KDON-20000/20000制氧装置热平衡分析与计算

孟令军

（营口钢铁有限公司，辽宁营口115000）

氧气作为氧化剂和助燃剂在工业中得到广泛应用，在金属冶炼（炼钢、重金属冶炼）、化工（合成氨、甲醇、乙烯、煤气化）、机械（金属切割）、国防工业（火箭推进剂、液氧炸药）和医疗等行业都需要大量的氧气，制氧行业已是国民经济中不可或缺的重要环节。大规模的工业制氧主要是把周围空气中的氧气、氮气分离来制取氧气、氮气。目前应用最为广泛的制氧方法就是深度冷冻法[1]。

深度冷冻法制氧是深冷和精馏的结合。通过压缩、降温，把空气温度降到100K以下，使空气液化，再利用氧气、氮气沸点差异（氧沸点90K，氮沸点77K），通过精馏的方法使氧氮分离。

一般精馏生产的介质在常温下都是液体，也叫常温精馏，在精馏塔塔底设置再沸器，用蒸汽把液体加温产生上升蒸汽，在塔顶设置冷凝器，利用冷却水把蒸汽冷凝产生回流液，在塔板上上升蒸汽和回流液体接触，多次的传质传热，实现分离。所以精馏过程中驱动物质分离的能量是在再沸器中，以热量的形式加入精馏塔中。而在深冷法制氧过程中，驱动氧氮分离的能量则是以功的形式加入精馏过程中。由于空气在常温下是以气态存在的，为了使空气液化，需要把空气压缩到一定的压力，然后通过热交换把空气冷却到部分液化的状态进入精馏塔塔底。未液化的那部分空气则成为精馏塔内的上升蒸汽，故塔底无需设置再沸器。实际上，该装置共有精馏塔5座，每座塔的冷凝器和再沸器都是用的流程内各种气体、液体，根据压力、温度的区别巧妙设置，没有使用流程外的冷凝水或者蒸汽[2，3]。

下面结合我公司2万m3/h制氧机组，对制氧过程的物料和热量转换进行量化分析。

1 空压机排气量的计算

我公司制氧装置每h可生产20000m3，纯度99.6%的氧气，同时每h生产相当于600m3，纯度为99.7%的液氧产品和相当于750m3氩气的液氩产品。空气中氧气含量为20.95%。氧气提取率按照99%计算。那么理论上所需要的空气总量为：

另外，每h有5000m3的膨胀空气旁通到污氮气管道不参与精馏，分子筛切换空气损失为0.4%，那么实际所需空气量为：

考虑到装置75%～105%的操作弹性，空压机实际排气量按照110000m3/h设定。

2 空压机排气压力的计算

空压机的排气压力是由精馏所需的压力和各个工序的阻力之和所确定的，故计算空压机排气压力需从装置末端往前计算。

氮气出冷箱的压力为15kPa，主换热器和过冷器阻力之和约为20kPa，则上塔顶部压力为35kPa，上塔为填料塔，阻力为5kPa，那么下塔底部压力为 40kPa，40kPa时液氧的饱和温度为92.5K，主冷凝蒸发器温差取2K，则下塔顶部氮气饱和温度为94.5K，对应的饱和压力为450kPa。下塔阻力为20kPa，则下塔底部压力为470kPa，主换热器阻力20kPa，分子筛阻力为8kPa，空冷塔阻力为7kPa，则空压机排气压力为505kPa。

3 能量转换计算

3.1 原料空气经过空压机压缩后带入装置的能量

3.1.1 空压机有效功率约8950kW·h，每小时消耗能量约为7697×103kcal/h。

3.1.2 中间冷却器冷却水用量为400m3/h，温度上升4℃，则冷却水带走的热量为：

公式中：1为水的比热容，1kcal/（kg℃）

1000为水的密度，1000kg/m3

3.1.3 空冷塔带走的热量

105000m3/h空气进空冷塔后，温度下降约75℃，则带走的热量为：

公式中：0.2388为空气的比热容，0.2388kcal/（kg℃）

1.29为空气的密度，1.29kg/m3

则真正带入装置的能量为：

3.2 制冷所消耗的能量

由于装置存在冷量损失，需消耗一部分能量去制冷。热力学中并没有冷量的概念，制氧行业中所谓冷量就是反方向的热量，冷损就是指热量从外界进去了系统中。制氧装置的冷损主要包括复热不足冷损、排液冷损、绝热冷损。

3.2.1 复热不足冷损

复热不足冷损指冷箱的氧气、氮气、污氮气在主换热器中与入塔空气换热不充分，存在热端温差。入塔空气温度23℃，出塔氧气、氮气、污氮气温度平均为20℃，热端温差3℃。进塔空气量为105000m3/h，减去液体产品的1350m3/h，则出塔的返流气体量为103650 m3/h，冷量损失为：

