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空氣分離過程設(shè)備密封失效分析Analysis of Air Separation Process Seal failure 領(lǐng)域化學(xué)工程張奎同劉麗艷陳永獻研究生指導(dǎo)教師企業(yè)導(dǎo)師天津大學(xué)化工學(xué)院二零一二年十月 獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得天津大學(xué)或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名：簽字日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解天津大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán)天津大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明）學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽名：簽字日期：簽字日期：年月日年月日 摘 要空氣分離裝置是石油化工、鋼鐵冶煉、煤化工等大型工業(yè)應(yīng)用廣泛的關(guān)鍵設(shè)備。一般處在工藝流程的前端，空氣分離裝置能否穩(wěn)定、長周期運行關(guān)系著整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和企業(yè)的經(jīng)濟效益。根據(jù)生產(chǎn)過程中的運行統(tǒng)計，空氣分離系統(tǒng)非計劃停車多是因為密封失效而造成的。本文介紹了某化工廠空氣分離過程中重要的設(shè)備及其密封方式。對空氣壓縮機、汽輪機、循環(huán)水泵以及低溫液體泵在生產(chǎn)中出現(xiàn)的密封失效的原因進行了分析，涉及到了機械密封、填料密封、迷宮密封等化工生產(chǎn)過程中常見的密封方式。從實際出發(fā)，并提出了整改措施，并在生產(chǎn)實踐中得了了驗證。對空氣分離過程中墊片密封失效的原因進行了理論分析，并結(jié)合生產(chǎn)實際情況，利用ANSYS軟件模擬分析工作狀態(tài)下法蘭密封的可靠性。選取空氣分離過程中比較重要的換熱設(shè)備（蒸汽加熱器）為代表，對其封頭墊片密封在正常工作狀態(tài)下的受力情況進行模擬分析，得到墊片在操作工況下的應(yīng)力及應(yīng)變分布，判斷墊片密封的可靠性。從而能夠提前發(fā)現(xiàn)存在密封失效隱患的設(shè)備，做好計劃檢修。減少非計劃停車對系統(tǒng)的影響，提高經(jīng)濟效益。關(guān)鍵詞：空氣分離；密封；失效分析；模擬 ABSTRACT Air separation unit is the petrochemical, iron and steel smelting, coal chemicalindustry and other industrial applications of key equipment. Generally in the processof air separation device of front end, whether stable, long cycle operation of the entiresystem safety and economic benefit of enterprise. According to the production processin the operation of air separation system of statistics, unplanned shutdown muchbecause of sealing failure.This paper introduces a certain chemical factory air separation process isimportant equipment and sealing method. On the air compressor, turbine, a circulationwater pump and a cryogenic liquid pump in the production of sealing failure causeswere analyzed, related to the mechanical seal, packing seal, labyrinth seal and otherchemical production process in the common seal.On the air separation process of the gasket sealing failure causes were analyzedin theory, and combining the actual situation of production, use ANSYS software tosimulation analysis under the working condition of flange sealing reliability. Selectionof air separation process of heat exchange equipment ( steam heater ) as therepresentative, the head gasket seal in the normal state of the work force wassimulated and analyzed by the gasket, under the operating condition of stress andstrain distribution, judge the gasket sealing reliability. In order to advance revealed thepresence of seal failure of hidden equipment, well planned maintenance. Reduce theunplanned shutdown of the effect on the system, raise economic benefits.Key words:Air separation; Seal; Failure Analysis; Simulation 目錄第一章前言. 