1、I 第一章 制氧流程 1 1.1 概 述 1 1.1.1 制氧机分类 1 1.1.2 制氧机的性能指标 1 1.1.3 国产空气分离设备的型号规定 4 1.1.4 制氧机的发展 4 1.2 制氧机的典型流程 4 1.2.1 150m3/h 制氧机 .4 1.2.2 3200 m3/h 制氧气机 .5 1.2.3 10000 m3/h 制氧机 .6 1.2.4 KDON-6000/13000 增压分子筛净化全低压制氧机 .7 1.3 制氧流程组织 9 1.3.1 流程组织要求 9 1.3.2 制冷系统组织 9 1.3.3 防爆系统组织 12 1.3.4 换热器系统组织 14 1.4 流程比较 1
2、5 第二章 制冷 19 2.1 空气的液化 19 2.1.1 流膨胀效应 19 2.1.2 膨胀制冷 19 2.1.3 节流与等熵膨胀的比较 19 2.2 膨胀机 19 2.2.1 作用和分类 20 2.2.2 工作原理及基本方程 20 2.2.3 透平膨胀机的损失、产冷量及效率 21 2.2.4 拆装说明 22 2.2.5 透平膨胀机的调节 22 2.2.6 透平膨胀机组 23 2.2.7 操作 26 2.2.8 常见故障处理 28 2.2.9 维护说明 29 2.2.10 问题解答 29 2.2.11 膨胀机流程简述 31 第三章 空气的净化 33 3.1 固体杂质的清除 33 3.1.1
3、 过滤除尘原理及性能指标 33 3.1.2 空气过滤器 33 3.2 自清除 34 3.2.1 饱和与未饱和 35 3.2.2 空气中二氧化碳的饱和 35 3.2.3 不冻结条件 35 3.3 吸附法 36 3.3.1 吸附 36 II 3.3.2 吸附剂 36 3.3.3 吸附机理 37 3.3.4 吸附器 .40 3.4 分子筛纯化器 .41 3.4.1 纯化系统流程 42 3.4.2 分子筛加热再生温度曲线 43 3.4.3 分子筛吸附器的切换操作 43 3.4.4 分子筛净化系统操作注意事项 44 3.4.5 分子筛纯化系统常见故障及处理 44 第四章 换热器 47 4.1 概述 47
4、 4.2 换热器分类 47 4.2.1 换热器原理可分为三大类： 47 4.2.2 换热器根据流体状态变化可分为三种： 47 4.3 换热器的结构形式及工作原理 47 4.3.1 空冷塔的作用及工作原理 47 4.3.2 水冷塔的形式及工作原理 47 4.3.3 间壁式换热器种类及形式（工作原理） 48 4.4 板翅式换热器 48 4.4.1 翅片的型式及适用场合 48 4.4.2 板翅式换热器的基本组成构件 48 4.4.3 板翅式换热器流体换热的实现 49 4.4.4 主换热器（非切换式板翅换热器）与切换式换热器的比较 49 4.4.5 主换热器的热端温差及中抽温度的控制 50 4.5 冷
5、凝蒸发器 50 4.5.1 冷凝蒸发器在空分设备中的作用 50 4.5.2 影响冷凝蒸发器温差的原因分析 50 4.5.3 冷凝蒸发器主冷液面高低的原因分析 51 4.5.4 冷凝蒸发器的传热面不足对氧产量的影响 51 4.5.5 在冷凝蒸发器及液化器中装设氖、氦吹除管的作用。 51 4.5.6 冷凝蒸发器全浸的优点 52 第五章 空气的精馏 53 5.1 空气的精馏 53 5.1.1 气液相平衡 .53 5.1.2 氧、氮混合物气液相平衡图 .54 5.1.3 简单蒸发和简单冷凝 56 5.1.4 部分蒸发和部分冷凝 57 5.2 精馏塔结构 58 5.2.1 筛板塔结构 58 5.2.2
6、筛板塔的气液流动工况 59 5.2.3 填料塔 60 5.2.4 填料塔流动工况。 61 5.3 分馏塔 61 5.3.1 单级精馏塔 61 III 5.3.2 双级精馏塔 62 5.3.3 双级精馏塔各主要点工作参数的确定 63 5.4 双级精馏塔的计算 65 5.4.1 精馏的物料衡算和热量衡算 65 5.4.2 O2 -N2 二元系精馏过程的计算 .67 第六章 离心式空气压缩机 73 6.1 H 型离心压缩机 .73 6.1.1 结构： 73 6.1.2 启动操作 75 6.1.3 停机 75 6.2 空气透平压缩机 76 6.2.1 压缩机的结构 76 6.2.2 机 组 的 检 修
