餾段存在一個(gè)氬的富集區(qū)。由于在提餾段主要是實(shí)現(xiàn)氧、氬分離，而氬是易揮發(fā)組分，所以在同一截面上氣相中的氬濃度將高于液相中的氬濃度。 在精餾段，蒸汽在上升過(guò)程中開始

36、由于氧相對(duì)于氣氮、氬是難揮發(fā)組分，氧組成冷凝較多，所以氬、氮組分自下而上有所增加。經(jīng)一定塔板數(shù)后，氬相對(duì)于氮是難揮發(fā)組分，因而它的濃度沿塔自下而上流動(dòng)時(shí)又減少。在精餾段也存在一個(gè)高濃度的氬區(qū)域。 提氬原料一般在提留段的氬富集區(qū)偏下的地方抽取。用全精餾法制氬流程，精氬在冷箱里一次提取完成。從雙級(jí)精餾塔抽取的氬餾分作為制氬的原料氣，先經(jīng)兩段粗氬塔提取，脫除餾分中的氧氣，一段粗氬塔粗脫氧，經(jīng)提取粗氬后，底部的氧氬混合液返回主塔（上塔）；二段精脫氧，制得不含氧的氬餾分供給精氬。 由于在粗氬塔中不能實(shí)現(xiàn)氬-氮分離，餾分中的氮絕大多數(shù)保留在粗氬中，粗氬中含氮越多，冷凝溫度越低，則冷凝器的溫差越小，對(duì)傳

37、熱產(chǎn)生不利的影響，而粗氬塔的回流比又要求很大，當(dāng)熱負(fù)荷減小時(shí)，勢(shì)必使冷凝量減小，影響粗氬塔的精餾工況，所以要求進(jìn)粗氬塔的氬餾分的氮含量不能超過(guò)0.1%。 如前所述：在上塔中有兩個(gè)氬富集區(qū)，為提高氬提取率。希望氬餾分中的氬濃度較大，所以餾分應(yīng)在富集區(qū)抽。但在精餾段的氬富集區(qū)，氮濃度太高，故應(yīng)在提餾段的氬富集區(qū)抽取氬餾分，并且由于在提餾段氬富集區(qū)的 氬含量最高截面上，氮濃度仍較高，所以一般應(yīng)在其最高截面偏下的位置上抽取。 3.空氣凈化 我們已經(jīng)知道空氣中含有少量水蒸汽、二氧化碳（CO2）、乙炔（C2H2）和碳?xì)浠衔铮–nHm）及少許灰塵等雜質(zhì)。如果讓這些雜質(zhì)進(jìn)入空分裝置，將是非常有害的。固

38、體雜質(zhì)會(huì)磨損器件，尤其威脅高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備的安全運(yùn)行，帶入冷卻器還會(huì)污染傳熱表面。降低冷卻效果；水蒸氣和CO2等在低溫條件下相繼凍結(jié)析出會(huì)堵塞氣體通道及塔板篩孔；乙炔和碳?xì)浠衔镌诰s塔中積聚過(guò)量，會(huì)引起爆炸。所以為提高裝置運(yùn)行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，必須凈化空氣。 (1).固體雜質(zhì)的清除 空氣中灰塵等固體雜質(zhì)的含量一般為0.005～0.15g/m3，隨著環(huán)境狀況的惡化，含塵量更趨嚴(yán)重，且隨天氣狀況而不同。按生產(chǎn)能力為28000Nm3/h O2的空分裝置算，每天從加工空氣中帶入的灰塵約在18～550kg之間。這些固體微粒主要靠設(shè)置在空氣吸入口后的過(guò)濾器清除。 渭化二期空分裝置空氣過(guò)濾器采用

