空分培训教材
绪论
⼀、空⽓分离的⼏种⽅法
1、低温法（经典，传统的空⽓分离⽅法）
压缩膨胀
低温法的核⼼
2、吸附法：利⽤固体吸附剂（分⼦筛、活性炭、硅胶、铝胶）对⽓体混合物中某些特 定的组分吸附能⼒的差异进⾏的⼀种分离⽅法。
特点：投资省、上马快、⽣产能⼒低、纯度低（93%左右）、切换周期短、对阀的要桥架接头
求或寿命影响⼤。
3、膜分离法：利⽤有机聚合膜对⽓体混合物的渗透选择性。
2O 穿透膜的速度⽐2N 快约4-5倍，但这种分离⽅法⽣产能⼒更低，
纯度低（氧⽓纯度约25%~35%）
⼆、学习的基本内容
1、低温技术的热⼒学基础——⼯程热⼒学：主要有热⼒学第⼀、第⼆定律；传热学：以蒸发、沸腾、冷凝机理为主；流体⼒学：伯努利⽅程、连续性⽅程；
2、获得低温的⽅法
绝热节流相变制冷等熵膨胀
3、溶液的热⼒学基础
拉乌尔定律、康诺⽡罗夫定律（1、2 ，空分的核⼼、精馏的核⼼） 4、低温⼯质的⼀些性质：（空⽓、O 、N 、Ar ）
5、液化循环（⼀次节流、克劳特、法兰德、卡⽪查循环等）
6、⽓体分离（结合设备）三、空分的应⽤领域
1、钢铁：还原法炼铁或熔融法炼铁（喷煤富氧⿎风技术）；
2、煤⽓化：城市能源供应的趋势、煤⽓化能源联合发电；
3、化⼯：⼤化肥、⼤化⼯企业，电⼯、玻璃⾏业作保护⽓；
4、造纸：漂⽩剂；
5、国防⼯业：氢氧发动机、⽕箭燃料；
6、机械⼯业；四、空分的发展趋势
○现代⼯业——⼤型、超⼤型规模；
○⼤化⼯——煤带油：以煤为原料⽣产甲醇；○污⽔处理：富氧曝⽓；○⼆次采油；
第⼀章空分⼯艺流程的组成
⼀、⼯艺流程的组织
我国从1953年，在哈氧第⼀台制氧机，⽬前出现的全低压制氧机，这期间经历了⼏代变⾰：
第⼀代：⾼低压循环，氨预冷，氮⽓透平膨胀，吸收法除杂质；第⼆代：⽯头蓄冷除杂质，空⽓透平膨胀低压循环；第三
代：可逆式换热器；第四代：分⼦筛纯化；第五代：，规整填料，增压透平膨胀机的低压循环；第六代：内压缩流程，规整填料，全精馏⽆氢制氩；
○全低压⼯艺流程：只⽣产⽓体产品，基本上不产液体产品；○内压缩流程：化⼯类：5~8MPa ：临界状态以上，超临界；钢铁类：3.0 MPa ，临界状态以下；⼆、各部分的功⽤
净化系统压缩冷却纯化分馏（制冷系统，换热系统，精馏系统） 液体：贮存及汽化系统；⽓体：压送系统；
○压缩⽓体：对⽓体作功，提⾼能量、具备制冷能⼒；（热⼒学第⼆定律）
○预冷：对⽓体预冷，降低能耗，提⾼经济性
有预冷的⼀次节流循环⽐⽆预冷的⼀次节流循环经济，增加了制冷循环，减轻了换热器的⼯作负担，使产品的冷量得到充分的利⽤；○纯化：防爆、提纯；
吸附能⼒及吸附顺序为：2222CO H C O H >>；○精馏：空⽓分离
换热系统：实现能量传递，提⾼经济性，低温操作条件；制冷系统：①维持冷量平衡②液化空⽓膨胀机 h W ?+ ⽅法节流阀h ?