1第二章空分行業(yè)狀況概述 . 32.1國內(nèi)外空分行業(yè)發(fā)展概述. 32.2空氣分離設(shè)備 . 42.2.1靜設(shè)備. .42.2.2動設(shè)備. 142.3密封及其分類 . 162.3.1靜密封. 162.3.2動密封. 17第三章空氣分離過程設(shè)備密封及失效分析. 223.1空分過程動設(shè)備密封失效分析 . 223.1.1空壓機密封失效分析. 223.1.2汽輪機密封失效分析. 233.1.3循環(huán)水泵密封失效分析. 243.1.4潤滑油泵密封失效分析. 253.1.5液氧泵等低溫液體泵密封失效分析 . 273.2空分過程靜設(shè)備密封失效分析 . 271 3.2.1設(shè)計因素 . 283.2.2裝配因素 . 283.2.3連接件因素. 283.2.4墊片材料 . 293.3法蘭墊片密封可靠性模擬. 293.3.1模型模擬載荷的計算. 303.3.2.模型構(gòu)建. 33第四章模擬結(jié)果分析. 39第五章結(jié)論. 42參考文獻: . 43致謝. 452 第一章前言第一章前言空氣分離裝置簡稱空分是石油化工、鋼鐵冶煉、煤化工等大型工業(yè)應(yīng)用廣泛的關(guān)鍵設(shè)備，為整套生產(chǎn)系統(tǒng)提供壓力空氣、氧氣、氮氣以及氬氣等氣體產(chǎn)品。并且隨著科技的進步與經(jīng)濟的飛速發(fā)展，其他行業(yè)對氧氣、氮氣、氬氣等空分產(chǎn)品的需求量也日益升高，使得空氣分離設(shè)備也稱制氧機越造越大。伴隨著計算機技術(shù)在空氣分離過程中的廣泛應(yīng)用，空氣分離設(shè)備逐漸向著巨型化、自動化方向發(fā)展?？辗质抢每諝庵懈鹘M成成分的物理性質(zhì)不同，一般采用深冷法、吸附法、膜分離法等方法從空氣中分離出氧氣、氮氣，或同時提取氦氣、氬氣等稀有氣體的過程。其中膜分離、吸附、化學(xué)分離法屬于非低溫空氣分離方法。深冷法屬于低溫分離法，是把空氣降到 100K以下，加壓液化。并且利用空氣中各組分沸點的不同，多次發(fā)生部分冷凝和部分蒸發(fā)從而最終實現(xiàn)氧氣、氮氣、氬氣等稀有氣體的分離。由于在大型工業(yè)化制取氧氣、氮氣、氬氣方面，特別是在產(chǎn)品純度方面，低溫法制造氧氣、氮氣、氬氣等稀有氣體優(yōu)勢明顯，是其他幾種制氧方法不可取代的。且只有低溫法才具有同時生產(chǎn)氬氣及其它稀有氣體的能力，所以在目前大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中低溫法在空氣分離中占據(jù)主導(dǎo)地位。因西方國家工業(yè)化進程要早于國內(nèi)，伴隨著工業(yè)化大發(fā)展而出現(xiàn)的空氣分離行業(yè)也最先在國外發(fā)展壯大。目前國外最先進的低溫法制取空分產(chǎn)品的裝置已逐步向著高產(chǎn)能、高分離效率、負荷可變、液氧（液氮）內(nèi)壓縮、規(guī)整填料塔、全精餾無氫制氬、副產(chǎn)液體產(chǎn)品、自動化水平高、純度高、性能可靠、運行周期長、能耗低等方向發(fā)展?，F(xiàn)在國外研究出了分子篩吸附脫除二氧化碳和水，制冷設(shè)備采用具有自我增壓特點的透平膨脹機，在低溫液體泵方面也有較大進展，使得大型空分工藝流程實現(xiàn)了空分過程安全、高效、低耗。在國內(nèi)，隨著杭氧、開空、川空等國內(nèi)大型空分企業(yè)的發(fā)展壯大，低溫法制取氧氣裝置近幾年在制造水平上也取得了很大的進步和發(fā)展，氧氣提取率有了很大程度的提高，氧氣產(chǎn)品的單位能耗正逐步降低，系統(tǒng)穩(wěn)定性也有了保障。在工藝流程設(shè)計、設(shè)備設(shè)計制造、設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面都取得了長足進步。隨著國內(nèi)制氧機技術(shù)含量的提高經(jīng)濟性能指標也得到了明顯提升。在當(dāng)今空分行業(yè)競爭日趨激烈的環(huán)境下，制氧機對空氣分離設(shè)備的要求也越來越高，越來越嚴，要求空分工藝流程和空分機器設(shè)備要達到最優(yōu)化。回顧我國大中型空分行業(yè)近 50年來工藝流程技術(shù)方面發(fā)展的歷程，可以毫不夸張的說每次流程的推進和變革，都是因新工藝、設(shè)備的出現(xiàn)而引起的。制冷設(shè)備離心式透平膨脹機的出現(xiàn)，使大中型制氧機實現(xiàn)了低壓流程。換熱效率1 第一章前言高的鋁制板翅式換熱器的出現(xiàn)，使石頭蓄冷器流程被切換板翅式換熱器流程代替。分子篩吸附器以及吸附材料的發(fā)明和改進以及高效自增壓透平膨脹機的發(fā)明，結(jié)束了分子篩流程能耗高的缺點，用分子篩吸附脫除二氧化碳和水替代切換式換熱器，使空分行業(yè)設(shè)備技術(shù)發(fā)展上了一個新的臺階。在降低制氧機能耗方面貢獻最大的莫過于規(guī)整填料技術(shù)在精餾塔中的應(yīng)用。低溫液體泵的出現(xiàn)使液氧內(nèi)壓縮成為可能，并成功取代氧壓機，以及全精餾無氫制氬流程的設(shè)計和應(yīng)用使制氧機在安全、高效、節(jié)能等方面推進了一大步。