7、 77 6.3 氧 气 透 平 压 缩 机 .78 6.3.1 结构 78 6.3.2 轴封装置 80 6.3.3 气体冷却器 80 6.3.4 润滑系统 80 6.3.5 保护及安全措施 80 6.3.6 启动及停车操作 81 6.3.7 防喘振装置 84 6.3.8 维修和检修规程 84 6.3.9 解 体 及 重 新 组 装 .85 6.4 液氩泵 86 6.4.1 结构 86 6.4.2 工作原理 87 6.4.3 技术性能 87 6.4.4 常见故障判断及处理 87 6.4.5 检修规程 87 第七章 活塞式压缩机 89 7.1 立式压缩机 89 7.1.1 结构及工作原理 89 7
8、.1.2 工作原理 90 7.1.3 技术性能及正常工艺参数 90 7.2 卧 式 压 缩 机 99 7.2.1 结构 99 7.2.2 工作原理： 101 7.2.3 技术性能及正常工艺参数 101 7.2.4 常见故障判断及处理见表 7-9.102 7.2.5 检修规程 103 第八章 空分装置的生产与操作 105 8.1 空分设备的启动 105 8.1.1 空分设备启动的技术准备工作 105 8.1.2 空分设备启动的前提条件 106 IV 8.1.3 启动步骤 106 8.2 加温、吹刷分馏塔系统管路 107 8.2.1 吹刷操作要点 107 8.2.2 分馏塔吹刷流路 107 8.2
9、.3 吹刷阶段注意事项 108 8.3 冷却阶段 108 8.3.1 精馏塔冷却前的必备条件 108 8.3.2 启动增压透平膨胀机 108 8.3.3 冷却精馏塔系统 108 8.4 积液阶段 109 8.4.1 膨胀机后温度控制 110 8.4.2 下塔液氮回流阀的调节 110 8.4.3 进上塔液氮节流阀的调整 110 8.4.4 下塔液空调节阀的调整 110 8.4.5 积液阶段注意事项 110 8.5 调纯阶段 110 8.5.1 建立精馏工况阀门调整的步骤 110 8.5.2 主塔各项工艺分析指标 111 第九章 氩的制取 112 9.1 氩的性质与用途 112 9.2 氩在空分塔
10、内的分布情况 112 9.3 全精馏无氢制氩工作原理 113 9.4 全精馏无氢制氩的操作 114 9.4.1 氩 系 统 设 备 的 冷 却 .114 9.4.2 工 艺 液 压 泵 的 操 作 .114 9.4.3 主 塔 工 况 的 调 整 .115 9.4.4 粗 氩 塔 工 况 的 调 整 .115 9.4.5 精 氩 塔 工 况 的 调 整 .115 9.5 氩系统常见故障及处理 116 9.5.1 粗 氩 塔 轻 微 氮 塞 .116 9.5.2 粗 氩 塔 严 重 氮 塞 .116 9.5.3 精 氩 塔 氩 固 化 .116 第十章 仪控系统 117 10.1 空分设备仪控系
11、统的构成 117 10.1.1 检 测 仪 表 117 10.1.2 显 示 仪 表 121 10.1.3 控 制 仪 表 122 10.1.4 执 行 器 .122 10.2 仪表的性能指标 123 10.2.1 精 确 度 .124 10.2.2 灵 敏 度 .124 10.2.3 迟 滞 （ 回 差 ， 滞 环 ） 124 10.2.4 重 复 性 .124 10.2.5 量 程 比 .124 V 10.3 空分设备上典型仪表的回路构成 124 10.3.1 温 度 显 示 回 路 、 压 力 显 示 回 路 124 10.3.2 压 力 显 示 回 路 .125 10.3.3 流 量
12、显 示 控 制 回 路 125 10.4 智能仪表 126 10.5 集散控制系统（DCS） 126 10.5.1 集 散 控 制 系 统 的 基 本 概 念 .126 10.5.2 集 散 控 制 系 统 的 硬 件 构 成 .127 10.5.3 集 散 控 制 系 统 的 控 制 功 能 .129 第十一章 制氧分析 130 11.1 气 体 分 析 .130 11.1.1 产品氧的分析 130 11.1.2 产品氮的分析 131 11.1.3 污氮含氧量的分析 132 11.1.4 液氧中乙炔的分析 133 11.1.5 气体中 CO2 含量的分析 135 11.1.6 液氧中碳氢化合
