KDON-20000/20000制氧裝置熱平衡分析與計算

孟令軍

（營口鋼鐵有限公司，遼寧營口115000）

氧氣作為氧化劑和助燃劑在工業(yè)中得到廣泛應用，在金屬冶煉（煉鋼、重金屬冶煉）、化工（合成氨、甲醇、乙烯、煤氣化）、機械（金屬切割）、國防工業(yè)（火箭推進劑、液氧炸藥）和醫(yī)療等行業(yè)都需要大量的氧氣，制氧行業(yè)已是國民經(jīng)濟中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。大規(guī)模的工業(yè)制氧主要是把周圍空氣中的氧氣、氮氣分離來制取氧氣、氮氣。目前應用最為廣泛的制氧方法就是深度冷凍法[1]。

深度冷凍法制氧是深冷和精餾的結合。通過壓縮、降溫，把空氣溫度降到100K以下，使空氣液化，再利用氧氣、氮氣沸點差異（氧沸點90K，氮沸點77K），通過精餾的方法使氧氮分離。

一般精餾生產(chǎn)的介質(zhì)在常溫下都是液體，也叫常溫精餾，在精餾塔塔底設置再沸器，用蒸汽把液體加溫產(chǎn)生上升蒸汽，在塔頂設置冷凝器，利用冷卻水把蒸汽冷凝產(chǎn)生回流液，在塔板上上升蒸汽和回流液體接觸，多次的傳質(zhì)傳熱，實現(xiàn)分離。所以精餾過程中驅動物質(zhì)分離的能量是在再沸器中，以熱量的形式加入精餾塔中。而在深冷法制氧過程中，驅動氧氮分離的能量則是以功的形式加入精餾過程中。由于空氣在常溫下是以氣態(tài)存在的，為了使空氣液化，需要把空氣壓縮到一定的壓力，然后通過熱交換把空氣冷卻到部分液化的狀態(tài)進入精餾塔塔底。未液化的那部分空氣則成為精餾塔內(nèi)的上升蒸汽，故塔底無需設置再沸器。實際上，該裝置共有精餾塔5座，每座塔的冷凝器和再沸器都是用的流程內(nèi)各種氣體、液體，根據(jù)壓力、溫度的區(qū)別巧妙設置，沒有使用流程外的冷凝水或者蒸汽[2，3]。

下面結合我公司2萬m3/h制氧機組，對制氧過程的物料和熱量轉換進行量化分析。

1 空壓機排氣量的計算

我公司制氧裝置每h可生產(chǎn)20000m3，純度99.6%的氧氣，同時每h生產(chǎn)相當于600m3，純度為99.7%的液氧產(chǎn)品和相當于750m3氬氣的液氬產(chǎn)品。空氣中氧氣含量為20.95%。氧氣提取率按照99%計算。那么理論上所需要的空氣總量為：

另外，每h有5000m3的膨脹空氣旁通到污氮氣管道不參與精餾，分子篩切換空氣損失為0.4%，那么實際所需空氣量為：

考慮到裝置75%～105%的操作彈性，空壓機實際排氣量按照110000m3/h設定。

2 空壓機排氣壓力的計算

空壓機的排氣壓力是由精餾所需的壓力和各個工序的阻力之和所確定的，故計算空壓機排氣壓力需從裝置末端往前計算。

氮氣出冷箱的壓力為15kPa，主換熱器和過冷器阻力之和約為20kPa，則上塔頂部壓力為35kPa，上塔為填料塔，阻力為5kPa，那么下塔底部壓力為 40kPa，40kPa時液氧的飽和溫度為92.5K，主冷凝蒸發(fā)器溫差取2K，則下塔頂部氮氣飽和溫度為94.5K，對應的飽和壓力為450kPa。下塔阻力為20kPa，則下塔底部壓力為470kPa，主換熱器阻力20kPa，分子篩阻力為8kPa，空冷塔阻力為7kPa，則空壓機排氣壓力為505kPa。

3 能量轉換計算

3.1 原料空氣經(jīng)過空壓機壓縮后帶入裝置的能量

3.1.1 空壓機有效功率約8950kW·h，每小時消耗能量約為7697×103kcal/h。

3.1.2 中間冷卻器冷卻水用量為400m3/h，溫度上升4℃，則冷卻水帶走的熱量為：

公式中：1為水的比熱容，1kcal/（kg℃）

1000為水的密度，1000kg/m3

3.1.3 空冷塔帶走的熱量

105000m3/h空氣進空冷塔后，溫度下降約75℃，則帶走的熱量為：

公式中：0.2388為空氣的比熱容，0.2388kcal/（kg℃）

1.29為空氣的密度，1.29kg/m3

則真正帶入裝置的能量為：

3.2 制冷所消耗的能量

由于裝置存在冷量損失，需消耗一部分能量去制冷。熱力學中并沒有冷量的概念，制氧行業(yè)中所謂冷量就是反方向的熱量，冷損就是指熱量從外界進去了系統(tǒng)中。制氧裝置的冷損主要包括復熱不足冷損、排液冷損、絕熱冷損。

3.2.1 復熱不足冷損

復熱不足冷損指冷箱的氧氣、氮氣、污氮氣在主換熱器中與入塔空氣換熱不充分，存在熱端溫差。入塔空氣溫度23℃，出塔氧氣、氮氣、污氮氣溫度平均為20℃，熱端溫差3℃。進塔空氣量為105000m3/h，減去液體產(chǎn)品的1350m3/h，則出塔的返流氣體量為103650 m3/h，冷量損失為：

