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高纯氮空分设备常见问题

高纯氮空分设备常见问题
迪尔空分大型空分设备怎么制取高纯氮
上塔分馏时,在液空入口以下叫做提馏段,液空入口以上叫做精馏段,提馏段实现氧氩分离,精馏段实现氧氮分离,由于氧和氩的沸点比较接近,分离难度比较大。为了保证氧的纯度,在精馏段的氧一般分离不干净,氩随氧和氮一起逸出。如果要得到高纯氮,在精馏段氩就会随氧冷凝下来,影响氧的纯度。要想既保证氧的纯度又得到高纯氮,就必须在精馏段抽出氩浓度较高的部分气体。
空气分离塔主要包括主热交换器、液化器、精馏塔、冷凝蒸发器等。主热交换器、冷凝蒸发器和液化器是平板式热交换器。它是一种新型的全铝金属复合隔墙换热器。平均温差小,热交换效率高达98-99%。塔式设备的类型根据内部零件进行划分,设置筛孔板的称筛板塔,设置泡罩板的称泡罩塔,堆放填料的称填料塔。筛孔板结构简单、便于制造、塔板效率高,因此在空分精馏塔中被广泛使用。填料塔主要用于直径小于0.8m且高度小于7m的精馏塔。气泡塔由于结构复杂和制造困难而很少使用。 透平膨胀机是氮气发生器用来产生冷能的旋转叶片机。它是在低温条件下使用的燃气轮机。透平膨胀机根据叶轮中气体的流动方向分为轴向流、径向径向流和径向轴向流。根据气体是否在叶轮中继续膨胀,分为反攻和冲量。单级径向轴向流反攻透平膨胀机广泛用于空气分离设备。 低温空分制氮设备复杂,占地面积大,基础设施成本高,一次性设备投资大,运行成本高,产气慢,安装要求高,周期长。低温空气分离制氮设备适用于大规模工业制氮,但在中小型制氮中不经济。对于低于3500Nm3 / h的设备,相同规格的PSA装置的投资规模比低温空气分离装置的投资规模低20%-50%。
低温空气分离氮气生产使用空气作为原料,将其压缩、净化和热交换以将空气液化为液态空气。液态空气主要是液态氧和液态氮的混合物。液氧和液氮具有不同的沸点,并且通过精馏分离它们以获得氮。
1978年,我国空分行业成功研制生产出第一套高纯氮空分设备,时至今日,制氮设备的研发和制造在近几十年取得了跨越式的发展,高纯氮设备的生产技术已日趋成熟并已完全实现了国产化。
随着国民经济的飞速发展,深冷空分制氮设备已广泛应用于石化、玻璃、轮胎、多晶硅、碳纤维等工业领域,制氮工艺流程由空气压缩及净化、空气分离、液氮汽化组成。 1、空气的压缩及净化:空气经过滤器清除灰尘和机械杂质后,进入空气压缩机,压缩至所需压力,然后送入空气冷却塔,降低空气温度。再进入分子筛吸附装置,除去空气中的水份、二氧化碳、乙炔及其它碳氢化合物。 2、空气的分离:净化后的空气进入分馏塔中的主换热器,被返流气体(产品氮气、废气)冷却至饱和温度,送入精馏塔底部,在塔顶部得到氮气,液空经节流后送入冷凝蒸发器蒸发,同时冷凝由精馏塔送来的部分氮气,冷凝后的液氮一部分作为精馏塔的回流液,另一部分作为液氮产品出分馏塔。 由冷凝蒸发器出来的废气经主换热器复热到约130K进膨胀机膨胀制冷,为分馏塔提供冷量,膨胀后的气体一部分作为分子筛的再生和吹除用,然后经消音器排入大气。 3、液氮的气化:由分馏塔出来的液氮进液氮贮槽贮存,当空分设备检修时,贮槽内的液氮进入汽化器被加热后,送入产品氮气管道。
为了降低设备的安装成本,越来越多的空分用户要求冷箱整装出厂,冷箱整装就是在设计时,合理分割各功能模块,在生产厂内完成设备制造,并以模块化的形式完成产品交付。与设备散件出厂,现场安装相比,整体冷箱可以充分利用生产制造厂内完善的硬件设施,良好的施工环境,大量缩减现场工作量,提高产品质量控制,加快施工进度,减少制造成本。 整体交货的高纯氮空分设备冷箱内包含精馏塔、冷凝蒸发器、换热器、阀门等,通过管道将各部连接组成整体。这就要求在设计时充分考虑运输条件和安装方便等因素,并通过合理的设计、制造,最终模块化的形式交付用户。 设计思路应保证:整装交货的冷箱能完全满足成套空分设备的技术性能要求;工艺流程计算应适应整装冷箱的特殊要求;保证冷箱的规划布置具有可行性和先进性。在保证性能的前提下,优化装置工艺流程和单元设备的设计计算,使单元设备结构符合整装交货的特殊要求,并同时保证各项技术指标达到要求。 通过优化设计,空分设备冷箱整装可以做得更加紧凑,现场工作量减少,安装成本降低。产品质量更高。
常见的高纯氮设备,若氮气压力高于0.5MPa,常采用低压返流废气膨胀流程,若氮气压力小于0.25MPa,则采用低压正流膨胀流程。压力氮气提取率与产品的压力、产量和产品液体量有关,产品压力越高,产量越少,液体产品量越大,氮的提取率就越低。反之亦然。