另外計算機技術(shù)在大型制氧機中的應(yīng)用和推廣，提高了制氧機的自動化水平，解放了勞動力并大大降低了勞動強度，提高了安全系數(shù)。從世界工業(yè)化進程來看，每次新技術(shù)和新工藝的出現(xiàn)都是圍繞著安全和節(jié)能這兩個主題進行的，空分流程的革新也不例外。節(jié)能、智能和安全將是空分技術(shù)發(fā)展不變的主題?？辗盅b置自動化水平的提高，對設(shè)備運行的可靠性提出了更高的要求。特別是煤制甲醇企業(yè)，尤為重要。煤制甲醇企業(yè)的生產(chǎn)特點首先是工藝的連續(xù)性，只有系統(tǒng)安全穩(wěn)定長周期優(yōu)化運行，才能實現(xiàn)高產(chǎn)低耗，達到效益最大化，增強核心競爭力、才能在當(dāng)前競爭日益加劇的煤制甲醇行業(yè)擁有一席之地。從而有效帶動國內(nèi)煤化企業(yè)調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、延長產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)上下游一體化發(fā)展，推動大型煤制甲醇裝置的建設(shè)。低溫法分離制氧作為煤制甲醇企業(yè)的第一個環(huán)節(jié)，制氧機能否穩(wěn)定、高效運行關(guān)系著整個工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定。一旦發(fā)生設(shè)備故障，輕則造成全系統(tǒng)停車導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失，重者發(fā)生危及人身安全事故，造成極為嚴重的后果。因此提高空分裝置設(shè)備穩(wěn)定性，減少故障率，對整個工藝系統(tǒng)安全穩(wěn)定長周期優(yōu)化運行意義重大。2 第二章空氣分離行業(yè)狀況概述第二章空分行業(yè)狀況概述2.1國內(nèi)外空分行業(yè)發(fā)展概述空分行業(yè)的發(fā)展已有 100余年歷史，隨著科技水平的不斷進步以及高科技成果在空分行業(yè)的逐漸普及，空分技術(shù)以及發(fā)展為一項比較成熟的技術(shù)。目前國外著名的空分技術(shù)供應(yīng)商如德國林德公司（ Linde）、美國空氣產(chǎn)品和化學(xué)品公司（APCI）、法國液化空氣公司（Air Liquide）等都可以制作單套制氧能力達到 10萬 m3/h以上的制氧機。三大氣體公司已形成“三足鼎立”局面，均造出了超大型空分設(shè)備。隨著國內(nèi)工業(yè)化進程的推進，國內(nèi)空分產(chǎn)品需求量逐年升高，特別是大型石油化工行業(yè)，鋼鐵冶煉行業(yè)以及近年來發(fā)展迅猛的煤化工行業(yè)，對空分產(chǎn)品需求越來越大。三家大型空氣分離技術(shù)供應(yīng)商在我國搶先占領(lǐng)市場，提供專業(yè)的空分分離技術(shù)，在一定程度上推進了國內(nèi)大型空分行業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)大型空分設(shè)備行業(yè)通過消化吸收國外先進技術(shù)，在工藝流程設(shè)計、關(guān)鍵設(shè)備制造水平等方面取得了重大突破。目前國內(nèi)已有多套生產(chǎn)能力在 5萬m3/h以上的國產(chǎn)制氧機成功開車運行。空分行業(yè)圍繞著安全與節(jié)能，不斷創(chuàng)新新工藝、革新新設(shè)備，已逐步呈現(xiàn)低壓化、大型化、特大化、自動化、高純化、液體化、貯運化、綜合化、現(xiàn)場化。近年來，隨著規(guī)整填料在空分精餾塔中1的應(yīng)用，這種效率高、壓降小的填料塔優(yōu)勢得到充分體現(xiàn)，逐步替代了板式塔，使空分生產(chǎn)能力得到逐步提高。目前空分精餾填料塔多見于主精餾上塔、粗氬塔、精氬塔。隨著規(guī)整填料技術(shù)的研究，高效的填料塔在主精餾下塔的應(yīng)用也在逐步增加。國內(nèi)空分設(shè)備制造始于 1955年，國內(nèi)深冷法制氧空分流程先后經(jīng)歷了鋁帶蓄冷器凍結(jié)高低壓空分流程、石頭蓄冷器凍結(jié)全低壓空分流程、切換式換熱器凍結(jié)全低壓空分流程、常溫分子篩凈化全低壓空分流程、常溫分子篩凈化增壓膨脹空分流程、常溫分子篩凈化填料型上塔全精餾制氬流程。目前國內(nèi)空2分行業(yè)正在逐步實現(xiàn)大型液氧內(nèi)壓縮代替氧氣外壓縮的空分流程革新，使我國深冷法空分設(shè)備制造水平基本達到世界先進水平。國內(nèi)空分行業(yè)經(jīng)過近 50年的發(fā)展，不斷引進新技術(shù)，吸收消化，目前我國空分設(shè)備制造業(yè)已有引進學(xué)習(xí)向自主創(chuàng)新方向發(fā)展。經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)我們已經(jīng)掌握了大型及特大型空分設(shè)備的設(shè)計、制造、成套技術(shù)，并在 2萬6萬 m3/h型空分設(shè)備中廣泛應(yīng)于。目前國內(nèi)三家大型制氧機分別是杭州杭氧股份有限公司、四川空分設(shè)備(集團)有限公司、開封空分集團有限公司。為我國空分分離行業(yè)的發(fā)展做出了卓越貢獻，三家企業(yè)在空分制造行業(yè)某些領(lǐng)域達到或超過了國外同行業(yè)，填補了國內(nèi)的空白。杭3 第二章空氣分離行業(yè)狀況概述氧在乙烯冷箱技術(shù)方面達到了當(dāng)前國際先進水平。