39、的是脈沖反吹自潔式過(guò)濾器（圖13）。 圖13 脈沖反吹自潔式過(guò)濾器 (2).水、CO2、C2H2及其他CnHm清除 現(xiàn)代空分裝置都普遍采用分子篩凈化空氣中的水、CO2、C2H2及其他CnHm，采用該工藝不僅簡(jiǎn)化了流程，簡(jiǎn)化了操作，而且相對(duì)過(guò)去用凍結(jié)法凈化空氣的切換式流程來(lái)說(shuō)，分子篩流程還有以下優(yōu)點(diǎn)： ---大大延長(zhǎng)了吸附器的切換時(shí)間（渭化二期空分裝置分子篩切換時(shí)間為8h），減少了空氣的切換損失，保持精餾塔工況的平穩(wěn)，有利于精餾及提氬。 ---由于避免了板翅式換熱器頻頻切換產(chǎn)生的交變應(yīng)力及因水分和

40、CO2周期性的凍結(jié)而導(dǎo)致的腐蝕，從而可以延長(zhǎng)板翅式換熱器的使用壽命。 a：分子篩及吸附原理 吸附是一種物理現(xiàn)象，無(wú)化學(xué)反應(yīng)，并且過(guò)程可逆，產(chǎn)生吸附的作用力是吸附質(zhì)與吸附劑分子之間的引力，以及已被吸附的吸附質(zhì)分子與吸附質(zhì)分子間的引力，即范德華力。由于分子間引力普遍存在于吸附劑和吸附質(zhì)之間，僅以一種吸附劑可吸附許多不同種類的氣體，但隨著吸附質(zhì)與吸附劑的種類不同，分子間的吸引力大小各異，因此吸附量可因物系不同而相差很大。 分子篩是一種人工合成的無(wú)機(jī)吸附劑，是一種堿金屬硅鋁酸鹽。如13X型典型分子式為：Na2O.Al2O3.2.5SiO2.6H2O,將分子篩加熱，脫去結(jié)晶水，其晶體結(jié)構(gòu)不變，同時(shí)

41、形成與外部相通的均勻微孔，形成豐富的內(nèi)表面（800--1000m2/1克分子篩）。比此微孔小的分子可吸進(jìn)孔內(nèi)，把大于微孔的分子擋在孔外，從而把分子大小不同的混合物分離，起到篩分分子的作用，故稱分子篩。13X型的分子篩，其微孔的孔徑為10埃，可以吸附臨界直徑不大于10埃的分子。 分子篩作為吸附劑，同樣可以吸附多種氣體，正如前面提到的，由于分子篩與被吸附的氣體種類不同而不同。所以分子篩在吸附過(guò)程中具有明顯的傾向性。 ---大小相似的分子，極性愈大，則愈易被分子篩吸附。 ---不飽和性愈大的分子，愈易被分子篩吸附。 根據(jù)上述特點(diǎn)，對(duì)于空氣中的H2O、CO2、C2H2及其他CnHm等雜質(zhì)來(lái)說(shuō)，

42、分子篩的吸附順序依次為： H2O>H2S>NH3>SO2>CO2 （吸附堿性氣體的順序） 及H2O>C3H6>C2H2>C2H4、CO2、C3H8>C2H6>CH4（吸附碳?xì)浠衔锏捻樞颍? 分子篩對(duì)CH4 和C2H6的吸附能力很低，基本上在吸附器工作不久就被通過(guò)，C2H4和C3H8僅能除去90%左右。分子篩的吸附容量除了與吸附質(zhì)的種類有關(guān)外，還與吸附質(zhì)的濃度和溫度有關(guān)。在物理吸附中，提高壓力（即提高吸附質(zhì)的分壓），降低吸附溫度都有利于增大吸附量。物理吸附與氣體在固體表面上凝結(jié)很相似。正如同氣體凝結(jié)時(shí)放出液化熱一樣，氣體分子在被吸附過(guò)程中也將釋放吸附熱，引起吸附床層的工作溫度升高，從而影響

