低温精馏法空气分离的能耗分析与节能介文文

低温精馏法空气分离的能耗分析与节能介文文
发布时间：2021-09-15T06:55:31.152Z 来源：《中国科技人才》2021年第18期作者：介文文
[导读] 氮和氧作为一种重要的工业气体，在工业生产中得到了广泛的应用，尤其是在无氧氮不能炼钢的化工企业中
大唐内蒙古多伦煤化工有限责任公司内蒙古锡林郭勒 027300
摘要：氮和氧作为一种重要的工业气体，在工业生产中得到了广泛的应用，尤其是在无氧氮不能炼钢的化工企业中。

在工业生产和操作中，经常使用低温蒸馏从氮气和氧气中提取氧气。

但是，这种方式的空气分离会消耗大量的能量。

研究表明，一个制氧区的用电量接近企业总用电量的20%，对企业的发展和经营效率产生不利影响。

为了有效解决上述问题，降低能耗，节约成本，有必要采取措施降低低温精馏法能耗。

本文讨论了低温精馏法空气分离过程中能耗和其他能耗的精馏，提出了节能的有效措施。

关键词：低温精馏法；空气分离；能耗；节能对策
1低温精馏制取高纯氧的方法
目前市场上提供的高纯氧产品，大部分是通过工业氧低温再精馏提纯获得的，质量稳定。

为了使高纯氧的氧含量达到99.995%以上，低温精馏生产高纯氧主要以工业氧或馏分氧为原料。

这种方法必须在低温精馏的生产过程中进一步提纯，以保证高纯氧含量达到99.995%以上。

要生产纯度在99.995%至99.9999%之间的高纯氧，目前主要有两种工艺方法：一种是水力法制备工艺氧，然后通过催化脱氢、冷却、脱水和干燥生产；另一种是空分设备生产的工业氧气，然后通过低温精馏生产。

用低温精馏法生产高纯氧，工艺大致可分为两种：气相双塔（或一塔）工艺和液相工艺。

2 工业企业能耗现状
2.1工业企业能耗总体情况
工业能耗约占全国能源消费的70%，部分省份经济相对发达，工业能耗比例较高。

近年来，我国工业能效有了很大提高。

2016-2019年，单位规模以上企业单位工业增加值下降15%左右，实现节能目标。

但值得注意的是，我国资源能源消耗仍然较大，形势十分严峻。

工业企业没有走出高投入、高消耗、高排放的发展模式，环境污染问题日益突出。

建立绿色制造体系是必要的，加快工业绿色发展，极大地促进了节能降耗。

2.2工业企业能源利用效率
近年来，从总体趋势来看，我国能源效率不断提高，工业企业能源效率逐步提高。

但经济发展对能源消费的依赖程度仍然较高，受到资金、管理、技术、资源、能源价格等多种因素的制约和影响。

我国整体能源利用效率与发达国家存在一定差距。

3 低温精馏法空气分离过程中对能源的耗费
3.1低温精馏过程中的主要能耗分析
空气分离过程中，低温精馏过程存在功耗，消耗部分能量，压缩原料空气和产品气。

比如压缩气体产品是低压产品，送到用户端会再压缩，过程中会损失大量能量。

一般来说，空塔会损失75%~80%的能量，深冷精馏过程中，空压机的压缩过程也会损失20%~25%的能量。

在低温精馏过程中，需要对能耗进行详细分析。

客观上，低温精馏过程本身以能量为主要分离剂，特别是在空气分离过程中，分离过程中使用的驱动能量一般以功的形式代替热能。

具体来说，压缩空气原料做功，然后通过低温精馏装置（两级多效精馏塔），利用下塔顶部的蒸汽为上塔提供热源：底部再沸器，最终实现能量传递过程。

具体来说，空气压缩机将空气压缩到换热器中，换热器将压缩空气冷却分离，为低温精馏做准备，这一阶段消耗大量能量。

处理后的气体进入下塔，在下塔进行精馏，剩余能量通过主冷凝器输送到上塔继续精馏。

客观来说，与两个相对独立的蒸馏塔相比，上述两级塔在能耗方面节省了很多，但由于它们的沸点差异很小，在蒸馏过程中仍然存在很大的不可逆性，导致其低温能耗仍然很高。

蒸馏的不可逆性主要表现在空气分离过程中，能量在一定压力梯度下传递动量，这种动量传递主要来自上升蒸汽通过塔板时的压降效应。

一般选用规整填料塔（上塔）和筛板塔（下塔），对阻力要求较高，不可忽视，如干塔板阻力、液体表面张力阻力、液体表面静压等。

这些压力的处理需要塔盘表面的高压和气体速度下的减压。

当然，上述行为也会导致塔盘效率降低，用于低温精馏的塔盘数量增加，而气速降低会相应增加塔径，增加设备投资成本，增加能耗。

此外，深冷精馏空气分离过程中，上塔汽提段工况复杂，工艺要求高，因此当空气分离膨胀时，空气会进入上塔汽提位置，这将大大改变汽提段的回流比。

考虑到氧气浓度会随着空气的膨胀而增加，氮气和氧气的浓度差也会逐渐增大，包括在空气分离过程中产生更大的
过热度，会相应增加热量和质量传递的驱动力，导致低温下不可逆损失进一步增大。

