低温精馏原理及精馏塔

低温精馏原理及精馏塔,1.概述,低温法空气分离步骤：首先使加 工空气液化，然后利用氧、氮等组分 的沸点差，采用精馏的方法使空气分 离获得氧气和氮气。,对两种沸点不同的物质（例如氧与氮）组成 的混合液体，在吸收热量而部分蒸发时，易挥发 组分氮将较多地蒸发；而混合蒸气在放出热量而 部分冷凝时，难挥发组分氧将较多地冷凝。如果 将温度较高的饱和蒸气与温度较低的饱和液体接 触，则蒸气将放出热量给饱和液体。蒸气放出热 量将部分冷凝，液体将吸收热量而部分蒸发。蒸 气在部分冷凝时，由于氧冷凝得较多，所以蒸气 中的低沸点组分（氮）的浓度有所提高。如果进 行了一次部分蒸发和部分冷凝后，氮浓度较高的 蒸气及氧浓度较高的液体，再分别与温度不同的 液体及蒸气进行接触，再次发生部分冷凝及部分 蒸发，使得蒸气中的氮浓度及液体中的氧浓度将 进一步提高，这样的过程进行多次，蒸气中的氮 浓度越来越高，液体中的氧浓度越来越高，最终 达到氧、氮的分离。这个过程就叫精馏。,精馏塔内的空气是怎样被分离成氧和氮的,压缩空气经清除水分、二氧化碳，并在热交换器中被冷却及膨胀（对中压流程）后送入下塔的下塔，作为下塔的上升气。因为它含氧21，在0.6MPa下，对应的饱和温度为100.05K。在冷凝蒸发器中冷凝的液氮从下塔的顶部下流，作为回流液体。因其含氧为0.011，在0.6Mpa下的饱和温度约为96.3K。由此可见，精馏塔下部的上升蒸气温度高，从塔顶下流的液体温度较低。下塔的上升气每经过一块塔板就遇到比它温度低的液体，气体本身的温度就要降低，并不断有部分蒸气冷凝成液体。由于氧是难挥发组分，氮是易挥发组分，在冷凝过程中，氧要比氮较多地冷凝下来，于是剩下的蒸气中含氮浓度就有所提高。就这样一次、一次地进行下去，到塔顶后，蒸气中的氧绝大部分已被冷凝到液体中去了，其含氮浓度高达99以上。这部分氮气被引到冷凝蒸发器中，放出热量后全部冷凝成液氮，其中一部分作为下塔回流液从上往下流动。液体在下流的过程中，每经过一块塔板遇到下面上升的温度较高的蒸气，吸热后有一部分液体就要气化。在气化过程中，由于氮是易挥发组分，氧是难挥发组分，因此氮比氧较多地蒸发出来，剩下的液体中氧纯度就有所提高。这样一次、一次地进行下去，到达塔底就可以得到氧含量为3840的液空。因此，经过下塔的精馏，可将空气初步分离成含氧3840的液空和含氮99以上的液氮。,然后将液空经节流降压后送到上塔中部，作为进一步精馏的原料。与下塔精馏的原理相同，液体下流时，经多次部分蒸发，氮较多地蒸发出来，于是下流液体中的含氧浓度不断提升，达到上塔底部可得到含氧99.299.6的液氧。从液空进料口至上塔底部塔板上的精馏是提高难挥发组分的浓度，叫提馏段。这部分液氧在冷凝蒸发器中吸热而蒸发成气氧，在0.14Mpa下它的温度为93.7K左右。一部分气氧作为产品引出，大部分作为上塔的上升气。在上升过程中，部分蒸气冷凝，蒸气中的氮含量不断增加。由于上塔中部液空入口处的上升气中还有较多的氧组分，如果将它放掉，氧的损失太大，所以应再进行精馏。从冷凝蒸发器中引出部分含氮99%以上的液氮节流后送至上塔顶部，作为回流液，蒸气再进行多次部分冷凝，同时回流液多次部分蒸发。其中氧较多地留在液相里，氮较多地蒸发到气相中，到了上塔顶，便可得到含氮99%以上的氮气。从液氮进料口到液空进料口是为了进一步提高蒸气中低沸点组分（氮）的浓度，叫精馏段。如果需要纯氮产品还需要再次精馏，才能得到含氮99.99%的纯氮产品。