公式中：0.2388为空气的比热容，0.2388kcal/（kg℃）

1.29为空气的密度，1.29kg/m3

3.2.2 排液冷损

公式中：130为空气冷凝到液体时的温降和冷凝潜热之和，130kcal/m3

3.2.3 绝热冷损

由于该装置大部分设备都属于低温状态，设置在冷箱内，尽管冷箱内填充了珠光砂等保温材料，但是由于体积大，难免存在冷损，根据经验该装置的绝热冷损取60000kcal/h。

故该装置总的冷损为：

为了验算计算结果，可通过计算制冷量是否与装置冷损一致。制冷量主要包括：参与制冷的空气量及膨胀空气制冷量和节流制冷量。

3.2.4 节流制冷量

该装置的节流制冷量大约为40×103kcal/h

3.2.5 膨胀空气制冷量

该装置膨胀空气量为15000m3/h，按照每标准立方米的膨胀空气制冷量为18kcal计，则膨胀空气制冷量为：

则总的制冷量为310×103kcal/h，与该装置的总冷损331.3×103kcal/h基本吻合。

3.3 精馏能量损失

精馏过程是以能量为分离剂的，因为氧氮的沸点差较小，在精馏的过程存在很大的不可逆性。能量损失主要体现在：

3.3.1 气、液流动时的动量传递。即由于上升蒸气在通过塔板会产生压降。

3.3.2 气、液传热时的热量传递。上升蒸气与回流液体接触时有温差。

3.3.3 气、液传质时的质量传递。进出每块筛板的气相和液相存在浓度差。从下一块筛板上升的蒸气与上一块筛板下流的液体相比较，蒸气中氮组分的含量小于与下流液体相平衡时的氮含量。当然这也是气液之间传质的推动力。

精馏能量损失由能量守恒计算可得：

4 结论

由上所述：空压机给予原料空气的能量为7697×103kcal/h，其中在空气压缩过程中由于空气温度升高，而需要进行冷却，该过程消耗的能量为4025.9×103kcal/h，约占总能耗的52.3%；精馏过程消耗能量 3339.8×103kcal/h，约占总能耗的43.4%；装置冷损消耗能量331.3×103kcal/h，约占总能耗的4.3%。

由于制氧的原料就是周围的大气，所以原料是免费，那么减少能耗就显得十分重要。能量转换计算分析出能量消耗在什么环节，针对上述分析结论可以得出以下几点节能措施：

4.1 原料空压机采用高效空压机。由于空压机能耗占比很高，且分段冷却时，被冷却水带走的热量较多，故空压机应采用多级压缩等温效率高的压缩机。但这也增加了设备投资成本。一般同级别的空压机进口产品的价格是国产空压机的2～2.5倍。随着能源管控措施的加强，电费成本升高，能够长周期运行的制氧装置采用高效压缩机是合算的。

4.2 减少装置冷损。冷损中生产液体产品和绝热冷损都是无法避免的，故主要研究减少复热不足冷损。复热不足冷损主要是出塔的氧气、氮气、污氮气在与进塔的空气换热时，存在热端温差，导致冷量损失。由于换热介质的低温特性，换热器材质基本固定采用铝制品，那么要减少热端温差，势必要增加换热器换热面积。增加换热面积首先带来的是设备投资的增加，再者增加换热面积也会增加换热器阻力。另外产品氧气、氮气出塔温度的升高也会增加后续产品压缩机的能耗。所以增加换热器面积时要考虑整体平衡，一般热端温差控制在2.5～3℃是合适的。

4.3 提高单位膨胀空气的制冷量。膨胀机制冷是制氧装置组主要的制冷设备，提高单位膨胀空气的制冷量可以减少膨胀空气量，不论是对减少空压机负荷还是减少对精馏工况的影响都是有益的。提高单位膨胀空气的制冷量主要有两个途径：提高膨胀空气进口压力和提高膨胀空气进口温度。

如上所述：这些节能措施都不是可以无限使用的，要考虑整个装置的整体热平衡，如果顾此失彼则得不偿失。

另外还有一个重要的方面应引起重视，就是制氧装置的生产能力在整座工厂生产工序中是否合适。比如该工厂在初步设计时认定其他工序每小时需要20000m3/h氧气，配套建设了1套能力为20000m3/h氧气的制氧装置。而实际生产时只需要18000 m3/h氧气，那么无论怎么节能降耗，20000 m3/h氧气的制氧装置能耗也会比18000 m3/h氧气的制氧装置高很多，同时设备投资也高出很多。所以配套多大能力的制氧装置一定要仔细研究论证，制定合适的产品流量、压力，对减少装置能耗，降低运行成本是至关重要的。