低溫精餾法空氣分離能耗分析及節(jié)能策略研究

劉偉

摘 要：隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，空氣分離技術(shù)水平也顯著提升，低溫精餾法空氣分離技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用較廣，其主要是利用空壓機(jī)、換熱器、冷凝蒸發(fā)器等，達(dá)到分離空氣中氮?dú)夂脱鯕獾哪康?。根?jù)熱力學(xué)定律，整個(gè)分離過(guò)程會(huì)發(fā)生75%左右的能耗損失，要想降低空氣分離過(guò)程中的能耗損失，就必須采取一定的節(jié)能措施。本文針對(duì)低溫精餾法空氣分離能耗及節(jié)能策略，進(jìn)行了分析和研究。

關(guān)鍵詞：低溫精餾法；空氣分離；能耗；節(jié)能策略

氮?dú)夂脱鯕?，是化工、鋼鐵等企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)必不可少的原料，制取氮?dú)夂脱鯕獾姆椒ê芏?，其中比較常用的是低溫精餾法。該方法可直接利用空氣來(lái)分離出氮?dú)夂脱鯕?，有利于?jié)約成本，但同時(shí)也會(huì)在分離過(guò)程中發(fā)生能耗損失。實(shí)驗(yàn)研究證明，發(fā)生能耗損失最大的是低溫精餾法的空分裝置，能耗損失越大，對(duì)企業(yè)經(jīng)營(yíng)來(lái)說(shuō)越不利。因此，在采用低溫精餾法分離空氣的過(guò)程中，做好節(jié)能工作是必要的。

一、低溫精餾法空氣分離能耗分析

（一）精餾過(guò)程中的能耗損失

1、根據(jù)濃度變化而產(chǎn)生的質(zhì)量傳遞

在分離空氣的過(guò)程中，由于每塊篩板的溫度組成具有很大差異，這種差異會(huì)造成空分塔的熱力學(xué)效率大幅降低。相鄰兩塊篩板之間的下流液體和上升蒸汽相比較，向下流動(dòng)的液體中的氮含量，要高于上升蒸汽中的熱含量。要達(dá)到減少能耗的目的，就必須最大限度減少篩板之間傳遞質(zhì)量和傳遞熱量的推動(dòng)力。

根據(jù)無(wú)污液氮的一般實(shí)驗(yàn)操作流程可知，在上塔環(huán)節(jié)，最小回流比要比實(shí)際回流比小得多，這就導(dǎo)致提餾段的操作線只有在上塔進(jìn)料口的時(shí)候，才能與精餾段的操作線達(dá)到平衡。這就意味著，在其他階段的時(shí)候，各篩板之間都會(huì)出現(xiàn)大量的質(zhì)量傳遞和熱量傳遞能耗損失。如果從下塔引入一股污液氮，經(jīng)過(guò)冷卻之后再輸入到上塔精餾段，就可以使精餾段的回流比發(fā)生變化——下段的回流比要大于污液氮進(jìn)口上段的回流比，這樣就能顯著降低篩板上的熱力學(xué)不可逆性。由于液氮的分離要比污液氮的分離更復(fù)雜，需要花費(fèi)更多的能量，而下段所需達(dá)到的回流液溫度，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液氮所需的溫度。

2、根據(jù)溫度變化而產(chǎn)生的熱量傳遞

上塔和下塔之間，需要通過(guò)一定的裝置聯(lián)系起來(lái)，主冷便是其中最重要的裝置之一。從功能上看，主冷具有雙重角色，它既是上塔的再沸器，同時(shí)也是下塔的冷凝器，要確保整個(gè)裝置的正常運(yùn)行，就必須控制好主冷的負(fù)荷。當(dāng)壓力相同的時(shí)候，氮?dú)馔荒苓_(dá)到蒸發(fā)液氧的目的，這是因?yàn)橐貉醯姆悬c(diǎn)要比氮?dú)獾穆饵c(diǎn)高。但由于主冷裝置中氮?dú)庖粋?cè)的壓力，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氧氣一側(cè)的壓力，這就使得通過(guò)氮?dú)庹舭l(fā)液氧的目標(biāo)可以達(dá)到。