这就是精馏塔内将空气分离成氧、氮的过程。,双级精馏塔内温度、压力确定,1）上塔顶部压力和温度确定 上塔顶部压力等于氮气克服流过各换热器，阀门和管道阻力及排出时所必须的压力之和。 P上塔顶=P设备+P排氮=0.015+0.105=0.12MPa 上塔顶部的温度与顶部压力和氮气浓度有关，根据顶部压力和氮气浓度查气、液平衡图得上塔顶部温度。 T上塔顶=78.16K,2)上塔底部压力和温度的确定。 上塔底部压力是指上塔最后一块塔板下面，液氧面上压力。等于上塔顶部加上塔塔板总阻力。 P上塔底=P上塔板+P上塔顶=0.015+0.12=0.135MPa 上塔底部的温度是液氧面上氧气的饱和温度,它由氧纯度和压力决定。根据底部压力和氧气浓度查气、液平衡图得上塔低部温度。 T上塔顶=92.8K,3）冷凝蒸发器中液氧的平均压力和平均温度的确定。 冷凝蒸发器液氧面上的压力即为上塔底部压力。液氧底部压力等于液氧面上的压力加上液氧柱产生静压。 P液氧底=P上塔底+ h液氧*液氧密度 T液氧平均= （ T液氧面+ T液氧底）/2,4）下塔顶部压力和温度确定 T主冷= T氮冷凝- T液氧平均 下塔顶部压力和氮气浓度及氮冷凝温度有关，根据冷凝温度和氮气浓度查气、液平衡图得下塔顶部压力。,5）下塔底部压力的确定 下塔底部压力等于下塔顶部加上塔塔板总阻力。 P下塔底=P下塔板+P下塔顶 温度为进下塔饱和空气温度,双级精馏塔的物料平衡和能量平衡,物量平衡：即入塔的空气量等于出塔的分离氧、氮之和。 组分平衡：空气分离后所得的各气体中某一组分量的总和等于加工空气两种该组分的量。 能量平衡：即进入塔内的热量（包括冷损）总和应等于出塔产品的热量之和。,下塔的物料平衡和能量平衡,V空=V液空+V液氮 V空y空=V液空x液空+V液氮x液氮 V空h空+Q下跑冷 =V液空h液空+V液氮h液氮+Q下主冷,上塔的物料平衡和能量平衡,V氧+V氮=V液空+V液氮= V空 V空y空=V氧y 氧+V氮y 氮 V氧h氧+ V氮h氮 =V液空h液空+V液氮h液氮+Q上主冷+Q上跑冷,全塔的物料平衡与热量平衡,氧提取率 氧提取率=V氧y 氧/ V空y空 V空h空+Q = V氧h氧+ V氮h氮,回流比,在空气精馏中，回流比一般是指塔内下流液体量与上升蒸气量之比，它又称为液气比。,回流比对精馏的影响,精馏产品的纯度，在塔板数一定的条件下，取决于回流比的大小。回流比大时所得到的气相氮纯度高，液相氧纯度就低。回流比小时得到的气相氮纯度低，液相的氧纯度就高。这是因为温度较高的上升气与温度较低的下流液体在塔板上混合，进行热质交换后，在理想情况下它们的温度可趋于一致，即达到同一个温度。这个温度介于原来的气、液温度之间。如果回流比大，即下流的冷液体多或者上升的蒸气少时，则气液混合温度必然偏于低温液体一边，于是上升蒸气的温降就大，蒸气冷凝得就多。因氧是难挥发组分，故氧组分冷凝下来相应也较多些，这样离开塔板的上升气体的氮浓度也提高得快。每块塔板都是如此，因此在塔顶得到的气体含氮纯度就高。另一方面，因为气液混合温度偏于低温液体一边，于是下流液体的温升就小，液体蒸发得也少，因而液体中蒸发出来的氮组分相应也少些，这样离开塔板的下流液体中氧浓度就提高得慢。每块塔板都是如此，因而在塔低得到的液体的氧浓度就低。 回流比小时则与上述情况相反，不再重复。精馏工况的调整，实际上主要就是改变塔内各部位的回流比大小。操作工人常说的精馏塔塔温高，实际就是指回流比小；塔温低，就是回流比大的情况。