低溫精餾法空氣分離能耗分析及節能策略研究

劉偉

摘 要：隨著我國科學技術的不斷發展，空氣分離技術水平也顯著提升，低溫精餾法空氣分離技術在工業領域的應用較廣，其主要是利用空壓機、換熱器、冷凝蒸發器等，達到分離空氣中氮氣和氧氣的目的。根據熱力學定律，整個分離過程會發生75%左右的能耗損失，要想降低空氣分離過程中的能耗損失，就必須采取一定的節能措施。本文針對低溫精餾法空氣分離能耗及節能策略，進行了分析和研究。

關鍵詞：低溫精餾法；空氣分離；能耗；節能策略

氮氣和氧氣，是化工、鋼鐵等企業進行生產活動必不可少的原料，制取氮氣和氧氣的方法很多，其中比較常用的是低溫精餾法。該方法可直接利用空氣來分離出氮氣和氧氣，有利于節約成本，但同時也會在分離過程中發生能耗損失。實驗研究證明，發生能耗損失最大的是低溫精餾法的空分裝置，能耗損失越大，對企業經營來說越不利。因此，在采用低溫精餾法分離空氣的過程中，做好節能工作是必要的。

一、低溫精餾法空氣分離能耗分析

（一）精餾過程中的能耗損失

1、根據濃度變化而產生的質量傳遞

在分離空氣的過程中，由于每塊篩板的溫度組成具有很大差異，這種差異會造成空分塔的熱力學效率大幅降低。相鄰兩塊篩板之間的下流液體和上升蒸汽相比較，向下流動的液體中的氮含量，要高于上升蒸汽中的熱含量。要達到減少能耗的目的，就必須最大限度減少篩板之間傳遞質量和傳遞熱量的推動力。

根據無污液氮的一般實驗操作流程可知，在上塔環節，最小回流比要比實際回流比小得多，這就導致提餾段的操作線只有在上塔進料口的時候，才能與精餾段的操作線達到平衡。這就意味著，在其他階段的時候，各篩板之間都會出現大量的質量傳遞和熱量傳遞能耗損失。如果從下塔引入一股污液氮，經過冷卻之后再輸入到上塔精餾段，就可以使精餾段的回流比發生變化——下段的回流比要大于污液氮進口上段的回流比，這樣就能顯著降低篩板上的熱力學不可逆性。由于液氮的分離要比污液氮的分離更復雜，需要花費更多的能量，而下段所需達到的回流液溫度，要遠遠高于液氮所需的溫度。

2、根據溫度變化而產生的熱量傳遞

上塔和下塔之間，需要通過一定的裝置聯系起來，主冷便是其中最重要的裝置之一。從功能上看，主冷具有雙重角色，它既是上塔的再沸器，同時也是下塔的冷凝器，要確保整個裝置的正常運行，就必須控制好主冷的負荷。當壓力相同的時候，氮氣往往不能達到蒸發液氧的目的，這是因為液氧的沸點要比氮氣的露點高。但由于主冷裝置中氮氣一側的壓力，要遠遠高于氧氣一側的壓力，這就使得通過氮氣蒸發液氧的目標可以達到。

在實際操作過程中，由于主冷的傳熱溫差較大，需要的能耗也比較大，要減少能耗損失，就必須降低主冷傳遞熱量過程中的溫差，使下塔氮氣一側的溫度適當下降，所需的最大壓力也會相應下降，進而達到減少能耗的目的。然而，在降低主冷傳熱溫差的時候，需要擴大換熱面積，這就會導致投入資金增加。因此，設計人員在進行實驗設計的時候，必須采用高效的換熱器。

3、根據壓力變化而產生的動量傳遞

采用低溫精餾法分離空氣的過程中，會由于壓力的變化而產生一定的動量傳遞。一般來說，空分裝置的上塔都會采用比較規整的填料塔，下塔則會采用篩板塔。由于篩板的阻力要大于填料的阻力，上升的蒸汽再通過塔板的時候，就會產生壓力的降低。

塔板的阻力主要包括液面張力阻力、液面靜壓力、干塔板阻力三部分。如果適當降低氣體的速度，或者減少各塔板的液面高度，就可以達到控制壓力下降幅度的目的。但是，采用這種方法會導致塔板的工作效率降低，進而使整個精餾過程對塔板的需求量增加。而且，降低氣體速度必須增大塔直徑，這些都會造成整個空氣分離過程的投資大幅上升。

