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1、空分装置下塔进料状态对精馏工况的影响摘要：空分过程是一个高纯度的复杂分离过程，其产品广泛应用于冶金、 石化、化工和航天等工业领域。空分主精馅塔是空分流程中最关键的设备，下塔 又是主精馅塔的基础，因此对下塔的研究显得尤为重要，该文主要分析空分装置 下塔进料状态对精馅工况的影响。空分即空气分离，是将原料空气分离成氧、氩等气液产品的过程。工业上的 空分生产主要使用低温精馆法，其基本原理是利用相对挥发度差异采用精慵方法 分离空气中的各个组分。空分产品广泛应用于冶金、石化、化工和航天等工业领 域。一、空分流程及下塔简介空气经空压机压缩至0.545MPa进入空气预冷系统和分子筛吸附器，去除空 气中的水分、
2、二氧化碳、碳氢化合物和杂质。之后空气分为3部分。第1部分在 中低压换热器中冷却后进入下塔精馅，以下简称“低压空气”。第2部分在空气增 压机中增压至2.69MPa，再由透平膨胀机增压端增压至3.86MPa，在中低压换热 器中冷却到-111C后进入膨胀机，膨胀后压力为0.508MPa、温度为-172.1C，经 平衡器PV710004分离后气相与设计温度为-172.3C低压空气汇合，混合后一起 进入下塔，以下简称“膨胀空气”，液相经V10阀后随节流后的富氧液空一起进 入上塔。第3部分在空气增压机中增压至6.9MPa，在高压氧换热器中冷却到液 化温度，通过节流阀V21减压至0.486MPa后进入气液分
3、离器PV710003,气相、 液相分别进入下塔精馅，以下简称“高压空气”。下塔是带有一个冷凝器（与上塔蒸发器共用）的精循塔。下塔有三个进料流 股，分别是高压空气、膨胀空气以及低压空气；有四个出料流股，分别是液氮、 气氮、污液氮以及液空。在主精僧塔中下塔是上塔的基础，上塔的进料流股大部 分来自下塔的出料，因此下塔的工况对主精饱塔乃至整个空分流程起着决定性的 作用。二、膨胀空气对下塔进料状态的影响在实际生产中，加入精馅塔中的原料液可能有5种热状况：温度低于泡点的 冷液体；泡点下的饱和液体；温度介于泡点和露点之间的气液混合物；露点下的 饱和蒸气；温度高于露点的过热蒸气。本空分装置精馅塔下塔进料状态的
4、设计工 况是露点下的饱和蒸气进料，但受到空压机出口压力、膨胀空气流量、低压空气 流量以及膨胀机负荷大小等因素的影响，大部分情况下，下塔都是接近露点的过 热蒸气进料，过热蒸气温度偏离露点温度的多少，决定了与入塔空气相平衡的液 空纯度的高低。低压空气的设计流量是55000m3/h膨胀空气设计是48000m3/h， 因下塔的回流比、含湿量大，同时低压空气和膨胀空气可以相互补充，所以一般 情况下，膨胀空气进下塔量的变化对精馅工况的影响不大。而当膨胀空气量大幅 度变化时，下塔进料状态发生改变，就会对精馅工况产生影响。例如，低压空气 流量48000m3/h，膨胀空气流量30000m3/h，高压空气流量32
5、000m3/h，产品氧 量16000m3/h，产品氮量15000m3/h，在此工况下，一方面，由于膨胀量小，系 统的制冷量较少，在中低压换热器的换热能力一定的情况下，压空气出中低压换 热器的温度无法降到露点温度，这部分气体就变成了过热蒸气；另一方面，膨胀 空气的压力与下塔压力密切相关，只要空压机出口压力和下塔工况稳定，膨胀机 出口气体的压力、温度就变化不大，而且膨胀机出口气体是不允许带液的，所以 膨胀空气只可能是露点下的饱和蒸气或者过热蒸气，这样当两股气混合后的温度 将高于此压力下的露点温度，即过热蒸气。下塔进料过热蒸气温度越高，携带的 热量增多，上升蒸气量增加，塔顶冷凝量必然增大；膨胀空气量