,调整下塔纯度是调整上塔纯度的基础,双级精馏塔分离空气是先将空气在下塔分离成富氧液空和液氮，然后再送到上塔进一步分离成纯氧和纯氮产品。由此可见，如果下塔提供的中间产品不合格，上塔是很难生产出纯度和数量都合乎要求的氧、氮产品的。这是因为在设计上塔时，是根据氧、氮产品的数量和一定的液空和液氮量计算出上塔的回流比，再根据液空和液氮的纯度和回流比以及一定的操作压力，确定为分离出合格产品所需要的塔板数。对全低压流程的上塔，还需要考虑膨胀空气的影响。也就是说，只有当液空、液氮的数量和纯度以及膨胀空气进入上塔的状态和数量都符合要求，并在规定的操作压力下，经过这么多块塔板的精馏，才能获得纯度和数量都合格的产品。如果液空和液氮的纯度和数量改变了，上塔回流比一定会发生变化，如果还是用这么多块塔板来进行精馏，就不能得到纯度和数量都符合要求的产品了。因此，下塔工况的调整就成为从上塔获得合格产品的基础。,为什么全低压空分设备能将膨胀空气直接送入上塔,全低压空分设备的冷量大部分靠膨胀机产生，而全低压空分设备的工作压力即为下塔的工作压力，为0.550.65MPa。该压力的气体在膨胀机膨胀制冷后，压力为0.13MPa左右，已不可能像中压流程那样送入下塔参与精馏。如果膨胀后的空气只在热交换器内回收冷量，不参加精馏，则这部分加工空气中的氧、氮就不能提取，必将影响到氧、氮的产量和提取率。 由于在全低压空分设备的上塔其精馏段的回流比大于最小回流比较多，就有可能利用多余回流液的精馏潜力。因此可将膨胀后的空气直接送入上塔参与精馏，来回收膨胀空气中的氧、氮，以提高氧的提取率。 由于全低压空分设备将膨胀空气直接送入上塔，因此制冷量的变化将引起膨胀量的变化，必然要影响上塔的精馏。制冷与精馏的紧密联系是全低压空分设备的最大特点。,进上塔的膨胀空气量受什么条件限制,进上塔的膨胀空气量增加，精馏段的回流比相应减少。为了达到所要求纯度的氮气产品，需要设置更多的塔板数。当回流比减少到需要设置无数块塔板才能使氮气纯度达到要求的数值时，这时的回流比叫最小回流比。进上塔的膨胀空气量首先受最小回流比的限制。当回流比越接近最小回流比时，为保证产品纯度所需的塔板数增加的越快，这将造成投资增加，塔板阻力增加，操作压力升高，能耗增加。因此，膨胀空气进上塔后的回流比应大于最小回流比。 当要求氮气纯度低时，最小回流比也减少，允许进上塔的膨胀空气量就可以多些，这时氧的提取率也相应地降低。此外，如果液空纯度高，液空量就较少，相应的液氮量就会增大。这将使精馏段的回流比增大，允许送入上塔的膨胀空气量也就可适当增加。氧气的纯度低一些，允许送入的膨胀空气量也可以多一些。总之，送入上塔的膨胀空气量应综合考虑回流比、塔板数、氧、氮及液空纯度等诸多因素的影响，以便在既可保证产品纯度和不使氧提取率下降过多，又不致于过多地增加塔板数和能耗的情况下，送入适量的膨胀空气。,哪些因素会影响塔板阻力的变化，观察塔板阻力对操作有何实际意义？,影响塔板阻力的因素很多，包括筛孔孔径大小、塔板开孔率、液体的密度、液体的表面张力、液层厚度、蒸气的密度和蒸气穿过筛孔的速度等等。其中，蒸气和液体的密度以及液体的表面张力在生产过程中变化很小。孔径大小与开孔率虽然固定不变，但当筛孔被固体二氧化碳或硅胶粉末堵塞时，也会发生变化，造成阻力增大。此外，液层厚度和蒸气的筛孔速度取决于下流液体量和上升蒸气量的多少，在操作中也有可能发生变化，从而影响塔板阻力的变化。特别是筛孔速度对阻力的影响是成平方关系，影响较大。 