基于穩(wěn)態(tài)模擬技術(shù)的空分增氮工藝流程設(shè)計與實施

楊澤萌，韓曉萌，盧新發(fā)

（北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司熱能事業(yè)部；北京市冶金三維仿真設(shè)計工程技術(shù)研究中心，北京 100043）

引言

在空氣分離方法中，深冷精餾法相較于變壓吸附、膜分離具有分離純度高、產(chǎn)能規(guī)模大等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、機(jī)械、電子行業(yè)，技術(shù)成熟度較高[1]。現(xiàn)階段，隨著國家“碳達(dá)峰、碳中和”的政策驅(qū)動，各行業(yè)內(nèi)相關(guān)節(jié)能環(huán)保項目應(yīng)聲落地。在該背景下，企業(yè)內(nèi)既有空分機(jī)組的氧氮平衡比被打破，表現(xiàn)為氮氣需求量的升高。經(jīng)空分增氮技術(shù)方案對比，采用塔內(nèi)改造增氮法對既有設(shè)備進(jìn)行挖潛具有可行性，且經(jīng)濟(jì)效益明顯[2-3]；而塔內(nèi)精餾設(shè)備的技術(shù)改造是空分增氮工藝設(shè)計的難點。

化工過程模擬或流程模擬系統(tǒng)作為新技術(shù)、新工藝設(shè)計的有效工具，通過建立工藝流程的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行規(guī)律計算、特性描述、行為預(yù)測與分析[4]。采用穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)對空分增氮工藝進(jìn)行分析，尤其針對塔內(nèi)精餾設(shè)備改造的技術(shù)開發(fā)過程進(jìn)行仿真；從而準(zhǔn)確掌握工藝過程的信息參數(shù)并代替試驗研究，推動空分增氮改造工程設(shè)計與創(chuàng)新發(fā)展，具有重要的指導(dǎo)意義。

1 項目概況

首鋼公司所屬鋼鐵生產(chǎn)單位，為落實國家對環(huán)境保護(hù)的相關(guān)政策以及超低排放的生產(chǎn)要求，新建多項環(huán)保類工程。其中，煉鐵作業(yè)部除塵灰、瓦斯灰氣力輸送改造工程以氮氣作為動力氣源，需新增氮氣20 000 m3/h；燒結(jié)球團(tuán)一、二系列脫硫脫硝工程以氮氣作為保護(hù)氣源，需新增氮氣6 000 m3/h。因此，新落地的環(huán)保項目所需氮氣總量為26 000 m3/h。根據(jù)原工藝及生產(chǎn)所需氧、氮、氬氣情況，制氧作業(yè)部日常運行三套35 000 m3/h 空分即可滿足生產(chǎn)要求，實現(xiàn)供需平衡。考慮新建環(huán)保項目事故狀態(tài)下增量因素，氮氣總需求量達(dá)到30 000 m3/h。因此，需對既有空分設(shè)備進(jìn)行挖潛改造，實現(xiàn)污氮資源化利用，從而保障環(huán)保項目順利實施。每套35 000 m3/h空分氧、氮、氬氣產(chǎn)品數(shù)據(jù)見表1。

表1 單套空分氣體產(chǎn)品數(shù)據(jù)表

2 增氮工藝流程與物系選擇

由于低壓氮氣產(chǎn)能提高，原純氮塔K03 精餾能力無法滿足增產(chǎn)要求。空分增氮改造工藝需對純氮塔K03 進(jìn)行重新設(shè)計，并將純液氮管道與污液氮管道進(jìn)行交叉互換，節(jié)流閥后兩管道進(jìn)行二次交叉互換；低壓氮氣管道與污氮管道交叉互換，復(fù)熱后進(jìn)行二次交叉互換，從而保障低壓氮氣順利送出，工藝流程圖如圖1 所示。置換后的污氮量減少，需增設(shè)冷水機(jī)組以滿足預(yù)冷系統(tǒng)所需冷量[5]。

圖1 空分增氮工藝流程圖

空分增氮模擬基于氧-氮-氬三元物系計算，通常采用立方形狀態(tài)方程，如PR 方程、RK 方程、SRK方程等；經(jīng)測算，在相同條件下，采用PR方程和SRK方程進(jìn)行計算，產(chǎn)品產(chǎn)量相同，純度誤差小于3×105。[6]穩(wěn)態(tài)模擬中的相平衡參數(shù)、焓及氣相密度等，采用PR 方程[7]進(jìn)行數(shù)學(xué)建模與計算，并依據(jù)空分增氮工藝流程圖在Aspen Plus 中構(gòu)建模擬流程。根據(jù)表1 所列，該流程模擬的低壓氮氣以70 000 m3/h作為計算產(chǎn)量。