開空已經(jīng)率先在國內(nèi) 6000m3/h型制氧機上實現(xiàn)全精餾無氫制氬工藝，并最先 15000 m3/h型制氧機實現(xiàn)了液氧內(nèi)壓縮流程，打破了西方企業(yè)在液氧內(nèi)壓縮流程上的壟斷。并成功實現(xiàn)了40000 m3/h型制氧機的國產(chǎn)化。川空實現(xiàn)了從切換換熱器到分子篩吸附脫除二氧化碳和水的流程革新，在主精餾上塔采用規(guī)整填料塔，降低了能耗。雖然近些年來，國內(nèi)空分行業(yè)在技術(shù)和設(shè)備制造水平上有了較大的進步，但和國外先進的空分公司還存在著差距，主要表現(xiàn)在：（1）在能耗方面，相同生產(chǎn)能力的空分裝置，進口設(shè)備要比國產(chǎn)設(shè)備能耗低。（2）在穩(wěn)定性方面，進口設(shè)備在穩(wěn)定性方面要優(yōu)于國產(chǎn)設(shè)備，國產(chǎn)空分裝置經(jīng)常發(fā)生跳車，影響整套系統(tǒng)的正常生產(chǎn)，并且國產(chǎn)空分裝置對操作攻的業(yè)務(wù)水平要求高，極易因為操作原因?qū)е孪到y(tǒng)減負荷甚至停車。（3）在安全方面，進口空分裝置要比國產(chǎn)空分裝置噪聲小，國產(chǎn)空分運行環(huán)境下，對現(xiàn)場巡檢人員的聽力具有很大的傷害，必要時要做降噪處理。雖然國產(chǎn)空分在技術(shù)上還存在較多問題，但是國產(chǎn)設(shè)備在價格方面較進口設(shè)備有很大的優(yōu)勢。2.2空氣分離設(shè)備2.2.1靜設(shè)備空分過程中靜設(shè)備主要包括空氣預(yù)冷系統(tǒng)的空冷塔、水冷塔、空氣純化系統(tǒng)的分子篩、電加熱器、蒸汽加熱器、板翅式換熱(主換熱器、過冷器、主冷凝蒸發(fā)器、氬系統(tǒng)蒸發(fā)器及冷凝器)和精餾塔（上塔、下塔、以及氬塔等）。2.2.1.1空氣預(yù)冷系統(tǒng)空冷塔一般采用填料塔，空冷塔的填料有三層構(gòu)成，下層為不銹鋼階梯環(huán)，耐高溫防止變形，上層和中層為聚丙烯共軛環(huán)，可有效增大換熱面積，使空氣得到充分冷卻。整個塔體包括上下封頭、筒體、填料、水分離器、填料支架、水分布器、絲網(wǎng)除沫器、人孔管以及氣體和液體進出接等部件組成。因散堆填料較規(guī)整填料有更大的經(jīng)濟優(yōu)勢，從投資方面考慮填料多選用散裝填料?？绽渌隹诘姆缼b置，由捕霧器、升氣裝置、水回流管線等組成。在分離水回流管線上設(shè)有了液泛和大量夾帶游離水的檢測、報警設(shè)備。正常狀態(tài)下空氣中夾帶的游離水在升氣管中分離后經(jīng)限流孔板流回塔底。因工況波動導(dǎo)致空冷塔大量帶水時，升氣管能將夾帶的游離水和泡沫分離并回流到塔底，從根本上避免把水帶到后面的分子篩純化系統(tǒng)。圖 2-1是空氣預(yù)冷系統(tǒng)流程圖?？諝鈮嚎s機出口高溫空氣進入空冷塔下部，在填料上先后與取自循環(huán)水系統(tǒng)經(jīng)過加壓的冷卻水以及來自水冷塔的低溫水進行逆流傳熱傳質(zhì)，空氣溫度逐漸降低，由 100降至 17.5左右，空氣中水含4 第二章空氣分離行業(yè)狀況概述量降低。低溫冷凍水是由水冷塔供應(yīng)的。在水冷塔中，冷卻水和來自主精餾塔的污氮氣在填料上充分接觸，利用污氮氣干燥吸濕吸熱降溫原理可把水溫從32降至 16.5。圖 2-1預(yù)冷系統(tǒng)流程圖在空氣預(yù)冷系統(tǒng)的設(shè)計過程中需要用到一些幾個公式以便確定泛點氣速、塔徑以及填料層高度。這種氮水預(yù)冷系統(tǒng)中是比較關(guān)鍵的。計算過程中的幾個相關(guān)公式泛點氣速計算式 r= A - 1 .750 .2 5 r 0 .125u2ae 3LV（2-1）VLm0 .16LVlg FgrrL式中： ug為重力加速度， 9.81m/ s2；為泛點空塔氣速， m/ s；Fa為干填料因子，m-1；3er V、 r L為氣相及液相重度， kg/ m3；m L為液相的粘度，cP；L、G為液相及氣相的流量， kg/ h；A、B為與填料結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù);一般取 B=1175, A值的取值見表2-1不同填料的結(jié)構(gòu)系數(shù)。5 第二章空氣分離行業(yè)狀況概述表 2-1不同填料的結(jié)構(gòu)系數(shù)填料類型瓷拉西環(huán)常用 A值0.022瓷弧鞍0.26瓷矩鞍0.176瓷階梯環(huán)0.2943金屬鮑爾環(huán)0.1金屬階梯環(huán)0.106金屬環(huán)矩鞍0.06225塑料共軛環(huán)0.2552（B=1.2542）塑料鮑爾環(huán)0.0942塑料階梯環(huán)0.204金屬 QH-1扁環(huán)壓延孔板波紋 4.5壓延孔板波紋 6.3CY型金屬絲網(wǎng)波紋金屬板波紋(250Y)0.0749（B=1.446）0.350.490.300.291空冷塔塔徑計算式如下：D = 4 w s p u（2-2）式中：D為空冷塔直徑，m；w s塔內(nèi)空氣流量， m3/s；u為空塔氣速， m/s。填料層高度計算式VdYZ = H OG N OG=Y1（2-3）K Y aW Y2 Y - Y *式中：Z為填料層高度，m；HOG為氣相的總傳質(zhì)單元高度，m；NOGV為惰性氣體流量，kmol/h；為氣相的總傳質(zhì)單元數(shù)；6 第二章空氣分離行業(yè)狀況概述KYa為氣相的體積吸收總系數(shù)，kmol/(m3s)；Y*為氣相平衡濃度，摩爾比；W為塔截面積，m2。2.2.1.2空氣純化系統(tǒng)深冷法制取氧氣，去除空氣中的水分、二氧化碳和乙炔等雜質(zhì)非常關(guān)鍵，輕則造成主換熱器通道和精餾塔板堵塞，影響系統(tǒng)穩(wěn)定和安全運行，重者因碳氫化合物超標發(fā)生爆炸事故，在分子篩流程凈化空氣之前采用可逆式熱交換器流程，通過冷凍脫除水分和二氧化碳。