李永強(qiáng)

摘要：對(duì)于深冷技術(shù)需要構(gòu)建一個(gè)全新的空分系統(tǒng)流程模式，需要利用靈敏度確定實(shí)際的系統(tǒng)參數(shù)情況，基于ASPEN PLUS軟件，我們對(duì)于本次的流程系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，證明本次的系統(tǒng)可以分理出具有較高純度的氧氣和氮?dú)猓Ｍ転榭辗窒到y(tǒng)的設(shè)計(jì)人員提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：深冷技術(shù);空氣分離系統(tǒng);仿真研究

引言

目前，我國(guó)很多動(dòng)力汽化過(guò)程和石油企業(yè)的制造中，很多時(shí)候都需要用到一個(gè)空氣分離系統(tǒng)，也就是空分系統(tǒng)。例如在以汽化氧氣作為氣體和氣化物質(zhì)的 igcc 發(fā)電廠(chǎng)中，使用空分系統(tǒng)，制取汽化爐中需要的氧氣。對(duì)于純潔的氧氣和氮?dú)?，一般需要通過(guò)分離技術(shù)得到。對(duì)于這種分離技術(shù)，大致劃分為三類(lèi)，即深冷技術(shù)、吸附分離技術(shù)、以及膜分離技術(shù)。其中，深冷技術(shù)就是根據(jù)氮?dú)夂脱鯕庵g的沸點(diǎn)差異，利用精餾方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的氣體之間的分離。如今，由于我國(guó)的深冷技術(shù)不斷進(jìn)步和發(fā)展，已經(jīng)完全可以適用于對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)和使用。并且在實(shí)踐中得到了制取氧氣的處理，同時(shí)成本較低，所以這一技術(shù)在我國(guó)得到了大量使用，

一、基于深冷技術(shù)的空分系統(tǒng)流程

我們將一級(jí)質(zhì)量大約為100kg / s 的新鮮空氣，通過(guò)壓縮機(jī)加熱壓縮之后，首先可以進(jìn)入到一級(jí)換熱器。對(duì)于反流出的氧氣及氮化物，可以直接冷卻到301.15k，經(jīng)過(guò)分子分離器進(jìn)行分離。當(dāng)去除其中有害氣體之后，進(jìn)入到二級(jí)換熱器，通過(guò)和回流的產(chǎn)品進(jìn)行換熱之后，溫度降低成為含有氮氧混合物的氣體。然后經(jīng)過(guò)膨脹，進(jìn)入到精餾塔的中部位置。另一個(gè)是在高壓精餾塔底部，也就是需要由下塔冷凝器殘留下來(lái)的液氮中，再次進(jìn)行加熱傳質(zhì)。

由于同樣的溫度和壓力模式下，氮?dú)饣瘜W(xué)沸點(diǎn)較低，因此當(dāng)進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)時(shí)，氮?dú)饩蜁?huì)率先蒸發(fā)，而且氧氣得到冷凝。從下到上，氣體的純度不斷得到提高，在塔頂部的位置，氮?dú)獾募兌茸罡呖蛇_(dá)98%，塔底富氧液中氮?dú)庖部傻玫郊兓?。?dāng)?shù)獨(dú)庠诶淠髦欣淠?，一部分輸送至上塔作為回流液，并且在下塔進(jìn)行回流。下塔底部的富氧液被輸送至上塔作為入口的進(jìn)料。在經(jīng)過(guò)過(guò)冷器、換熱器之后，從上塔可以制作出純度達(dá)到99.99%液氮。

二、空分系統(tǒng)仿真和優(yōu)化

1.空分系統(tǒng)的仿真

對(duì)于空分系統(tǒng)，我們可以基于ASPEN PLUS實(shí)現(xiàn)仿真，對(duì)于其物性參數(shù)，可以使用ASPEN PLUS推薦的PENG ROB的數(shù)據(jù)庫(kù)模式。其流程中各部件的操作條件和具體參數(shù)規(guī)定如下：

壓氣機(jī)使用COMPR模塊，壓力控制為10.2X105 ?PA，自身的等熵效率為0.86;對(duì)于一級(jí)換熱器，使用MHEEATX模塊，出口溫度控制為301.15K，壓力下降為10KPA;二級(jí)換熱器和一級(jí)換熱器都采用MHEATX模塊進(jìn)行，出口的溫度為108K，過(guò)冷器溫度為101K，壓力為10KPA;對(duì)于下塔采用RADFRAC模塊進(jìn)行，塔內(nèi)操作壓力控制為10X105PA。上塔采用RADFRAC模塊，操作壓力為2.5X105PA。