43、吸附劑的吸附容量。因此，進(jìn)入分子篩的空氣，溫度越低越好。 b：渭化空分裝置中的分子篩吸附器 渭化二期28000Nm3O2/h空分裝置，采用了有鋁膠（Al2O3）分子篩（13X）組成的雙層臥式徑向流吸附器，用來(lái)脫除空氣中的H2O、CO2、CnHm等雜質(zhì)，先由鋁膠吸附水分，分子篩主要承擔(dān)CO2、CnHm等的吸附。由鋁膠替代分子篩吸附水分，不僅吸附熱小，吸附溫升小，有利于增大分子篩吸附CO2、CnHm等的容量，而且可以使分子篩避免遭受濕空氣中的酸性成分的破壞（分子篩不易受空氣中干燥酸性組分的破壞），延長(zhǎng)分子篩的使用壽命。并且整個(gè)吸附器再生時(shí)間較純分子篩大為縮短。 渭化一期采用的是法國(guó)液空的立式

44、徑向流吸附器，這是世界上目前先進(jìn)的結(jié)構(gòu)技術(shù)；與立式分子篩相比，臥式分子篩制造技術(shù)難度較小，裝填及維修較方便，并標(biāo)志國(guó)內(nèi)目前的裝置技術(shù)水平。 第三節(jié) 流程敘述 一、壓縮及冷卻 原料空氣自井筒式吸入口吸入，經(jīng)自潔式空氣過(guò)濾器(K7600)過(guò)濾，除去灰塵及其他機(jī)械雜質(zhì)。過(guò)濾后的空氣進(jìn)入離心式空壓機(jī)（K7601）,壓縮后的空氣進(jìn)入空冷塔（AC711101）冷卻和洗滌，除去空氣中的SO2 ,SO3 ,NH3等大量有害成分。 空冷塔分為兩段冷卻，下部用循環(huán)水冷卻，來(lái)自循環(huán)水管網(wǎng)的冷卻水經(jīng)常溫冷卻水泵（WP711101,WP711102）加壓后送入塔內(nèi)；上部用激冷水冷卻，該激冷水是來(lái)自

45、循環(huán)水管網(wǎng)的冷卻水，經(jīng)出冷箱的污氮在水冷塔（WC71101）內(nèi)噴淋冷卻后，用低溫水泵（WP711103,WP711104）加壓，再經(jīng)氨冷器（RU7111021）進(jìn)一步冷卻后送入空冷塔，以進(jìn)一步冷卻空氣?？绽渌敳坑谐b置，用來(lái)清除及分離空氣中的水滴，空氣由空冷塔頂部排出。 二、凈化 出空冷塔的空氣進(jìn)入切換使用的純化器(MS711201,MS711202),用以吸附空氣中的水、CO2及碳?xì)浠衔?。純化器結(jié)構(gòu)形式為臥式，內(nèi)裝氧化鋁及13X分子篩,空氣先通過(guò)氧化鋁吸附層，主要用以吸附水；然后通過(guò)分子篩，進(jìn)一步吸附CO2等其他雜質(zhì)。兩臺(tái)純化器一臺(tái)吸附，另一臺(tái)再生。利用加熱脫附原理，以出冷箱的污氮

46、氣作為再生載體，通過(guò)再生蒸汽加熱器(SH711201)加熱，完成再生。另外系統(tǒng)還配置了電加熱器（EH711201）實(shí)施高溫特殊再生。 三、換熱及制冷 凈化后的空氣分成兩股，一股進(jìn)入中壓板式換熱器（E710001—1～6）及低壓板式換熱器(E710003—1～6)，冷卻至接近漏點(diǎn)溫度，然后進(jìn)入精餾塔下塔（C710001）底部。 另一股空氣(0.605MpaA ,24℃,98.5KNM3/H)去空氣增壓機(jī)(K7604)進(jìn)一步壓縮。出增壓機(jī)一段的空氣經(jīng)冷卻后又分成兩股，一股去增壓透平膨脹機(jī)(B710001—E710001,B710002—E710002)的增壓器(B710001，B710002

