空分设备变负荷调节主要参数的关系及计算.pdf

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1、3 设计制造 3收稿日期:2005211215;修回日期:2006203201作者简介:徐福根(1968),男,高级工程师,1991年天津商学院制冷工程系本科毕业,2006级北京科技大学工程硕士,现在新余钢铁有限责任公司气体厂从事制氧技术和设备管理。空分设备变负荷调节主要参数的关系及计算徐福根1,万建余2,王 立3(1、2.新余钢铁有限责任公司气体厂,江西省新余市 338001;3.北京科技大学机械工程学院,北京市 100083)摘要:提高空分设备变负荷调节能力是解决钢铁企业氧气放散率高的主要措施之一,以K DON218000/18000型空分设备为例,对变更空气量的变负荷调节进行了理论推演和

2、试验研究,得出了变更空气量负荷变化时,空分设备各主要参数(空气量、氧气量、粗氩流量、膨胀空气量、膨胀空气旁通量、氩馏分量、空压机排气压力和下塔阻力等)的变化规律,建立了部分变负荷时的数学模型及试验关联式。根据关联式和数学模型,对空分设备在73%106%负荷间的12个工况进行了各主要参数计算。对空分设备各部机进行综合分析,空分设备的综合变负荷能力比各单机要小。关键词:大型空分设备;变负荷;运行参数;数学模型中图分类号:TQ116111 文献标识码:AAnalysis and computation of main operating parameters for variable2loadadj

3、ustment of air separation unitXu Fu2gen1,Wan Jian2yu2,Wang Li3(1、2.Gas Producing Factory,Xinyu Iron and Steel Co1,Ltd1,Xinyu 338001,Jiangxi,P1R1China;3.Mechanical Engineering School,University of Science&T echnology Beijing,Beijing 100083,P1R1China)Abstract:It is one of important measures to decreas

4、e the oxygen venting capacity by improving the range of variable loadfor an air separation unit(ASU).As a case study,theoretical analysis and experimental observations have beenconducted on a K DON21800018000 air separation plant in order to observe the variation of main parameters(includingair flux

5、,oxygen output,crude argon flux,expanding air capacity,bypass expansion air flux,argon fraction flux,aircompressor exhaust pressure and flow resistance of lower column)with a preset variation of air output.A numerical modeland experimental relationship have been set up for the system with partial va

6、riable loads.Calculations for each mainprocess parameter with adjustable load range of 73%106%have also been conducted for the air separation plant.Analysis demonstrates that the integral variable load range of the system is less than that of each single facility.Keywords:Large scale air separation

7、unit;Variable load;Operating parameter;Numerical model新余钢铁有限责任公司(以下简称:新钢)K DON218000/18000型空分设备由杭氧提供,浙江开元安装公司安装,于2003年4月投产。该空分设备采用常温分子筛吸附、增压透平膨胀机、规整填料上塔和全精馏无氢制氩技术、氧氮产品外压缩的流 程。500m3液 氧、液 氮 常 压 贮 槽 各1台,100m3液氩真空贮槽两台。空压机和空分设备单机设计负荷调节范围为70%105%。83 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing H

8、ouse.All rights reserved.http:/变负荷调节的关键是确定负荷变化时的加工空气量以及其他工艺参数,首先要根据氧气负荷确定分离空气量,然后由分离空气量确定出塔氮气量和氩气量。液体产量按工艺要求而定,根据产品量和分离空气量,由冷量平衡式,初步确定膨胀空气量,再进一步确定膨胀空气旁通量和加工空气量的初值。由加工空气量的初值,可以进一步校算膨胀空气量,最终确定加工空气量,那么,就可以确定其他一系列工艺参数。1 空气量与氧气量的变化关系任何一个变负荷工况,实际上是运行在一定加工空气量下的新工况,正确确定变负荷工况时的加工空气量,是实现变负荷调节的首要条件。在变负荷过程中,因氧气

9、负荷的不同,空分设备的提取率也不同。一般来说,负荷越大,氧气的提取率越高。这是因为空分设备在负荷变化过程中,其跑冷损失基本保持不变,而复热不足损失随负荷变小而降低,跑冷损失占总冷量损失的比例越大,膨胀空气量占总加工空气量的比例也就越大,为了保证精馏系统的工况稳定,膨胀空气的旁通量亦越大,所以空分设备的提取率就越低。探讨变负荷工况氧提取率的变化规律是确定氧气量与加工空气量之间关系的前提。对于任何一套空分设备,通过计算和分析,都可以找到变负荷时氧气量和氧气提取率的关系。在变负荷过程中,膨胀空气旁通量的变化是导致氧提取率变化的主要原因。加工空气量与膨胀空气旁通量存在下列关系:VK=VS+VB(1)式