13、物的分析 136 11.1.7 工艺氩中微量氧、氮的分析 137 11.2 试油的分析 139 11.2.1 粘度的测定 139 11.2.2 开口杯法测定闪点 140 11.2.3 油品酸值的测定 141 11.2.4 油中水分的测定 142 11.3 水质指标的测定 144 11.3.1 PH 值测定 .144 11.3.2 总硬度测定方法 145 11.3.3 钙离子测定方法 146 11.3.4 镁离子测定（计算法） 146 11.3.5 碱度测定法 146 11.3.6 氯离子测定法 147 11.3.7 悬 浮 物 测 定 法 .148 11.3.8 正磷酸盐、总磷酸盐、总铁和浊度
14、测定 149 第十二章 水泵 153 12.1 常用泵的分类 153 12.1.1 叶片泵 153 12.1.2 容积泵 153 12.1.3 其它类型泵 153 12.1.4 泵的型号表示方法： 153 12.2 离心泵的工作原理 153 12.2.1 物体产生离心力 153 12.2.2 泵利用离心力出水和吸水 153 12.3 离心泵的分类 154 12.3.1 按叶轮的吸入方式分 154 12.3.2 按叶轮数目分 154 VI 12.3.3 按叶轮结构分 154 12.3.4 按工作压力分 154 12.3.5 按泵轴位置分 154 12.4 离心泵的构造及主要部件 154 12.4
15、.1 叶轮 154 12.4.2 密封环 154 12.4.3 泵壳 154 12.4.4 泵轴 155 12.4.5 轴封装置（含填料套、填料、填料环、填料压盖） 155 12.4.6 轴承体 155 12.4.7 联轴器 155 12.5 离心泵的主要技术参数 155 12.6 离心泵的能量损失 155 12.7 离心泵的运行 155 12.8 离心泵的常见故障及处理方法 156 第十三章 风机 158 13.1 L47 风机技术性能及结构 .158 13.2 操作规程 158 13.3 维护规程 158 第十四章 制氧电气 160 14.1 制氧系统用电情况 .160 14.1.1 制氧
16、供电意义 160 14.1.2 制氧配电系统 160 14.1.3 制氧供电方案 160 14.1.4 制氧高压配电系统概况 161 14.2 制氧系统用电负荷的选配 .162 14.2.1 电控系统设计原则： 162 14.2.2 高压系统： 162 14.2.3 低压系统： 162 14.2.4 PSA 配电自动化监控系统： .163 14.2.5 设备选型 163 14.3 制氧系统用电控制原理及操作步骤 164 14.3.1 励磁装置结构 164 14.3.2 保护、信号、仪表及操作控制系统 165 14.3.3 励磁装置原理 166 14.3.4 整机的调试、检验及步骤 169 14
17、.3.5 可控硅调功柜原理及操作步骤 174 14.4 制氧电气系统常见故障的判断及处理 180 14.4.1 励磁装置出现的故障机处理方法 180 14.4.2 TY3Z 可控硅调功柜故障处理 .181 1 第一章 制氧流程 制氧流程主要由制冷系统和精馏系统组成。详细可分为十大系统，即空气压缩系统、空 气净化系统、换热系统、制冷系统、精馏系统、安全防爆系统、氧气压缩输送系统、加温解冻 系统、仪表自控系统及电控系统。 1.1 概 述 1.1.1 制氧机分类 制氧机的分类方法很多，按产品的状态分为产气氧、产液氧、既产气氧又产液氧的制氧机； 按产品种类分为单高产品、双高产品（氧和氮）带氩制氧机（氧
18、、氮、氩）及全提取（氧、氮、 氩及其他稀有气体） ；依照产量分为小型制氧机（小时产量小于 1000 m3/h） 、中型制氧机（小时 产量 100010000m 3/h） 、大型制氧机（小时产量大于 10000 m3/h） ；按操作压力分：高压制氧机 （操作压力为 20Mpa） 、中压制氧机（操作压力为 15Mpa） 、全低压制氧机（操作压力 0.50.6Mpa） ；按换热器类型分，可分为板式、管式、管板式制氧机。 1.1.2 制氧机的性能指标 制氧机除要达到的产品产量及纯度外，还有以下的性能指标： 1、.单位电耗，即生产 1m3氧气所耗的电能，以 kwh/m3为单位来表示。这代表制氧机的 能耗