47、)中增壓，并經(jīng)增壓器出口冷卻器(AC710001,AC710002)冷卻后進(jìn)入中壓板式換熱器冷卻，冷卻后的氣體進(jìn)入膨脹機(jī)(E710001,E710002)進(jìn)行膨脹制冷，膨脹后的空氣進(jìn)入氣液分離器(PV710001)進(jìn)行氣液分離，分離出的液空進(jìn)入精餾塔上塔(C710002)；低溫空氣與板式換熱器來(lái)的低溫空氣會(huì)合進(jìn)入下塔底部。 由空氣增壓機(jī)一段壓縮后的另一股空氣進(jìn)入空氣增壓機(jī)二段進(jìn)一步壓縮，并經(jīng)機(jī)后冷卻器(E7603)后送入高壓板式換熱器(E710004)與高壓氧氣換熱，自身被冷卻至漏點(diǎn)溫度，進(jìn)而進(jìn)入氣液分離器(PV710003)進(jìn)行氣液分離，分離出的氣、液分別送入精餾塔下塔。 四、精餾 空

48、氣在下塔內(nèi)進(jìn)行初步分離，上升空氣與向下流動(dòng)的回流液在塔板上進(jìn)行傳質(zhì)傳熱，上升氣體中的氮組分濃度逐步升高，進(jìn)而在下塔頂部得到精純的氮組分。位于上、下塔之間的主冷凝蒸發(fā)器(K710001)既是上塔的塔底再沸器，也是下塔的塔頂冷凝器,在此來(lái)自下塔頂部的氮?dú)馀c上塔底部提純的液氧進(jìn)行間接換熱后被冷凝，冷凝產(chǎn)生的液氮作為下塔的回流液；向下流動(dòng)的回流液隨著傳質(zhì)的進(jìn)行，氧濃度逐步升高，并在塔底得到富氧液空。 在下塔塔底得到富氧液空在過(guò)冷器(E710002)中過(guò)冷后分成三股。一股經(jīng)節(jié)流與PV710004氣液分離器來(lái)的節(jié)流液空會(huì)合，進(jìn)入上塔中部，作為提餾段回流液；另一股送粗氬冷凝蒸發(fā)器(K710701)；還有一

49、股液空直接送入貧氪氙塔頂部作為其精餾的回流液，出貧氪氙塔頂?shù)母谎蹩諝庾罱K返回精餾塔上塔中部提餾段參與精餾。 從下塔中部抽出一股污氮液，經(jīng)過(guò)冷器過(guò)冷及節(jié)流后送入上塔中上部，作為上塔精餾段回流液。 另從下塔上部抽出一股液氮，經(jīng)過(guò)冷節(jié)流后送入上塔頂部，作為精餾段回流液。 低壓氮?dú)猱a(chǎn)品從下塔頂部抽出,經(jīng)復(fù)熱后送出界區(qū)。提氬及貧氪氙的蒸發(fā)器所需的氣氮由下塔頂部提供，冷凝所產(chǎn)生的液氮分別返回上塔及下塔作為回流液。 精餾塔上塔是實(shí)現(xiàn)高純氧加工的場(chǎng)所，并從提餾段的富氬區(qū)域抽取富氬氣提組份，供給氬提取裝置原料。上塔分為五段，富氧液空原料由第三段填料頂部引入；并在上塔頂部及第二段填料頂部分別引入冷液氮及污

50、氮液，作為精餾段的回流液。 液空通過(guò)精餾，在上塔底部得到純液氧組分，收集在冷凝蒸發(fā)器殼側(cè)，部分蒸發(fā)作為提餾蒸汽；其余的經(jīng)液氧泵加壓及高壓氧換熱器復(fù)熱后以氣態(tài)產(chǎn)品輸出，或經(jīng)過(guò)冷作為液態(tài)氧產(chǎn)品送儲(chǔ)存。 精餾塔頂部的餾分就是空氣分離后的最終殘留物－－污氮，低溫污氮作為過(guò)冷器及高、中、低換熱器的冷源，自身被復(fù)熱到冷量回收的最大限度，送出冷箱分別作為分子篩再生氣源及水冷塔冷源消耗排放。 五、提氬 提氬由粗（提）氬及精（提）氬兩個(gè)環(huán)節(jié)組成；粗氬主要除去氬餾分中的氧組分，精氬主要除去氮等低沸點(diǎn)物。 粗氬塔由兩段規(guī)整填料塔組成，分別是粗氬塔I（C710701）及粗氬塔II(C710702)； 從

