空分设备流程
空分设备流程是一个复杂系统，由空气除尘、压缩、净化、制冷、换热、精馏、产品输送、液体贮存和控制等系统组成。
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一、 除尘
空气中含有大量的尘埃，压缩机在长时间的高速运行中，粉尘会对机器造成磨损、腐蚀和结垢，缩短机器寿命。因此必须设置原料空气过滤器，以清除空气中的尘埃。
※除尘机理共有5种：
（1）惯性撞击 （2）布朗扩散 （3）直接拦挡 （4）重力沉降
（5）静电沉降
目前空分设备普遍使用的是自洁式过滤器。自洁式过滤器是由高效过滤筒、文氏管、自洁专用喷头、反吹系统、净气室和出风口、框架组成。
过滤过程：在压缩机吸气负压作用下，吸入周围的环境空气。当空气穿过高效过滤筒时，粉尘由于重力、静电和接触，被阻挡留在滤筒外表面，净化空气进入净气室然后经出风管进入压缩机。
自洁过程：当电脑发出指令电磁阀启动，瞬间释放一股压力为0.4—0.6MPa的脉冲气流。经专用喷头整流喷出，文氏管卷吸、密封、膨胀从滤筒内部均匀地向外冲击，将积聚在滤筒外表面的粉尘吹落，自洁过程完成。
清灰控制有3种方法：（1）定时定位，可任意设定间隔时间和自洁时间。（2）差压自洁。当压差超过指标时，进入自动自洁。（3）手动自洁。当电控箱故障或粉尘较多时，采用手动自洁。
优点：（1）过滤阻力小（150—800Pa）
（2）过滤效高 比一般的高5%--10%
（3）适应性广
（4）耗气少（反吹）
（5）结构简单
（6）日常维护工作量少
二. 空气压缩
空分设备将空气经低温分离得到氧、氮等产品。从本质上来说是通过能量转换来完成的，能量主要是原料空气压缩机输入的。空气所需的总能耗中绝大部分是原料空气压缩的能耗。
压缩机的分类：
按结构分：
按压力分：有低压，中压，高压，超高压
终端排气压力小于0.2MPa为鼓风机，大于0.2MPa的才称为压缩机。低压0.2--1MPa，中压1--10MPa，高压10--100MPa，大于100MPa为超高压。
大型空分设备都选用离心式压缩机。
优点：（1）结构紧凑，排气量大，连续运转周期长
（2）气缸内不需要油润滑，所以加工空气不带油
（3）供气连续，稳定，无循环脉冲
缺点：工作范围较窄，一旦偏离设计工况，效率降低甚至发生故障。
离心式压缩机工作原理：工作轮在高速旋转过程中，由于离心力的作用及工作轮中的扩压流动，使气体的压力得到提高，速度也得到了提高。随后在扩压器中又进一步把速度能转化为压力能，所以温度提高压力提高。
离心式压缩机运行时有两个特殊工况需注意避免发生。
阻塞工况：当流量增大时，气流的轴向速度增大，冲角减小变成负值，
易发生阻塞造成级间压缩比及效率下降，引起压力变化，
但对设备本身不会造成损坏。
喘振工况：喘振的危害性后果是严重的，能引起重大的设备事故。所
以运行中要特别注意，避免发生。
喘振的主要原因：简单的讲是由于压力的升高造成流量的减少，气流
流动方向与叶轮叶道方向发生偏离。气流轴向速度减少，
冲角增大，造成叶道里的速度很不均匀。压力的突然下降
造成压缩机后的高压气流倒灌，弥补流量的不足，然后又
将倒灌进来的气体压出，这样周而复始的进行使压缩机产
生一种低频高振幅的压力脉冲，流量波动，机器强烈振动
并发出强烈噪声。管网容量越大，喘振频率越低，喘振能
量越大，危害也越大。
判断是否出现喘振，大致有几点：
（1）侧听压缩机排气管的气流噪声。正常情况下噪声较低是连续稳 定的。当接近喘振工况时，排气管中气流声时高时低有周期性
变化。进入喘振工况时，噪声明显增大，有周期性吼叫或喘气 声，甚至出现爆音。
（2）观察压缩机出口压力和进口流量的变化。在稳定工况下运行时，
压缩机的出口压力和进口流量变化不大，有规律数据在平均值附近小幅波动。当接近或进入喘振工况时，两者都发生周期性大幅脉动。
（3）对于增压机，需观察增压机压缩比的变化是否正常。
（4）观察壳体和轴承的振动情况，当接近或进入喘振工况时会发生
强振动。
（5）电机电流发生大幅波动。
※如何防止?