19、大小，是制氧机重要的能耗指标之一。 2、提取率，即在标准状态下 1m3原料空气所制得的纯氧量。一般计算方法为： % 空空 2oyVp 式中 氧气产量2 加工空气量空 氧气中的含氧量2yo 空气中的含氧量空 这一指标反映了空气分离的完善程度。 3、启动时间。从空压机向装置送气开始直至产品达到设计产量的全过程所需要的时间。 4、运转周期。这是指制氧机无机器、设备故障的前提下，连续运转的时间，一般以年为 单位。 5、加温解冻时间。制氧机在启动前或停车后需要加温解冻所用的时间。 6、单位产量的金属消耗量。该指标能够比较制氧机的设备费用的多少，投资的多少。诚 然,对于制氧机产品水平的评价是综合性的，从技
20、术、经济、社会方面全面考核，即综合评定=性 能+寿命+可靠性+安全性+经济性+成套性+人机关系+服务性。产品的综合指标需要采取一套指标 体系。业内专业人士提出了 8 个系列指标，如图 1-1 所示 2 图 1-1 3 表 1-1 4 1.1.3 国产空气分离设备的型号规定 我国空分设备的型号由汉语拼音字母、化学元素符号以及阿拉伯数字所组成。型号分首部、中部、 尾部三个部分，中间以短横“”隔开。如图 12 所示。 图 1-2 1.1.4 制氧机的发展 自从 1902 年德国的林德教授发明了高压节流循环制冷，单级精馏塔分离空气制氧至今已经历上百 年的历史。从制氧机的流程方面，从高压流程改进为中压流
21、程进而出现高、低压流程，现在中、大型 制氧机全部为全低压流程。小型制氧机也向低压方面发展，而且对超低压流程正进行研究探讨。表 1-1 从制氧机的能耗方面，从单耗大于 2kwh/m o 降低到 0.38kwh/ m o 。单机容量从 20m /h32323 发展至今世界上最大的制氧机为 74000m3/h。制氧机的产品也不再是单一的气氧，而是既产氧又产氮以 至提取全部的稀有气体。不但有气态产品，还有各种液态产品，也就是产品多样化。从控制系统方面， 由手动控制发展到计算机数字集散控制系统，实现了机电一体化。 1.2 制氧机的典型流程 我国目前生产的小型制氧机仍以中压流程为主。中、大型有蓄冷器或板式
22、切换式换热器流程，还有 较先进的分子筛纯化器及增压透平膨胀机流程。我公司现有的一号制氧机就是一种切换式换热器流程。 公司现运行的四台制氧机均采用了比较先进的增压分子筛净化流程。 1.2.1 150m3/h 制氧机 此种制氧机型号（KES-860-II）,制冷系统为中压带活塞式膨胀机流程即是以克劳特循环为基础的 制氧机,采用分子筛纯化器净化空气的流程，见流程图 1-3 5 图 1-3 空气自大气吸入,经空气过滤器除掉灰尘等机械杂质而进入活塞式空压机,经三级压缩达 4.9Mpa（启动时压力）冷却后除油及水分,进入分子筛纯化器,清除水分、二氧化碳和乙炔及其它碳氢 化物,并在过滤器 4 中过滤分子筛粉
23、末。洁净的空气分三路进入热交换器 5 氧隔层、氧隔层及馏份隔层 的管内经冷却后，一部分通过膨胀机 6 膨胀后， 经过空气过滤器 7 后进入下塔。另一部在热交换器 II 中的氧、氮隔层的管内续继被冷却，而后经节流阀节流至 0.56Mpa 进下塔。下塔的富氧液空经过乙炔 吸附器 11 进一步除掉乙炔，并经过液空过冷器 12 过冷后节流入上塔。由上塔下部提取氧气，经热交 换器氧隔层复热后，送入贮气囊 14，经氧压机压缩至 15Mpa 充瓶。气氮由上塔顶引出，以液氮过冷器， 液空过冷器以及热交换器的氮夹层复热后，送氮压机。馏份气从上塔第 37 块塔板处抽出，经热交换器 馏份隔层复热后放空。 技术指标：
24、 加工空气量：860m 3/h 产品产量：氧气 150 m3/h 氮气：600 m 3/h 氧气纯度：99.2%O 2 氮气纯度：99.95%N 2 空气压力：启动时 4.9Mpa 正常时 1.962.45 Mpa 运转周期：2 个月 1.2.2 3200 m3/h 制氧气机 该类型号为 KFS-21000 型，采用高效透平膨胀机制冷全低压制氧机，即以卡皮查循环为基础。用 嵌有蛇管的石头填料蓄冷器冻结清除水分及二氧化碳，因中部抽气保证其不冻结性，用中抽二氧化碳 吸附器 4 清除水分及二氧化碳。富氧液空吸附过滤器吸附二氧化碳、乙炔。设有液氧泵 13，将液氧循 环经液氧吸附器清除液氧中的乙炔，以保
25、证制氧机安全运行.装置中采用长管式冷凝蒸发器,以提高传 热效率。管内是液氧沸腾，管间气氮冷凝。膨胀机的工质是空气，经中抽去除二氧化碳后与下塔来的 旁通空气汇合一起进入膨胀机,膨胀后气体进入上塔即拉赫曼气。详细流程见图 1-4 6 图 1-4 技术指标： 加工空气量：21000 m 3/h 产品产量：氧气 3200 m3/h 纯度：99.6% 氮气 4000 m3/h 纯度：99.99% 启动时间：48h 连续运转时间：1 年 1.2.3 10000 m3/h 制氧机 型号为 KDON-10000/11000。制冷系统是以卡皮查循环为基础的全低压循环。采用高效透平膨胀 机，膨胀工质为空气，利用电