10、中:VK为加工空气量,m3/h;VS为分离空气量,m3/h;VB为膨胀空气旁通量。111 分离空气量与氧气量的关系根据氧气负荷的大小和相对应的精馏系统的氧提取率,所确定的与氧气负荷相对应的空气量,称之为分离空气量。分离空气量是生产相应氧气所必需的最小加工空气量,它与产品要求有着密切的关系。现对上塔物料平衡进行分析,得到分离空气量与氧气量存在如下关系:VS=VOyOO2-yON2yOK-yON2(2)式中:VO为氧气产量,m3/h;yOO2氧气中氧含量,%;yON2为氮平均氧含量,%;yOK为空气中氧含量,%。112 膨胀空气量与膨胀空气旁通量的关系空分设备运行状态一确定,那么空分设备所需冷量的

11、膨胀量也就基本确定,在全低压流程空分设备的上塔,其精馏段的回流比比最小回流比大得多,就可以利用多余的回流液的精馏潜力。因此可将部分膨胀后的空气直接送入上塔参与精馏,来回收空气中的氧、氮、氩,而其他旁通到污氮通道,在主换热器换热时进行冷量回收。进上塔的膨胀空气量直接影响着膨胀空气旁通量,并且存在着下列关系:VE=VB+VES(3)式中:VES为进上塔膨胀空气量,m3/h;VE为膨胀空气量,m3/h。为保持上塔工况稳定,必须寻求合理的进上塔膨胀空气量,空分设备上塔精馏允许的最大膨胀空气量与上塔的物料平衡、能量平衡及精馏过程有关。据此,对上塔精馏工况进行推演。11211 物料平衡上塔的组分平衡方程:

12、(VLK+VLN)yOK=VLKxOLK+VLNxOLN(4)VNyON2+VOyOO2=(VES+VLK+VLN)yOK(5)取上塔单位处理空气量为1m3/h,即:VES+VLK+VLN=1(6)VN+VO=1(7)则有:VES=1-xOLN-xOLKyOK-xOLKVLN(8)VN=yOK-yOO2yON2-yOO2(9)式中:VLN为进上塔液氮量,m3/h;VN为总氮量,m3/h;VLK为进上塔液空总量,m3/h;xOLN为液氮中氧含量,%;xOLK为液空中氧含量,%。11212 上塔精馏工况允许膨胀空气量公式求取根据液气比的定义:R=下流液体量上升蒸气量=VLN(1-)VN-VLN(1

13、0)那么VLN=VN1-R+=yOK-yOO2yON2-yOO21-R+(11)93 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/则VES=1-xOLN-xOLKyOK-xOLKyOK-yOO2yON2-yOO21-R+按实际进塔空气量计,上塔精馏工况允许膨胀空气量公式为:VES=Vs-xOLN-xOLKyOK-xOLKyOK-yOO2yON2-yOO2Vs1-R+(12)式中:R为液气比;为液氮汽化率,=8%1。11213 膨胀空气量与进塔空气量关系式空分设备所需

14、的冷量由复热不足损失(Q1)、跑冷损失(Q2)和其他冷量损失(主要是液体产品损失Q3)决定,空分设备所需的冷量:QA=Q1+Q2+Q3(13)低温气体的冷量是通过空分设备内的各个换热器加以回收的。在理想情况下,低温返流气体在离开空分设备时,应复热到与正流气体进设备时的温度相等,即热端温差达到零,冷量才能全部回收。但是,热量只能从高温物体传给低温物体。在换热器中低温气体向高温气体传递热量,必定存在温差。由于热端温差的存在,冷量不可能充分回收,这就是复热不足损失。通过公式计算出每1m3加工空气的复热不足损失:q1=OOcPOT+PNNcPNT+WNNcPNT(14)式中:O、N、WN分别代表氧气、

