低温精馏法空气分离能耗分析及节能策略研究

刘伟

摘 要：随着我国科学技术的不断发展，空气分离技术水平也显著提升，低温精馏法空气分离技术在工业领域的应用较广，其主要是利用空压机、换热器、冷凝蒸发器等，达到分离空气中氮气和氧气的目的。根据热力学定律，整个分离过程会发生75%左右的能耗损失，要想降低空气分离过程中的能耗损失，就必须采取一定的节能措施。本文针对低温精馏法空气分离能耗及节能策略，进行了分析和研究。

关键词：低温精馏法；空气分离；能耗；节能策略

氮气和氧气，是化工、钢铁等企业进行生产活动必不可少的原料，制取氮气和氧气的方法很多，其中比较常用的是低温精馏法。该方法可直接利用空气来分离出氮气和氧气，有利于节约成本，但同时也会在分离过程中发生能耗损失。实验研究证明，发生能耗损失最大的是低温精馏法的空分装置，能耗损失越大，对企业经营来说越不利。因此，在采用低温精馏法分离空气的过程中，做好节能工作是必要的。

一、低温精馏法空气分离能耗分析

（一）精馏过程中的能耗损失

1、根据浓度变化而产生的质量传递

在分离空气的过程中，由于每块筛板的温度组成具有很大差异，这种差异会造成空分塔的热力学效率大幅降低。相邻两块筛板之间的下流液体和上升蒸汽相比较，向下流动的液体中的氮含量，要高于上升蒸汽中的热含量。要达到减少能耗的目的，就必须最大限度减少筛板之间传递质量和传递热量的推动力。

根据无污液氮的一般实验操作流程可知，在上塔环节，最小回流比要比实际回流比小得多，这就导致提馏段的操作线只有在上塔进料口的时候，才能与精馏段的操作线达到平衡。这就意味着，在其他阶段的时候，各筛板之间都会出现大量的质量传递和热量传递能耗损失。如果从下塔引入一股污液氮，经过冷却之后再输入到上塔精馏段，就可以使精馏段的回流比发生变化——下段的回流比要大于污液氮进口上段的回流比，这样就能显著降低筛板上的热力学不可逆性。由于液氮的分离要比污液氮的分离更复杂，需要花费更多的能量，而下段所需达到的回流液温度，要远远高于液氮所需的温度。

2、根据温度变化而产生的热量传递

上塔和下塔之间，需要通过一定的装置联系起来，主冷便是其中最重要的装置之一。从功能上看，主冷具有双重角色，它既是上塔的再沸器，同时也是下塔的冷凝器，要确保整个装置的正常运行，就必须控制好主冷的负荷。当压力相同的时候，氮气往往不能达到蒸发液氧的目的，这是因为液氧的沸点要比氮气的露点高。但由于主冷装置中氮气一侧的压力，要远远高于氧气一侧的压力，这就使得通过氮气蒸发液氧的目标可以达到。

在实际操作过程中，由于主冷的传热温差较大，需要的能耗也比较大，要减少能耗损失，就必须降低主冷传递热量过程中的温差，使下塔氮气一侧的温度适当下降，所需的最大压力也会相应下降，进而达到减少能耗的目的。然而，在降低主冷传热温差的时候，需要扩大换热面积，这就会导致投入资金增加。因此，设计人员在进行实验设计的时候，必须采用高效的换热器。

3、根据压力变化而产生的动量传递

采用低温精馏法分离空气的过程中，会由于压力的变化而产生一定的动量传递。一般来说，空分装置的上塔都会采用比较规整的填料塔，下塔则会采用筛板塔。由于筛板的阻力要大于填料的阻力，上升的蒸汽再通过塔板的时候，就会产生压力的降低。

塔板的阻力主要包括液面张力阻力、液面静压力、干塔板阻力三部分。如果适当降低气体的速度，或者减少各塔板的液面高度，就可以达到控制压力下降幅度的目的。但是，采用这种方法会导致塔板的工作效率降低，进而使整个精馏过程对塔板的需求量增加。而且，降低气体速度必须增大塔直径，这些都会造成整个空气分离过程的投资大幅上升。