26、机制动回收部分膨胀功。净化系统采用板翅式可逆式换热器对水分、 二氧化碳自清除。设置液空吸附器清除富氧液空中的乙炔。用液氧泵使冷凝蒸发器中的部分液氧循 环，利用液氧吸附器清除液氧中的乙炔及其它碳氢化合物。装置中的全部换热器都采用高效的板翅 式换热器，因此也可称为全板式万立制氧机。精馏塔为带辅塔的双级精馏塔。膨胀后气体进入上塔， 这股拉赫曼气使制氧机的制冷系统与精馏系统有机地联系起来，其工艺流程示见图 1-5 7 图 1-5 主要技术指标： 加工空气量：58300 m 3/h 产品产量：氧气： 10000 m 3/h 纯度：99.5% 氮气：11000 m 3/h 纯度：99.99% 启动时间：4
27、8h 加温解冻时间：36h 连续运转时间：大于 1 年 1.2.4 KDON-6000/13000 增压分子筛净化全低压制氧机 该制氧机型号为 KDON-6000/13000，空气经透平空压机压缩后，在氮-水预冷系统的空冷塔中冷 却后进入分子筛纯化器净除水分、二氧化碳、乙炔等碳氢化合物。而后空气进入主换热器，空气通道 被返流气体冷却到对应压力下的饱和温度后进入下塔参与精馏。 从分子筛纯化器出来的加工空气，抽出一部分进入膨胀机的增压机增压、经水冷却器冷却后进入 主换热器，被返流气体冷却后从主换热器中部抽出进入透平膨胀机。见流程图 1-6 8 图 1-6 从流程图可以看出，此流程既没有液化器也没有
28、吸附器，保冷箱内的设备及管路大为简化。 主要技术指标： 加工空气量：38000 m 3/h 加工空气压力：0.66 Mpa 产品产量及纯度： 氧气产量 6000 m 3/h，99.8% O 2 氮气产量 12600 m 3/h,1010-6 O2 9 液氮产量 400 m 3/h, 1010-6 O2 液氩产量 60 m 3/h，96%Ar 1.3 制氧流程组织 1.3.1 流程组织要求 首先要根据设计要求而进行,尽可能地优化组合,以满足下面要求： 1、尽可能降低电耗、投资和运转费用，以降低产品成本。 2、安全运转和便于运转维修。 3、当自然条件和某些使用条件发生变化时仍然保证产品的质量及产量
29、，即变工况适应能力强。 1.3.2 制冷系统组织 制冷系统包括空压机、膨胀机、节流阀及主换热器。此系统的作用产生冷量补偿冷损，使加工空 气降温、液化维持在精馏所需要的低温，为空气的精馏创造条件。 如上所述，高压流程是以林德循环（一次节流）为基础的；中压流程应用克劳特循环（中压膨胀 机与节流相结合） ；全低压流程以卡皮查循环（低压透平膨胀机）为依据。全低压流程因为能耗低，运 转安全可靠等诸多优点，被广泛推广和应用。而高、低压流程和中压流程复杂，能耗高已被淘汰。这 里重点讨论全低压制冷系统组织问题。 1、全低压流程 （1）空气膨胀和氮气膨胀 全低压流程利用了拉赫曼原理，将膨胀后的空气送入上塔，或者
30、利用氮气为膨胀工质。这两 者都可以利用上塔精馏，从而提高了制氧机产量。 空气膨胀。空气膨胀的的流程示意图。图 1-7 图 1-7 图 1-8 从下塔底部抽出部分加工空气,一部分在切换式换热器环流通道复热后，再汇合进入透平膨胀 机膨胀产生冷量，然后直接送入上塔参加精馏。这部分空气没有经过下塔的预精馏直接送入上塔。 由于从下塔底部抽出部分空气，冷凝蒸发器的冷凝量减小，送入上塔的液氮量也减少，而膨胀空 气又直接送入上塔中部作为精馏段的上升气，因而上塔精馏段的回流比减少，精馏潜力得到利用。 这些送入膨胀空气称为“入上塔膨胀空气” ，也叫拉赫曼气。这就是所谓空气膨胀，目前我国全低 压装置流程大部分采用这
31、种方法，例如国产 1000、1500、3200、6000m 3/h 等制氧机。 氮气膨胀。它是从下塔顶部抽出氮气，一部分经切换式换热器环流通过复热后再汇合进入透 平膨胀机，膨胀后的氮气作为产品氮气引出，或者与污氮汇合经切换式换热器回收冷量后放空。 由于从下塔引氮气，冷凝蒸发器的冷凝量减少，因而送入上塔的液体馏份量减少， 精馏潜力得到 利用。氮气膨胀在国外的大型全低压空分装置上已被采用。 以上两种方法都是减少上塔液体馏份，使精馏时的气液间的温差减少，利用了上塔精馏潜力， 10 使全低空分装置具有更大的合理性，利用上塔精馏潜力后，塔板上气液之间的温差变化如图 1-8 所示，由图可见，由于空气膨胀不