15、氮气、污氮;为气体占加工空气量的比例;T为产品出主换热器热端温差,K;为密度,kgm3;cP为比定压热容,kJ/(kgK)。膨胀空气旁通量并入污氮量中考虑,根据设计值,代入式(14)中,得q1=215923kJm3。18000m3/h空分设备设计生产300m3/h液氧产品和690m3/h的液氩产品。根据液氧、液氩进出空分设备的状态,计算出生产每1m3液氧、液氩所需冷量分别为51817kJ、39914kJ。假定液体产量与进塔空气量成正比,那么液体产品的损失为:Q3=51817VLO+39914VLA式中:VLO为液氧量,m3h;VLA为液氩量,m3h。所以每1m3加工空气液体产品的损失为:q3=

16、41791kJm3空分设备内部处于低温状态,尽管空分设备冷箱内充装有绝热保温材料 珠光砂,由于外部环境温度高于内部温度,外部的热量传到冷箱内,造成内部的冷量损失,也就是通常讲的跑冷损失。Q2=QA-(Q1+Q3)=QA-VK(q1+q3)空分设备的冷量主要有膨胀机制冷和各节流阀产冷,膨胀机的制冷量占总冷量的8115%。由设计膨胀机进出口空气状态(P1=01883MPa,P2=0114MPa,T1=177K,T2=112K)查图表得焓差:h=4930-3250=1680kJ/kmol,膨胀机绝热效率=0186,根据设计参数及上述数据计算得膨胀机制冷量:QE=VEh2214那么QA=VEh0181

17、52214=791141VE,则每1m3加工空气的跑冷损失q2=212104kJ/m3。由跑冷损失的机理,可认为在一定空气量变化范围内空分设备跑冷损失与空气量无关,则变空气量时的膨胀空气量为:VE=0109328VK+2392169(15)综合上述,把式(15)、(12)代入到式(3)中,得到膨胀空气旁通量与分离空气量的关系式:VB=xOLN-xOLKyOK-xOLKyOK-yOO2yON2-yOO2VS01906721-R+-VS+2638184(16)式中VS可由式(2)求得,代入式(16)求出VB,最后得出加工空气量VK=VS+VB。根据上述公式及18000m3/h空分设备设计参数,计算

18、出不同负荷下各主要参数值,见表1。2 下塔主要参数变化规律211 下塔节流液空量和液氮量下塔工况是整个精馏系统的基础,它的参数变化直接影响到上塔、氩塔和出塔产品。在变负荷过程中,为确保下塔回流比的稳定,即保持下塔精馏工况的稳定,通过液氮节流阀(V23)调整去上塔的液氮量。液空经两个液空节流阀(V21和V2701)分别进入上塔和粗氩冷凝器中。通过下塔物料平衡推算得:04 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/表118000m3/h空分设备不同负荷下主要参数值负荷

19、加工空气量/(104m3/h)分离空气量/(104m3/h)氧气量/(m3/h)进上塔膨胀空气量/(m3/h)膨胀空气旁通量/(m3/h)膨胀空气量/(m3/h)106%9152912819345880414247118311276123103%9126910118797158555122247615611031178100%9817518250830618524811281078713297%817481491770215805618624861011054218794%8148812317155780716824901741029814191%81217196166071575581492

20、4951461005319688%71957171606073091312500119980915185%71697144155121570601132504192956510582%71437118149656810195250916493201679%71166191144171565611172514137907611476%6196165138706312159251911883116973%616461391332215606314125231828587123 注:含液氧量,液氧已折合成气态。VLN=VDyOK-xOLKxOLN-xOLK(17)VLK=VDyOK-xOLNxOLK

21、-xOLN(18)式中:VD为进下塔空气量,VD=VK-VE,m3/h。把设计时100%负荷的值代入式(17)、(18)中,得:VLN=0145012VD(17)VLK=0154988VD(18)从式(17)、(18)可知,液空量、液氮量与进下塔空气量成线性关系。212 下塔阻力与进下塔空气量关系经过理论分析,下塔阻力与进下塔空气量存在着二次曲线关系,于是对下塔阻力与进下塔空气量进行试验并对试验数据进行回归。两者之间关系的试验数据见表2,其关系曲线如图1所示。从图1得到下塔阻力与进下塔空气量的关系式:P2=61347e010542VD(19)式中:P2为下塔阻力,kPa。3 加工空气量与空压机

