上海交通大学：《低温原理及应用》课程教学资源（课件讲稿）第08讲 空气分离系统

上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 低温原理及应用 第8讲空气分离系统 2018年春季 黄永华博士、教授 AANLAAMMN 答疑： 邮箱huangyh@sjtu.edu.cn;电话：34206295 或预约办公室：机动A楼432室 日日日

低温原理及应用 第8讲 空气分离系统 2018年春季 黄永华 博士、教授 答疑: 邮箱 huangyh@sjtu.edu.cn ; 电话: 34206295 或预约 办公室：机动A楼432室

1.林德单塔系统 最简单的空气分离系统之一 采用基本的林德一汉普逊液化系统，用精馏塔代替了储液器 t 用其他液化系统来为塔内提供液体

1. 林德单塔系统 最简单的空气分离系统之一 采用基本的林德－汉普逊液化系统，用精馏塔代替了储液器 用其他液化系统来为塔内提供液体

1.林德单塔系统 19吸附除去C0,和H20 换热器 ③ 1.0 ⑤) wr ⑧ 0.8 供料线 0.6 污氨 纯氧气 4 节流阁名 0.4 0.2 3 ④ 纯液氧 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 液体摩尔份额，X 图3.55林德单塔气体分离系统 图3.56单塔系统精馏工作过程图

图3.55 林德单塔气体分离系统 图3.56单塔系统精馏工作过程图 1. 林德单塔系统

需气氧时，仅需把空气压缩到3-6MPa 需液氧时，须把空气压缩到20MPa以上 塔内压力通常为130~200kPa 两大缺点 1)仅能得到纯氧产品， 可能占到氧产品的20-30% 2)污氮放空浪费了大量的氧，离开塔的污氮中含有10%的氧 ,若作为惰性气体或其他应用场合，这么高的氧含量是很危 险的，在空气分离的早期，污氮直接放空

需气氧时，仅需把空气压缩到 3- 6 MPa 需液氧时，须把空气压缩到20MPa以上 塔内压力通常为130~200 kPa 两大缺点 1)仅能得到纯氧产品， 2)污氮放空浪费了大量的氧，离开塔的污氮中含有10％的氧 ，若作为惰性气体或其他应用场合，这么高的氧含量是很危 险的，在空气分离的早期，污氮直接放空。 可能占到氧产品的20-30%

2.林德双塔系统 单塔缺点→采用两个精馏塔，并把一个放在另一个顶上。 下塔操作压力为500kPa~600kPa 上塔操作压力约为100kPa 压力为507kPa时氮的沸点为94.2K,比101.3kPa的氧的沸点 90.2高。 下塔氮气液化作为下塔回流液可以通过上塔氧的沸腾来实现，同时 上塔沸腾氧蒸汽作为上塔的上升蒸汽。 下塔产生多余的液氮节流到上塔顶部作上塔项部回流液

2. 林德双塔系统 压力为507 kPa时氮的沸点为94.2 K ，比101.3 kPa的氧的沸点 90.2 高。 下塔氮气液化作为下塔回流液可以通过上塔氧的沸腾来实现，同时 上塔沸腾氧蒸汽作为上塔的上升蒸汽。 下塔产生多余的液氮节流到上塔顶部作上塔顶部回流液。 单塔缺点 采用两个精馏塔，并把一个放在另一个顶上。 下塔操作压力为500kPa～600 kPa 上塔操作压力约为100 kPa

2林德双塔系统 换热器 用上塔的液O2冷凝下塔的气氮 氮气排出 •冷量的内部利用问题 纯氧气 排出 上塔：101.3kPa氧的沸点90.2K 冷凝蒸发器 L02 LN N 下塔：507kPa氮的沸点为94.2K 节流阀分 蒸发器 富集氧的液态空气

2 林德双塔系统 •用上塔的液O2冷凝下塔的气氮 •冷量的内部利用问题 下塔：507 kPa氮的沸点为94.2K KK 上塔：101.3 kPa氧的沸点90.2K

