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摘 要：空分过程是一个高纯度的复杂分离过程，其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，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，该文主要分析空分装置下塔进料状态对精馏工况的影响。
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。工业上的空分生产主要使用低温精馆法，其基本原理是利用相对挥发度差异采用精傭方法分离空气中的各个组分。空分产品广泛应用于冶金、石化、化工和航天等工业领域。
一、空分流程及下塔简介
空气经空压机压缩至0.545MPa进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。下塔有三个进料流股，分别是高压空气、膨胀空气以及低压空气；有四个出料流股，分别是液氮、气氮、污液氮以及液空。在主精僧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，因此下塔的工况对主精饱塔乃至整个空分流程起着决定性的作用。
二、膨胀空气对下塔进料状态的影响
在实际生产中，加入精馏塔中的原料液可能有5种热状况：温度低于泡点的冷液体；泡点下的饱和液体；温度介于泡点和露点之间的气液混合物；露点下的饱和蒸气；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、膨胀空气流量、低压空气流量以及膨胀机负荷大小等因素的影响，大部分情况下，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，所以一般情况下，膨胀空气进下塔量的变化对精馏工况的影响不大。而当膨胀空气量大幅度变化时，下塔进料状态发生改变，就会对精馏工况产生影响。例如，低压空气流量48000m3/h，膨胀空气流量30000m3/h，高压空气流量32000m3/h，产品氧量16000m3/h，产品氮量15000m3/h，在此工况下，一方面，由于膨胀量小，系统的制冷量较少，在中低压换热器的换热能力一定的情况下，压空气出中低压换热器的温度无法降到露点温度，这部分气体就变成了过热蒸气；另一方面，膨胀空气的压力与下塔压力密切相关，只要空压机出口压力和下塔工况稳定，膨胀机出口气体的压力、温度就变化不大，而且膨胀机出口气体是不允许带液的，所以膨胀空气只可能是露点下的饱和蒸气或者过热蒸气，这样当两股气混合后的温度将高于此压力下的露点温度，即过热蒸气。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；造成下塔回流比减少，为增加下塔回流比维持液空纯度不致升得太高，就要减少污液氮和液氮导入上塔的量。根据物料平衡的原则，在空分负荷不变的情况下，污液氮、液氮导入上塔的量减少，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，液氧的蒸发量增加，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，在一定程度上开发了上塔的精馏潜力。
膨胀空气进下塔的内压缩流程，就本套装置而言上塔的精馏潜力是很大的。通过不同的工况对比可以得出以下两点：（一）影响空气入塔温度即下塔进料状态的因素较多，主要受到膨胀机制冷量大小、空压机出口气量和压力以及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）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，污液氮和纯液氮导入上塔的量越多。 由此可见，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，进而确定最佳精馏工况的运行范围，最大限度地开发上塔的精馏潜力，达到节能降耗的目的。
三、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，下塔進料板处冷凝量减少，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，受系统工况波动的影响较小。
参考文献
[1]陈敏恒[等]编.化工原理[M]. 化学工业出版社，2006
[2]毛绍融，朱朔元，周智勇主编.现代空分设备技术与操作原理[M]. 杭州出版社，2005
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。工业上的空分生产主要使用低温精馆法，其基本原理是利用相对挥发度差异采用精傭方法分离空气中的各个组分。空分产品广泛应用于冶金、石化、化工和航天等工业领域。
一、空分流程及下塔简介
空气经空压机压缩至0.545MPa进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。下塔有三个进料流股，分别是高压空气、膨胀空气以及低压空气；有四个出料流股，分别是液氮、气氮、污液氮以及液空。在主精僧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，因此下塔的工况对主精饱塔乃至整个空分流程起着决定性的作用。
二、膨胀空气对下塔进料状态的影响
在实际生产中，加入精馏塔中的原料液可能有5种热状况：温度低于泡点的冷液体；泡点下的饱和液体；温度介于泡点和露点之间的气液混合物；露点下的饱和蒸气；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、膨胀空气流量、低压空气流量以及膨胀机负荷大小等因素的影响，大部分情况下，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，所以一般情况下，膨胀空气进下塔量的变化对精馏工况的影响不大。而当膨胀空气量大幅度变化时，下塔进料状态发生改变，就会对精馏工况产生影响。例如，低压空气流量48000m3/h，膨胀空气流量30000m3/h，高压空气流量32000m3/h，产品氧量16000m3/h，产品氮量15000m3/h，在此工况下，一方面，由于膨胀量小，系统的制冷量较少，在中低压换热器的换热能力一定的情况下，压空气出中低压换热器的温度无法降到露点温度，这部分气体就变成了过热蒸气；另一方面，膨胀空气的压力与下塔压力密切相关，只要空压机出口压力和下塔工况稳定，膨胀机出口气体的压力、温度就变化不大，而且膨胀机出口气体是不允许带液的，所以膨胀空气只可能是露点下的饱和蒸气或者过热蒸气，这样当两股气混合后的温度将高于此压力下的露点温度，即过热蒸气。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；造成下塔回流比减少，为增加下塔回流比维持液空纯度不致升得太高，就要减少污液氮和液氮导入上塔的量。根据物料平衡的原则，在空分负荷不变的情况下，污液氮、液氮导入上塔的量减少，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，液氧的蒸发量增加，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，在一定程度上开发了上塔的精馏潜力。
膨胀空气进下塔的内压缩流程，就本套装置而言上塔的精馏潜力是很大的。通过不同的工况对比可以得出以下两点：（一）影响空气入塔温度即下塔进料状态的因素较多，主要受到膨胀机制冷量大小、空压机出口气量和压力以及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）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，污液氮和纯液氮导入上塔的量越多。 由此可见，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，进而确定最佳精馏工况的运行范围，最大限度地开发上塔的精馏潜力，达到节能降耗的目的。
三、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，下塔進料板处冷凝量减少，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，受系统工况波动的影响较小。
参考文献
[1]陈敏恒[等]编.化工原理[M]. 化学工业出版社，2006
[2]毛绍融，朱朔元，周智勇主编.现代空分设备技术与操作原理[M]. 杭州出版社，2005