所以，在实际操作中，可以通过塔内各部分阻力的变化来判断塔内工况是否正常。如果阻力正常，说明塔内上升蒸气的速度和下流液体的数量正常。如果阻力增高，则可能是某一段上升蒸气量过大或塔板筛孔堵塞；如果进塔空气量、膨胀空气量以及氧、氮、污氮取出量都正常，也即上升气量没有变化，那就可能是某一段下流液体量大了，使塔板上液层加厚，造成塔板阻力增加；如果阻力超过正常数值，并且产生波动，则很可能是塔内产生了液悬；当阻力过小时，有可能是上升蒸气量太少，蒸气无法托住塔板上的液体而产生漏液现象。因此阻力大小往往可作为判断工况是否正常的一个重要手段。,上塔压力低些有什么好处,上塔的低温产品气体出塔后要通过换热器回收冷量，经复热后再离开装置。上塔的压力需要能够克服气体在通过换热器时的阻力。但是，要求在满足需要的情况下，尽可能地低。这是因为： 1）在冷凝蒸发器中冷凝的液氮量不变、主冷温差不变得情况下，如果上塔压力降低，则下塔压力相应地会自动降低。通常，上塔压力降低0.01MPa，下塔压力可降低0.03MPa。对于全低压制氧机，随着下塔压力降低，空压机的排气压力也可降低，进塔空气量会增加，从而可以增加氧产量和降低制氧机的能耗。 2)上、下塔压力降低，可改善上、下塔的精馏工况。因为压力低时，液体中某一组分的含量与其上方处于相平衡的蒸气中同一组分的含量的差数要大些，而压力高时此差数会减小。气、液相浓度差越大，则氧、氮的分离效果越好。即在塔板数不变的情况下，压力低一些，有利于提高氧、氮的纯度。因此在操作时，要尽可能降低上塔压力。 应指出，上塔压力降低是有限的。因为氧、氮产品的排出压力有一定要求，在排出过程中，还要克服换热器和管道的阻力。,为什么说主冷液氧的变化是判断制氧机冷量是否充足的主要标志？,空分设备的工况稳定时，装置的产冷量与冷量消耗保持平衡，装置内各部分的温度、压力、液面等参数不再随时间而变化。主冷是联系上、下塔的纽带，来自下塔的上升氮气在主冷中放热冷凝，来自上塔的回流液氧在主冷中吸热蒸发。回流液量与蒸发量相等时，液面保持不变。 加工空气在进入下塔时，有一定的“含湿”，即有小部分是液体。大部分空气将在主冷中液化。对于低压空分设备，进下塔的空气是由出主热交换器冷端的空气和经液化器的空气混合而成的。正常情况下，它们进塔的综合状态都有一定的“含湿量”（“液化率”）。进塔的空气状态是由空分设备内的热交换系统和产冷系统所保证的。 当装置的冷损增大时，制冷量不足，使得进下塔的空气含湿量减小，要求在主冷中冷凝的氮气量增加，主冷的热负荷增大，相应地液氧蒸发量也增大，液氧面下降；如果制冷量过多，主冷的热负荷减小，液氧蒸发量减少，液氧面会上升。因此，装置的冷量是否平衡，首先在主冷液面的变化上反映出来。,增加加工空气量对精馏工况有什么影响，需要采取哪些相应的措施？,当加工空气量增加时，将使精馏塔内的上升蒸气增加，主冷内所需冷凝的液体量也相应增加，因此对塔内的回流比没有影响。增加的气量在一定范围内，氧、氮的纯度能基本保持不变，而产量将随空气量的增加而按比例增加。 但是，随着主冷中冷凝液体量增加，主冷的热负荷加大。当传热面积不足时，主冷的温差必然扩大，下塔压力相应升高。同时，由于塔内气流速度增加，下流液体量增加，塔板上液层加厚，使塔板的阻力增加，上、下塔的压力也会相应地提高。这将对氧、氮的分离带来不利的影响，同时也使电耗增加。当气量过大时，塔板阻力及下流液流经溢流斗的阻力均会增大很多，造成溢流斗内液面升高，甚至发生液体无法流下的液泛现象，这时将破坏精馏塔的正常工况。 