2.空分系統(tǒng)靈敏度分析

在空分系統(tǒng)中，主要影響精餾效果的數(shù)值為下塔塔板級(jí)數(shù)、回流比、以及上塔塔板級(jí)數(shù)和上塔的塔頂出料等。為了計(jì)算出最好的精餾效果，我們需要對(duì)于上述的變量進(jìn)行靈敏度的分析設(shè)定。本文主要針對(duì)下塔的參數(shù)進(jìn)行靈敏度的分析，確定上下塔的最優(yōu)參數(shù)情況。

（1）下塔塔板的級(jí)數(shù)對(duì)精餾效果的影響

一般情況下，隨著下一層塔板的純度級(jí)數(shù)不斷增加，氧氣以及兩種氮?dú)獾募兌染艿玫揭欢ǔ潭鹊母纳?。在下一層塔板的純度達(dá)到9級(jí)時(shí)，氧氣的純度就超過(guò)了99.9%，同時(shí)氮?dú)獾募兌纫餐瑯舆_(dá)到了99%。這時(shí)再繼續(xù)增加板純度級(jí)數(shù)，兩種氣體的純度增加將變得非常緩慢。因此，對(duì)于一個(gè)下塔的樓層，我們可以選擇為9。

（2）下塔回流對(duì)于精餾效果的實(shí)際影響

在實(shí)際精餾塔中，回流率的高低是非常關(guān)鍵的，直接決定了實(shí)際精餾塔的分離效率。在采用了增加回流比模式下，塔板的級(jí)數(shù)也得到了相當(dāng)大的提高，可以有效地讓精餾產(chǎn)品純度得到提升。實(shí)驗(yàn)表明，在下塔的回流比增加至3的時(shí)候，再繼續(xù)增加回流比，對(duì)于高純度的提高較小，因此本次研究我們選擇為3.

（3）下塔餾出液對(duì)于精餾效果的影響分析

所謂的下塔餾出液截流之后送往上塔作為上塔的回流液，對(duì)于下塔的餾出液的增加，那么上塔的回流比也會(huì)隨著增加，全面增加氧氣和氮?dú)獾募兌?。?duì)于下塔餾出液增加達(dá)到45KG/S的時(shí)候，全面增加下塔餾出液的影響已經(jīng)不顯著，所以下塔的餾出液我們選擇45KG/S。

（4）上塔塔板級(jí)數(shù)對(duì)于精餾效果的影響分析

在進(jìn)料量不變的情況下，隨著上一層塔頂氣體出料的不斷減小，導(dǎo)致了氣體的上升。但進(jìn)料液中的氮?dú)鈱?shí)際含量是固定的，這就導(dǎo)致了塔頂?shù)獨(dú)獾暮康南陆?。?shí)驗(yàn)表明，在塔頂出料量達(dá)到76.1kg / s 時(shí)，因?yàn)樗變?chǔ)料的減少，就會(huì)導(dǎo)致塔底的氧氣含量地增加。在對(duì)塔塔頂?shù)难鯕夂看_定為76.1kg / s 之后保持穩(wěn)定。因此，對(duì)于上一層塔塔頂?shù)难鯕夂看_定為76.1kg / s 。

3.仿真結(jié)果分析

本次研究經(jīng)過(guò)ASPEN PLUS計(jì)算之后，我們可以得到上塔塔頂?shù)獨(dú)饬饕约吧纤籽鯕饬鞯慕M成和流量具體情況如下：

上塔塔頂產(chǎn)品的組成和流量，其中氮?dú)猓∟？）質(zhì)量比例為99.241%，流量為75.522kg / s ;氧氣（O？）質(zhì)量比例為0.756%，流量為0.575kg / s。

上塔塔底產(chǎn)品的組成和流量，氮?dú)猓∟？）質(zhì)量比例為0.021%，流量為0.005kg / s ;氧氣（O？）質(zhì)量比例為99.931%，流量為22.569kg / s。

三、總結(jié)

隨著冶金產(chǎn)業(yè)、石化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，空氣分離技術(shù)得到廣泛使用。經(jīng)過(guò)近年來(lái)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，深冷技術(shù)作為當(dāng)下使用時(shí)間最長(zhǎng)的空氣分離技術(shù)，已經(jīng)較為完善。文章針對(duì)深冷技術(shù)的空氣分離系統(tǒng)仿真進(jìn)行研究，構(gòu)建了滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)的空氣分離模式和系統(tǒng)，基于ASPEN PLUS對(duì)空氣分離系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。并且成功分離出了具有較高純度的氧氣和氮?dú)狻＝?jīng)過(guò)靈敏性分析之后，確定了最佳的配置方案，得到了最優(yōu)的分離效果。

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