32、但减少上塔回流液，同时增加了上升蒸气量，所以气液间的温 差比氮膨胀更小些。 关于膨胀空气进上塔量的限制 无论是空气膨胀还是氮膨胀都是利用上塔的精馏潜力，提高氧的提取率，减少不可逆分离功 的损失。既然是精馏潜力的利用就有一定的限制。超出极限就会使分离产品纯度降低，能耗增大， 氧提取率下降。从理论上来讲，这一极限应取决于上精馏塔的最小回流比（液气比） 。可是，在最 小回流比条件下，欲得到分离产品需无数块塔板，这样的精馏塔是不存在的。在有限的一定塔板 数的前提下，允许入塔的最大限度膨胀空气量是由最小工作回流比所决定的。上塔精馏允许入塔 的最大膨胀空气量可以由上塔的物料平衡，能量平衡及物料参数求出。
33、进入上塔的允许膨胀量主要与上、下塔取出的产品纯度及上塔液体的过冷度有关。产品纯度 低、允许膨胀量增加。氧、氮产品纯度通常是用户的要求。为了减少不可逆分离功损失，降低能 耗，在满足工艺要求的条件下，不应过分追求产品的高纯度，否则，提取率降低，能耗增大。入 上塔液体的过冷度增加，这使上塔的回流比增加，即上塔具有更富余的回流比，精馏潜力更大， 也就表现出允许进塔的膨胀量增加。 需要指出，这里计算的允许最大膨胀量，状态应是当时压力下的饱和气体。由于膨胀机结构 所限制，膨胀后的气体不允许达到饱和或出现液体。膨胀后气体要保持过热状态。膨胀后气体温 度与相应压力下饱和温度之差为膨胀后气体过热度。显然，过热度
34、增加，允许进塔的最大膨胀空 气量减少。 确切的允许进塔的最大膨胀量的数值要根据制氧机的具体流程计算确定。但是一般来说，空 气进上塔的数量范围为加工空气量的 20%30%，抽氮膨胀为加工空气量的 15%25%。 全低压切换式换热器流程的膨胀气体流路组织 由于膨胀空气既取决于装置的总冷量平衡又受精馏工况的限制，同时在进入膨胀机之前又作 为板翅式可逆式换热器的环流气体或者蓄冷器的环流气，而环流量又是由切换式换热器热平衡所 决定的，而且与切换式换热器的自清除密切相关。正因为这些复杂的关系，从而产生了下面三种 具有代表性的情况： 装置的容量较小，单位冷损较大，这时整个装置的冷量平衡所要求的膨胀量比较大，
35、 膨胀 量不仅大于切换式换热器不冻结性所要求的环流量，而且也超过精馏塔所允许的拉赫曼进气量。 这时，膨胀机的进气量将由两部分组成，一部分是环流空气，另一部分则是由下塔或液化器来的 旁通气。这时由于膨胀气量已经超过精馏塔所允许的最大拉赫曼进气量，所以，必须把部分膨胀 空气旁通入污氮管道，从而使进入下塔的加工空气量减少，制氧机总的氧提取率将相应地降低。 属于这种情况的有 600、800、1000m 3/h 的制氧机。 装置是中等容量，冷损较大，这时由装置冷量平衡所要求的膨胀量大于由蓄冷器（或板翅 式切换式换热器）不冻结性所决定的环流量。但是膨胀量是在精馏塔所允许的拉赫曼进气量范围 以内，这时膨胀量
36、仍由环流和下塔旁通量两部分组成。由于它是在允许的拉赫曼进气量范围以内， 所以膨胀后的空气可以全部送入上塔。属于这种情况的有 3200、6000、10000 m 3/h 的制氧机。 装置容量很大，冷损比较小，由装置冷量平衡所要求的膨胀量，不仅小于精馏所允许的拉 赫曼进气量，而且等于或者小于环流量，这时候进膨胀机的膨胀气体全部通过环流，甚至要将部 分环流旁通。 把上面所说的简单归结为： 小容量装置：膨胀量大于允许的进上塔的空气量 膨胀量大于环流量 膨胀后空气部分旁通 中等容量装置：允许进上塔的空气量大于膨胀量大于环流量 11 膨胀后空气全部进上塔 大容量装置：允许进上塔的空气量大于膨胀量 环流量大
37、于等于膨胀量 膨胀后的空气全部进上塔，环流量部分旁通或者生产部分液态产品，还可以考 虑采用氮膨胀 全低压增压透平膨胀系统 增压膨胀机是用增压机制动，将膨胀工质增压后再进入膨胀机工作轮膨胀作功。因其膨胀前 压力的提高，所以单位制冷量增加。膨胀量减少，进入上塔膨胀空气量减少，有利于提高氧提取率。 增压透平膨胀的实质是将气体所作的膨胀功回收给膨胀工质本身，其系统图 1-9 图 1-9 2、 精 馏 系 统 组 织 精馏系统的组织与制冷系统、换热系统的组织有关。 在组织精馏系统时，为了确保产品的纯度可以采取以下几种措施： 正确地确定进料口、抽口位置。保证正常分离足够的塔板数。 抽馏份：在下塔抽出液氮馏