膨胀机制冷量效率⾼：膨胀功W ；冷损：跑冷损失 Q1 复热不⾜冷损 Q2 ⽣产液体产品带⾛的冷量Q3
321Q Q Q Q ++≥
第⼀节净化系统
⼀、除尘⽅法：
1、惯性⼒除尘：⽓流进⾏剧烈的⽅向改变，借助尘粒本⾝的惯性作⽤分离；
2、过滤除尘：空分中最常⽤的⽅法；
3、离⼼⼒除尘：旋转机械上产⽣离⼼⼒；
4、洗涤除尘：
5、电除尘：
⼆、空分设备对除尘的要求
对0.1m µ以下的粒⼦不作太多要求，因过滤⽹眼太⼩，阻⼒⼤；对0.1m µ以上的粒⼦要100%的除去；
三、过滤除尘的两种过滤⽅式
1、内部过滤：松散的滤料装在框架上，尘粒在过滤层内部被捕集；
2、表⾯过滤：⽤滤布或滤纸等较薄的滤料，将尘粒黏附在表⾯上的尘粒层作为过滤层，
进⾏尘粒的捕集；
⾃洁式过滤器：1m µ以上99.9%以上；
阻⼒⼤于1.5KPa 。就进⾏⾃清除；⽂丘⾥管（⽂式管）：将空⽓压⼒能转换为速度能；滤筒可以⼯作时更换；四、除尘装置的性能评价
1、流量（处理能⼒）：选加⼯空⽓量的两倍；
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2、压⼒损失；
3、除尘效率；
4、寿命；
第⼆节空⽓压缩系统
概念：
等温效率：等温效率T η，为等温功率T N 与轴功率N 之⽐，即：N
N T
T =η控制调节能⼒：防喘振；振动：
经济性：好的⽤汽轮机，蒸汽机，燃汽轮机；
第三节空⽓预冷系统
⼀、分类
双向推车
1、氮⽔预冷：适⽤于⼤中型空分；
2、冷⽔机组：适⽤于< 4000的空分；⼆、组成
空冷塔，⽔冷塔，⽔泵，冷⽔机组氮⽔预冷系统分为两类：
a.空压机末级冷却器与空冷塔合⼆为⼀：氮⽔预冷系统热负荷⼤，传热温差⼤，常⽤；
b.空压机末级冷却器单独设置；三、⼯作原理
利⽤来⾃冷箱内污氮、氮⽓含⽔的不饱和性吸收蒸发潜热使循环⽔降温；
热质交换：显热——温差；潜热——相变；
潜热交换显热交换；
常温：⽔——100℃⽔蒸⽓ 100千卡以上；⽔100℃——⽔蒸汽 539千卡；
冷箱内来的WN 相对湿度为20%~30%，⾮常⼲燥，相对湿度是相变发⽣的主要条件。四、预冷系统的作⽤
1、实现空⽓的等温压缩，增⼤等温效率；
2、降低空⽓进主换热器的温度；
3、使纯化条件⼯作在最佳状态。
五、设置氮⽔预冷系统的优点
1、保证冷量充⾜（膨胀量可减少）；
2、减少主换热器的热负荷；
3、减低空⽓的饱和含⽔量，减轻纯化系统的⼯作负荷；
4、温度越低，⼯况越稳定。六、结构类型
1、空冷塔：a.空筒式：洗涤空⽓灰尘、S H NH 23，等；
b.⼤孔径穿流板；阻⼒较⼤，10KPa 以上；
c.散堆填料：⽬前使⽤最多，鲍尔环：表⾯积⼤，传质效果好，阻⼒⼩； 2、⽔冷塔；a.喷淋式； b.塔板式； c.散堆填料；
3、冷⽔机组：逆卡诺循环
O H 2WN 2N
第四节纯化系统
空⽓是多组分组成，除氧⽓、氮⽓等⽓体组分外，还有⽔蒸汽、⼆氧化碳、⼄炔及少量的灰尘等归体杂质。这些杂质随空⽓进⼊空压机与空⽓分离装置中会到来较⼤危害，固体杂质会磨损空压机运转部件，堵塞冷却器，降低冷却效果；⽔蒸⽓和⼆氧化碳在空⽓冷却过程中会冻结析出，将堵塞设备及⽓体管道，致使空分装置⽆法⽣产；⼄炔进⼊空分装置后会导致爆炸事故的发⽣，所以为了保证制氧机的安全运⾏，清除这些杂质是⾮常有必要的。⼀、m n H C CO O H ,,22净除的⼏种⽅法
1、吸收法：O H NaCO CO NaOH 2322+=+ 现在已不使⽤；
2、冻结法：切换板式：利⽤氮⽓蒸发和升华。淘汰的原因：要求污氮的量⼤，氧氮产
量1：1.2；
3、吸附法：利⽤固体吸附剂对⽓体混合物中多组分吸附能⼒的差异进⾏的；氧氮产另
