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美国国家仪器 NI - 仪表测量

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    浅谈:几种先进的控制流程

    孙严军 2010-04-26 11:04

     

     

     

    1.1.         低温精馏法

        低温精馏法的主要工作原理是将空气压缩液化,除去杂质并冷却后,根据各组分沸点的不同,经精馏塔精馏分离,而得到所需产品。值得注意的是,国内在低温精馏生产氮氧氩气体时,一般是以生产氧为主要指标。其设备能力也按照氧气的生产规模标注。例如:6000m3/h空分是指该空分设备的氧气生产能力为6000m3/h

      低温法空分工业自1902年德国制成第一台生产能力为10m3/h的单级精馏空分装置以来,迄今已有100多年的发展历史。在此期间,分离空气的流程与设备不断改进71902年克劳特用膨胀机液化空气成功;1924年弗康克尔提出用具有金属带填料的蓄冷器代替换热器;1932年拉赫曼提出将部分空气直接送入上塔参加精馏,挖掘上塔潜力;1939年卡皮查将透平膨胀机用于低压空分装置;40年代末,美国制成可逆式换热器并用于空分工业。

      到了50年代,空分技术进入了一个新阶段,各国都趋于发展大型化全板翅式换热器的全低压空分装置,装置最大容量达50000m3/h

      近年来,分子筛脱除水和二氧化碳技术在空分装置中得到重视和应用;到80年代初,国外大型空分设备单套生产能力已达到74000m3/h98.5%O2)。

    大规模工业生产氧气、氮气以此法为最经济,在空气分离方法中占有牢固的统治地位。其优点是:(1)因为主换热器只起低温产品气体和环境温度原料气热交换作用,其冷损失可尽可能地低;(2)所需交换的热量减少到最小,所以换热器的换热面积也最小。

    目前低温法分离空气的主要流程有两种8;一是能同时分离氧、氮的双塔流程;另一种是能同时生产氧、氮和氩的三塔流程。

    随着压缩机加工制造技术的发展,探冷法已逐步由往复式压缩机向离心式和螺杆式压缩机发展,使用寿命增加到10万小时以上。空气净化技术也由化学溶液处理发展为分子筛纯化,既提高了净化效率,又改善了操作环境,近几年低温法的发展,主要有以下几方面。

    1)液氧泵内压缩流程913

    目前,大型空分装置除采用高效和大制冷量的带增压风机的空气轮膨胀机和高压氮气汽轮膨胀机外,还采用高压液氧泵在冷箱内对产品液氧进行压缩而后气化的液氧内压缩流程。

    为适应以煤或渣油为原料的大型合成氨设备对高压氧气和氮气的需要,80年代初林德公司开发了液氧泵内压缩空气分离流程空分设备,并投入了运行。液氧泵的作用是将主冷凝器中的液氧抽出和加压,经换热器气化复热后达到制氨工艺要求的压力(9.7MPa),它代替了大型氧压机的功能。

    2)大型低温制氮设备

    目前世界上最大的一台低温制氮设备装于北海油田的海上平台上,日产氮气6600t(约220000m3/h)。原理流程是将空气压缩后通过分子筛吸附器清除水分、CO2和烃类杂质,经换热降温,再经低温精馏塔分离制得氮气。

    3)综合煤气化联合发电设备(ICGCC设备)

    ICGCC设备将空气分离系统、煤气化系统、蒸汽燃气联合发电系统三者组合成一个整体,经物料平衡、能量平稳以及投资成本等因素的综合分析,使输出的电能达到最佳化。

    4)填料塔

    80年代初瑞士苏尔寿公司开发了不同结构的规整填料,获得专利。采用填料塔可增大塔负荷调节范围,常规的筛板塔的负荷调节范围在70%110%之间,而规整填料塔负荷调节范围为30%110%

    应用规整填料代替板式塔还可使上塔压力降低,从而获得节能效果。据美国APCI公司报导3:规整填料应用于下塔可节能2.5%,而应用于上塔则可节能8%。如果维持原来板式塔的压力降操作,则使用规整填料可增加分离级数,而氧的提取率是随着分离级数的增加而提高的。

    由此可见,低温法的发展趋势是:(1)大型化,最大达到220000m3/h氮气;(2)采用规整填料,优点是流量大、阻力小、操作弹性大、效率高;(3)与其它过程相结合,降低能耗,提高整体总效率。

