李永強

摘要：對于深冷技術需要構建一個全新的空分系統(tǒng)流程模式，需要利用靈敏度確定實際的系統(tǒng)參數(shù)情況，基于ASPEN PLUS軟件，我們對于本次的流程系統(tǒng)進行了仿真，證明本次的系統(tǒng)可以分理出具有較高純度的氧氣和氮氣，希望能為空分系統(tǒng)的設計人員提供一定的理論依據(jù)。

關鍵詞：深冷技術;空氣分離系統(tǒng);仿真研究

引言

目前，我國很多動力汽化過程和石油企業(yè)的制造中，很多時候都需要用到一個空氣分離系統(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的 igcc 發(fā)電廠中，使用空分系統(tǒng)，制取汽化爐中需要的氧氣。對于純潔的氧氣和氮氣，一般需要通過分離技術得到。對于這種分離技術，大致劃分為三類，即深冷技術、吸附分離技術、以及膜分離技術。其中，深冷技術就是根據(jù)氮氣和氧氣之間的沸點差異，利用精餾方式來實現(xiàn)的氣體之間的分離。如今，由于我國的深冷技術不斷進步和發(fā)展，已經完全可以適用于對于大規(guī)模生產和使用。并且在實踐中得到了制取氧氣的處理，同時成本較低，所以這一技術在我國得到了大量使用，

一、基于深冷技術的空分系統(tǒng)流程

我們將一級質量大約為100kg / s 的新鮮空氣，通過壓縮機加熱壓縮之后，首先可以進入到一級換熱器。對于反流出的氧氣及氮化物，可以直接冷卻到301.15k，經過分子分離器進行分離。當去除其中有害氣體之后，進入到二級換熱器，通過和回流的產品進行換熱之后，溫度降低成為含有氮氧混合物的氣體。然后經過膨脹，進入到精餾塔的中部位置。另一個是在高壓精餾塔底部，也就是需要由下塔冷凝器殘留下來的液氮中，再次進行加熱傳質。

由于同樣的溫度和壓力模式下，氮氣化學沸點較低，因此當進行傳熱和傳質時，氮氣就會率先蒸發(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，氮氣的純度最高可達98%，塔底富氧液中氮氣也可得到純化。當?shù)獨庠诶淠髦欣淠?，一部分輸送至上塔作為回流液，并且在下塔進行回流。下塔底部的富氧液被輸送至上塔作為入口的進料。在經過過冷器、換熱器之后，從上塔可以制作出純度達到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

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

壓氣機使用COMPR模塊，壓力控制為10.2X105 ?PA，自身的等熵效率為0.86;對于一級換熱器，使用MHEEATX模塊，出口溫度控制為301.15K，壓力下降為10KPA;二級換熱器和一級換熱器都采用MHEATX模塊進行，出口的溫度為108K，過冷器溫度為101K，壓力為10KPA;對于下塔采用RADFRAC模塊進行，塔內操作壓力控制為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)值為下塔塔板級數(shù)、回流比、以及上塔塔板級數(shù)和上塔的塔頂出料等。為了計算出最好的精餾效果，我們需要對于上述的變量進行靈敏度的分析設定。本文主要針對下塔的參數(shù)進行靈敏度的分析，確定上下塔的最優(yōu)參數(shù)情況。

（1）下塔塔板的級數(shù)對精餾效果的影響

一般情況下，隨著下一層塔板的純度級數(shù)不斷增加，氧氣以及兩種氮氣的純度均能得到一定程度的改善。在下一層塔板的純度達到9級時，氧氣的純度就超過了99.9%，同時氮氣的純度也同樣達到了99%。這時再繼續(xù)增加板純度級數(shù)，兩種氣體的純度增加將變得非常緩慢。因此，對于一個下塔的樓層，我們可以選擇為9。

（2）下塔回流對于精餾效果的實際影響

在實際精餾塔中，回流率的高低是非常關鍵的，直接決定了實際精餾塔的分離效率。在采用了增加回流比模式下，塔板的級數(shù)也得到了相當大的提高，可以有效地讓精餾產品純度得到提升。實驗表明，在下塔的回流比增加至3的時候，再繼續(xù)增加回流比，對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，對于下塔的餾出液的增加，那么上塔的回流比也會隨著增加，全面增加氧氣和氮氣的純度。對于下塔餾出液增加達到45KG/S的時候，全面增加下塔餾出液的影響已經不顯著，所以下塔的餾出液我們選擇45KG/S。

（4）上塔塔板級數(shù)對于精餾效果的影響分析

在進料量不變的情況下，隨著上一層塔頂氣體出料的不斷減小，導致了氣體的上升。但進料液中的氮氣實際含量是固定的，這就導致了塔頂?shù)獨獾暮康南陆?。實驗表明，在塔頂出料量達到76.1kg / s 時，因為塔底儲料的減少，就會導致塔底的氧氣含量地增加。在對塔塔頂?shù)难鯕夂看_定為76.1kg / s 之后保持穩(wěn)定。因此，對于上一層塔塔頂?shù)难鯕夂看_定為76.1kg / s 。

3.仿真結果分析

本次研究經過ASPEN PLUS計算之后，我們可以得到上塔塔頂?shù)獨饬饕约吧纤籽鯕饬鞯慕M成和流量具體情況如下：

上塔塔頂產品的組成和流量，其中氮氣（N？）質量比例為99.241%，流量為75.522kg / s ;氧氣（O？）質量比例為0.756%，流量為0.575kg / s。

上塔塔底產品的組成和流量，氮氣（N？）質量比例為0.021%，流量為0.005kg / s ;氧氣（O？）質量比例為99.931%，流量為22.569kg / s。

三、總結

隨著冶金產業(yè)、石化產業(yè)的發(fā)展，空氣分離技術得到廣泛使用。經過近年來科學技術的進步，深冷技術作為當下使用時間最長的空氣分離技術，已經較為完善。文章針對深冷技術的空氣分離系統(tǒng)仿真進行研究，構建了滿足實際生產的空氣分離模式和系統(tǒng)，基于ASPEN PLUS對空氣分離系統(tǒng)進行了仿真分析。并且成功分離出了具有較高純度的氧氣和氮氣。經過靈敏性分析之后，確定了最佳的配置方案，得到了最優(yōu)的分離效果。

參考文獻：

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