基于深冷技术的空气分离系统仿真研究

李永强

摘要：对于深冷技术需要构建一个全新的空分系统流程模式，需要利用灵敏度确定实际的系统参数情况，基于ASPEN PLUS软件，我们对于本次的流程系统进行了仿真，证明本次的系统可以分理出具有较高纯度的氧气和氮气，希望能为空分系统的设计人员提供一定的理论依据。

关键词：深冷技术;空气分离系统;仿真研究

引言

目前，我国很多动力汽化过程和石油企业的制造中，很多时候都需要用到一个空气分离系统，也就是空分系统。例如在以汽化氧气作为气体和气化物质的 igcc 发电厂中，使用空分系统，制取汽化炉中需要的氧气。对于纯洁的氧气和氮气，一般需要通过分离技术得到。对于这种分离技术，大致划分为三类，即深冷技术、吸附分离技术、以及膜分离技术。其中，深冷技术就是根据氮气和氧气之间的沸点差异，利用精馏方式来实现的气体之间的分离。如今，由于我国的深冷技术不断进步和发展，已经完全可以适用于对于大规模生产和使用。并且在实践中得到了制取氧气的处理，同时成本较低，所以这一技术在我国得到了大量使用，

一、基于深冷技术的空分系统流程

我们将一级质量大约为100kg / s 的新鲜空气，通过压缩机加热压缩之后，首先可以进入到一级换热器。对于反流出的氧气及氮化物，可以直接冷却到301.15k，经过分子分离器进行分离。当去除其中有害气体之后，进入到二级换热器，通过和回流的产品进行换热之后，温度降低成为含有氮氧混合物的气体。然后经过膨胀，进入到精馏塔的中部位置。另一个是在高压精馏塔底部，也就是需要由下塔冷凝器残留下来的液氮中，再次进行加热传质。

由于同样的温度和压力模式下，氮气化学沸点较低，因此当进行传热和传质时，氮气就会率先蒸发，而且氧气得到冷凝。从下到上，气体的纯度不断得到提高，在塔顶部的位置，氮气的纯度最高可达98%，塔底富氧液中氮气也可得到纯化。当氮气在冷凝器中冷凝后，一部分输送至上塔作为回流液，并且在下塔進行回流。下塔底部的富氧液被输送至上塔作为入口的进料。在经过过冷器、换热器之后，从上塔可以制作出纯度达到99.99%液氮。

二、空分系统仿真和优化

1.空分系统的仿真

对于空分系统，我们可以基于ASPEN PLUS实现仿真，对于其物性参数，可以使用ASPEN PLUS推荐的PENG ROB的数据库模式。其流程中各部件的操作条件和具体参数规定如下：

压气机使用COMPR模块，压力控制为10.2X105  PA，自身的等熵效率为0.86;对于一级换热器，使用MHEEATX模块，出口温度控制为301.15K，压力下降为10KPA;二级换热器和一级换热器都采用MHEATX模块进行，出口的温度为108K，过冷器温度为101K，压力为10KPA;对于下塔采用RADFRAC模块进行，塔内操作压力控制为10X105PA。上塔采用RADFRAC模块，操作压力为2.5X105PA。

2.空分系统灵敏度分析

在空分系统中，主要影响精馏效果的数值为下塔塔板级数、回流比、以及上塔塔板级数和上塔的塔顶出料等。为了计算出最好的精馏效果，我们需要对于上述的变量进行灵敏度的分析设定。本文主要针对下塔的参数进行灵敏度的分析，确定上下塔的最优参数情况。

（1）下塔塔板的级数对精馏效果的影响

一般情况下，随着下一层塔板的纯度级数不断增加，氧气以及两种氮气的纯度均能得到一定程度的改善。在下一层塔板的纯度达到9级时，氧气的纯度就超过了99.9%，同时氮气的纯度也同样达到了99%。这时再继续增加板纯度级数，两种气体的纯度增加将变得非常缓慢。因此，对于一个下塔的楼层，我们可以选择为9。

（2）下塔回流对于精馏效果的实际影响

在实际精馏塔中，回流率的高低是非常关键的，直接决定了实际精馏塔的分离效率。在采用了增加回流比模式下，塔板的级数也得到了相当大的提高，可以有效地让精馏产品纯度得到提升。实验表明，在下塔的回流比增加至3的时候，再继续增加回流比，对于高纯度的提高较小，因此本次研究我们选择为3.

（3）下塔馏出液对于精馏效果的影响分析

所谓的下塔馏出液截流之后送往上塔作为上塔的回流液，对于下塔的馏出液的增加，那么上塔的回流比也会随着增加，全面增加氧气和氮气的纯度。对于下塔馏出液增加达到45KG/S的时候，全面增加下塔馏出液的影响已经不显著，所以下塔的馏出液我们选择45KG/S。

（4）上塔塔板级数对于精馏效果的影响分析

在进料量不变的情况下，随着上一层塔顶气体出料的不断减小，导致了气体的上升。但进料液中的氮气实际含量是固定的，这就导致了塔顶氮气的含量的下降。实验表明，在塔顶出料量达到76.1kg / s 时，因为塔底储料的减少，就会导致塔底的氧气含量地增加。在对塔塔顶的氧气含量确定为76.1kg / s 之后保持稳定。因此，对于上一层塔塔顶的氧气含量确定为76.1kg / s 。

3.仿真结果分析

本次研究经过ASPEN PLUS计算之后，我们可以得到上塔塔顶氮气流以及上塔塔底氧气流的组成和流量具体情况如下：

上塔塔顶产品的组成和流量，其中氮气（N？）质量比例为99.241%，流量为75.522kg / s ;氧气（O？）质量比例为0.756%，流量为0.575kg / s。

上塔塔底产品的组成和流量，氮气（N？）质量比例为0.021%，流量为0.005kg / s ;氧气（O？）质量比例为99.931%，流量为22.569kg / s。

三、总结

随着冶金产业、石化产业的发展，空气分离技术得到广泛使用。经过近年来科学技术的进步，深冷技术作为当下使用时间最长的空气分离技术，已经较为完善。文章针对深冷技术的空气分离系统仿真进行研究，构建了满足实际生产的空气分离模式和系统，基于ASPEN PLUS对空气分离系统进行了仿真分析。并且成功分离出了具有较高纯度的氧气和氮气。经过灵敏性分析之后，确定了最佳的配置方案，得到了最优的分离效果。

参考文献：

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[2]翟宇恺等.碳分子筛变压吸附空气分离活性及表征[J].应用化工，2008（11）.

[3]杨莹.空气分离装置的建模[J].中国高新技术企业，2008（21）.