22、排气压力的关系空压机的排气压力必须克服管路阻力及满足下塔精馏工况的要求,空压机运行过程中采用恒压自表2 下塔阻力与进下塔空气量关系试验数据表进下塔空气量/(m3/s)下塔阻力/kPa进下塔空气量/(m3/s)下塔阻力/kPa25164225261324120157231425147352515241088232312251387872516923193208232513475725142319222219251251862514723191193221925114759251123187239221824196373241723171044221724190682415231604422166

23、2418438424142315245622162417639924122313628622132417179241223133264221324169196241123111678221224166804242219062222105241596231922187676221042415400923177221772992224153203231672217407522241491222317221685342224149097231662216450421192414358223172213730321182414181823177221317112117514 1994-2007 Chi

24、na Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/动控制调节,为了快速而准确地操作,有必要寻找空压机排气压力与空气量之间的关系。图1 下塔阻力与进下塔空气量的关系311 空压机出口到下塔进口段阻力空气经过氮水预冷、分子筛、主换热器等系统会有一定的压力损失,可以粗略地用下列公式计算:P1=w22g式中:为与流道粗糙程度有关的参数,w为与速度有关参数,ms;g为重力加速度。而 w=VS=100TVK273SP式中:S为与尺寸有关的参数,m2;P为空压机出口压力,kPa;T为温度,K。把空分设备满负荷运

25、行参数代入,得:2gS2=1145,则P1=17862VKP2(20)312 下塔顶部压力求取进入下塔的空气经精馏后,在顶部获得高纯度的氮气,氮气进入主冷向液氧放热,最后冷凝成液氮。下塔顶部气体是饱和蒸汽,它的温度、压力、纯度之间存在着固有的关系,而泡点关联式2反映了这一关系。首先进行一些合理的假设:下塔压力变化时,主冷的压力、温度和各组分保持稳定;改变进塔空气量,不影响下塔馏出产品的组分。从传热学理论可知,主冷的热负荷:Q=KFt(21)式中:Q为热负荷,kJ;t=tD-tM,tM为主冷液氧平均温度,tD为下塔顶部温度,K;K为传热系数,kJ/(m2hK);F为主冷换热面积,m2。下塔热平衡

26、方程如下:QC=VDhD-(VLNhLN+VLKhLK)2214(22)式中:QC为主冷热负荷,kJ;hD为进塔空气的焓,kJkmol;hLN为下塔顶部液氮焓,kJkmol;hLK为下塔富氧液空焓,kJkmol。按空 分 设 备 的 设 计 值 查 氧 氮 混 合 物TPhxy焓值。空气进下塔压力P=564kPa,温度T=101K,得:hD=7503+2512=10015kJ/kmol下塔底部压力P=564kPa,液空纯度xOLK=38%O2,得:hLK=5829kJ/kmol下塔底部压力P=544kPa,液氮纯度xOLN=01001%O2,得:hLN=3650kJkmol把式(17)、(18

27、)及上述参数代入式(22)中,得:QC=23016612VD假定负荷变化时主冷传热系数K不变,t=118K,把设计值代入式(21),得:KF=272915kJ/K则tD=QCKF+tM=010845VD+tM负荷变化时主冷工况保持稳定,根据设计时主冷工况,代入到泡点关联式中求得a=3196846,b=3081924,T=931667K,则下塔顶部压力:PT=105196846-3081924010845VD+931667(23)式中:PT为下塔顶部压力,kPa。313 空压机排气压力空压机的排气压力为空压机出口至下塔段阻力、下塔阻力和下塔顶部压力的总和,即:P=PT+P1+P2(24)上式为非

28、线性方程,方程形式为:AP3+BP2+C=0,可采用牛顿迭代法进行计算,代入各负荷下的参数,求出B、C及空压机排气压力。计算表见表3。24 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/表3 空压机排气压力表负荷加工空气量/(104m3/h)进下塔空气量/(m3/h)系数B/102系数C/107空压机排气压力/kPa106%915283924-5167-1125611145103%912681568-5163-111860612100%979213-516-11126

29、0119697%817476858-5157-110559714394%814874502-5154-91959311291%812172046-5151-91359717688%719569690-5148-81715841485%716967335-5145-811558010882%714364980-5142-71657517479%711662524-5139-710857114676%61960169-5135-615756612773%616457813-5132-61085611964 负荷调节范围限制空分设备的负荷调节有增负荷和减负荷,减负荷时受氮水预冷系统空冷塔的最低工作压