在實(shí)際操作過(guò)程中，由于主冷的傳熱溫差較大，需要的能耗也比較大，要減少能耗損失，就必須降低主冷傳遞熱量過(guò)程中的溫差，使下塔氮?dú)庖粋?cè)的溫度適當(dāng)下降，所需的最大壓力也會(huì)相應(yīng)下降，進(jìn)而達(dá)到減少能耗的目的。然而，在降低主冷傳熱溫差的時(shí)候，需要擴(kuò)大換熱面積，這就會(huì)導(dǎo)致投入資金增加。因此，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須采用高效的換熱器。

3、根據(jù)壓力變化而產(chǎn)生的動(dòng)量傳遞

采用低溫精餾法分離空氣的過(guò)程中，會(huì)由于壓力的變化而產(chǎn)生一定的動(dòng)量傳遞。一般來(lái)說(shuō)，空分裝置的上塔都會(huì)采用比較規(guī)整的填料塔，下塔則會(huì)采用篩板塔。由于篩板的阻力要大于填料的阻力，上升的蒸汽再通過(guò)塔板的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生壓力的降低。

塔板的阻力主要包括液面張力阻力、液面靜壓力、干塔板阻力三部分。如果適當(dāng)降低氣體的速度，或者減少各塔板的液面高度，就可以達(dá)到控制壓力下降幅度的目的。但是，采用這種方法會(huì)導(dǎo)致塔板的工作效率降低，進(jìn)而使整個(gè)精餾過(guò)程對(duì)塔板的需求量增加。而且，降低氣體速度必須增大塔直徑，這些都會(huì)造成整個(gè)空氣分離過(guò)程的投資大幅上升。

（二）其他階段的能耗損失

低溫精餾法空氣分離的各階段，都會(huì)產(chǎn)生一定的能耗損失，雖然精餾過(guò)程中產(chǎn)生的能耗損失最大，但其他階段的能耗損失也是不容忽視的。具體來(lái)說(shuō)，其他階段的能耗損失主要包括以下幾個(gè)方面：

1、空氣壓縮過(guò)程

要達(dá)到空氣分離的目的，首先必須對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，壓縮空氣的必備裝置是空壓機(jī)。其在壓縮空氣的過(guò)程中，并不是在等溫的條件下進(jìn)行，電能的消耗量與等溫效率是成反比的。所以，要節(jié)約電能，就必須適當(dāng)提升壓縮機(jī)的等溫效率。一般來(lái)說(shuō)，比較常見(jiàn)的方法是利用冷卻水使壓縮空氣得到完全冷卻，但是這種方法會(huì)減少一定的熱量，最終導(dǎo)致空氣壓縮機(jī)的電能損耗進(jìn)一步增大。

2、進(jìn)精餾塔之前的壓力損耗

當(dāng)前，我國(guó)大多數(shù)空分裝置都是臥式分子篩結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中，產(chǎn)生的阻力比較大，導(dǎo)致空氣在經(jīng)過(guò)分子篩分器的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)較大的壓力損失。如果采用新型的立式徑向流分子篩，就會(huì)改變空氣的通道，空氣會(huì)由外到內(nèi)經(jīng)過(guò)分子篩；然后在再生的過(guò)程中由內(nèi)而外通過(guò)，形成徑向流動(dòng)的路徑，這就能起到降低阻力、減少能耗的作用。

