低溫精餾法空分裝置概述及物料衡算

耿晶晶（中石化南京工程有限公司，江蘇南京 211100）

低溫精餾法空分裝置概述及物料衡算

耿晶晶
（中石化南京工程有限公司，江蘇南京 211100）

低溫精餾法是傳統(tǒng)的制氧方法，在空氣分離技術(shù)中占主導(dǎo)地位，下面結(jié)合筆者所參與的某大型空分項(xiàng)目，具體介紹了低溫精餾法的工藝流程及物料衡算。

空氣分離；低溫精餾；物料衡算

空分，即空氣分離的簡(jiǎn)稱(chēng)，是利用物理或者化學(xué)方法將空氣混合物各組分進(jìn)行分離，從而獲得高純氧氣、高純氮?dú)庖约耙恍┫∮袣怏w（如氬氣）的過(guò)程。常見(jiàn)的空氣分離的方法包括低溫精餾法、變壓吸附法、膜分離法等等。其中，低溫精餾法是傳統(tǒng)的制氧方法，在國(guó)內(nèi)外的制氧行業(yè)中占據(jù)統(tǒng)治地位，尤其是在大規(guī)模制取高純度的氧氣、氮?dú)狻鍤饧捌淙軕B(tài)產(chǎn)品方面，具有無(wú)法取代的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[1]。

1　低溫精餾法空分裝置概述

1.1低溫精餾法的原理

低溫精餾法的主要工作原理是將空氣壓縮溶化，除去雜質(zhì)并冷卻后，根據(jù)各組分沸點(diǎn)的不同，經(jīng)精餾塔精餾分離，從而得到所需要的產(chǎn)品。

1.2低溫精餾法的工藝流程

根據(jù)各項(xiàng)目的不同需求，采用低溫精餾法進(jìn)行空氣分離可以有多種不同的工藝流程。筆者所參與的某大型空分項(xiàng)目擬建設(shè)3套，單套產(chǎn)能為88 000m3（標(biāo)）/h的空分裝置。其工藝流程描述如下。

1.2.1空氣壓縮和預(yù)冷系統(tǒng)

空氣壓縮系統(tǒng)的主要目的是通過(guò)多級(jí)壓縮，把空氣壓力提高至工藝所需要的壓力。原料空氣首先通過(guò)空氣過(guò)濾系統(tǒng)，去除灰塵和機(jī)械雜質(zhì)，過(guò)濾后的空氣再由多級(jí)壓縮機(jī)組壓縮到工藝所需壓力。壓縮空氣在空冷塔中以對(duì)流形式被循環(huán)冷卻水和低溫冷凍水分段冷卻。

1.2.2吸附凈化

預(yù)冷后的壓縮空氣通過(guò)兩臺(tái)間隔循環(huán)使用的分子篩吸附器（即一臺(tái)吸附器吸附雜質(zhì)而另一臺(tái)被再生）時(shí)，H2O、CO2、氮氧化合物和絕大多數(shù)碳?xì)浠衔锒急晃剑@得潔凈空氣。

1.2.3空氣分離與制冷、高低壓塔精餾、增效氬去除精餾單元

這三個(gè)系統(tǒng)是空分設(shè)備的核心部分，所有產(chǎn)品的精餾都要在此完成。首先通過(guò)膨脹機(jī)制冷把凈化后的潔凈空氣溶化，然后通過(guò)高低壓塔逐級(jí)精餾，獲得所需的O2、氮?dú)猱a(chǎn)品。

1.2.4儲(chǔ)罐區(qū)與備用系統(tǒng)當(dāng)空分裝置停車(chē)，O2/N2管網(wǎng)壓力下降時(shí)，溶氧/溶氮備用泵可迅速啟動(dòng)將儲(chǔ)罐中的溶氧/溶氮由其備用蒸發(fā)器蒸發(fā)，并送入O2/N2管網(wǎng)，以保證供應(yīng)的連續(xù)性。

2　物料衡算—新鮮空氣消耗量及污氮產(chǎn)量的計(jì)算

設(shè)單位時(shí)間新鮮空氣消耗量為Vkm3（標(biāo)）/h，氧氣產(chǎn)量為V0m3（標(biāo)）/h，氮?dú)猱a(chǎn)量為VNm3（標(biāo)）/h，儀表空氣產(chǎn)量為Vym3（標(biāo)）/h，污氮產(chǎn)量為Vwm3（標(biāo)）/h。則根據(jù)物料平衡有：

新鮮空氣含氧元素量為y0k。氧氣產(chǎn)品氧元素含量為y00，氮?dú)猱a(chǎn)品氧元素含量為y0N，儀表空氣產(chǎn)品含氧量y0y，污氮含氧元素量為y0w。則根據(jù)氧元素平衡有：

根據(jù)筆者所參與的空分項(xiàng)目產(chǎn)品方案，V0=264 000 m3（標(biāo)）/h，VN1=71 000 Nm3/h，VN2=80 000 Nm3/h，VN3=52 000 m3（標(biāo)）/h，VN4=3 000m3（標(biāo)）/h，Vy=33 200 m3（標(biāo)）/h。代入（a）式計(jì)算得：

新鮮空氣含氧元素量為y0k=20.95%（V%）。根據(jù)產(chǎn)品方案y00=99.60%（V%），y0N1=1.50%（V%），y0N2～4=10-4%（V%），y0w=0.8%（V%），儀表空氣產(chǎn)品含氧量同新鮮空氣為y0y=20.95%（V%）。代入（b）式計(jì)算得：

整理得：

聯(lián)立（1）和（2）式，可得：

解得：Vk=1 324 762m3（標(biāo)）/h，Vw=821 562m3（標(biāo)）/h。該項(xiàng)目建設(shè)三套空分設(shè)備，則單套設(shè)備空氣消耗量和污氮產(chǎn)生量分別為Vk=441 587m3（標(biāo)）/h，Vw=273 854m3（標(biāo)）/h。

3　結(jié)束語(yǔ)

低溫精餾法空分技術(shù)經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，其工藝流程及設(shè)備裝置已經(jīng)相對(duì)成熟。但隨著世界能源危機(jī)的日益加深，能量成本占空氣產(chǎn)品價(jià)格3/4[2]的空分行業(yè)也面臨巨大的挑戰(zhàn)。因此，如何改善工藝流程、優(yōu)化空分裝置、降低能耗和提高產(chǎn)品的提取率，都已成為低溫精餾法空分技術(shù)進(jìn)一步研究的方向，并將使得低溫精餾法空分技術(shù)日趨完善。

[1] 張延平，王立，高遠(yuǎn).低溫精餾空分產(chǎn)品能耗分?jǐn)偟拇_定與計(jì)算[J].鋼鐵，2003，（12）：53-55+71.

[2] 劉守強(qiáng)，胡長(zhǎng)青.空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)流程的重構(gòu)[J].節(jié)能技術(shù)，2015，（6）：572-575.

[3] 于成烈，徐一來(lái).空分裝置的模擬與操作優(yōu)化[J].石油煉制與化工，1995，（2）：12-18.

An Overview of Cryogenic Distillation Method and Material Balance

Geng Jing-jing

The cryogenic distillation is a traditional method and occupies the dominant position in the air separation technology. Combined with the large air separation project that author has participated in，this paper introduces process and material balance of the cryogenic distillation.

air separation；cryogenic distillation；material balance

TQ053.5

B

1003-6490（2016）03-0085-01

2016-03-16

耿晶晶（1985—），女，江蘇宿遷人，工程師，主要研究方向?yàn)榛すに嚒?/p>