基于深冷技術的空氣分離系統仿真研究

李永強

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

關鍵詞：深冷技術;空氣分離系統;仿真研究

引言

目前，我國很多動力汽化過程和石油企業的制造中，很多時候都需要用到一個空氣分離系統，也就是空分系統。例如在以汽化氧氣作為氣體和氣化物質的 igcc 發電廠中，使用空分系統，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，深冷技術就是根據氮氣和氧氣之間的沸點差異，利用精餾方式來實現的氣體之間的分離。如今，由于我國的深冷技術不斷進步和發展，已經完全可以適用于對于大規模生產和使用。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，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。當氮氣在冷凝器中冷凝后，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、空分系統仿真和優化

1.空分系統的仿真

對于空分系統，我們可以基于ASPEN PLUS實現仿真，對于其物性參數，可以使用ASPEN PLUS推薦的PENG ROB的數據庫模式。其流程中各部件的操作條件和具體參數規定如下：

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.空分系統靈敏度分析

在空分系統中，主要影響精餾效果的數值為下塔塔板級數、回流比、以及上塔塔板級數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進行靈敏度的分析，確定上下塔的最優參數情況。

（1）下塔塔板的級數對精餾效果的影響

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%。這時再繼續增加板純度級數，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，這就導致了塔頂氮氣的含量的下降。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。在對塔塔頂的氧氣含量確定為76.1kg / s 之后保持穩定。因此，對于上一層塔塔頂的氧氣含量確定為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氮氣流以及上塔塔底氧氣流的組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、石化產業的發展，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，基于ASPEN PLUS對空氣分離系統進行了仿真分析。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，得到了最優的分離效果。

參考文獻：

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