51、精餾塔上塔抽出的富氬氣體進(jìn)入粗氬塔I下部，自下而上與回流液傳質(zhì)傳熱，使塔頂氣體中氧組分濃度降低而進(jìn)入粗氬塔II，塔底流出物返回精餾塔上塔；粗氬塔I的回流液來(lái)自粗氬塔II的塔底液，經(jīng)循環(huán)液氬泵（AP710501,AP710502）加壓后供給。 進(jìn)入粗氬塔II下部的富氬氣體自下而上與回流液傳質(zhì)傳熱， 使塔頂氣體中氧組分濃度降低到ppm級(jí)。粗氬塔II的頂部設(shè)有粗氬冷凝蒸發(fā)器(K710701),用來(lái)自過(guò)冷器的富氧液空作冷源冷凝氣氬組份，其蒸發(fā)所產(chǎn)生的富氧空氣以及未蒸發(fā)的液空作為貧氪氙塔（K711601）的原料（多余的部分液空也可返回上塔中部）；所冷凝的液氬作為粗氬塔II的回流液，未被冷凝的氣氬作為

52、精氬原料送入粗氬液化器（K710704）。 在粗氬液化器中，利用液氮作為冷源，將粗氬冷凝并送入純氬塔（C710703 ）中部。純氬塔由兩段規(guī)整填料組成，塔頂設(shè)有純壓冷凝器（K710702）,用液氮作冷源冷凝上升蒸氣，用以提供回流液；塔底設(shè)有純壓蒸發(fā)器（K710703）,用氣氮作熱源，使塔底的液氬蒸發(fā)以提供提餾蒸汽。 經(jīng)純氬塔精餾后，在塔頂未被冷凝的氣相組份通過(guò)壓力調(diào)節(jié)放空，塔底液即為最終精氬產(chǎn)品送往儲(chǔ)罐。 六、貧氪氙液的提取 氪氙隨空氣液化集結(jié)于液空中，其提取原料即為液空。貧氪氙液的提取在貧氪氙塔（C711601）中進(jìn)行,該塔設(shè)有三段規(guī)整填料層，塔底設(shè)有以氣氮為熱源的貧氪氙蒸發(fā)器

53、（K711601）。 來(lái)自粗氬冷凝蒸發(fā)器的富氧空氣及富氧液空分別進(jìn)入貧氪氙塔的二段及三段 填料上部參與精餾，貧氪氙塔頂回流液由來(lái)自過(guò)冷器的液空提供，塔頂氣為以氧氮為主要成分的易揮發(fā)組分，返回到精餾塔上塔；塔底液即獲得貧氪氙液。 第四節(jié) 主要機(jī)械設(shè)備介紹 雙甲車間空分裝置主要機(jī)械設(shè)備有蒸汽透平驅(qū)動(dòng)的空壓機(jī)+增壓機(jī)機(jī)組、增壓透平膨脹機(jī)、液氧泵、精餾塔等。增壓透平膨脹機(jī)、精餾塔由杭氧設(shè)計(jì)制造，液氧泵是進(jìn)口國(guó)外的。對(duì)空壓機(jī)增壓機(jī)組的介紹，請(qǐng)參見壓縮機(jī)培訓(xùn)教材相關(guān)部分，這里只介紹其它幾個(gè)主要機(jī)械設(shè)備。 1、精餾塔 精餾塔由上塔、下塔以及主冷凝器三部分組成，上塔為填料塔，采用規(guī)整填料

54、。下塔采用篩板塔。主冷凝器采用板翅式換熱器。各部分的參數(shù)如下： 上塔： 塔型式：規(guī)整填料塔型 高度：34640mm 工作介質(zhì)：O2、N2、Ar 設(shè)計(jì)壓力：0.15MPa 設(shè)計(jì)溫度：-200℃ 最高工作壓力：0.06MPa 氣壓試驗(yàn)壓力：0.1725MPa (臥式) 氣密性試驗(yàn)壓力：0.15MPa(臥式) 腐蝕裕度：0mm 焊縫系數(shù)：0.85 幾何容積：211.8m3 材料： 5083-H112 下塔： 塔型式：篩板塔 高度：17050 mm 工作介質(zhì)：O2、N2 設(shè)計(jì)壓力：0.7MPa 設(shè)計(jì)溫度：-200℃