30、力设计最低工作压力为014MPa(G,下同)、分子筛吸附器再生用氮量、空压机喘振曲线、精馏塔内气体通过筛孔的速度等限制。而增负荷时除了受氨水预冷系统空冷塔的最大工作负荷、分子筛吸附器的吸附容量、冷箱内各换热器的换热面积、空压机电机最大工作负限制之外,同样受到精馏塔内气体通过筛孔的速度的限制。411 空压机负荷调节限制空压机变负荷调节时,受到空压机喘振曲线的限制。从设计来说空压机和空分设备的负荷调节范围都在70%105%之间,实际运行中,整个装置调节范围要比设计小,主要因为空分设备管网特性曲线和空压机的特性曲线双重因素作用,使空压机变负荷范围受到限制。18000m3/h空分设备所配套的空压机电机

31、额定功率8000kW,设计排气量为90000m3/h,排气压力为0151MPa。防喘振控制方式采用双参数控制方式(指压力和流量控制),其原理:空压机工作在安全运行区时,空压机实行恒压自动控制调节,即运行压力小于喘振控制时,开大进口导叶,增加流量;而一旦空压机进入喘振控制区,打开放空阀,压力下降,流量增大,使空压机运行避开喘振区。在实际运行中,空压机的流量易受外界因素的影响而产生波动,但在一定的压力范围内,空压机的压出气体流量与空压机的拖动电机电流存在线性关系,故将空压机的出口流量对比成空压机电流,其模型图如图2所示,只是将横坐标的流量相应转换为空压机的电流。在喘振线的右侧设定一条控制线,其形状

32、与喘振线一致,与喘振线相距5%8%的流量量程值,该距离越小,放空阀打开的机会就越少,能量损失就越少,但对控制系统、阀门的响应时间要求越高。该距离越大,放空阀打开的机会越大,越能保证机组的安全运行,但能量损失越大。将空压机现场各喘振数据表,转换成满量程的百分比,见表4。图2 压缩机喘振线控制表4 空压机现场各喘振数据表转换成满量程的百分比喘振点 空压机排气压力/kPa量程百分比 电流/A量程百分比14000157146001307250701727561013743668019547800152满量程700115001实际喘振保护曲线作图时,把Pc=dVK+e转换成Pc=dI+e。其中,d为喘振

33、线的斜率;e为喘振线在竖坐标上的截距;Pc为空压机排气控制压力,kPa;I为电流,A。根据表4喘振数据,控制线与喘振线偏离5%,则控制线方程为:Pc=019025I-67179(25)又有 I=N3Ucos(26)式中:N为空压机功率,kW;U为电压,kV;cos为电机的功率因素。34 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/空压机的指示功率公式为3:N=G102k(k-1)RTinPPink-1k-1(27)式中:G为质量流量,G=11293(1+x)VK/3

34、600,kg/s;x为绝对湿度,kg/kg;为绝热效率;R为气体常数,R=4716(01622+x)/(1+x),kgm/(kgK);Tin为吸入空气温度,K;k为比热比,k=cP/(cP-R/427),cP=(0124+0146x)/(1+x);P为空压机排气压力,MPa;Pin为空压机进口压力,MPa。由式(25)、(26)、(27)可求出保护曲线与上压力与空气量的关系。空压机吸入空气温度Tin=315K,R=2921538,则kk-1=315288,可以计算空压机运行状况参数,见表5。表5中负荷为75%时,运行压力接近于控制压力,低于该负荷时,运行压力大于控制压力,按防喘振控制原理,放空

35、阀打开,导叶开大。而负荷为106%时,空压机电机功率接近于额定功率8000kW,也就是说,要保证空分设备正常运行,空压机负荷只能在75%106%之间调节。表5 各负荷下空压机的运行状况负荷空气量/(104m3/h)质量流量/(kg/h)指示功率/kW电机电流/A控制压力/kPa运行压力/kPa106%9152127093114 7925159876162823136611145103%9126123595183 76591518471197961860612100%9100120098152 74041981910377113860119697%8174116601121 7149177790

36、18174519259714394%814811310319689816776310472018559311291%812110960616672315874316770313758917689%8104107275106 6675109738136981535861688%7195106109129 6401192708116711275841485%7169102611198 615710568110164618258010882%714399114167 591411665411562215857517479%711695617136 56731876271575981595711467

