低温精馏法空分装置概述及物料衡算

耿晶晶（中石化南京工程有限公司，江苏南京 211100）

低温精馏法空分装置概述及物料衡算

耿晶晶
（中石化南京工程有限公司，江苏南京 211100）

低温精馏法是传统的制氧方法，在空气分离技术中占主导地位，下面结合笔者所参与的某大型空分项目，具体介绍了低温精馏法的工艺流程及物料衡算。

空气分离；低温精馏；物料衡算

空分，即空气分离的简称，是利用物理或者化学方法将空气混合物各组分进行分离，从而获得高纯氧气、高纯氮气以及一些稀有气体（如氩气）的过程。常见的空气分离的方法包括低温精馏法、变压吸附法、膜分离法等等。其中，低温精馏法是传统的制氧方法，在国内外的制氧行业中占据统治地位，尤其是在大规模制取高纯度的氧气、氮气、氩气及其溶态产品方面，具有无法取代的竞争优势[1]。

1　低温精馏法空分装置概述

1.1低温精馏法的原理

低温精馏法的主要工作原理是将空气压缩溶化，除去杂质并冷却后，根据各组分沸点的不同，经精馏塔精馏分离，从而得到所需要的产品。

1.2低温精馏法的工艺流程

根据各项目的不同需求，采用低温精馏法进行空气分离可以有多种不同的工艺流程。笔者所参与的某大型空分项目拟建设3套，单套产能为88 000m3（标）/h的空分装置。其工艺流程描述如下。

1.2.1空气压缩和预冷系统

空气压缩系统的主要目的是通过多级压缩，把空气压力提高至工艺所需要的压力。原料空气首先通过空气过滤系统，去除灰尘和机械杂质，过滤后的空气再由多级压缩机组压缩到工艺所需压力。压缩空气在空冷塔中以对流形式被循环冷却水和低温冷冻水分段冷却。

1.2.2吸附净化

预冷后的压缩空气通过两台间隔循环使用的分子筛吸附器（即一台吸附器吸附杂质而另一台被再生）时，H2O、CO2、氮氧化合物和绝大多数碳氢化合物都被吸附，获得洁净空气。

1.2.3空气分离与制冷、高低压塔精馏、增效氩去除精馏单元

这三个系统是空分设备的核心部分，所有产品的精馏都要在此完成。首先通过膨胀机制冷把净化后的洁净空气溶化，然后通过高低压塔逐级精馏，获得所需的O2、氮气产品。

1.2.4储罐区与备用系统当空分装置停车，O2/N2管网压力下降时，溶氧/溶氮备用泵可迅速启动将储罐中的溶氧/溶氮由其备用蒸发器蒸发，并送入O2/N2管网，以保证供应的连续性。

2　物料衡算—新鲜空气消耗量及污氮产量的计算

设单位时间新鲜空气消耗量为Vkm3（标）/h，氧气产量为V0m3（标）/h，氮气产量为VNm3（标）/h，仪表空气产量为Vym3（标）/h，污氮产量为Vwm3（标）/h。则根据物料平衡有：

新鲜空气含氧元素量为y0k。氧气产品氧元素含量为y00，氮气产品氧元素含量为y0N，仪表空气产品含氧量y0y，污氮含氧元素量为y0w。则根据氧元素平衡有：

根据笔者所参与的空分项目产品方案，V0=264 000 m3（标）/h，VN1=71 000 Nm3/h，VN2=80 000 Nm3/h，VN3=52 000 m3（标）/h，VN4=3 000m3（标）/h，Vy=33 200 m3（标）/h。代入（a）式计算得：

新鲜空气含氧元素量为y0k=20.95%（V%）。根据产品方案y00=99.60%（V%），y0N1=1.50%（V%），y0N2～4=10-4%（V%），y0w=0.8%（V%），仪表空气产品含氧量同新鲜空气为y0y=20.95%（V%）。代入（b）式计算得：

整理得：

联立（1）和（2）式，可得：

解得：Vk=1 324 762m3（标）/h，Vw=821 562m3（标）/h。该项目建设三套空分设备，则单套设备空气消耗量和污氮产生量分别为Vk=441 587m3（标）/h，Vw=273 854m3（标）/h。

3　结束语

低温精馏法空分技术经过一百多年的发展，其工艺流程及设备装置已经相对成熟。但随着世界能源危机的日益加深，能量成本占空气产品价格3/4[2]的空分行业也面临巨大的挑战。因此，如何改善工艺流程、优化空分装置、降低能耗和提高产品的提取率，都已成为低温精馏法空分技术进一步研究的方向，并将使得低温精馏法空分技术日趋完善。

[1] 张延平，王立，高远.低温精馏空分产品能耗分摊的确定与计算[J].钢铁，2003，（12）：53-55+71.

[2] 刘守强，胡长青.空分装置预冷系统流程的重构[J].节能技术，2015，（6）：572-575.

[3] 于成烈，徐一来.空分装置的模拟与操作优化[J].石油炼制与化工，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，江苏宿迁人，工程师，主要研究方向为化工工艺。