55、最高工作壓力：0.55MPa 氣壓試驗(yàn)壓力：0.805MPa (臥式) 氣密性試驗(yàn)壓力：0.7MPa(臥式) 腐蝕裕度：0mm 焊縫系數(shù)：0.9 幾何容積：194m3 材料： 5083-H112 主冷凝器： 型式：板翅式換熱器 高度：6155mm 工作介質(zhì)：氣氮、液氧 設(shè)計(jì)壓力：0.7(氣氮側(cè))/0.15MPa(液氧側(cè)) 設(shè)計(jì)溫度： -200℃ 最高操作壓力：0.55(氮?dú)鈧?cè))/0.08MPa(液氧側(cè)) 氣壓試驗(yàn)壓力：0.81(氮?dú)鈧?cè))/0.18MPa(液氧側(cè)) (立式) 氣密性試驗(yàn)壓力：0.70(氮?dú)鈧?cè))/0.15MPa(

56、液氧側(cè)) (立式) 腐蝕裕度：0mm 焊縫系數(shù)：0.8 幾何容積：17.4(氣氮側(cè))/48.83m3(液氧側(cè)) 材料： 5083-H112 2、主要機(jī)泵的技術(shù)特性和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介： 1） 增壓透平膨脹機(jī)： 型式：三元徑-軸流反動(dòng)式，整體撬裝結(jié)構(gòu)。 介質(zhì)：空氣 膨脹空氣量：～55500m3/h，操作彈性：60～100%， 膨脹機(jī)進(jìn)/出口壓力：～4.13/0.585MPa(A)， 膨脹機(jī)等熵效率：～85%，增壓量：55500m3/h， 增壓機(jī)絕熱效率：～81%， 增壓機(jī)進(jìn)/出口壓力：～2.8/4.17MPa(G)， 2） 高壓液氧泵： 泵型式：7級(jí)立式離心

57、泵. 流量：28000Nm3/h， 揚(yáng)程：774m， 進(jìn)口壓力：0.15Mpa(G)， 出口壓力：8.8Mpa(G)， 靜吸入壓頭：0.4m 進(jìn)口溫度：-178℃， 電機(jī)功率：～175Kw 渭化雙甲培訓(xùn)教材 變換工段 變換工段培訓(xùn)教材 第一節(jié) 一氧化碳變換反應(yīng)基本原理 一氧化碳與水蒸氣的變換反應(yīng)可用下式表示： CO+H2O?CO2+H2+Q (1) 變換

58、反應(yīng)特點(diǎn)是放熱、可逆，反應(yīng)前后氣體體積不變，且反應(yīng)速度比較慢，只有在催化劑的作用下才有較快的反應(yīng)速度。 一. 變換反應(yīng)的熱效應(yīng) 變化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱隨溫度升高有所減少，其關(guān)系式為： Q=10861-1.44T-0.410-4T2+0.0810-6T3 式中： Q—反應(yīng)熱，卡/摩爾（或kcal/kgmol） T—溫度，K 不同溫度下的反應(yīng)熱如下表： 在工業(yè)生產(chǎn)中，一但變換爐升溫完畢轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)后．即可利用其反應(yīng)熱以維持生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)進(jìn)行。 二.變換反應(yīng)的化學(xué)平衡 1 平衡常數(shù)： 在一定條件下，當(dāng)變換反應(yīng)的正、逆反應(yīng)速度相等時(shí)，反應(yīng)即達(dá)到平衡狀態(tài)，其平衡常數(shù)為：