迪尔空分的一个炼钢用户早期投建的空分设备,当时由于工艺需求的氮气用量较小,为了减少投资,采用了氧、氮气1:1的分子筛吸附净化流程,没有配置冷水机组,用大量抽取污氮气去水冷塔以降低冷却水温度。
高纯氮的基本流程形式有以下几种:1、返流废气膨胀流程,适合于对氮气产品压力较高的场合。该流程有效的利用了带压力的废气,分全膨胀与部分膨胀两种流程,全膨胀较部分膨胀所产生的液体量会较大,但是会增加膨胀机的投资。2、正流空气膨胀机流程,适用于要求氮气产品压力较低品的场合。流程形式为膨胀空气经过膨胀机增压端增压后直接去膨胀,膨胀至接近于常压直接放空,在装置规模较大时,则是单独设置增压机用于增压膨胀空气,用于提高产品产量。3、变压吸附制氮,适用于氮气纯度要求较低的场合。一般变压吸附无法生产液体,需要液体产品时,采取配套外液化装置的方式。以上几种流程形式相比较,变压吸附可以降低能耗,但投资较大。当前应用最多的为返流废气膨胀流程和正流空气膨胀流程,其中正流空气膨胀适合液体用量较大的用户,返流废气膨胀流程具有能耗低的优势,应用最为广泛。
当小型制氧机用液氮节流阀调节液氮纯度时可以发现,阀门在某一开度范围内调节,对液氮的纯度影响不大;而在某一位置,阀门开度变化1°~2°,就会使液氮纯度发生较大的变化。也就是说,液氮节流阀的开度与液氮纯度的变化并不是一个简单的比例关系,而是调节有一最灵敏的位置。这种现象与下塔顶部的结构有很大关系。下塔顶部是与主冷相连,氮气上升进入主冷的管内后冷凝成液氮下流,在主冷的下部设有液氮接液槽。液氮槽内的液氮通过液氮管节流至上塔,处于液氮槽内圈的冷凝管中冷凝的液氮将直接回流至下塔作为回流液。当液氮节流阀的开度过大,液氮槽中液面过低时,通过液氮管路的将是汽液混合物,这时,在主冷中冷凝的液氮量相应减少,下塔的回流液也减少,所以液氮纯度较低。 当关小液氮节阀时,通过节流阀的蒸气量逐渐减少,下塔回流液有所增加,液氮纯度逐渐上升。当液氮节流阀关小到管内已没有蒸气通过,而液氮槽内的液氮还未满到溢流的程度时,即使关小液氮节流阀也不会改变下塔回流液的多少,因此,液氮纯度基本不变。当继续关小节流阀,使流入液氮槽的液体不能全部通过节流阀,而液面上涨到有部分溢流回下塔时,下塔的回流液增多,液氮纯度会有较大幅度提高。再继续关小节流阀,由于下塔回流液继续增加,液氮纯度将继续提高,但变化是缓慢的,不会发生突变。并且,液氮量过少,液空中氧纯度过低,对上塔精馏也无益。在操作时,要经常分析液氮纯度,找出每一空分设备的纯度变化灵敏点相应的液氮节流阀开度。
以氮气作为膨胀机的工质的流程叫氮膨胀。氮膨胀分成纯氮气膨胀和污氮气膨胀两类。纯氮气膨胀流程是从下塔顶部和主冷凝器氮侧顶部抽出纯氮气,一部分经切换式换热器环流通道复热后再汇合进入透平膨胀机,膨胀后的氮气经板翅式换热器作为产品氮气引出。 污氮气膨胀流程,它是从下塔中部抽出含氧1%左右的污氮气,一部分经切换式换热器环流通道复热后再汇合进入透平膨胀机,膨胀后的污氮经过冷液化器和切换式换热器复热回收冷量,再通过蒸发冷却塔吸收冷却水的蒸发热后放空。由于从下塔抽出氮气,使主冷凝器的液氮冷凝量减少,因此送入上塔的回流液氮减少,使精馏塔的回流比达到比较合理的数值,这样充分利用上塔的精馏潜力,提高氧的提取率。 氮膨胀的优缺点是:1)氮膨胀后气体不进入上塔,因此它不会直接影响上塔精馏工况,它在膨胀后的过热度可以比空气膨胀高,膨胀后的压力也可以比空气膨胀低一些。因而单位制冷量就比空气膨胀要大,在设备冷损一定的情况下,它的膨胀量就可少一些;2)由于膨胀后的气体不入上塔,并且主冷的热负荷减小,因此上塔的上升气量比空气膨胀的要少,从而塔径可以缩小,结构也可以简化;3)氮膨胀量增大对主冷温差有一定影响,会使污氮中的含氧量升高,降低氧的提取率,可是对氧纯度的直接影响不太大,对馏分氩的影响则更小,在国外的大型空分设备上已采用氮膨胀;4)氮膨胀的工质比空气膨胀的工质要干净,因而膨胀机可以在更安全的条件下运行。因为氮膨胀的工质是从下塔上部抽出的,它不可能带有固体二氧化碳等杂质。而空气膨胀的工质是从下面第一块泡罩塔板上抽出的,空气中的二氧化碳就有可能被带入膨胀机内,引起膨胀机的磨损。此外,在氮膨胀时,膨胀后压力是0.12MPa,温度要到78.7K才会出现液滴,因此在膨胀机中不容易产生液体; 5)由于下塔的最小回流比大于上塔精馏段的最小回流比,也就是说下塔回流液比上塔回流液富余得少,所以从下塔能抽取的气氮量要比能送入上塔的空气量少。通常,抽氮膨胀量不超过加工空气量的16%,而空气膨胀量不超过加工空气量的25% 。
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