3、冷損

低溫精餾法空氣分離的整個(gè)過(guò)程中，冷損一般包括冷跑產(chǎn)生的損失、換熱器溫差產(chǎn)生的損失，以及液體產(chǎn)品帶走的熱量等。為了使這些冷損得到補(bǔ)充，就必須提供一定的冷量。而在制取冷量的過(guò)程中，必然也會(huì)消耗許多能量。然而，冷損如果不能得到及時(shí)的補(bǔ)充，就會(huì)導(dǎo)致冷損越來(lái)越大，最終對(duì)精餾效果產(chǎn)生影響。所以，要達(dá)到降低能耗損失的目的，對(duì)冷損進(jìn)行科學(xué)控制是非常必要的。

4、氧氣純度和提取率

一般來(lái)說(shuō)，氧氣的提取率與能耗成反比，提取率越高，能耗就越小。當(dāng)氧氣純度和空氣量不變的時(shí)候，氧氣產(chǎn)量的高低，也會(huì)影響到氧氣的提取率。此外，被氮?dú)鈳ё叩难鯕猓瑢?duì)氧氣提取率也有顯著影響。因此，要控制能耗損失，必須提升氮?dú)獾钠骄兌取?/p>

在實(shí)際操作過(guò)程中，操作人員若僅僅減少空壓機(jī)的壓力或者氧氣產(chǎn)量，不可能達(dá)到降低能耗的目的。主要原因在于：此時(shí)的氧氣純度會(huì)顯著提升，分離難度也會(huì)增大，進(jìn)而導(dǎo)致能耗增大。如果采用降低主冷負(fù)荷的方法，則可以很好的達(dá)到降低能耗的效果。

二、節(jié)能策略

（一）進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)過(guò)熱度和膨脹空氣量的控制

研究發(fā)現(xiàn)，一旦膨脹空氣進(jìn)入到上塔后，就會(huì)發(fā)生不可逆的損失。因此，要降低能耗損失，就必須制定一個(gè)科學(xué)合理的膨脹流程，使得膨脹空氣在到達(dá)上塔之后，通過(guò)上塔的精餾裝置來(lái)提升氧氣的提取率。然而，這一過(guò)程需要增加塔板數(shù)量，這樣才能降低膨脹空氣對(duì)精餾效果的影響。

當(dāng)前大多數(shù)的空分裝置下塔液空純度都小于40%，若能阻止膨脹空氣進(jìn)入到上塔，就可以很好地達(dá)到降低上塔回流量的目的。這不僅對(duì)提升氧氣提取率有好處，同時(shí)也可以達(dá)到較好的節(jié)能效果。

（二）采用填料塔作為空分裝置的下塔

從目前的現(xiàn)狀來(lái)看，許多企業(yè)在采用低溫精餾法分離空氣的時(shí)候，都是使用的篩板塔。事實(shí)上，篩板塔會(huì)導(dǎo)致整個(gè)分離過(guò)程產(chǎn)生大量的能耗損失。相反，如果使用填料塔則會(huì)使能耗降低很多。盡管填料塔的高度要大于篩板塔，但是其在使用過(guò)程中的空氣阻力并不大，而且通過(guò)增加塔直徑的方式，可以很好地解決高度問(wèn)題。這樣雖然會(huì)增加資金投入，但是從當(dāng)前我國(guó)能源緊張的現(xiàn)狀來(lái)看，能源的價(jià)格必然會(huì)逐漸增高。相比之下，采用填料塔來(lái)進(jìn)行空氣分離會(huì)更節(jié)約。

結(jié)語(yǔ)：

總之，低溫精餾法空氣分離過(guò)程需要用到空分裝置，其所產(chǎn)生的能耗損失是巨大的。隨著壓力、溫度以及濃度的變化，分離過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同程度的動(dòng)量、熱量以及質(zhì)量傳遞，這些都是整主要能耗損失來(lái)源。為了將能耗損失控制在最低，必須在操作過(guò)程中，采取必要的節(jié)能策略，包括使用填料塔、降低過(guò)熱度、膨脹空氣量等，這樣才能達(dá)到最佳的節(jié)能效果。

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