再利用足夠的污氮對可逆式熱交換器吹掃以清除截留住的水分和二氧化碳?？赡媸綗峤粨Q器并不是在任何情況下都普遍適用的，當(dāng)要求不含水分和二氧化碳的純產(chǎn)品超過處理空氣量的 50%時，它就不能適用了。然而分子篩凈化流程就不受此限制。隨著空分裝置規(guī)模的日益擴大，設(shè)備操作的安全性越來越受到重視，特別是這些裝置位于嚴重污染區(qū)，例如在石油化工和化學(xué)聯(lián)合企業(yè)。吸附器進口空氣的二氧化碳含量通常為350400ppm；吸附器凈化后空氣出口的二氧化碳含量（凈化指標）可達 1ppm或更低?？諝饧兓到y(tǒng)在吸附劑吸附二氧化碳滿足要求時可確保徹底清除空氣中的乙炔。純化器凈化后空氣出口的含水量可達到相當(dāng)于常壓露點70，即水蒸氣含量 2.58ppm（V），相當(dāng)于 20時每立方米空氣含水 0.001936克。空氣純化系統(tǒng)包括兩臺吸附器、一臺電加熱器、一臺蒸汽加熱器。（1）吸附器每只吸附器內(nèi)裝分子篩吸附劑和活性氧化鋁，用以除去空氣中的水蒸汽，二氧化碳以及乙炔等雜質(zhì)。分子篩常常用 13X，也有選用 5A分子篩吸附劑的情況。但通常認為 13X的二氧化碳吸附能力優(yōu)于 5A分子篩，但吸水能力弱于5A分子篩。小型空分純化系統(tǒng)通常設(shè)計成單層床，常用 5A分子篩。a吸附器結(jié)構(gòu)按絕熱方式分為：內(nèi)絕熱和外絕熱按型式分類：按床層分類：立式吸附器和臥式吸附器單層床和雙層床b閥門和管道切換系統(tǒng)控制空氣的流通和切斷，改變空氣流向，使兩只吸附器交替工作。閥門通常為氣動（電動）程控閥，也可以是手動閥。由于系統(tǒng)工作溫度較高，因此要求閥門可長時間承受 250以上的高溫。通常閥門選型時，要求其工作耐高溫溫度 300400。（2）蒸汽加熱器7 第二章空氣分離行業(yè)狀況概述蒸汽加熱器的高溫介質(zhì)可以是飽和蒸汽或過飽和蒸汽。用以加熱再生氣（空氣或污氮）。加熱后的再生氣溫度通常為 150180。一般是為了滿足正常再生活化的需要。蒸汽加熱器的結(jié)構(gòu)采用雙管程單殼程、雙管板的 U型管換熱器，雙管板結(jié)構(gòu)能夠確保管程蒸汽串入殼程，保證再生安全。介質(zhì)流向通常為蒸汽走管程，再生氣走殼程。但如果蒸汽加熱器采用立式結(jié)構(gòu)，則加熱介質(zhì)和冷卻介質(zhì)所在通道需交換，這主要是因為蒸汽在冷卻介質(zhì)帶走熱量后會形成冷凝水，并確保冷凝水被帶出熱流通道的緣故。從蒸汽加熱器的制造和傳熱效率看，臥式蒸汽加熱器應(yīng)略強于立式。（3）電加熱器電加熱器的作用通常是為了滿足純化系統(tǒng)在高溫活化期間，提高再生器溫度。由于分子篩使用時間過長，有可能使得吸附劑內(nèi)部的吸附劑解吸不徹底，長時間積累，造成吸附劑內(nèi)部吸附質(zhì)本底含量增加，增大到某一程度，造成整個純化器系統(tǒng)的純化效果下降。此時，就需要停止吸附并對吸附劑床層進行高溫活化處理，使吸附劑盡可能恢復(fù)其最大吸附能力。高溫活化的溫度通常為230250。在空分設(shè)備里面電加熱器作為加熱器就比蒸汽加熱器用的更多，同一臺電加熱器即可滿足正常再生又能滿足高溫再生，還能自動控制其出口溫度，使用起來比蒸汽加熱器方便。電加熱器主要由管狀電熱元件電熱管和殼體組成。電熱元件是用金屬管(銅、碳鋼或不銹鋼 )作外殼，管內(nèi)放置用鎳鉻合金或鐵鉻鋁合金材料盤繞的螺旋狀電阻絲，并在電阻絲外圍充填具有良好絕緣性和導(dǎo)熱性的結(jié)晶氧化鎂(MgO)或石英砂(SiO2)制成。其元件適用的最高溫度：銅管170，碳鋼管400，不銹鋼管600，而鎳基合金鋼可耐 850。為延長電加熱棒使用時間，在運行過程中必須防止出現(xiàn)干燒，確認氣體流程打通后電加熱器方能投入運行，并且在現(xiàn)場配管中要做到，污氮氣進口靠在接線端，出口設(shè)在電加熱棒末端。在電加熱器的選型上可以是立式，也可以是臥式。2.2.1.3板翅式換熱器2板翅式換熱是換熱器家族中具有質(zhì)量小、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點的新型換熱器。因其制造難度大、技術(shù)含量高，目前只有少數(shù)幾個國家可以生產(chǎn)。鋁制板翅式換熱器在空分過程中應(yīng)用廣泛，精餾過程的主要換熱器如過冷器、主塔主冷凝蒸發(fā)器、主換熱器、氬系統(tǒng)粗氬塔冷凝器、精氬塔蒸發(fā)器以及冷凝器均采用板翅式換熱器。2板翅式換熱器流體的每一層通道由翅片、隔板、封條組成。鋁板翅式換熱器是由板束、封頭及支座等附件組成。圖 2-2是多股流板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖：8 第二章空氣分離行業(yè)狀況概述圖2-2多股流板翅式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖（1）板束體該部分是板翅式換熱器的主要構(gòu)成部分，由多層構(gòu)成；每層由導(dǎo)流片、翅片、隔板、封條組成；板束體不可拆卸，整體真空釬焊；層的結(jié)構(gòu)如圖 2-3所示。圖2-3板束體層的結(jié)構(gòu)示意圖1封條；2隔板（或側(cè)板）；3翅片（或?qū)Я髌? 第二章空氣分離行業(yè)狀況概述圖2-4隔板與翅片釬焊前后(紅色為隔板兩側(cè)的釬料)（a）翅片板翅式換熱器的傳熱過程是通過翅片與介質(zhì)之間的對流以及熱傳導(dǎo)實現(xiàn)的。翅片節(jié)距較小，細小顆粒入內(nèi)，都能導(dǎo)致流道堵塞，并不易吹除，特別是在管道吹掃和試壓時要特別注意；翅片類型較多，主要分為多孔型、波紋型、鋸齒型、平直型等。