6、偏低，系统冷量 缺乏，塔顶冷凝量增加有限；造成下塔回流比减少，为增加下塔回流比维持液空 纯度不致升得太高，就要减少污液氮和液氮导入上塔的量。根据物料平衡的原则， 在空分负荷不变的情况下，污液氮、液氮导入上塔的量减少，液空导入上塔的量 会相应增加；同时由于下塔塔顶冷凝量增加，液氧的蒸发量增加，对上塔而言， 上升蒸气量增加，而精馏段回流比下降，提馏段回流比升高，在一定程度上开发 了上塔的精馏潜力。膨胀空气进下塔的内压缩流程，就本套装置而言上塔的精馏潜力是很大的。 通过不同的工况对比可以得出以下两点：（一）影响空气入塔温度即下塔进料状 态的因素较多，主要受到膨胀机制冷量大小、空压机出口气量和压力以及
7、中低压 换热器换热能力等因素的影响。在空压机出口气量压力不变及主换热器换热一定 的情况下，膨胀机制冷量越大，下进料空气温度越低；其它因素不变，且空压机 出口压力变化不大的情况下，空压机出口气量越大，下塔进料空气温度越高。（二）在下塔进料状态变化不大时，污液氮和纯液氮导入上塔的量受到空压 机出口气量及精馏负荷大小的影响。精馏负荷越大，污液氮和纯液氮导入上塔的 量越多。由此可见，在同一工况下，可以通过调整空压机和膨胀机的负荷，实 现对下塔空气进料状态的改变，进而确定最佳精馏工况的运行范围，最大限度地 开发上塔的精馏潜力，达到节能降耗的目的。三、下塔进料状态改变对精馏工况的影响下塔的设计压力是 0.
8、5MPa，此压力下空气的饱和蒸气的露点温度是 -172.3C。本套装置运行工况下空气的进塔压力比空压机出口压力低20KPa左右， 压力越低空气的饱和温度越低，下塔进料饱和蒸气的露点温度必定低于-172.3C。 当入塔空气无限接近于露点下的饱和蒸气时，进料温度越低，空气越容易液化， 则蒸气的含湿量越大。饱和空气的含湿量对下塔精馏工况有直接影响，含湿量增 加，与入塔空气相平衡的液空纯度下降，反之，含湿量减小，与入塔空气相平衡 的液空纯度升高。以上述工况为例，下塔进料为过热蒸气，进入精馏塔后使下流液体部分气化， 与入塔空气相平衡的液空纯度高；在入塔气量、压力不变的情况下，下塔进料板 处冷凝量减少，上
9、升蒸气量增加，下塔顶部冷凝量必然增加，为保证纯氮产品纯 度，就要适当减少污液氮和纯液氮导入上塔的量，即关小V2、V3阀，以增大下 塔回流比。根据物料平衡的原则，进入上塔的污液氮量和纯液氮量减少，液空量 增加；同时液空纯度下降，液空含氩量也相应减少；随着上升蒸气量增加，更多 的氩组分会在下塔上部冷凝下来，污液氮中氩组分含量增加。虽然液空中氩组分含量有所下降，但进入上塔的液空量增加，弥补了液空中氩组分含量 下降的不足。这样由下塔液空带入上塔提馏段的氩组分增加，而随污液氮进入上 塔精馏段的氩组分减少。由于氩组分的总量是一定的，氩馏分抽口设在提馏段， 因此进入氩系统的氩组分的总量增加。同时，由于下塔顶部冷凝液量增加，上塔底部液氧的蒸发量也相应增加，为 保证纯氮产品，V2、V3阀开度减小，V1阀开度增大，上塔提馏段回流比相对 减小，组分分布上移，氩馏分中氧含量升高，氮和氩组分的含量相对降低。随氩 馏分进入氩系统的氮组分相对减少，降低了氩系统出现“氮塞”的可能性，而且氩 馏分组成比较稳定，受系统工况波动的影响较小。参考文献1陈敏恒等编.化工原理M.化学工业出版社，20062毛绍融，朱朔元，周智勇主编.现代空分设备技术与操作原理M.杭州出 版社，2005