除在设计时加宽稳定工况区外，平时要保养好防喘振阀使之灵活。注 意观察压力和流量的变化，调整时要考虑压力和流量的关系。 - 5 -
三．空气预冷系统
用来降低进分子筛吸附器的空气温度与含水量。
流程：压缩后的高温空气进入空气冷却塔下部，由下向上穿过空气冷
却塔中的传质传热单元，依次与常温水和冷却水（或冷冻水）进行逆流接触而进行传热传质，以达到冷却和洗涤空气的目的。 主要设备：空气冷却塔（喷淋、穿流、溢流、填料），水冷却塔，冷
水机组，高压水泵。
目前较为先进的就是填料冷却塔。上部一般装有塑料鲍尔环填料，下部因空分温高装不锈钢与增强聚丙烯填料。优点为压力降小，能耗低，传热传质效果好，操作弹性大。
四．纯化系统：
在现代空分设备中，广泛应用的是分子筛净化空气流程。 优点：操作简便，产品提取量大，运转周期长。
作用：吸附清除原料空气中的水分、乙炔、二氧化碳及一些碳氢化合
物，保证空分设备安全运行。
流程：出预冷系统的压缩空气，自下而上通过分子筛吸附器时，空气
中所含有的水、乙炔、二氧化碳等杂质相继被吸附清除，净化后的空气进入主换器。吸附器成交替使用，一只工作时，另一只再生。
再生步骤分4步：（1）降压
（2）加热（用加热的干燥气体吹扫吸附剂）
（3）吹冷（用未加热的干燥气体吹扫吸附剂）
（4）升压
吸附的基本原理：是利用一种多孔性固体表面（如分子筛）去吸附气体（或液体）混合物中的某种组分，使该组分从混合物中分离出来，吸附用的多孔性固体称为吸附剂，被吸附的组分称为吸附质。
※什么叫分子筛？
分子筛是由人工合成的一种晶体硅酸盐（俗称泡沸石）。当加热到一定温度时，脱去结晶水，成为一种多孔洞、高选择、高效率的吸附剂。
主要特性：
（1）能将比分子筛孔径小的分子吸附在孔内，把大于孔径的分子挡
在孔外。对大小不同分子的混合物起到筛分子的作用。
（2）有选择性吸附。对极性分子及不饱和分子等，具有优先吸附的
能力。
（3）干燥度高。能使湿空气干燥到更低的露点温度。
（4）对相对湿度愈低的气体，吸附能力愈大。
（5）对高速流动的气体也有良好的干燥能力。
（6）在较高的温度下，仍具有较强的吸附能力。
（7）对水分、乙炔、二氧化碳共吸附。顺序是水分、乙炔、二氧化
碳。
（8）具有较强的稳定性，使用寿命长。
※吸附过程是怎样进行的？
气体（液体）通过吸附器内吸附层时，不是全部同时进行吸附，而是分层逐步进行的。气体（液体）刚通过吸附剂层吸附很快而且效率很高，以至于气体（液体）流出吸附层时被吸组分可以忽略不计（基本上全部被吸附）。大部分的吸附是在最上面（沿气流方向）比较薄得一层吸附剂上进行的，被吸组分浓度变化很快，称为“吸附区域”（传质区），上面这一层吸附剂达到饱和，气体通过时浓度不再发生变化（称吸附平衡区）。平衡区以下正在吸附是传质区，传质区以下是未吸附区。吸附器中传质区（吸附区域）逐渐下移，平衡区慢慢扩大，未吸附区相应缩小。当吸附区域（传质区）接近吸附剂底层时，由于上部吸附剂已完全饱和，流出气体中被吸组分的浓度开始增加，仍不大。传质区刚刚到达吸附剂底层流出气体中被吸附组分浓度显著增加，即达到“转效点”。继续下去，传质区完全离开吸附剂层，吸附层不再有效。
吸附床层高与容器直径之比在6—8，空筒的气体线速度（空塔速度）一般小于0.05M/s
吸附容量的大小受几种因素影响：
（1） 吸附过程的温度和被吸附组分的分压力（或浓度）、吸附容量随
吸附质分压力增加而增大。但增大一定程度以后，吸附容量大体上与分压力无关，吸附容量随吸附温度的降低而增大。所以应尽量降低吸附温度。同时，温度降低，饱和水分含量也相应减少。
（2） 气体流速。流速越高，吸附效果越差，吸附剂的动吸附容量越
小。
（3） 吸附剂再生完善程度。吸附剂解吸再生越彻底，吸附容量就越
大，反之越小。
（4） 气体温度。分子筛对相对湿度较低的气体干燥能力较大。
（5） 与吸附剂厚度有关。因为是分层吸附，故吸附层不能过薄。
五．制冷系统
空分设备是通过膨胀和节流制冷的，主要设备是膨胀机。
※ 什么叫制冷？
通过一定的代价，消耗功对气体进行压缩再进行膨胀，获得低温（-100°C以下的低温叫“深冷”）。它是靠消耗外功来获得低温的过程。
膨胀机是用来对压缩气体进行膨胀，输出外功，产生冷量的低温设备。是空分设备产生冷量的来源。
现在空分设备都选用透平式膨胀机。透平膨胀机按气体在叶轮流道中是否继续膨胀分为两种类型。气体在叶轮流道中继续膨胀的称反击式。气体完全在喷咀中膨胀，在叶轮中不膨胀的称为冲击式。现在广泛采用的是卧式，单级，径流，向心，反击式透平膨胀机。
特点：具有速度搞，流量大，冷损小，效率高，体积小，结构简单，连续运转时间长的特点。
基本工作原理：简单的讲，压缩空气通过喷咀和膨胀机工作轮时进行膨胀。推动工作轮高速旋转输出外功而消耗本身的内能，产生冷量，使温度降低。
透平膨胀机的主机结构：由膨胀机蜗壳，喷咀环，转子，出口扩压器，内外轴承，密封系统和制动系统组成。
六．换热系统
空分设备的热平衡是通过制冷系统和热交换系统来完成的。现在空分设备换热器为铝制板翅式换热器（包括过冷器，液化器，冷凝蒸发器）。
优点：（1）传热效率高。传热系数比管壳式高几十倍。传热面积可达1500—2500M2/M3 .
