空分装置影响氧气纯度的原因分析

2017-11-03孙东东大唐呼伦贝尔化肥有限公司内蒙古呼伦贝尔021000

化工管理 2017年30期

关键词：空气量沸点空分

孙东东（大唐呼伦贝尔化肥有限公司，内蒙古呼伦贝尔021000）

空分装置影响氧气纯度的原因分析

孙东东（大唐呼伦贝尔化肥有限公司，内蒙古呼伦贝尔021000）

本文主要介绍空分装置原理以及对氧气纯度产生影响的主要因素，通过分析在更大程度上挖掘提升氧气产品提取效率以及减少空分装置能耗的潜力，充分改善空分装置的性能。

空分装置；氧气纯度；原因分析

空分主要是指通过工业设备对空气进行分解，从而通过分离空气中的氧、氮等工业气体以支持不同工业领域的需求。空分装置的工艺流程随着工业科技的发展而不断获得发展，在传统上,对空分产品的需求大多是对高纯度产品的需求[1]。近年来,这一状况有所改变。同样看冶金行业,这些年受到极大关注的COREX熔融还原炼铁技术需要使用数倍于采用传统流程的相同规模的冶金工厂的氧气耗,而所需氧气的纯度可低至95%。新的形势对空分行业提出了新的要求。如同氧气顶吹转炉的应用极大地促进了空分行业的发展一样,本文简要分析纯度对空分流程经济性的影响。

1 空分装置空气分离原理

在标准大气压下，空气中的主要组成成分是氧气、氮气、氩气，其中氧气的沸点较氮气相比要高出13K，氧气和氩气沸点接近，且二者相对于氮气都属难挥发气体。因此当混合液体中具有两种以上不同沸点的组成物质时，加热混合液体，可以使不同沸点的物质中相对容易挥发，即沸点相对较低的成分转变成气相[2]；当混合蒸汽中具有两种不同沸点的组成成分时，相对比较难以挥发，也就是沸点相对较高的成分则在混合蒸汽因释放热量时通过冷凝转变成液相；当温度相差较大的饱和蒸汽与饱和液体接触时，蒸汽会因释放热量而发生部分冷凝，液体会因为吸收多余热量而发生部分汽化，这样就会出现蒸汽出现冷凝现象时，其中的大部分氧组分会通过冷凝而转变成液体，液体中的大部分氮组分会因为蒸发而转变成气体，这样一来，气相中氮的成分较高，而液相中氧的成分则较高，这样的过程进行多次后，就会使气相和液相中的氮组分和氧组分浓度不断增加，最终达到提取氧气的目的。实现这一过程的主要设备是精馏塔，塔内有多块塔板用来进行氧气提取时进行蒸发和冷凝，最后在塔底得到具有一定纯度的氧气。

2 影响氧气纯度的因素

空分装置影响氧气纯度的主要原因有以下几点：

2.1 氧气需求量的大小对氧气纯度的影响

以氧物料平衡的角度来说，在加工空气量和氮气浓度保持在固定程度时，如果对氧气的纯度要求较高，那么取出的氧气量只能在一定的范围内；而如果对氧气量的要求较高，即需要氧的量较大时，则氧气的纯度也必然会受到影响，纯度会有所降低[3]。用公式表示如下：

从上式来看，若以产量为主要生产目标，则需要根据用户对于不同空分产品的需求才能对氧纯度的减少产生的利弊进行分析。一般在空分设备的制氧能力需要被充分利用的情况下，适当降低氧纯度有利于工业生产需要。

从精馏的角度来说，氧气取出量的多少直接影响上塔的蒸汽数量，如果氧气的提取量较大，会增加上塔的回流比，从而造成液相中氮无法被彻底蒸发，这样就会影响氧气的纯度。如果需要氧的纯度较高，则可以通过对送氧阀和送氮阀进行调节来控制提取氧气的量，与此同时保证上塔压力的稳定。

2.2 上塔空气量和下塔液空中含氧量对氧气纯度的影响

当进入上塔的膨胀空气量提升时，在不影响送氧量前提下，氮的纯度下降必然也会造成氧气纯度的降低，主要是由于上塔的精馏工况会因为上塔进入的膨胀空气量的增多而受到不良影响，这样也会造成氧气纯度的降低。要想提升氧气的纯度，需要找到造成氧纯度降低的具体原因进行调整，当冷量过剩造成纯度下降时，可以通过调整膨胀机进行纯度提升。如果液相氧正常，则可以使膨胀空气旁通量增加进行调整。下塔液空量变大就会影响液空中氧的纯度，使其降低，这主要是由于下塔液空量的增大会增加上塔提馏段的空气分离压力，与此同时回流液量过大也会影响氮(氩)的彻底气相，这样也会给氧的提纯带来影响。由此可知，要想提升氧纯度，可以通过适当调整下塔精馏工况并使液空氧量增加。