公式中：0.2388為空氣的比熱容，0.2388kcal/（kg℃）

1.29為空氣的密度，1.29kg/m3

3.2.2 排液冷損

公式中：130為空氣冷凝到液體時的溫降和冷凝潛熱之和，130kcal/m3

3.2.3 絕熱冷損

由于該裝置大部分設備都屬于低溫狀態(tài)，設置在冷箱內(nèi)，盡管冷箱內(nèi)填充了珠光砂等保溫材料，但是由于體積大，難免存在冷損，根據(jù)經(jīng)驗該裝置的絕熱冷損取60000kcal/h。

故該裝置總的冷損為：

為了驗算計算結果，可通過計算制冷量是否與裝置冷損一致。制冷量主要包括：參與制冷的空氣量及膨脹空氣制冷量和節(jié)流制冷量。

3.2.4 節(jié)流制冷量

該裝置的節(jié)流制冷量大約為40×103kcal/h

3.2.5 膨脹空氣制冷量

該裝置膨脹空氣量為15000m3/h，按照每標準立方米的膨脹空氣制冷量為18kcal計，則膨脹空氣制冷量為：

則總的制冷量為310×103kcal/h，與該裝置的總冷損331.3×103kcal/h基本吻合。

3.3 精餾能量損失

精餾過程是以能量為分離劑的，因為氧氮的沸點差較小，在精餾的過程存在很大的不可逆性。能量損失主要體現(xiàn)在：

3.3.1 氣、液流動時的動量傳遞。即由于上升蒸氣在通過塔板會產(chǎn)生壓降。

3.3.2 氣、液傳熱時的熱量傳遞。上升蒸氣與回流液體接觸時有溫差。

3.3.3 氣、液傳質(zhì)時的質(zhì)量傳遞。進出每塊篩板的氣相和液相存在濃度差。從下一塊篩板上升的蒸氣與上一塊篩板下流的液體相比較，蒸氣中氮組分的含量小于與下流液體相平衡時的氮含量。當然這也是氣液之間傳質(zhì)的推動力。

精餾能量損失由能量守恒計算可得：

4 結論

由上所述：空壓機給予原料空氣的能量為7697×103kcal/h，其中在空氣壓縮過程中由于空氣溫度升高，而需要進行冷卻，該過程消耗的能量為4025.9×103kcal/h，約占總能耗的52.3%；精餾過程消耗能量 3339.8×103kcal/h，約占總能耗的43.4%；裝置冷損消耗能量331.3×103kcal/h，約占總能耗的4.3%。

由于制氧的原料就是周圍的大氣，所以原料是免費，那么減少能耗就顯得十分重要。能量轉換計算分析出能量消耗在什么環(huán)節(jié)，針對上述分析結論可以得出以下幾點節(jié)能措施：

4.1 原料空壓機采用高效空壓機。由于空壓機能耗占比很高，且分段冷卻時，被冷卻水帶走的熱量較多，故空壓機應采用多級壓縮等溫效率高的壓縮機。但這也增加了設備投資成本。一般同級別的空壓機進口產(chǎn)品的價格是國產(chǎn)空壓機的2～2.5倍。隨著能源管控措施的加強，電費成本升高，能夠長周期運行的制氧裝置采用高效壓縮機是合算的。

4.2 減少裝置冷損。冷損中生產(chǎn)液體產(chǎn)品和絕熱冷損都是無法避免的，故主要研究減少復熱不足冷損。復熱不足冷損主要是出塔的氧氣、氮氣、污氮氣在與進塔的空氣換熱時，存在熱端溫差，導致冷量損失。由于換熱介質(zhì)的低溫特性，換熱器材質(zhì)基本固定采用鋁制品，那么要減少熱端溫差，勢必要增加換熱器換熱面積。增加換熱面積首先帶來的是設備投資的增加，再者增加換熱面積也會增加換熱器阻力。另外產(chǎn)品氧氣、氮氣出塔溫度的升高也會增加后續(xù)產(chǎn)品壓縮機的能耗。所以增加換熱器面積時要考慮整體平衡，一般熱端溫差控制在2.5～3℃是合適的。

4.3 提高單位膨脹空氣的制冷量。膨脹機制冷是制氧裝置組主要的制冷設備，提高單位膨脹空氣的制冷量可以減少膨脹空氣量，不論是對減少空壓機負荷還是減少對精餾工況的影響都是有益的。提高單位膨脹空氣的制冷量主要有兩個途徑：提高膨脹空氣進口壓力和提高膨脹空氣進口溫度。

如上所述：這些節(jié)能措施都不是可以無限使用的，要考慮整個裝置的整體熱平衡，如果顧此失彼則得不償失。

另外還有一個重要的方面應引起重視，就是制氧裝置的生產(chǎn)能力在整座工廠生產(chǎn)工序中是否合適。比如該工廠在初步設計時認定其他工序每小時需要20000m3/h氧氣，配套建設了1套能力為20000m3/h氧氣的制氧裝置。而實際生產(chǎn)時只需要18000 m3/h氧氣，那么無論怎么節(jié)能降耗，20000 m3/h氧氣的制氧裝置能耗也會比18000 m3/h氧氣的制氧裝置高很多，同時設備投資也高出很多。所以配套多大能力的制氧裝置一定要仔細研究論證，制定合適的產(chǎn)品流量、壓力，對減少裝置能耗，降低運行成本是至關重要的。