（2）结构紧凑，轻巧，牢固
（3）适应性大，可适应多种介质热交换
缺点：流道易堵塞，维修困难。
换热基本原理：根据热力学第二定律，热量传递是具有方向性的， 是由高温物体传给低温物体。两种物质只要存在温差，不论是直接或间接接触都会发生热量传递，温差愈大传递的热量愈多。空分设备热交换器是高温气体放出热量，传递给管壁内表面，再通过管壁外表面传递给低温气体。
七．精馏系统
是实现低温分离的重要设备。有单级和双极精馏，由上塔，下塔，冷凝蒸发器组成。
※什么叫精馏？
简单的讲精馏是利用两种物质的沸点不同多次的进行混合蒸汽 - 11 -
的部分冷凝和混合液体的部分蒸发过程，来实现分离的目的。
单级精馏塔是将空气一次精馏，分离成氧气或氮气。对空气分离不完善，提取率低，不能同时获取氧和氮。
双极精馏塔是由上塔，下塔和冷凝蒸发器所组成。首先空气在下塔进行初步分离，得到液氮和副氧液空（38—40%），然后将副氧液空和液氮减压后，导入上塔进行二次蒸馏，得到高纯度的氧和氮产品。
上塔液空进料口以上部分，是用来提高气体中氮的浓度，称为精馏段或浓缩段。进料口以下部分是用来将液体中氮分离出来，提高液氧中氧的浓度，称为提馏段或蒸馏段。
在运行中需注意的几点：
（1） 物量平衡：即入塔的空气量应等于出塔的分离产品之和。
（2） 组分平衡：空气分离后所得的各气体中某一组分的量的总和必
须等于加工空气量中该组分的量。
（3） 能量平衡：即进入塔内的热量（包括冷损）总和应等于出塔产
品的热量之和。
回流比的调整
※什么叫回流比？
指塔内下流液体量与上升蒸汽量之比，又称液气比。
从操作运行角度讲，塔板数已定。产品的纯度及提取率取决于对 - 12 -
回流比的调整。精馏段回流液增多（回流比增大），氮纯度提高。提馏段上升气量增加（回流比减少），氧纯度提高。回流比决定了塔板上气、液浓度的变化规律，也就影响到精馏塔中分离出产品的纯度。
在操作中应注意提高氮纯度。从物料平衡来分析，氮纯度低说明氮气中带走的氧多，则氧产量减少。
空分设备常用的精馏塔，筛板塔和填料塔。
筛板塔：在塔内设置一定数量的筛板，筛孔0.9—1.3mm，孔距
3—4mm，正三角排列，边上有溢流斗。气体自下而上穿过小孔与液体互相接触，进行传热、传质。气体与液体浓度沿塔高呈阶梯型变化。
填料塔：塔内装置一定高度的填料层，液体从塔顶沿填料表面呈薄膜
状向下流动，气体则呈连续相由下向上同液膜逆流接触，发生传热传质过程。气体与液体沿塔高连续变化。
八．产品输送系
主要由各种不同规格氧压机和氮压机组成。
九．液体贮存系统
由不同规格的贮槽，低温液体泵和汽化器组成。
十．控制系统
采用计算机集散控制系统，可以实现自动控制。
空分设备的操作
※空分设备的操作要点是：
1. 保证净化效果和精馏工况的稳定
2. 充分发挥透平膨胀机的制冷能力
3. 注意各参数的内在联系，相互配合进行调整
空分装置的操作分为启动操作，正常操作，加温操作三大部分。其中启动操作尤为重要。
一．
启动过程是指自膨胀机启动起至整个空分设备转入正常生产，各种参数稳定时为止。在启动过程中，系统中的物流温度和压力发生着剧烈的变化。能否掌握这种变化将关系到能否进行正常生产以及产品产量多少，产品质量的好坏，生产周期的长短等方面。所以启动操作是空分生产中的重要环节。
从传热角度来说，正常生产为稳定热传导过程，启动为不稳定的热传导过程。
从传质角度来说，启动初期精馏工况尚建立，没有产品输出。加工空气只作为冷冻介质，而没有得到分离。
总之，启动过程也就是积累冷量建立正常的物料平衡和热平衡的过程，正常生产是维持正常的物料平衡及热平衡的过程。
1. 启动过程一般分为三个阶段：
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