59、 Kp＝(PC02PH2)／PcoPH2O)=(YC02YH2)／(YcoYH2O) 式中： PC02，PH2，Pco，PH2O --各組分的平衡分壓，atm Y C02Y H2 YcoYH2O ——各組分的平衡組成，摩爾分?jǐn)?shù) 平衡常數(shù)Kp表示反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，生成物與反應(yīng)物之間的數(shù)量關(guān)系，因此，它是化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行完全程度的衡量標(biāo)志。從式(3)可以看出，Kp值愈大，即YC02與YH2的乘積愈大，說(shuō)明原料氣中一氧化碳轉(zhuǎn)化愈完全．達(dá)到平衡進(jìn)變換氣中殘余一氧化碳量愈少。 由于變換反應(yīng)是放熱反應(yīng)，降低溫度有利于平衡向右移動(dòng)，因此平衡常數(shù)隨溫度的降低而增大。平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系式很多．

60、通常采用下列簡(jiǎn)化式： lgKp＝1914／T-1.782 (4) 式中：T-溫度，K 不同溫度下一氧化碳變換反應(yīng)的平衡常數(shù)值如下： 若已知溫度，就能求出Kp值，從而就可以計(jì)算出不同溫度、壓力和氣體成分下的平衡組成。 2 變換率： 一氧化碳的變換程度，通常用變換率表示，定義為已變換的一氧化碳量與變換前的一氧化碳量的百分比率，若反應(yīng)前氣體中有a摩爾一氧化碳，變換后氣體中剩下b摩爾一氧化碳，則變換率為： X=(a-b)／al00％ (5) 實(shí)際生產(chǎn)中，變換氣中除含一氧化碳外，

61、尚有氫、二氧化碳、氮等組分，其變換率可根據(jù)反應(yīng)前后的氣體成分進(jìn)行計(jì)算。由變換反應(yīng)式(1)可知，每變換掉一體積的一氧化碳，就生成一體積的二氧化碳和一體積的氫，因此，變換氣的體積(干基)等于變換前氣體的體積加上被變換掉的一氧比碳的體積，設(shè)變換前原料氣的體積(干基)為1．并分別以Vco，Vco表示變換前后氣體中一氧化碳的體積百分?jǐn)?shù)（于基）則變換氣的體積為(1+VcoX)，變換氣中一氧化碳的含量為： Vco=(Vco-VcoX)／(1+VcoX)100% (6) 經(jīng)整理．可得 X=(Vco—Vco)／[Vco(1+Vco)]10

62、0% (7) 在一定條件下，變換反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)的變換率稱為平衡變換率，它是在該條件下變換率的最大值，以l摩爾干原料氣為基準(zhǔn)時(shí)，平衡常數(shù)與平衡變換率的關(guān)系式為： Kp=(c+ax*)(d+ax*)/（a-ax*）(b-ax*) (8) 式中：a，b，c，d-反應(yīng)前原料氣中一氧化碳、水蒸汽、二氧化碳、氫的含量，摩爾分?jǐn)?shù)：x*-平衡變換率，％ 由式(4)，(8)可計(jì)算出不同溫度和組成條件下的平衡變換率，然后再根據(jù)式(6)可求出變換氣中殘留一氧化碳的平衡濃度。平衡變換率越高，說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)變換氣中一氧化碳?xì)堄嗔吭缴?/p>

63、。大工業(yè)生產(chǎn)條件下，由于反應(yīng)不可能達(dá)到平衡，因此變換率實(shí)際不可能達(dá)到平衡變換率，必要時(shí)，可以用實(shí)際變換率與平衡變換率接近程度來(lái)衡量生產(chǎn)工藝條件的好壞。 三. 影響變換反應(yīng)化學(xué)平衡的因素 1.溫度的影響： 由式（4）及表2可知，溫度降低，平衡常數(shù)增大，有利于變換反應(yīng)向右進(jìn)行，因而平衡變換率增大，變換氣中殘余的一氧化碳含量減少。當(dāng)原始?xì)怏w中的H2:CO=1:1時(shí)，溫度與平衡變換率的關(guān)系如圖所示： 工業(yè)生產(chǎn)中，降低反應(yīng)溫度必須與反應(yīng)速度和催化劑性能綜合考慮。對(duì)一氧化碳含量較高的氣化氣，開始反應(yīng)時(shí)為了加快反應(yīng)速度，一般在較高溫度下進(jìn)行，而在反應(yīng)的后一階段，為使反應(yīng)較完全，就必須使反應(yīng)溫度降低一

