氣體分離設備

氣體分離設備是指將氣體液化、精餾、最終分離成為氧、氮和其他有用氣體的設備。 氣體分離設備是由多種機械和設備組成的成套設備，常按空氣壓力來分類。常用的有高壓、中壓和低壓3種。

基本介紹

• 中文名：氣體分離設備
• 外文名：Gas separation equipment
• 學科：機械工程
• 領域：工程技術

簡介

氣體分離設備是指將氣體液化、精餾、最終分離成為氧、氮和其他有用氣體的設備。 氣體分離設備是由多種機械和設備組成的成套設備，常按空氣壓力來分類。常用的有高壓、中壓和低壓3種。

選擇設備類型時應考慮產品種類、需求量和純度的要求，以及 電耗、安全連續運轉周期等因素。

氣體分離設備

低壓氣體設備由於電耗低、連續運轉周期長、經濟效益高，被廣泛採用。

從多組分原料氣中分離出單組分氣態和液態產品的深低溫設備。多組分原料氣通常指空氣、天然氣、焦爐氣、水煤氣、合成氨弛放氣和各種裂解氣等。常見的氣體分離設備有空氣分離設備、天然氣分離設備、合成氨弛放氣分離設備，以及焦爐氣、水煤氣分離設備和稀有氣體提取設備。

發展歷史

氣體分離設備的發展，是從1903年德國製成第一台商品制氧機開始的，隨後又 出現了其他原料氣的分離設備。1921年，美國建立第一家商業性回收氦並液化天然氣的工廠。這些原料氣組分多變、不穩定（特別是在低溫帶壓力下），物性計算複雜，給設計帶來困難，故很長時期都是當作燃料燒掉。直到30年代，焦爐氣和水煤氣的分離設備出現，才滿足了化肥工業的需要。60年代，美國採用帶液的透平膨脹機，製成了天然氣深低溫法回收輕烴的設備，使丙烷和乙烷的提取率達到80%，降低了化工原料的製造成本。由於能耗低、設備少、投資低、經濟效益高等優點，氣體分離技術得到迅速發展。

氣體分離設備

氣體分離原理 　分離的基本原理是：將經過淨化的帶壓或加壓的原料氣逐級冷卻至各分離組分的冷凝溫度進行分凝(單級或逐級冷凝);或使原料氣加壓、冷卻、液化、再精餾進行分離。常用的氣體冷凝溫度(在101.325千帕壓力下)。

天然氣分離設備

從天然氣中分離出乙烷以上的輕烴的氣體分離設備。天然氣深低溫分離輕 烴設備是在帶液透平膨脹機技術獲得成功後，逐步取代了傳統的冷凍油吸收法而發展起來的。70年代以來，採用這種方法的分離設備已在世界各地得到廣泛的套用。圖1是天然氣分離設備的工作原理。帶壓力的原料氣經分離器(Ⅰ)去除機械雜質後進入吸附器，除去水、二氧化碳和硫化物，然後在換熱器中被返流冷氣流冷卻。沸點較高的烴冷凝下來，在分離器(Ⅱ)中分離出冷凝液。液態烴經換熱器氣化復熱並將冷量轉給正流原料氣，然後進甲烷塔中部。在分離器(Ⅱ)頂部分離得到的氣體進入透平膨脹機冷卻後，又有部分烴氣冷凝出來。膨脹後帶液的氣體在分離器(Ⅲ)進一步分離分凝液而得到沸點更低的液態輕烴。液態輕烴進入甲烷塔頂部，與進入塔中部的氣流在塔內進行精餾，使輕烴和甲烷分離，從甲烷塔頂部獲得乾氣（甲烷），在塔底部獲得液烴。甲烷氣與分離器(Ⅲ)頂部出來的乾氣匯合，並進入換熱器復熱，再經透平膨脹機鼓風增壓後外送。