結(jié)構(gòu)如圖 2-5所示。a：鋸齒型b：多孔型c：平直型d：波紋型圖2-5主要翅片類型（b）導(dǎo)流片導(dǎo)流片在鋁板翅式換熱器中主要是起流體的進出口導(dǎo)向作用。根據(jù)板束的寬度及導(dǎo)流片在板束內(nèi)的開口位置和開口方向，導(dǎo)流片一般有如圖 2-6（a）-（h）所示等多種型式。10 第二章空氣分離行業(yè)狀況概述（a）通道側(cè)面開口型導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)示意圖（b）通道敞開導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)示意圖（c）通道中間開口導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)示意圖（d）通道端頭局部開口的導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)示意圖（e）通道側(cè)面開口導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)示意圖（f）通道側(cè)面開口導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)示意圖板束中部通道中流體導(dǎo)出導(dǎo)入時導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)示意圖板束中部通道流體導(dǎo)入或抽出時導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)示意圖（g）（h）圖2-6導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)示意圖（c）封條封條在每層的四周，把介質(zhì)與外界隔開；在流體進、出口處開口；封條常用截面形式如圖 2-7（a）所示。端部接口型式如圖 2-7（b）11 第二章空氣分離行業(yè)狀況概述圖2-7（a）常用封條的截面型式圖2-7（b）封條端部接口型式（以截面型式 IV為例）（d）隔板隔板是二層翅片之間的金屬平板，它在母體金屬表面覆蓋有一層釬料合金，在釬焊時合金熔化而使翅片、封條與金屬平板焊接成一體。隔板把相鄰兩層隔開，熱交換通過隔板進行，常用隔板一般厚 1mm-2mm。（2）封頭封頭通常由封頭體、接管、端板、法蘭等零件經(jīng)焊接而成。封頭用于流體分布；接管材料通常是 5052或 5083，封頭的接管與外部管道聯(lián)接時，采用焊接結(jié)構(gòu)見圖 2-8（a）；封頭的接管與外部管道聯(lián)接時，采用法蘭聯(lián)接結(jié)構(gòu)見圖2-8（b）；封頭的接管與外部異種金屬管道（不銹鋼或銅）采用焊接結(jié)構(gòu)見圖 2-8（c）；12 第二章空氣分離行業(yè)狀況概述1悶蓋（工藝封頭）；2接管；3封頭體1法蘭；2接管；3封頭體（a）接管與外部鋁合金管道采用直接焊接的封頭結(jié)構(gòu)（b）接管與外部管道采用法蘭連接的封頭結(jié)構(gòu)1異種金屬接管； 2封頭體（c）異種金屬接管與外部不銹鋼（或銅）管道連接的封頭結(jié)構(gòu)圖2-8封頭結(jié)構(gòu)示意圖2.2.1.4精餾塔在制氧機中，精餾過程是在精餾塔中進行的。精餾塔為一直立圓柱形筒，其內(nèi)安裝有水平的塔板，氧、氮所組成的液體混合物沿塔板向下流，氧、氮混合物的蒸汽穿過每塊塔板的開孔向上升，在塔板上氣與液直接接觸(象前面所說的容器一樣)，蒸汽中的部分氧冷凝成液相，同時部分氮從液相中蒸發(fā)出來。蒸汽每穿過一塊塔板，就要和液體接觸一次，發(fā)生一次傳質(zhì)傳熱過程，這種多次的蒸發(fā)與冷凝就完成了精餾過程。精餾塔系統(tǒng)是空分設(shè)備的核心系統(tǒng)，一般為雙級精餾塔，分為上塔和下塔兩部分，國內(nèi)一般下塔采用篩板塔，上塔采用填料塔。精餾塔的保冷通常采用珠光砂。珠光砂是一種由酸性火山玻璃質(zhì)熔巖經(jīng)破碎、預(yù)熱、焙燒膨脹而制成的具有多孔結(jié)構(gòu)的、白色、粒狀松散材料、具有容量小、導(dǎo)熱系數(shù)低、化學(xué)穩(wěn)定性好、不燃、無毒、無味、吸音等特性。珠光砂由于它具有極低的導(dǎo)熱性和可靠的化學(xué)穩(wěn)定性，良好的充填流動性和極低的容重性而被廣泛的應(yīng)用于空分設(shè)備保冷。通常，精餾塔的操作溫度極低，普通的保溫層無法達到保冷的效果，因此，包括精餾塔等低溫設(shè)備放置于冷箱中。13 第二章空氣分離行業(yè)狀況概述圖 2-9空氣分離過程精餾塔2.2.2動設(shè)備動設(shè)備主要包括壓縮機組（空壓機、增壓壓縮機、汽輪機）、離心泵（工藝液氬泵、中壓液氧泵）、增壓透平膨脹機組等。原料空氣壓縮機有空壓機和增壓機組成，由汽輪機拖動，是空分設(shè)備必須配備的，它是空分設(shè)備工藝流程中的非常重要的一個動設(shè)備。含塵空氣經(jīng)過空氣過濾器除掉其中機械顆粒、粉塵等后，經(jīng)入口導(dǎo)葉進入原料空壓機。根據(jù)空分工藝流程的要求，原料空氣壓縮機一般均采用等溫型，具有比較高的等溫效率。在一級進口設(shè)置了進口導(dǎo)葉，由氣動或電動的執(zhí)行機構(gòu)控制。對流量進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍：75105%。原料空氣壓縮機的冷卻器，采用疊片式或高螺紋管式，氣相走殼程冷卻水走管程。濕空氣冷卻器還帶有氣水分離器，氣體冷卻器中臥式布置較多。原料空氣壓縮機的典型結(jié)構(gòu)有單軸等溫型和整體齒輪型。離心壓縮機是產(chǎn)生壓力的機械，是透平壓縮機的一種。