37、6%61992120106 54291196001557411656612775%618190954129 53501535911856613156418373%616488622175 519312157414540161561196412 空分设备负荷调节范围由于上塔和氩塔采用了规整填料塔,操作弹性比较大,空分设备变负荷范围70%105%。2004年夏天,新钢气体厂对18000m3/h空分设备负荷上限进行了试验。由18000m3/h空分设备配套的空压机和3200m3/h空分设备配套的空压机共同给18000m3/h空 分 设 备 供 气,最 大 供 气 量 达105000m3/h。试验结果见

38、表6。表6 空分设备最大负荷运行主要试验数据参数名称试验数据说明加工空气量/(m3/h)100000膨胀空气量/(m3/h)11800膨胀空气旁通量/(m3/h)2460氧气量/(m3/h)20400氧气纯度9917%氩馏分量/(m3/h)27500氩馏分氩含量为9%粗氩量/(m3/h)770氧含量 210-6下塔底部压力/kPa480空压机排气压力/kPa516试验情况:空分设备的主要运行参数正常;空气出分子筛吸附器的二氧化碳含量达210-6(设计要求小于110-6),若长期高负荷运行,将影响运行周期;在氩馏分氩含量低于7%时,粗氩塔的工况波动比较大,这是因为氩馏分氩含量偏低时,要保证粗氩塔

39、提取率不变,氩馏分流量偏大,精馏塔内上升气体流速过大,从而造成轻微液泛。从表6试验数据来看,18000m3/h空分设备负荷调节上限接近其设计负荷120%。低负荷运行时,有文献介绍规整填料上塔、粗氩塔和精氩塔最低负荷可达50%,因18000m3/h空分设备下塔为筛板塔,低负荷操作弹性比填料塔差,一般为设计负荷的70%,也就是说,18000m3/h空分设备运行的最低负荷为设计负荷的70%。5 制氩系统工况变化对于全精馏制氩的空分设备,制氩系统就是整个空分设备运行的“晴雨表”,它对主塔操作的稳定性要求特别高,上塔氩馏分抽口处的组分变化对氩精馏工况的影响至关重要。当加工空气量发生波动时,下塔的液气比发

40、生变化,将影响下塔进上塔的液体量和组分,进而影响上塔的精馏工况,使上塔氩富集区发生偏移,造成氩馏分中的组分发生变化。44 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/为了控制氩馏分氮含量,保证氩的提取率,一般设计氩馏分的抽口在3540块塔板之间。当工况波动时,氩馏分的氩富集区可能会往下偏移。当氩富集区往下偏移时,虽然氮含量基本不变,但氩馏分的氩含量就会减少,这将影响氩的提取率;当氩富集区往上偏移时,氮的含量急剧增加,很容易发生氮塞现象。可见,变负荷控制的关键是在负荷

41、变化时,保证精馏工况的稳定。511 氩馏分变化氩馏分中氧、氩、氮的含量变化,必定引起粗氩塔工况变化,对于固定的塔板数,氩馏分中氧含量高将造成粗氩中的氧含量偏高;氩馏分中氮含量偏高,造成粗氩塔冷凝器传热温差减小,冷凝器热负荷降低,严重时造成氮塞。一般情况下,氩馏分的氮含量控制在40010-6以下。设氩馏分的量为VAF,其氩含量为yAAF,塔底回流液为VLAr,其氩含量为xALAr,粗氩量为VCA,氩含量为xACA,则物料平衡和组分平衡方程为:VCA=VAF-VLAr(28)VCAxACA=VAFyAAF-VLArxALAr(29)那么:VCA=VAFxALAr-yAAFxALAr-xACA(30

42、)因为粗氩塔内氮含量很低,可以近似地认为是氧 氩二元系。假设氩含量为yAAF的氩馏分气体穿过第一块理论塔板后的氩含量为yA1AF,而粗氩塔内氩相对于氧而言是易挥发组分,那么yA1AFyAAF;由理论塔板的概念得知,某块理论塔板上的气液相是平衡的,氧的平衡常数为KO,氩的平衡常数为KA,粗氩 塔底液相中氩组分浓度为xAAF,氧组分浓度为xOAF。根据相对挥发度的定义有:AO=KAKO=yA1AF/xAAFyO1AF/xOAF=yA1AF/xAAF(1-yO1AF)/(1-xOAF)那么xAAF=yA1AFAO-yA1AF(AO-1)又由于yA1AFyAAF,则xAAFyAAFAO-yAAF(AO