此外，由于上升蒸气流速增加，容易将液滴带到上一块塔板，影响精馏效果，氮纯度下降，从而会降低氧的提取率。 一般的空分塔，增加20%左右的空气量也能正常工作，不需要采取什么措施。当加工空气量过大时，需要加大塔板上的筛孔的孔径，以降低蒸气速度。加大主冷的传热面积，以缩小主冷温差，保证精馏塔的正常工作,过冷器的作用,空气在下塔经精馏后产生的液空和液氮，通过节流阀供给上塔作为精馏所需的回流液。处于饱和状态的液体经过节流阀时，由于压力降低，其相应的饱和温度也降低，部分液体将要气化。节流的气化率与节流前后的压力，液体的组分及过冷度有关。通常，未过冷时液空、液氮节流后的气化率可达1520%，这就使得上塔的回流液量减少，对上塔的精馏不利。为了减少节流气化率，因而设置了过冷器。它是靠回收污氮、污氮的冷量，使液空、液氮的温度降低。低于下塔压力所对应的饱和温度就称为过冷。如果过冷度为39，则节流后的气化率可减少到812%。 另一方面，过冷器还起到调配冷量的作用。它可使一部分冷量又返回上塔。因此，空气带入下塔的能力（焓值）升高，使冷凝蒸发器的热负荷增加，对上塔的精馏有利。,.氧气产量不足的原因及处理,影响氧气产量的主要因素如下： （1）加工空气量不足。原因有：环境温度过高；大气压力过低；空气吸入过滤器被堵塞；电压过低或电网频率降低，造成空压机转速降低；中间冷却器冷却效果不好；级间有内泄漏；阀门、管道漏气；自动阀或切换阀泄漏；对分子筛纯化系统而言，可能是切换碟阀漏气。 （2）氮平均纯度过低。原因有：精馏塔板效率降低；冷损过大造成膨胀空气量过大；液氮纯度太低，液氮量太大；液氮量过小；液空或液氮过冷器泄漏；污氮（或馏分）取出量过大；液空、液氮调节阀开度不当，下塔工况未调好。 （3）主冷换热不良。主冷换热面不足，或氮侧有较多不凝性气体，影响主冷的传热，使液氧的蒸发量减少。 （4）设备阻力增加。由于塔板、液空吸附器或过冷器堵塞，液空、液氮节流阀开度过小或被堵塞，将造成下塔压力升高，进塔空气量减小。当切换式换热器冻结时，也将造成系统阻力增加，进塔空气量自动减少。 （5）氧气管道、容器存在泄漏。,处理的方法，尽可能减少空气损失，降低设备阻力，以增加空气量；尽可能减少跑冷损失、热交换不完全损失和漏损，减少膨胀空气量。下面详细从精馏角度分析一下调整产量的方法： 液面要稳定。液氧液面稳定标志着设备的冷量平衡。如果液面忽高忽低，调整纯度就十分困难。合理调节膨胀量和液空、液氧调节阀开度，使液氧面稳定。 调节好液空、液氮纯度。下塔精馏是上塔的基础。液空、液氮取出量的变化，将影响到液空、液氮的纯度，并影响到上塔精馏段的回流比。如果液氮取出量过小，虽然氮纯度很高，但是，给精馏段提供的回流液过少，将使氮气纯度降低。此时，由于液空中的氧浓度低，将造成氧纯度下降，氧产量减少。因此，下塔的最佳精馏工况应是在液氮纯度合乎要求的情况下，尽可能加大取出量。一方面为上塔精馏段提供更多的回流液；另一方面使液空的氧浓度提高，减轻上塔的精馏负担，这样才有可能提高氧产量。这里需要说明的是，液氮纯度的调节要用液氮调节阀，不能用下塔的液氮回流阀。回流阀正常情况下应全开。 调整好上塔精馏工况，努力提高平均氮纯度。平均氮纯度的高低标志着氧损失率的大小。而平均氮纯度又取决于污氮纯度的高低，因为污氮气量占的比例大。污氮的纯度主要也是靠下塔提供合乎要求的液氮来保证的。当下塔精馏工况正常，而污氮纯度仍过低时，则可能是上塔的精馏效果降低（例如塔板堵塞或漏液）；或是膨胀空气量过大；或是氧气取出量过小、纯度过高，使上升蒸汽量增多，回流比减小。