38、份，在上塔抽出污氮，这样一方面使较多的 氩随污氮放空有利于氧、氮分离，另一方面使下塔上部和辅塔中的回流比加大， 有利于精馏工况，从而得到高纯度的产品。 由于所要求产品的产量和纯度不同，精馏系统工程的组织可以分为下列几 种情况： 只生产单一高纯度产品，例如只生产纯氧，或者只要求生产纯氮。这种 情况可以使用普通的双级精馏塔，如图 1-10 所示塔板根据所要求的产品纯度 决定，塔板数要比生产两种高纯度产品小，也不需要抽馏份或设辅塔。 生产两种高纯度产品。适用于纯氮/纯氧不小于 1 的场合。如 3200m3/h 空分装置纯氧和纯氮的产量都是 3200m3/h。氧、氮比为 1：1。 这时在上塔的上部要加
39、辅塔，如图所示 5-11。在辅塔底部抽出大量污氮， 图 1-10 12 以使在辅塔顶部提取纯氮。为了保证辅塔喷淋液氮的纯度在下塔中部抽馏份液氮。要有足够的塔板数， 使得在下塔顶部的氮气达到 99.99%的纯度。 生产两种纯度产品，仅是纯氮/纯氧等于 0.20.5，也就是要求生产的纯氮量比较少的场合， 可设置纯氮塔。如图 1-12 。由下塔顶部引出一部分气氮进入底部，经过进一步精馏，在纯氮塔顶部得 到纯度更高的产品氮。而产品纯氧则由主塔和纯氮塔的冷凝蒸发器上部引出。 图 1-11 图 1-12 这种方式的特点是由于下塔顶部气氮的纯度比较低，所以下塔压力相对的可以低，由此能耗可以 降低,但是流程组
40、织相对辅塔流程要复杂些。 对于生产纯氧，也叫工业氧（氧纯度在 99.5%） ，以及生产纯度不高工艺氧（氧纯度在 95%98%） 或者两种产品都生产的精馏组织也和上述一样，可以和用设置辅塔，控制塔板数的办法来实现。 1.3.3 防爆系统组织 空分装置爆炸的原因一般有： 液空和液氧中乙炔与碳氢化合物等杂质积聚。 操作不当引起爆炸。 在切换式换热器流程系统中，乙炔很容易在液氧中析出，这是引起爆炸的根源。如在主冷凝蒸发 器中，液氧中的乙炔为液面上气氧中乙炔的 24 倍（温度-180） ，可见液氧中的乙炔含量远远高于气 氧中乙炔含量。另方面液氧溶解乙炔的能力较差。温度越低越不易溶解。当液氧蒸发时或排放时
41、乙炔 很容易析出。附在管壁上及浮在液面上，一旦引爆就容易发生爆炸，所以空分装置在主冷凝蒸发器中 发生爆炸的事故较多。为了防止在液氧中乙炔的积聚一般是首先用吸附法除去液空中大部分乙炔，然 后再用吸附法进一步除去液氧的乙炔。 液氧循环法 如图 1-13,使主冷中液氧气不断流动，在吸附中清除乙炔。避免乙炔积聚。 此种液氧循环全靠液氧泵强迫流动，液氧泵的循环量必须等于或大于氧气产量。若上下塔分开， 则液氧泵循环量约为氧产量的 56 倍。例如管式 1500m3/h 就是上、下塔分置流程。 采用辅助冷凝器及乙炔分离器 冷凝蒸发器中的部分液氧经辅助冷凝蒸发器的盘管，并在管内蒸发，同时使液氧不能冲刷管壁。 液
42、氧在辅冷中并未全部蒸发，而需留下约 1%的液体。这部分液体中浓缩了大部分乙炔，再经乙炔分离 器将已蒸发的气体与含有乙炔的液体定期排放，流程示意图 1-14。 13 图 1-13 图 1-14 自循环 自循环是指液体在不消耗外功。即不靠泵推动的情况下形成自然流动。液氧是靠循环回路中局部 受热，内部产生重度差而引起流动的。也可称为热虹吸作用或气泡泵作用。 对于液氧的循环，从防爆及替代液氧泵的观点看，对循环量有两个方面要求：其一引出的液氧量 通过吸附器后能将其中的乙炔和碳氢化合物得到清除，并带出装置。其二热虹吸蒸发器出口要有一定 数量净化的液氧量返回主冷，以稀释主冷的液氧，减低主冷液氧中乙炔及碳氢化
43、合物浓度。如果只能 满足其一也就相当于辅冷防爆方法。返回主冷筒体的液氧量与循环量的关系为： TETELOWxxW)1(2 式中 返回主冷液气量2 循环液氧的气化率Ex 液氧循环量T TVoWx2 式中 液氧气化量2VoW 设 2VoTn N 称之为循环倍率，可见 14 Exn1 自循环的循环倍率通常取 84 吸附器的配置直接影响乙炔的净除率，见表 1-2 表 1-2 吸附器的配置及其乙炔净除率 除去乙炔的百分率配置情况 吸附器+气氧 排放液氧 一个液氧吸附器 95.2% 4.8% 一个液空吸附器 98.8% 1.2% 一个液空吸附器和一个液氧吸附器 99.5% 0.5% 二个液空吸附器和二个液