（二）其他階段的能耗損失

低溫精餾法空氣分離的各階段，都會產生一定的能耗損失，雖然精餾過程中產生的能耗損失最大，但其他階段的能耗損失也是不容忽視的。具體來說，其他階段的能耗損失主要包括以下幾個方面：

1、空氣壓縮過程

要達到空氣分離的目的，首先必須對空氣進行壓縮，壓縮空氣的必備裝置是空壓機。其在壓縮空氣的過程中，并不是在等溫的條件下進行，電能的消耗量與等溫效率是成反比的。所以，要節約電能，就必須適當提升壓縮機的等溫效率。一般來說，比較常見的方法是利用冷卻水使壓縮空氣得到完全冷卻，但是這種方法會減少一定的熱量，最終導致空氣壓縮機的電能損耗進一步增大。

2、進精餾塔之前的壓力損耗

當前，我國大多數空分裝置都是臥式分子篩結構，這種結構在運行中，產生的阻力比較大，導致空氣在經過分子篩分器的時候，會出現較大的壓力損失。如果采用新型的立式徑向流分子篩，就會改變空氣的通道，空氣會由外到內經過分子篩；然后在再生的過程中由內而外通過，形成徑向流動的路徑，這就能起到降低阻力、減少能耗的作用。

3、冷損

低溫精餾法空氣分離的整個過程中，冷損一般包括冷跑產生的損失、換熱器溫差產生的損失，以及液體產品帶走的熱量等。為了使這些冷損得到補充，就必須提供一定的冷量。而在制取冷量的過程中，必然也會消耗許多能量。然而，冷損如果不能得到及時的補充，就會導致冷損越來越大，最終對精餾效果產生影響。所以，要達到降低能耗損失的目的，對冷損進行科學控制是非常必要的。

4、氧氣純度和提取率

一般來說，氧氣的提取率與能耗成反比，提取率越高，能耗就越小。當氧氣純度和空氣量不變的時候，氧氣產量的高低，也會影響到氧氣的提取率。此外，被氮氣帶走的氧氣，對氧氣提取率也有顯著影響。因此，要控制能耗損失，必須提升氮氣的平均純度。

在實際操作過程中，操作人員若僅僅減少空壓機的壓力或者氧氣產量，不可能達到降低能耗的目的。主要原因在于：此時的氧氣純度會顯著提升，分離難度也會增大，進而導致能耗增大。如果采用降低主冷負荷的方法，則可以很好的達到降低能耗的效果。

二、節能策略

（一）進一步強化對過熱度和膨脹空氣量的控制

研究發現，一旦膨脹空氣進入到上塔后，就會發生不可逆的損失。因此，要降低能耗損失，就必須制定一個科學合理的膨脹流程，使得膨脹空氣在到達上塔之后，通過上塔的精餾裝置來提升氧氣的提取率。然而，這一過程需要增加塔板數量，這樣才能降低膨脹空氣對精餾效果的影響。

當前大多數的空分裝置下塔液空純度都小于40%，若能阻止膨脹空氣進入到上塔，就可以很好地達到降低上塔回流量的目的。這不僅對提升氧氣提取率有好處，同時也可以達到較好的節能效果。

（二）采用填料塔作為空分裝置的下塔

從目前的現狀來看，許多企業在采用低溫精餾法分離空氣的時候，都是使用的篩板塔。事實上，篩板塔會導致整個分離過程產生大量的能耗損失。相反，如果使用填料塔則會使能耗降低很多。盡管填料塔的高度要大于篩板塔，但是其在使用過程中的空氣阻力并不大，而且通過增加塔直徑的方式，可以很好地解決高度問題。這樣雖然會增加資金投入，但是從當前我國能源緊張的現狀來看，能源的價格必然會逐漸增高。相比之下，采用填料塔來進行空氣分離會更節約。

結語：

總之，低溫精餾法空氣分離過程需要用到空分裝置，其所產生的能耗損失是巨大的。隨著壓力、溫度以及濃度的變化，分離過程中會產生不同程度的動量、熱量以及質量傳遞，這些都是整主要能耗損失來源。為了將能耗損失控制在最低，必須在操作過程中，采取必要的節能策略，包括使用填料塔、降低過熱度、膨脹空氣量等，這樣才能達到最佳的節能效果。

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