要改善上塔的精馏工况，主要是控制氧、氮取出量。一方面二者的取出量要适合；另一方面阀门开度要适度，以便尽可能降低上塔压力，有利于精馏，以提高污氮的纯度。,筛板的结构筛板的形式,筛板是由筛板孔、溢流斗、无孔板组成的。筛板孔上分布有许多小孔，蒸气自上而下穿过小孔，经塔板上的液体层传热、传质后上升。液体按照一定路线从塔板上流过，液体由稳定流速的蒸气托持着，经溢流斗流到下一块塔板的无孔板（受液盘）。液层的厚度由塔板上的进口挡板和出口挡板高度决定。 依据液体在塔板上的流动方向，筛板的形式分为对流、径流、环流式，环流式还分为单溢流和双溢流。 液体在塔板上流动路线长，气液接触时间也长，热、质交换充分，但是塔板阻力大，精馏分离的能耗升高。所以全低压制氧机，由于塔板阻力直接影响制氧机能耗，且环形塔板直径大，因此，多数采用对流或径流板。,规整填料精馏塔与筛板塔的比较,精馏塔分为筛板塔和填料塔两大类。填料塔又分为散堆填料和规整填料两种。筛板塔虽然结构较简单，适应性强，宜于放大，在空分设备中被广泛采用。但是，随着气液传热、传质技术的发展，对高效规整填料的研究，一些效率高、压降下、持液量小的规整填料的开发，在近十多年内，有逐步替代筛板塔的趋势。 规整填料由厚约0.22mm的金属波纹板组成，一块块排列起来的金属波纹板，低温液体在每一片填料表面上都形成一层液膜，与上升的蒸气相接触，进行传热传质。规整填料的金属比表面积约是填料为筛板的30倍，液氧持留量仅为筛板的3540。而且，因为精馏塔截面积比筛板塔小1/3,填料垂直排列，不存在水平方向浓度梯度的问题，只要液体分布均匀，精馏效率较高，压力降较小，气体穿过填料液膜的压差比穿过筛板液层的压差要小得多，约只有50Pa。上塔底部压力的下降，必然可导致下塔压力降低，进而主空压机的出口压力相应降低，使整套空分的能耗降低。同时，规整填料液体的滞留量小，因此，对负荷变化的应变能力较强。,规整填料塔与筛板塔相比，有以下优点： 1)压降非常小，气相在填料中的液相膜表面进行对流传热、传质，不存在塔板上清液层及筛孔的阻力。在正常情况下，规整填料的阻力只有相应筛板塔的1/51/6； 2)热、质交换充分，分离效率高，使产品的提取率提高； 3)操作弹性大，不产生液泛或漏液，所以负荷调节范围大，适应性强。负荷调节范围可以在30%100%，筛板塔的调节范围在70%100%； 4)液体滞留量小，启动和负荷调节速度快； 5)可节约能源。由于阻力小，空气进塔压力可降低0.07MPa左右，因而使空气压缩能耗减少6.5左右； 6)塔径可以减小。 7）应用规整填料后，由于当量理论塔板的压差减小，全精馏制氩可能实现，氩提取率提高10%15%。 8）一般都选择铝作为规整填料的材料，这样可减轻重量和减少费用，但必须控制好填料金属表面残留润滑油量小于50mg/m2。在这样条件下，可认为铝填料塔和铝筛板塔用于氧精馏是同样安全的。,精馏塔的下塔为什么一般不以规整填料塔取代筛板塔,规整填料塔的每1m填料相当的理论塔板数与上升气体的空塔流速成反比，与气体的密度的1/2次方成反比。由于下塔的压力高，气体密度大，当处理的气量和塔径一定时，每米填料的理论塔板数减少，即需要有较高的下塔才能满足要求，这将使阻力增大，能耗增加，如果靠增大塔径来降低流速，提高每米填料的理论塔板数，则会增加下塔的投资成本。因此，下塔是否采用规整填料，需要权衡利弊。目前还是以采用筛板塔的居多。,