（二）其他阶段的能耗损失

低温精馏法空气分离的各阶段，都会产生一定的能耗损失，虽然精馏过程中产生的能耗损失最大，但其他阶段的能耗损失也是不容忽视的。具体来说，其他阶段的能耗损失主要包括以下几个方面：

1、空气压缩过程

要达到空气分离的目的，首先必须对空气进行压缩，压缩空气的必备装置是空压机。其在压缩空气的过程中，并不是在等温的条件下进行，电能的消耗量与等温效率是成反比的。所以，要节约电能，就必须适当提升压缩机的等温效率。一般来说，比较常见的方法是利用冷却水使压缩空气得到完全冷却，但是这种方法会减少一定的热量，最终导致空气压缩机的电能损耗进一步增大。

2、进精馏塔之前的压力损耗

当前，我国大多数空分装置都是卧式分子筛结构，这种结构在运行中，产生的阻力比较大，导致空气在经过分子筛分器的时候，会出现较大的压力损失。如果采用新型的立式径向流分子筛，就会改变空气的通道，空气会由外到内经过分子筛；然后在再生的过程中由内而外通过，形成径向流动的路径，这就能起到降低阻力、减少能耗的作用。

3、冷损

低温精馏法空气分离的整个过程中，冷损一般包括冷跑产生的损失、换热器温差产生的损失，以及液体产品带走的热量等。为了使这些冷损得到补充，就必须提供一定的冷量。而在制取冷量的过程中，必然也会消耗许多能量。然而，冷损如果不能得到及时的补充，就会导致冷损越来越大，最终对精馏效果产生影响。所以，要达到降低能耗损失的目的，对冷损进行科学控制是非常必要的。

4、氧气纯度和提取率

一般来说，氧气的提取率与能耗成反比，提取率越高，能耗就越小。当氧气纯度和空气量不变的时候，氧气产量的高低，也会影响到氧气的提取率。此外，被氮气带走的氧气，对氧气提取率也有显著影响。因此，要控制能耗损失，必须提升氮气的平均纯度。

在实际操作过程中，操作人员若仅仅减少空压机的压力或者氧气产量，不可能达到降低能耗的目的。主要原因在于：此时的氧气纯度会显著提升，分离难度也会增大，进而导致能耗增大。如果采用降低主冷负荷的方法，则可以很好的达到降低能耗的效果。

二、节能策略

（一）进一步强化对过热度和膨胀空气量的控制

研究发现，一旦膨胀空气进入到上塔后，就会发生不可逆的损失。因此，要降低能耗损失，就必须制定一个科学合理的膨胀流程，使得膨胀空气在到达上塔之后，通过上塔的精馏装置来提升氧气的提取率。然而，这一过程需要增加塔板数量，这样才能降低膨胀空气对精馏效果的影响。

当前大多数的空分装置下塔液空纯度都小于40%，若能阻止膨胀空气进入到上塔，就可以很好地达到降低上塔回流量的目的。这不仅对提升氧气提取率有好处，同时也可以达到较好的节能效果。

（二）采用填料塔作为空分装置的下塔

从目前的现状来看，许多企业在采用低温精馏法分离空气的时候，都是使用的筛板塔。事实上，筛板塔会导致整个分离过程产生大量的能耗损失。相反，如果使用填料塔则会使能耗降低很多。尽管填料塔的高度要大于筛板塔，但是其在使用过程中的空气阻力并不大，而且通过增加塔直径的方式，可以很好地解决高度问题。这样虽然会增加资金投入，但是从当前我国能源紧张的现状来看，能源的价格必然会逐渐增高。相比之下，采用填料塔来进行空气分离会更节约。

结语：

总之，低温精馏法空气分离过程需要用到空分装置，其所产生的能耗损失是巨大的。随着压力、温度以及浓度的变化，分离过程中会产生不同程度的动量、热量以及质量传递，这些都是整主要能耗损失来源。为了将能耗损失控制在最低，必须在操作过程中，采取必要的节能策略，包括使用填料塔、降低过热度、膨胀空气量等，这样才能达到最佳的节能效果。

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