⽐ 1：（2.5~3.5）；
⼆、吸附过程的基本原理
当⽓体与固体吸附剂相接触时，在固体表⾯或内部将发⽣容纳⽓体的现象（被吸附的物质叫吸附质，起吸附作⽤的物质叫吸附剂）。三、吸附的两种类型
1、物理吸附：靠分⼦间作⽤⼒（范德华⼒），吸附剂与吸附质的化学性质基本不变；
2、化学吸附：靠吸附质与吸附剂形成化学键，由于吸附键的结构影响，化学性质变化
的。
吸附是⼀个传质过程，有两个阶段：
A.外扩散：从⽓体的主体通过吸附剂颗粒周围⽓膜到颗粒表⾯；裁板机刀片
B.从表⾯进⼊空⽳内部有表⾯扩散和空扩散。. 四、对吸附剂的⼏点要求
1、吸附剂必须是多孔性物质：
2、吸附剂必须有特定的选择性；
3、吸附容量要⼤；
4、能再⽣且能多次使⽤；
5、有⾜够的机械强度不破碎；
6、价格便宜；五、吸附剂的分类 1、活性炭；
2、硅胶：硅胶的化学式为：O nH SiO 22?。当硅胶吸附⽔分时，可以达到⾃⾝重量的
50%，相对湿度为60%时，吸湿量也可达到24%，但是硅胶吸附⽔分后温升⾼，易破碎；可分为粗孔和细孔硅胶；
3、铝胶：即氧化铝的⽔合物，化学式为O nH O Al 232?；性质很稳定，⽆毒，坚实，浸⼊⽔中不软化、膨胀或崩裂，耐磨抗冲击；
4、分⼦筛；
制氧机应⽤的分⼦筛为沸⽯分⼦筛。化学通式如下：
分⼦筛⽬前主要有A 型、X 型和Y 型；
常⽤的有外型有球状和条状；尺⼨为6~2Φ；
⽬前空分上使⽤的分⼦筛都是13x 分⼦筛，13x 分⼦筛是⼀种离⼦形吸附剂，对极性分⼦有强的亲和⼒。13x 分⼦筛有条形，球形之分；且有各种型号，可以根据所需效果选择。
分⼦筛具有的吸附特点： a.选择吸附：
b.⼲燥度⾼：通常⼲燥后空⽓露点可达到负70度；
c.有共吸附能⼒：可以同时吸附⽔、⼆氧化碳、⼄炔等；
d.分⼦筛具有⾼的稳定性，温度达到700℃时，仍不熔性；
e.有简单的加热可使其再⽣；
顶空瓶六、吸附过程的进⾏
吸附平衡：当吸附速度和脱附速度相等时（P ，T ⼀定时），吸附与脱附是同时进⾏的，
（只不过是速度不⼀致，当速度⼀致时就是平衡状态）如下图：
转效点：当传质区前沿开始达到吸附器出⼝截⾯时，即流体出吸附剂层，被吸组分浓
度明显增加的点。如上图的E 点。
七、吸附能⼒的衡量
1、静吸附容量：在⼀定温度和被吸附组分浓度下，每单位质量（体积）吸附剂达到吸
附平衡时的所能吸附的最⼤量，即吸附剂所能达到的最⼤吸附量与吸附剂量
的⽐。
2、动吸附容量：当吸附器后刚出现吸附器时，吸附器内单位质量（体积）吸附剂的平
均吸附量，也就是吸附剂达到转效点的吸附量，通常⽤转效点来计算，即从
流体开始接触吸附剂到达“转效点”的时间。
⼀般取动吸附容量为静吸附容量的40%~50%，计算分⼦筛⽤量的⼀个重要指标。
⼋、吸附热
吸附热：流体分⼦被分⼦筛吸附到吸附剂表⾯所放出的热量；
温度升⾼：⽓体冷凝成液体，放热，放热设计计算⼀般取温差3℃，实际分⼦筛使⽤中温升⼀般在4℃—6℃；分⼦筛吸附器，以下两种形式；
分⼦筛
分⼦筛
活性氧
化铝
单层床
双层床
同时双层床再升温度相对低些，节能。
九、影响吸附容量的因素
1、吸附过程的温度和被吸附组分的分压⼒
温度越低，吸附效果越好，8~10℃分⼦筛吸附效果最好；
钢管扩口机
分压越⾼，代表被吸附组分的浓度越⾼，吸附效果也越好；
2、⽓体流速：流速越⼤，吸附效果越差，动吸附容量降低是⽓体与吸附剂接触时间短。
在中压流程中，⽓体进吸附器流速为0.4m/s;
在全低压流程中，⽓体进吸附器流速为0.25m/s;
3、吸附剂再⽣的完善程度：再⽣⽓源温度，进：170℃——190℃；
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