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）

低溫精餾法是傳統的制氧方法，在空氣分離技術中占主導地位，下面結合筆者所參與的某大型空分項目，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，即空氣分離的簡稱，是利用物理或者化學方法將空氣混合物各組分進行分離，從而獲得高純氧氣、高純氮氣以及一些稀有氣體（如氬氣）的過程。常見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，低溫精餾法是傳統的制氧方法，在國內外的制氧行業中占據統治地位，尤其是在大規模制取高純度的氧氣、氮氣、氬氣及其溶態產品方面，具有無法取代的競爭優勢[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，除去雜質并冷卻后，根據各組分沸點的不同，經精餾塔精餾分離，從而得到所需要的產品。

1.2低溫精餾法的工藝流程

根據各項目的不同需求，采用低溫精餾法進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目擬建設3套，單套產能為88 000m3（標）/h的空分裝置。其工藝流程描述如下。

1.2.1空氣壓縮和預冷系統

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

1.2.2吸附凈化

預冷后的壓縮空氣通過兩臺間隔循環使用的分子篩吸附器（即一臺吸附器吸附雜質而另一臺被再生）時，H2O、CO2、氮氧化合物和絕大多數碳氫化合物都被吸附，獲得潔凈空氣。

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

這三個系統是空分設備的核心部分，所有產品的精餾都要在此完成。首先通過膨脹機制冷把凈化后的潔凈空氣溶化，然后通過高低壓塔逐級精餾，獲得所需的O2、氮氣產品。

1.2.4儲罐區與備用系統當空分裝置停車，O2/N2管網壓力下降時，溶氧/溶氮備用泵可迅速啟動將儲罐中的溶氧/溶氮由其備用蒸發器蒸發，并送入O2/N2管網，以保證供應的連續性。

2　物料衡算—新鮮空氣消耗量及污氮產量的計算

設單位時間新鮮空氣消耗量為Vkm3（標）/h，氧氣產量為V0m3（標）/h，氮氣產量為VNm3（標）/h，儀表空氣產量為Vym3（標）/h，污氮產量為Vwm3（標）/h。則根據物料平衡有：

新鮮空氣含氧元素量為y0k。氧氣產品氧元素含量為y00，氮氣產品氧元素含量為y0N，儀表空氣產品含氧量y0y，污氮含氧元素量為y0w。則根據氧元素平衡有：

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

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

整理得：

聯立（1）和（2）式，可得：

解得：Vk=1 324 762m3（標）/h，Vw=821 562m3（標）/h。該項目建設三套空分設備，則單套設備空氣消耗量和污氮產生量分別為Vk=441 587m3（標）/h，Vw=273 854m3（標）/h。

3　結束語

低溫精餾法空分技術經過一百多年的發展，其工藝流程及設備裝置已經相對成熟。但隨著世界能源危機的日益加深，能量成本占空氣產品價格3/4[2]的空分行業也面臨巨大的挑戰。因此，如何改善工藝流程、優化空分裝置、降低能耗和提高產品的提取率，都已成為低溫精餾法空分技術進一步研究的方向，并將使得低溫精餾法空分技術日趨完善。

[1] 張延平，王立，高遠.低溫精餾空分產品能耗分攤的確定與計算[J].鋼鐵，2003，（12）：53-55+71.

[2] 劉守強，胡長青.空分裝置預冷系統流程的重構[J].節能技術，2015，（6）：572-575.

[3] 于成烈，徐一來.空分裝置的模擬與操作優化[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，主要研究方向為化工工藝。