3 流程模擬計算與結(jié)果分析

3.1 流程模擬的理論基礎(chǔ)

對空分增氮流程進(jìn)行化工過程模擬，是實現(xiàn)工藝系統(tǒng)穩(wěn)定運行、達(dá)到設(shè)計要求的前提與基礎(chǔ)。流程模擬按對象的時態(tài)劃分，可分為穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬兩類；穩(wěn)態(tài)模擬描述已知工況條件下的變量關(guān)系，與時間無關(guān)；而動態(tài)模擬描述過程為時間的函數(shù)，主要反映實際操作過程的變化規(guī)律[8]。在空分技術(shù)領(lǐng)域，常用穩(wěn)態(tài)流程模擬進(jìn)行新工藝設(shè)計、舊設(shè)備改造的優(yōu)化。現(xiàn)階段，主流的靜態(tài)模擬系統(tǒng)包括艾斯本的Aspen Plus、劍維的PRO/Ⅱ、VMG 的VMGSim以及Chemstations的ChemCAD等。

以Aspen Plus 為基礎(chǔ)進(jìn)行流程模擬，在配置過程中，換熱器E01、過冷器E03 選用多股流MHEATX模塊，純氮塔K03、低壓塔K02、中壓塔K01 等精餾裝置選用RADFRAC 計算模塊。由全塔物料衡算、能量衡算及Underwood 公式[9]計算純氮塔K03 的最小回流比Rmin為1.55。按工程實踐經(jīng)驗，全塔最優(yōu)回流比Ropt為Rmin的1.1～1.5倍，設(shè)計選定Ropt為2.17。此時，根據(jù)增氮項目的設(shè)計參數(shù)及運行模擬流程，進(jìn)行模擬計算。

3.2 模擬結(jié)果與分析

對于氧-氮-氬三元物系，全塔效率一般在50%～70%，本設(shè)計取全塔效率ET為60%。根據(jù)As?pen 嚴(yán)格流程模擬計算，純氮塔K03 的理論塔板數(shù)為14，包括冷凝器與再沸器。因此，純氮塔K03 的實際塔板數(shù)為22，塔頂采出產(chǎn)品參數(shù)如表2 所列。從表中可以看出，低壓氮氣從純氮塔K03塔頂采出，流量為71 200 m3/h，含O2量為1.85×10-6，滿足氮氣增產(chǎn)規(guī)模與純度要求。

表2 純氮塔K03模擬數(shù)據(jù)表

3.2.1 精餾塔內(nèi)溫度與壓力分布

穩(wěn)態(tài)下純氮塔K03內(nèi)部各塔板的溫度及壓力分布，如圖2、圖3 所示。從圖2 中可以看出，精餾塔內(nèi)部溫度隨著塔板數(shù)的增加而升高，塔釜溫度最高，約168.65 ℃，塔頂溫度最低，約173.45 ℃。這是由于隨著塔板數(shù)的增加，液相中高沸點組分摩爾分?jǐn)?shù)逐漸增大，溫度也隨之升高。同時，在精餾塔塔釜設(shè)置再沸器，溫度相對較高；而在塔頂處設(shè)置冷凝器，氣相冷凝回流至精餾塔進(jìn)行兩相接觸后分離，使得塔頂溫度最低。

圖2 純氮塔K03的溫度分布圖

圖3 純氮塔K03的壓力分布圖

從圖3 可知，精餾塔內(nèi)部壓力隨著塔板數(shù)的增加而上升，低壓氮氣從塔頂采出，氮氣壓力約35 kPa。由于氮氣為低沸點的輕組分，其在穿過塔板上升的過程中，存在塔板阻力損失，即塔板壓降；而在氣液兩相接觸過程中，輕組分要克服液體內(nèi)層壓力以及表面張力，這同樣會造成壓力損失。因此，精餾塔的塔頂?shù)膲毫榧兊﨣03壓力最低點。

3.2.2 精餾塔內(nèi)氮氣組分分布

在氧-氮-氬三元物系中，氮氣屬于低沸點輕組分，在逐層穿越塔板的過程中濃度不斷富集，在塔頂時純度達(dá)到最高。純氮塔K03內(nèi)部各塔板的純度分布如圖4 所示。從圖4 中可以看出，精餾塔內(nèi)部的氮氣純度隨著塔板數(shù)的降低而升高，越靠近塔頂?shù)獨饧兌仍礁撸敳沙龅牡獨饧兌却笥?9.999%，含O2量小于2×10-6，符合增氮項目對純度的要求。