氣體分離設備

主要系統組成

低壓氣體分離設備由空氣壓縮系統、雜質淨化和換熱系統、製冷 系統和液化精餾 4個主要系統組成。相應的機械設備有空氣透平壓縮機、空氣冷卻塔、透平膨脹機和分餾塔等。低壓氣體分離設備的工作原理建立在液化循環和精餾理論基礎上進入的空氣先經空氣過濾器，而後由透平壓縮機空氣冷卻塔壓縮和冷卻到壓力為0.5兆帕、溫度為303K左右,再進入切換式換熱器(E1、E2)兩換熱器能清除空氣中的水和二氧化碳,並進行熱交換,把空氣冷卻到接近液化溫度(101K)後送入下塔，從下塔抽出一部分空氣送到換熱器(E2)加熱。加熱的空氣與下塔來的少量冷空氣匯合後進入透平膨脹機絕熱膨脹，產生需要的冷量，然後被送往上塔精餾。餘下的空氣在下塔初步精餾。在底部得到含氧38%的液化空氣，在下塔的頂部得到含氮 99.99%的純液氮，在中部獲得含氮約95%的污液氮。液化空氣、純液氮、污液氮分別從下塔抽出通過節流閥減壓到約0.05兆帕，送入上塔作回流液，在此進行第二次深低溫精餾,在上塔底部得到含氧99.6～99.8%的高純度氧氣，流經換熱器(E4、E2、E1)與空氣進行熱交換，升溫到大氣溫度後排出塔外。在上塔頂部獲得含氮99.999%的高純度氮氣，在上塔中部得到含氮約96%的污氮，均經換熱器(E3、E4、E2、E1)復熱到大氣溫度後排出裝置。

氣體分離設備

合成氨弛放氣分離設備

從氨合成塔的弛放氣中，通過深低溫法分離回收氫氮混合氣的氣體分離設備。弛放氣中含有大量有用氣體，以往僅作為燃料燒掉。合成氨弛放氣分離設備提取有用氣體，可增產約 5%的合成氨。因此，採用這種設備是合成氨廠重要的增產節約措施之一。

工作原理

合成氨弛放氣分離設備的工作原理就是利用各組分沸點的不同,通過分凝，將氫和其他組分分離開。氨的沸點高,易固化堵塞在管道中而影響設備的正常運行，必須先將弛放氣經水洗塔用軟水脫氨，再用矽膠吸附器除去水、二氧化碳和微量氨；在換熱器(E1)中受返流的氫氮混合氣和可燃廢氣冷卻，弛放氣被部分冷凝，其中甲烷、氬和部分氮被冷凝成液體，並進入分離器(Ⅰ)中分離。液體返回換熱器(E1)復熱氣化。從分離器(Ⅰ)頂部出來的氣體經換熱器(E2)進一步冷卻，在分離器(Ⅱ)中分離出產品氮、氫混合氣。氮氫混合氣經換熱器(E2)復熱後進入活塞式膨脹機進行絕熱膨脹，為低溫裝置提供冷量，然後經換熱器(E2、E1)復熱後出冷箱，按氫氮比為 3:1的比例配氮後，返回合成系統，再用壓縮機加壓，入合成塔合成為氨。富氮冷凝液在換熱器(E2、E1)氣化復熱後分兩部分：一部分作為吸附器的再生氣，另一部分作為廢氣通入鍋爐作為燃料使用。燃料廢氣中含有氬氣，還可在冷箱內另設氬塔加以回收。

焦爐氣、水煤氣分離設備

從焦爐氣、水煤氣中獲得氮氫混合氣的氣體分離設備。焦爐氣、水煤氣經預處理設備除去機械雜質後的組分。

設備的工作原理

帶壓力的原料氣（焦爐氣、水煤氣）經脫除二氧化碳後在換熱器中逐級冷卻。丙烯、乙烯和甲烷等高沸點碳氫化合物組分在相應的冷凝溫度下分凝成液體，並通過分離器分離後排出；未被分凝的混合氣通往氮洗塔，在塔中以液氮洗滌，除去微量的碳氫化合物、一氧化碳和氧等雜質，從塔頂得到氫氮混合氣。水煤氣由於只含少量甲烷，無冷凝液產生。為補償冷量的不足，常用一組附加氮循環製冷設備，產生液氮供洗滌混合氣用。由焦爐氣分離設備和空氣分離設備組成的聯合裝置，則以空氣分離設備生產的液氮作洗滌液。