此外，约20%的能量在精馏过程中被分离出来形成粗氩，因此上塔精馏段实际的能耗非常大。

3.2其他过程的能耗
除了蒸馏过程中的能耗，其他过程也需要消耗能量。

用节能控制时，要从这几个方面入手，注意能耗的控制，达到降低能耗的目的。

（1）冷能消耗。

气相分离的冷损失包括冷运行、带冷能的液体产物、换热器引起的温差损失等。

为了补充这部分冷量损失，应该使用制冷，但制冷需要消耗大量电能。

如果这部分冷损不能及时补充，会造成冷损过大，进而增加膨胀量，影响整改工作流程。

为了减少能耗和不必要的损失，应采取措施控制冷却损失。

（2）氧提取率和氧纯度。

氧含量越高，单元能耗越小。

氧含量与氮含量密切相关。

提高平均氮纯度可以减少氧离子。

当氧气含量下降时，应降低主冷量，以减少空气量和上塔输送的能量，从而达到节能的目标。

4低温精馏法空气分离的节能分析
4.1空分塔下塔节能改进
传统的下塔采用筛板塔，应进行改造，选择效率更高的填料塔。

填料塔的高度较高，但空气阻力不会增加。

传统筛板塔一般通过增大塔径来解决筛板塔的高度问题，但这种操作方式会增加成本。

但料塔本身有足够的高度和直径，能量利用率只有筛板塔的1/3，节约了能源。

因此，填料塔可以达到节能的设计目的。

4.2空气量与过热度改善
设计中应充分利用膨胀空气的径流潜力，有效提高氧气的提取效率，从而大大提高塔体的出水率。

因此需要增加进液风吹得塔板数，以减少膨胀空气对精馏的客观影响，保证膨胀空气不会进入上塔，有效减少上塔回流。

此外，低温精馏后的氮气也可以冷却至饱和后进入下塔，对压缩过程中的氮气膨胀处理是有效的，也保证了低温精馏空分工艺的经济合理性。

4.3控制膨胀空气量
在设备运行过程中，膨胀空气进入塔内，会造成不可逆的损失。

根据设备的运行需要，选择合适的扩容工艺，实现对设备的有效控制。

提氧率进入塔内后，利用上塔的蒸馏潜力提高提氧率。

实践中需要注意的是，这种方法会对蒸馏产生不利影响，限制设备的运行效率。

为了将影响程度降到最低，应增加从液态空气出口到膨胀空气吹塔的板数，以有效控制膨胀空气量，使设备更有效地发挥作用。

4.4改进装置设计
为了降低能耗，真正实现节能的目标，需要改进器件设计，提高器件设计水平。

目前，许多研究者试图研究分子筛纯化系统中的膨胀增压技术，并探索相应的改进方案。

但这些研究成果并不多，未能达到有效降低能耗的目标和“节能”目标。

此外，工艺设计没有新的突破，仍以传统方法为主，难以达到良好的节能效果，对提高设备运行效率、节约能源有不利影响。

4.5选择填料塔
从目前的情况来看，在实际应用过程中，很大一部分选择筛板塔下塔下塔，虽然是科学的。

但是，降低能耗和控制成本还是有很大差距的。

通过分析设备的实际效率水平和未来发展方向，可以选择填料塔，从而进一步提高装置的运行效率水平，同时降低压降值，保证设备能够获得更好的节能效果。

结束语
为了使空气分离装置充分发挥其价值，全面提高设备的整体运行效率，控制企业的运营成本和费用，有必要降低低温精馏法气体分离的能耗水平。

因此，要重视设备设计的进一步创新和改造，在设备日常监督维护的同时，进一步提高员工的整体素质，从根本上提高设备的效率，提高设备的整体质量，提高设备的整体能耗。

参考文献：
[1]巫小元，崔仁鲜，化国. 浅析空气分离方法和工艺流程的选择[J]. 低温与特气，2016，34（3）：1-5.
[2]耿晶晶. 低温精馏法空分装置概述及物料衡算[J]. 化工设计通讯，2016，42（3）：85.
[3]宋挺，廖晋，何珍珍，等. 浅议化工企业空气分离装置的工艺流程选择[J]. 名城绘，2018，0（7）：194.
[4]郭震.深冷空气分离法在制氧系统中的应用研究[J].建材与装饰，2016，（4）：133-134.。