圖4 純氮塔K03的氮氣純度分布圖

3.2.3 靈敏板位置確定

通常，在物系接觸分離的過程中，精餾塔內(nèi)的某些塔板具有靈敏板特性，其對溫度非常敏感，能夠在靈敏板位置設(shè)感溫元件，從而準(zhǔn)確監(jiān)測進(jìn)料狀態(tài)參數(shù)變動，實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。不同分離物料氣液平衡性質(zhì)具有較大差異，靈敏板在精餾塔中的位置也會有所不同。在保持純氮塔K03其它狀態(tài)參數(shù)不變的條件下，通過改變系統(tǒng)回流比考察純氮塔K03 靈敏板的位置及分布。回流比增加10%與減少10%工況下，精餾塔內(nèi)理論塔板的溫差分布見表3 及圖5。從表3 及圖5 中可以看出，當(dāng)回流比增加時，精餾塔內(nèi)塔板的溫差呈正偏差，第10-12 塊塔板可作為純氮塔K03 的靈敏板，其中第11 塊塔板為最適宜的靈敏板。當(dāng)回流比降低時，精餾塔內(nèi)塔板的溫差呈負(fù)偏差，第10-12塊塔板的溫差變化更加明顯，第11 塊塔板變化最明顯，最適宜作靈敏板。因此，可在第11塊理論塔板處設(shè)置控制系統(tǒng)，從而達(dá)到優(yōu)化精餾塔分離效果的目的。

圖5 不同回流比理論塔板的溫差分布圖

表3 回流比與塔板溫差數(shù)據(jù)表

4 項目實施

通過構(gòu)建氧-氮-氬三元物系模型，經(jīng)嚴(yán)格穩(wěn)態(tài)模擬計算，重新設(shè)計的純氮塔K03 總塔板數(shù)為24塊，包括塔頂冷凝器與塔釜再沸器。設(shè)備供應(yīng)商核算后，純氮塔K03塔高增至5.11 m（含封頭氮氣管道出口），塔徑保持不變，同時優(yōu)化了液氮分配器等附件。精餾塔的感溫控制系統(tǒng)設(shè)置在第11 塊理論塔板處，即第18 或第19 塊實際塔板處，利于精餾塔的監(jiān)測與智能控制。在實施過程中，純氮塔K03 的支撐鋼結(jié)構(gòu)做加固處理。為節(jié)約投資成本，創(chuàng)新采用管道交叉使用方法，將純液氮管道與污液氮管道進(jìn)行交叉互換，經(jīng)過過冷器E03，在各自節(jié)流閥后進(jìn)行二次交叉互換，送至各自精餾塔接口處參與精餾。低壓氮氣管道與污氮管道交叉互換，經(jīng)過冷器E03、主換熱器E01復(fù)熱，出冷箱后進(jìn)行二次交叉互換，送至各自既有管網(wǎng)。需要注意的是，在管線交叉互換的實施過程中，與管道連通的附屬管線、檢測儀表等，需一并引至對方管道上。同時，在冷凍機(jī)廠房內(nèi)，增設(shè)1 套與既有冷凍機(jī)同規(guī)格、型號設(shè)備，彌補污氮減少的冷量損失，維持壓縮空氣進(jìn)入純化系統(tǒng)的進(jìn)口溫度。為保證純氮塔K03塔頂?shù)蛪旱獨忭樌统觯趬嚎s機(jī)廠房內(nèi)新增設(shè)1 臺45 000 m3/h 的低壓氮壓機(jī)。在項目投產(chǎn)滿負(fù)荷生產(chǎn)時，低壓氮氣增產(chǎn)至80 000 m3/h，純度合格，且超出了模擬預(yù)期值。

5 結(jié)論

對工業(yè)企業(yè)既有空分機(jī)組進(jìn)行氮氣增產(chǎn)改造，經(jīng)化工過程模擬進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算與仿真，能夠輔助設(shè)備挖潛設(shè)計與優(yōu)化，對項目實施提供理論支撐。通過構(gòu)建氧-氮-氬三元物系數(shù)學(xué)模型，采用PR 立方形方程，對空分增氮工藝進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬。經(jīng)研究，新純氮塔K03 塔板數(shù)增加至24 塊，塔高約5.11 m，第18 與第19 塊塔板間設(shè)置感溫智能控制設(shè)施。項目實施后，低壓氮氣從塔頂采出，產(chǎn)量增加至80 000 m3/h，純度合格，超出了模擬預(yù)期。