壓縮機轉(zhuǎn)子葉輪在原動機的拖動下高速旋轉(zhuǎn)，流體在離心力的作用下由轉(zhuǎn)子的機械能轉(zhuǎn)化成流體的動能，隨后流體排出葉輪進入擴壓器，在擴壓器中流體進行動能到壓力能的轉(zhuǎn)化，流速逐漸下降壓力升高。離心壓縮機適用于大中流量、中低壓的場合。離心壓縮機單級提升壓力的能力能力有限，實際工業(yè)生產(chǎn)中，為獲得較高的壓力多采用多級式壓縮機，多組葉輪串聯(lián)，逐級提升流體壓力。在實際生產(chǎn)中，離心式壓縮機多發(fā)生泄漏事故，輕則造成壓縮機出力能力下降，能耗升高，重者造成安全事故，特別是一些有毒有害氣體的泄漏。多級離心壓縮機的泄漏一般分為內(nèi)、外兩種形式。因級間密封失效導(dǎo)致高壓側(cè)氣體漏回低壓側(cè)或通過與14 第二章空氣分離行業(yè)狀況概述機殼之間的空隙漏回到進口稱為內(nèi)泄漏；而壓縮氣體通過密封間隙直接漏到大氣中的泄漏稱為外泄漏。圖 2-10空氣壓縮機增壓透平膨脹機組是空分設(shè)備的核心部機之一，在空分裝置中為低溫精餾提供充足的冷量，對產(chǎn)品的液體產(chǎn)量進行有效的調(diào)節(jié)。增壓機由蝸殼、葉輪、進氣室、擴壓器組成。增壓透平膨脹機采用同軸設(shè)計，增壓端與膨脹端葉輪在同一軸上，轉(zhuǎn)速相同。膨脹機側(cè)加壓后的氣體通過噴嘴進入膨脹機，推動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，在增壓機側(cè)氣體經(jīng)過葉輪后加速增壓，在葉擴壓器中進一步降速增壓最終排出機外，經(jīng)冷卻降溫后進入板式換熱器，再進入膨脹機。轉(zhuǎn)子兩端分別裝有膨脹機葉輪和增壓機葉輪（二者均為閉式），為一剛性轉(zhuǎn)子，套裝在機身軸承上。在靠近葉輪的軸上各置有一迷宮密封套，使得氣體外漏量控制在最小的范圍內(nèi)。在靠近膨脹機的密封套內(nèi)充入常溫密封氣（干燥空氣或氮氣）以阻止流經(jīng)膨脹機的低溫氣體外泄，而跑“冷”。為控制噴咀出口的氣體與膨脹機端密封氣之間的壓力差維持在 0.05 MPa左右，特設(shè)置一精密減壓閥，增壓機端的密封套內(nèi)充入 00.5 MPa壓力的密封氣。空分設(shè)備的密封在整個生產(chǎn)過程中具有重要的作用，對設(shè)備效率、產(chǎn)品純度等都有很大影響。由于空氣分離過程低溫、高壓等特點，對設(shè)備的密封性能要求比較高?？辗衷O(shè)備中密封方式較多，但無論是何種密封方式對密封件的要求都是相同的。要求密封可靠、泄漏量少，維修方便，使用周期長，結(jié)構(gòu)緊湊簡單，成本低，互換性好?？辗诌^程和其他化工行業(yè)對密封件的要求是一樣的，要求密封可靠，一旦發(fā)生泄漏都會造成經(jīng)濟損失甚至是人身危害；另外，密封件使用壽命能夠滿足系統(tǒng)長周期運行；最后密封件要求具有很好的互換性，便15 第二章空氣分離行業(yè)狀況概述于備用設(shè)備密封失效時的更換。此外，空分過程中的密封件要經(jīng)濟適用、安裝方便。正因為空分過程對設(shè)備密封性能的要求較高，因此對密封失效的研究便于改進密封技術(shù)，減少泄漏，延長空分系統(tǒng)運行周期。2.3密封及其分類密封是為了防止固體微?；蛄黧w在相鄰接觸面之間泄漏和外界雜質(zhì)如大氣、水分、灰塵等侵入設(shè)備內(nèi)部而設(shè)置的零部件或采取的措施。密封的本質(zhì)是控制密封空間與周圍環(huán)境之間的質(zhì)量交換，決定流體密封質(zhì)量的基本要素是流體流動的推動力和連接件接合面的間隙，隨著科技的發(fā)展，易燃易爆、有毒有害、高溫高壓、強腐蝕性和放射性介質(zhì)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用日益增多，一旦這些介質(zhì)發(fā)生泄露，不僅會造成生產(chǎn)中斷、資源浪費、財產(chǎn)損失，還會造成污染環(huán)境甚至是人員傷亡。因此防止過程設(shè)備泄漏對工業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要，是必須解決要解決的重要問題。密封的分類方法有很多。根據(jù)所密封的介質(zhì)狀態(tài)可分為氣體密封、液體密封；根據(jù)密封介質(zhì)的壓力可分為真空密封、中低壓密封、高壓密封等；在工業(yè)生產(chǎn)中多根據(jù)接觸面之間的運動狀態(tài)把密封分為靜密封和動密封。相對靜止或沒有相對運動的接觸面之間的密封稱為靜密封，如各種容器設(shè)備和管道法蘭接合面的密封，閥門的閥座、閥體以及各種機器的機殼接合面的密封等。有相對運動的接觸面之間的密封稱為動密封，如各機泵的機械密封，干氣密封以及填料密封等。2.3.1靜密封2.3.1.1膠密封膠密封中起密封作用的粘合劑稱為密封膠，它能較容易地填充在法蘭、閥門、彎頭接頭及接合面較復(fù)雜的螺紋連接等連接部分的間隙中，形成均勻、連續(xù)、穩(wěn)定的剝離的或粘性、粘彈性的薄膜，阻止流體介質(zhì)從密封面泄漏，起到密封作用。密封膠作為一種密封填料，填充在設(shè)備各部件的接合面之間或泄漏點處起到密封作用。密封膠具有流動性，不存在固體墊片和填料在密封時必須要有的壓縮變形，因而沒有內(nèi)應(yīng)力、松弛、蠕變和疲勞破壞等導(dǎo)致泄漏的因素。根據(jù)密封膠使用方法、使用場合不同，膠密封可以分為帶壓注劑密封和粘接密封。帶壓注劑密封為帶壓堵漏，即不停車堵漏的一種，通過注膠槍把密封膠注入在泄漏點預(yù)先設(shè)置好的護膠卡具內(nèi)，待密封膠固化后起到堵塞泄漏通道，實現(xiàn)密封的目的。粘接密封通常是將密封膠涂敷在連接的接合面處，或?qū)π孤c，如容器、管道上的孔洞、裂紋等進行涂膠貼補，待膠固化后形成一定的粘接強度，從而阻止流體介質(zhì)泄漏，起到密封的作用。