    目前,低温空分设备大多采用低压流程,原理基本一致,只是在冷却加工气体以及清除空气中的杂质等方面有差异,分以下不同流程14;(1)可逆式换热器设备及蓄冷器设备,这两种流程中皆配置了液相或气相吸附器;(2)分子筛吸附器设备;(3)凝胶干燥器吸收水分,低温凝胶吸附器清除二氧化碳和碳氢化合物。

    2.2 变压吸附法(PSA法)

    1964Skarstrome等人15发明了变压吸附技术(PSA),70年代PSA法开始应用于分离空气制取氧气、氮气。其机理是:(1)利用沸石分子筛对氮的吸附亲和力高于对氧的吸附亲和力,分离氧气、氮气;(2)利用氧气在碳分子微孔系统狭窄空隙中的扩散速度大于氮气的扩散速度,在远离平稳条件下分离氧、氮。

    变压吸附法制氧、氮是在常温下进行的,工艺过程有加压吸附,常压解吸;常压吸附,真空解吸。吸附剂对气体的吸附量随着压力的升高而增加,随着压力的降低而减少,在降低压力的过程中,放出被吸附的气体,使吸附剂再生。由于变压吸附技术受到两个关键技术的限制:一是高效吸附剂的开发;二是频繁开关的阀门可靠性和灵活性的提高。

    70年代德国埃森矿业研究有限公司(BF公司)开发成功高效高强度的碳分子筛(CMS),使变压吸附技术得到进一步发展,阀门专利技术的发展,提高了材质的耐腐蚀性和阀门形状的可靠性及密封性能。这样,随着分子筛吸附性能的提高及吸附工艺的不断完善,产品氧、氮的能耗逐步下降,变压吸附空分规模发展趋势向中、大型化发展。目前,大型的PSA装置多数是钢铁工业制氢和合成氨原料气CO2的分离,而在空分方面目前分离能力多数是6000m3/h以下的装置。

    变压吸附空分一般采用二塔、三塔或四塔流程,也有五塔甚至十二塔流程。产品纯度可达4959,收率从26%提高到40%,可与深冷法空分媲美。其不足是生产规模较小。

    2.3 薄膜渗透法

    气体膜分离是利用有些金属或具有特殊选择分离的有机高分子和无机材料,制成不同结构形态的膜,在一定驱动力下(如温度、压力差等),使双元或多元组分透过膜的速率不同而达到气体分离的目的。

    1950年,Weller等人16用厚度为25um的乙基纤维素薄膜,从空气中分离出含氧32.6%的富氧空气。至70年代末,膜分离空气技术开始从实验室走向小型化的工业应用。其机理是:(1)膜与气体接触,气体向膜表面溶解;(2)因气体溶解产生了浓度梯度,使气体在膜中向前扩散;(3)气体达到膜的另一面,并且膜中气体浓度已处在稳定状态,气体则由另一膜面脱附出去。

    膜技术的关键是制造具有高通量和高选择、使用寿命长又易于清洗的膜材料,同时将他们组合成大透气量和高分离效能的膜组件。

    目前薄膜分离制氮流程的能耗还高于变压吸附流程,只在小型规模上有投资成本较低的优点。由于膜分离具有效率高、能耗低、设备简单、流程短、操作方便、无运转部件、占地面积小、工艺过程无相变,也无需再生,适应性很强等特点,发展前景及应用领域广阔。

    2.4 化学吸收法

    化学吸收法是指高温碱性混合熔盐在催化剂作用下能吸收空气中的氧,再经降压或升温解吸放出氧气,其代表是80年代开发的Moltox系统,从熔盐中脱出的氧,纯度为98%99.5%。此法用于大型空分制氧有很大前途,氧气产量在500t/d以上,与传统的低温法制氧比较,效率可提高约50%,同时还可生产大量的高温水蒸汽。但是该法对制氮效果不明显,同时其工艺目前在国内还未实施。

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    韩斐 2012-07-01 13:33
    液氧泵内压缩流程
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    韩斐 2012-07-01 13:34
    大型低温制氮设备
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    韩斐 2012-07-03 14:35
    综合煤气化联合发电设备(ICGCC设备)
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    韩斐 2012-07-03 14:42
    低温法的发展趋势
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    韩斐 2012-07-03 14:43
    变压吸附法(PSA法)
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