64、些，工業(yè)上采用兩段變換就是這個(gè)原因。反應(yīng)溫度與催化劑的活性溫度有很大關(guān)系，一般工業(yè)上用的變換催化劑在低于活性溫度時(shí)．變換反應(yīng)便不能正常進(jìn)行，而高于某一溫度時(shí)將損壞催化劑。因此，一氧化碳的變換反應(yīng)必須在催化劑的活性溫度范圍內(nèi)選擇最佳的操作溫度。 圖1 溫度與平衡變換率關(guān)系 2.壓力的影響： 一氧化碳變換反應(yīng)是等分子反應(yīng)．反應(yīng)前后氣體分子數(shù)相同，氣體總體積不變。在目前的工業(yè)操作條件下，壓力無(wú)顯著的影響。 3.蒸汽添加量的影響： 增加蒸汽用量．可以使變換反應(yīng)向生成二氧化碳的正方向進(jìn)行。因此。生產(chǎn)中總是向原料氣中加入過(guò)量的蒸汽，以提高變換率。不同溫度下蒸汽添加量與的關(guān)系如圖2所示。

65、 圖2 不同溫度下蒸汽量 與CO變換率的關(guān)系 （CO:40% H2:50％ CO2:5％） 由圖可見： (1)變換溫度愈低愈有利于反應(yīng)的進(jìn)行，并可節(jié)省蒸汽用量。 (2)同一溫度下，蒸汽用量增大，平衡變換率隨之增大，但增加的趨勢(shì)是先快后慢.因此，要達(dá)到很高變換率，蒸汽用量將大幅度增加。這不僅經(jīng)濟(jì)上不合理，同時(shí)還會(huì)使催化劑層溫度難以維持。 4.二氧化碳的影響： 在變換反應(yīng)過(guò)程中，如果能將生成的二氧化碳除去，就可以使變換反應(yīng)向右移動(dòng)，提高了一氧化碳轉(zhuǎn)換率。除去二氧化碳的方法是將一氧化碳轉(zhuǎn)換到一定程度后，送往脫碳工序除去氣體中的二氧化碳。但一般由于脫除二氧比

66、碳的流程比 較復(fù)雜，工業(yè)上一般較少采用。 5.副反應(yīng)的影響： 一氧化碳變換中，可能發(fā)生析碳和甲烷化副反應(yīng)等．其反應(yīng)式如下： 2CO=C+CO2+Q (9) CO+3H2=CH4十H2O十Q (10) 2CO+2H2=CH4十CO2+Q (11) CO2+4H2=CH4+2H2O十Q (12) 副反應(yīng)不僅消耗了原料氣中的有效成分氫氣和一氧化碳，增加了無(wú)用成分甲烷的含量，且析碳反應(yīng)中析出的游離碳極易附著在催化劑表面降低活性。以上這些副反應(yīng)均為體積減小的放熱反應(yīng)，因此，降低溫度，提高壓力有利于副反應(yīng)的進(jìn)行。但在實(shí)際生產(chǎn)中，現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝條件下，這些副反應(yīng)一般是不容易發(fā)生的。 四.變換反應(yīng)的動(dòng)力學(xué) 1. 反應(yīng)機(jī)理及動(dòng)力學(xué)方程式： 一氧化碳與水蒸汽的反應(yīng)，如果單純?cè)跉庀嘀羞M(jìn)行，即使溫度在1000℃，水蒸汽用量很大，反應(yīng)速度仍然很慢。這是因?yàn)樵谶M(jìn)行變換反應(yīng)時(shí)，首先要使蒸汽分子的氫氧鍵斷開，然后氧原子重新排列到一氧化碳分子中去而