44、氧吸附器 99.95% 0.05% 分子筛纯化系统 在具有分子筛纯化器的低压流程中,因分子筛对水分、二氧化碳、乙炔及其碳氢化合物的共吸附作 用,从理论上讲,已经没有必要再设置液空吸附器及液氧吸附器。为了提高分子筛对二氧化碳的吸附能 力,压缩空气进入分子筛纯化器需要预冷到 815。为确保制氧机的安全和连续运转,个别流程除设置 两只纯化器以外,还设有一只或两只液氧吸附器,而液空吸附器就不设置了。见图 1-15 图 1-15 1.3.4 换热器系统组织 在保证工艺流程需要的前提下,取消作用不大的换热器, 尽可能减少换热器的数量,以简化流程,减少流体阻力,降低设 备投资。 制氧流程中常见的换热器有 7
45、 种 1、主换热器 其主要作用是使加工空气与返流氧气、氮气和污氮换热， 使之冷却到液化温度，达到液化，进入精馏塔下塔底作为原 料。此种换热器设置在中压小型制氧机及带分子筛纯化器的 全低压制氧机中。 2、切换式换热器 该类换热器包括可逆式板翅式换热器及蓄冷器。它的主 要功能是将加工空气冷却到接近液化温度，而后参与精 馏。同时回收返流气体的冷量，使氧气、氮气、污氮等 气流复热后送出装置。在换热的同时将空气中的水分、 二氧化碳自清除。即起到换热和自清除双重作用，使制 氧机的换热和杂质清除净化有机地结合起来。 3、冷凝蒸发器 它是精馏所必需的换热设备,是联系上、下塔的纽带。其 中上塔的液氧和下塔气氮换
46、热，液氧蒸发后一部分作为产品 气体引出，另一部分为上塔提供上升蒸汽，气氮冷凝后为上 下塔提供回流液。就其结构来分，可分为板翅式、管式两种，而管式又分为长管式、短管式、盘管式。 短管式用于中压小型制氧机，因其传热系数较低，所以需要取较大的主冷温差，通常为 22.5；长 管式、板式用于中、大型全低压制氧机。板式换热器结构紧凑传热系数高换热效果比管式的好。在全 低压流程中主冷温差取的较小，一般取 1.61.8。主冷温差还直接影响精馏塔的压力，决定了全低 15 压流程操作压力。如我公司现运行的所有设备的主冷都是板式冷凝器。 4、过冷器 常见有液空过冷器、液氮过冷器（纯液氮、污液氮） 、液氧过冷器。过冷
47、器的作用是使下塔来的液 空、纯液氮、污液氮和从上塔抽出的氧、氮、污氮气换热，使液体过冷。从而减少节流汽化率，提高 上塔回流比，改善上塔的精馏工况。同时回收了从上塔出来的纯氮气、污氮气的冷量，因此，高、中、 全低压流程中均采用。尤其是全低压切换式换热器流程，由于污氮气的部分冷量被过冷器回收了，提 高了污氮入切换式换热器冷端的温度，缩小了冷端温差，有利于自清除。过冷器回收的冷量由液空、 液氮带回上塔，也就是减少了加工空气带入下塔的冷量，因此，过冷器客观上起到了上、下塔冷量分 配的作用。就其结构来讲，有板翅式及管式两种。 5、液化器 它是全低压切换式换热器流程所必需的换热器。就其冷流体的不同，分为污
48、氮液化器、纯氮液化 器及氧液化器。在切换式换热器流程中，由于自清除工况的要求以及切换系统的结构限制，加工空气 在切换式换热器冷端不能出现液体，通常有 11.5的过热度。而精馏塔由于冷损的存在，要求进塔 加工空气中含少量的液空。为解决此矛盾，设置液化器提供精馏塔所需的含湿量，保证精馏塔热平衡， 这就是液化器设置的必要性。此外，液化器在切换式换热器的全低压制氧机启动时，起产生液体和积 累液体的作用。在正常操作时，液化器将返流气体的冷量回收给部分加工空气，使之液化流入下塔， 客观上起到切换式换热器与下塔之间的冷量分配作用。 值得指出的是液化器不必控制，能自动保持返流低温气体出液化器的温度恒定，这叫做
49、“自平衡” 。 当经过液化器的低温气体温度低时，冷量较多地传给饱和空气，使之液化量增加，液化器的压力降低， 与下塔压差增大，进液化器的饱和空气量就增加，反之则减少，这样就维持了出液化器的低温气体温 度，保证了切换式换热器的冷端温差，满足了自清除要求。 6、空气预冷器 空气预冷器的作用是保证加工空气进切换式换热器或分子筛纯化器的工艺要求的温度。 7、膨胀前、后换热器 在流程中有的设置膨胀前换热器，有的设置膨胀后的换热器。 膨胀前换热器可以调节膨胀机前的工质状态，以满足膨胀后过热度的要求。 膨胀后换热器的作用能够降低膨胀后气体的过热度又保持膨胀量不变。在膨胀后换热器中是用污 氮气或纯氮气来冷却膨胀后气体，也就是将上塔出来的气体冷量回收给上塔，可以提高上塔的回流比， 改善精馏工况，提高氧的提取率，减
