论文部分内容阅读
摘要：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。空分产品广泛应用于冶金、石化、化工和航天等工业领域。空分主精馏塔是空分流程中最关键的设备，而下塔又是主精馏塔的基础，因此对下塔的研究显得尤为重要。本文就空分装置下塔进料状态对精馏工况的影响展开简要论述。
关键词：空分装置；下塔；进料状态；精馏工况；影响
1、引言
某甲醇空分装置采用分子筛吸附净化，增加透平膨胀机制冷，膨胀空气进下塔和全精馏无氢制氩常规内压缩流程，上塔、粗氩塔和精氩塔均采用规整填料塔，下塔采用筛板塔。
2、空分流程及下塔简介
空气经空压机压缩至0.545MPa進入空气预冷系统和分子筛吸附器，去除空气中的水分、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馏，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-111℃后进入膨胀机，膨胀后压力为0.508MPa、温度为-172.1℃，经平衡器PV710004分离后气相与设计温度为-172.3℃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后进入气液分离器PV710003，气相、液相分别进入下塔精馏，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。下塔有四个出料流股，分别是液氮、气氮、污液氮以及液空；有三个进料流股，分别是高压空气、膨胀空气以及低压空气。在主精馏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，所以下塔的工况对主精馏塔乃至整个空分流程起着重要的作用。
3、膨胀空气对下塔进料状态的影响
在生产过程中，加入精馏塔中的原料液可能有5种热状况：一是温度低于泡点的冷液体；二是泡点下的饱和液体；三是温度介于泡点和露点之间的气液混合物；四是露点下的饱和蒸气；五是温度高于露点的过热蒸气。
本空分装置精馏塔下塔进料状态的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、低压空气流量、膨胀空气流量以及膨胀机负荷大小等因素的影响，一般情况下，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，因此通常来说，膨胀空气进下塔量的变化对精馏工况的影响比较小。而当膨胀空气量发生大幅度改变时，下塔进料状态会随之改变，从而对精馏工况产生影响。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；膨胀空气量偏低，系统冷量缺乏，塔顶冷凝量增加有限。根据物料平衡的原则，在空分负荷不变的情况下，减少导入上塔的污液氮、液氮的量，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，液氧的蒸发量增多，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，在一定程度上激发了上塔的精馏潜力。
通过不同工况的对比可以得出以下几点：一是影响空气入塔温度即下塔进料状态的因素较多，主要受到空压机出口气量、膨胀机制冷量大小以及压力和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。二是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，导入上塔的污液氮和纯液氮的量就越多。
因此，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，进而对最佳精馏工况的运行范围进行确定，最大限度地开发上塔的精馏潜力，实现节能降耗的目的。
4、下塔进料状态改变对精馏工况的影响
下塔的设计压力是0.5MPa，此压力下空气的饱和蒸气的露点温度是-172.3℃。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-172.3℃。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，不太容易受到系统工况波动的影响。
5、结束语
综上所述，在进塔空气量不变的情况下，低压空气量增加，膨胀量减少，制冷量降低，下塔进料含湿量下降，通过V2、V3阀的调整，维持液空纯度不发生大的变化，但进入上塔的液空量相对增加，上塔提馏段氩组分总量也相对增加。同时上塔液氧蒸发量增加，上升蒸气增多，V2、V3阀开度减小，由下塔导入上塔的污液氮和纯液氮的量减少，上塔组分浓度分布上移。虽然提馏段氩组分总量增加，但氩馏分中氮组分含量相对较低，且系统工况波动较小，有利于氩系统的调整，生产出合格氩产品。
参考文献：
[1]内压缩流程空分设备两种膨胀空气进塔工艺比较[J].黄斌，朱志晖，赵桂枝.深冷技术.2011（02）.
[2]空分装置在石油化工中的应用分析[J].化国，崔仁鲜，巫小元.通用机械.2016（12）.
（作者单位：新疆美克化工股份有限公司）
关键词：空分装置；下塔；进料状态；精馏工况；影响
1、引言
某甲醇空分装置采用分子筛吸附净化，增加透平膨胀机制冷，膨胀空气进下塔和全精馏无氢制氩常规内压缩流程，上塔、粗氩塔和精氩塔均采用规整填料塔，下塔采用筛板塔。
2、空分流程及下塔简介
空气经空压机压缩至0.545MPa進入空气预冷系统和分子筛吸附器，去除空气中的水分、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馏，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-111℃后进入膨胀机，膨胀后压力为0.508MPa、温度为-172.1℃，经平衡器PV710004分离后气相与设计温度为-172.3℃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后进入气液分离器PV710003，气相、液相分别进入下塔精馏，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。下塔有四个出料流股，分别是液氮、气氮、污液氮以及液空；有三个进料流股，分别是高压空气、膨胀空气以及低压空气。在主精馏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，所以下塔的工况对主精馏塔乃至整个空分流程起着重要的作用。
3、膨胀空气对下塔进料状态的影响
在生产过程中，加入精馏塔中的原料液可能有5种热状况：一是温度低于泡点的冷液体；二是泡点下的饱和液体；三是温度介于泡点和露点之间的气液混合物；四是露点下的饱和蒸气；五是温度高于露点的过热蒸气。
本空分装置精馏塔下塔进料状态的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、低压空气流量、膨胀空气流量以及膨胀机负荷大小等因素的影响，一般情况下，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，因此通常来说，膨胀空气进下塔量的变化对精馏工况的影响比较小。而当膨胀空气量发生大幅度改变时，下塔进料状态会随之改变，从而对精馏工况产生影响。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；膨胀空气量偏低，系统冷量缺乏，塔顶冷凝量增加有限。根据物料平衡的原则，在空分负荷不变的情况下，减少导入上塔的污液氮、液氮的量，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，液氧的蒸发量增多，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，在一定程度上激发了上塔的精馏潜力。
通过不同工况的对比可以得出以下几点：一是影响空气入塔温度即下塔进料状态的因素较多，主要受到空压机出口气量、膨胀机制冷量大小以及压力和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。二是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，导入上塔的污液氮和纯液氮的量就越多。
因此，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，进而对最佳精馏工况的运行范围进行确定，最大限度地开发上塔的精馏潜力，实现节能降耗的目的。
4、下塔进料状态改变对精馏工况的影响
下塔的设计压力是0.5MPa，此压力下空气的饱和蒸气的露点温度是-172.3℃。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-172.3℃。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，不太容易受到系统工况波动的影响。
5、结束语
综上所述，在进塔空气量不变的情况下，低压空气量增加，膨胀量减少，制冷量降低，下塔进料含湿量下降，通过V2、V3阀的调整，维持液空纯度不发生大的变化，但进入上塔的液空量相对增加，上塔提馏段氩组分总量也相对增加。同时上塔液氧蒸发量增加，上升蒸气增多，V2、V3阀开度减小，由下塔导入上塔的污液氮和纯液氮的量减少，上塔组分浓度分布上移。虽然提馏段氩组分总量增加，但氩馏分中氮组分含量相对较低，且系统工况波动较小，有利于氩系统的调整，生产出合格氩产品。
参考文献：
[1]内压缩流程空分设备两种膨胀空气进塔工艺比较[J].黄斌，朱志晖，赵桂枝.深冷技术.2011（02）.
[2]空分装置在石油化工中的应用分析[J].化国，崔仁鲜，巫小元.通用机械.2016（12）.
（作者单位：新疆美克化工股份有限公司）