16 第二章空氣分離行業(yè)狀況概述2.3.1.2墊片密封墊片通常由石棉板、橡膠片、或金屬材料制成，夾在兩個密封面之間，確保連接在預(yù)定的使用壽命內(nèi)，保證兩個連接件的有效密封。墊片必須能夠密封接合面，并且不被密封介質(zhì)滲透和腐蝕，能夠經(jīng)受溫度和壓力等的作用。墊片密封是工業(yè)化生產(chǎn)裝置中管道、法蘭、容器、工藝設(shè)備等活連接處主要的密封方式。墊片密封所處的工況比較復(fù)雜，密封的流體介質(zhì)范圍相當(dāng)廣泛，防止液體或氣體從這些接頭處泄漏，是墊片密封的功能所在。雖然法蘭接頭與泵軸等動密封面相比，其泄漏量較小，但法蘭連接的數(shù)量要比其它密封面多得多，所以保證墊片密封的可靠性是非常重要的。2.3.2動密封2.3.2.1接觸密封（1）填料密封填料密封主要用于動設(shè)備的密封，如離心泵、真空泵、攪拌機、反應(yīng)釜等的轉(zhuǎn)軸和往復(fù)泵、往復(fù)式壓縮機的柱塞或活塞桿，以及做螺旋運動的閥門的閥桿與固定機體之間的密封。填料密封依其采用的密封填料的形式，分為軟填料密封和硬填料密封，硬填料密封主要用于高溫、高壓、高速下工作的設(shè)備和機器。由于軟填料密封構(gòu)造簡單，更換容易，應(yīng)用較硬填料密封廣泛得多。與機械密封相比，填料密封結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、加工方便、裝拆容易和使用范圍廣等優(yōu)點，缺點是填料密封依靠壓緊力使填料與軸緊密接觸而填塞泄漏通道的，故填料對軸表面的磨損較大，造成材料和功率消耗也大。為了潤滑摩擦部位并帶出摩擦熱，降低材料磨損，延長使用壽命，填料密封要允許有一定的泄漏，故對密封要求嚴格的場合不適用填料密封。常用的填料有亞麻填料、石棉填料、聚四氟乙烯填料、石墨填料等。圖 2-11填料密封17 第二章空氣分離行業(yè)狀況概述（2）往復(fù)軸密封往復(fù)軸密封是指用于往復(fù)運動機構(gòu)處的密封，包括氣動密封、液壓密封、柱塞泵密封以及活塞環(huán)密封等。往復(fù)運動密封與旋轉(zhuǎn)密封不同之處在于，往復(fù)運動密封的泄漏率在構(gòu)成一個循環(huán)的兩個行程中是彼此不相同的。（3）旋轉(zhuǎn)軸彈性體密封旋轉(zhuǎn)軸彈性體密封形式主要有旋轉(zhuǎn)軸唇形密封和 O型圈密封。唇形密封由于結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，摩擦阻力小，對無壓或低壓環(huán)境的旋轉(zhuǎn)軸密封可靠，因而應(yīng)用廣泛。在無壓環(huán)境中，常用于防止機械潤滑油的向外泄露，故又稱為“油封”，它有多種結(jié)構(gòu)形式，其主要作用是封堵潤滑劑，多用于軸承密封。早期的油封用皮革制作，現(xiàn)在大多數(shù)油封的主體材料為橡膠等彈性體，密封面制作成唇口形狀，故稱為唇形密封。同一種密封，根據(jù)安裝位置的不同，其作用可能不同，唇形密封的作用一般是油封或者防塵密封。O型圈密封是密封元件中使用最早、最多，也是最普遍的密封形式。O型圈密封有很多優(yōu)點，如密封性好，壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊，動摩擦阻力小，對介質(zhì)、溫度和壓力的適應(yīng)性好，制造簡單，裝拆方便，成本低廉等。O型圈密封可用在靜密封、往復(fù)軸、旋轉(zhuǎn)軸等部位。（4）機械密封機械密封是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多的動密封，應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)設(shè)備的密封處，是一種旋轉(zhuǎn)軸密封，在離心泵、離心機、反應(yīng)釜和壓縮機等的軸封裝置中比較常見。機械密封一般由動環(huán)、靜環(huán)、彈簧座、彈性元件（彈簧）、緊定螺釘、密封圈等組成，動環(huán)和旋轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)，靜環(huán)固定在壓蓋上。機械密封質(zhì)量的好壞關(guān)鍵看動、靜環(huán)接觸面的加工精度，精度越高密封效果越好。另外，彈簧預(yù)緊力要適中，彈簧力大動靜環(huán)之間摩擦力大使用壽命減少，預(yù)緊力小不能使動靜環(huán)貼合在一起，起不到密封的作用。圖 2-12是機械密封示意圖。在機械密封中，根據(jù)運行環(huán)境的不同，部分機械密封必須通密封介質(zhì)，一方面強制給結(jié)合面處降溫，另一方面防止密封流體中固體顆粒進入接觸面，對密封造成破壞。圖 2-12機械密封18 第二章空氣分離行業(yè)狀況概述2.3.2.2非接觸密封（1）干氣密封干氣密封是近年來采用較多的一種非接觸式密封，一般在旋轉(zhuǎn)環(huán)端面上開有螺旋槽，見圖 2-13干氣密封螺旋槽，圖 2-13干氣密封螺旋槽在離心力的作用下，密封氣體被壓縮至螺旋槽根部，動環(huán)和靜環(huán)由螺旋槽根部壓力氣體提供開啟力，圖 2-14螺旋槽類型示意圖。（a）單向螺旋槽(b)雙向螺旋槽圖 2-14螺旋槽類型同時彈簧力和流體壓力共同作用提供配合端面的閉合力，在這開啟力和閉合力的共同作用下實現(xiàn)干氣密封端面的非接觸運轉(zhuǎn)。典型的干氣密封一般由靜環(huán)、旋轉(zhuǎn)環(huán)、靜密封、O形圈、彈簧及彈簧座組成。干氣密封是一種新型的、先進的旋轉(zhuǎn)軸密封，由它來密封旋轉(zhuǎn)機械中的氣體或液體介質(zhì)。與其它密封相比，干氣密封具有泄漏量少、磨損小、壽命長、能耗低，操作簡單可靠，被密封的流體不被油污染等特點，廣泛應(yīng)用在壓縮機領(lǐng)域，特殊泵領(lǐng)域。（2）迷宮密封19 第二章空氣分離