3林德一弗兰克系统 氨预冷 除器 560kPa陈 12.7MPa 、氨预冷器 换热器 4% T樱 液化部分 氨预冷的双压克劳特 GO296 氮气排出GN2 液化系统 纯氧排出 GN2 蓄冷回热器 一 W 膨胀机 100 kPa 过冷却器 氮换热器、 弗兰克1925年 123 kPa 专利产品 GOX 萄冷器 GN2 ←一冷凝紫发器 切换倒 LN2 特点： 500 kPa 大流量 一节流阀 系统能耗： ~50%林德双塔系统 液态空气 气态空气

3 林德－弗兰克系统 560kPa 12.7MPa 蓄冷回热器 96％ 4％ 氨预冷 500 kPa 123 kPa 100 kPa GN2 GO2 特点： 大流量 弗兰克1925年 专利产品 系统能耗： ~50%林德双塔系统 液化部分 氨预冷的双压克劳特 液化系统

4海兰特系统 美国通常使用的空气分离系统之一 10 MPa, 氨预冷器 w 主换热卷 空气进 液氮和液氧产品 预冷器 氮气 排出 节流阀文 清除器一 膨张机 700kPa,110K 700 kPa 过辣器 液态空气 氨过冷器 下塔操作压力 200 kPa LN2 气氨 氧产品中含氧量为99.6% L0X产品 LN2 液态N2产品 700 kPa 液氮产品氧含量不超过7ppm 空气 下塔的操作压力 液态空气

4 海兰特系统 10 MPa， 700 kPa,110K 700 kPa 700 kPa 200 kPa 液氮产品氧含量不超过7ppm ， 氧产品中含氧量为99.6% 美国通常使用的空气分离系统之一 液氮和液氧产品 下塔的操作压力 下塔操作压力

5氩分离系统 大气中稀有气体主要含量是占体积比为0.93%的氩 空气分离系统不抽取氩馏份时，不可能同时获得氧和氮的纯产品。 氖、氦通常是和低沸点氮在一起 氩气的沸点介于氧和氮之间 87.3K 进入下塔后，氖、氦组分随气体上升至冷凝 蒸发器，形成“不凝性气体”，汇集于下塔 进入精馏塔后，将在上塔中间某些部 顶部和冷凝蒸发器的冷凝器顶部，对不提取 位形成富氩区。 这部分不凝性气体的装置需定期放空排 首先表现在计算精馏塔的理论塔板数 向塔外。 上。若把空气看成氧氮二元混合气时 影响大且复杂 ,计算所得到的理论塔板数与实际塔 板数偏差很大，且根据这种计算确定 的液空进料口的位置与实际也有很大 的偏差。若按氧、氮和氩三元混合气 计算，与实际情况偏差大大减小

5 氩分离系统 大气中稀有气体主要含量是占体积比为0.93％的氩 空气分离系统不抽取氩馏份时，不可能同时获得氧和氮的纯产品。 氖、氦通常是和低沸点氮在一起 进入下塔后，氖、氦组分随气体上升至冷凝 蒸发器，形成“不凝性气体”，汇集于下塔 顶部和冷凝蒸发器的冷凝器顶部，对不提取 这部分不凝性气体的装置需定期放空排 向塔外。 氩气的沸点介于氧和氮之间 87.3 K 进入精馏塔后，将在上塔中间某些部 位形成富氩区。 首先表现在计算精馏塔的理论塔板数 上。若把空气看成氧氮二元混合气时 ，计算所得到的理论塔板数与实际塔 板数偏差很大，且根据这种计算确定 的液空进料口的位置与实际也有很大 的偏差。若按氧、氮和氩三元混合气 计算，与实际情况偏差大大减小。 影响大且复杂

往提纯子系统去 粗氩 的原料氩气 GO2+GN2 主分离塔 氩气分离系统通常由两部分组成 氨气排出 (1)粗氩子系统， (2)纯化子系统， 氧气排出 GO,+GN,+GA 氩分离塔 高浓度氧， 12%的氩 L02 空气进 图3.59粗氩子系统 不纯净的L02

图3.59 粗氩子系统 高浓度氧， 12％的氩 粗氩 氩气分离系统通常由两部分组成 ： （1）粗氩子系统， （2）纯化子系统