43、-1)(31)在氧 氩二元系中,当粗氩中氧含量 210-6时,则xACA1。由式(30),(31)得:VCA1-1AOVAFyAAF(32)相对挥发度AO受压力、组分等因素的影响,在正常工况下为1146115之间4,可利用泡点关联式和相对挥发度关联式5求出。由式(31)可知,粗氩(无氧)量和氩馏分量、氩馏分中氩含量成正比。512 氩馏分量与空气量的关系一套空分设备的粗氩提取率基本上在设计中就确定了,假设氩提取率为,进塔参与分离的空气量为VS,空气氩含量为yAK,那么粗氩流量:VCA=VSyAKxACA(33)结合式(32)、(33)得氩馏分量公式:VAFVSyAKAOxACAyAAF(AO-1

44、)(34)在实际操作过程中,应将主塔和粗氩塔视为一个整体。主塔的压力、液面、液气组成和进料的状态等与粗氩塔有着密切联系。调整好主塔工况是提氩的基础;反过来,粗氩塔的稳定,又可使主塔运行在最佳状态。氮塞的直接原因是由于进入粗氩冷凝器中的氮含量偏高,而使冷凝器温差减小,降低了热负荷,使冷凝器不能正常工作,甚至停止工作,因而在调整主塔工况的同时,必须控制氩馏分中的氮含量(一般为10010-640010-6之间);其次要调整好氩馏分量。为了便于操作,计算出了18000m3/h空分设备在不同负荷下满足不同氩馏分氩含量的氩馏分流量,见表7。6 结 论空分设备流程复杂,生产过程连续性强,变负荷过程是一个多参

45、数变化的复杂过程,必须对空分设备流程做深入研究,分析其工艺特点和各工艺参数内在的关系,寻找变负荷时空分设备各主要参数的变化规律性,建立数学模型或统计规律,以便在变负荷过程中能快速、准确地在新工况参数下操作。通过试验研究、物料平衡计算以及精馏分析得出如下结论:(1)空分设备在一定负荷范围内,氧气产量与分离空气量成线性关系。(2)随空分设备负荷的降低,受上塔精馏潜力下降的影响,其送上塔的膨胀空气量也随之减少。54 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/表71800

46、0m3/h空分设备不同负荷下满足不同氩馏分氩含量氩馏分流量分离空气量/(m3/h)氩馏分量/(m3/h)氩含量7%氩含量8%氩含量9%氩含量10%氩含量11%氩含量12%氩含量13%氩含量14%98000345451753036513127116103244941412239413920628189191341981785610192800326951082873816325663139231821232119416919523177181091891690016287000306631742695310724068192217411891987718618310176169841721585

47、010184390297431822614414823346186210891631928115317761144164751181537415181780288231912533518922624179204371371868511917212111159651641489910179170279042452713219021721978511218088186166621791545611144231517656026984109237181721180165191321861749215216113147149461551394810173950260641182291011120458

48、159184801616896118155641141443710113472151713402514412622101152197361521782813516299185150141821392714712997101687302422413521292193190141451717610915703151144651513417193125211516612023304144204841341829213816523183151071181391611812908139120461016351022384153196751741757013215871158145101841336618

49、512398185115701516090021464162188671151684812515219132139141512817153118891311095101(3)空分设备变更空气量变负荷调节时,其调节范围主要受空压机喘振曲线、空分设备管网特性、精馏塔负荷调节能力的限制,新钢18000m3/h空分设备负荷调节范围为75%106%。(4)空分设备在一定负荷范围内,粗氩产量与分离空气量成线性关系。在上塔抽口处氩含量不变情况下,粗氩量与氩馏分流量成线性关系。空分设备变负荷调节是一个系统工程,虽然涉及到的参数多、参数变化复杂,每套空分设备有不同特点,但是通过理论和试验分析,总能找到变化的规律

50、性。2005年11月,新钢25000m3/h空分设备投 产,氧 产 量 有5000m3/h左 右 的 富 余,对18000m3/h空分设备进行了变负荷生产调节,在节约能耗方面取得了非常好的效果。参考文献:1徐文灏.全低压空分装置相对挥发度法精馏计算(上)J.深冷技术,1979(2):1224.2徐文灏.一组氧 氮 氩三元系统汽液平衡关联式及其应用J.深冷技术,1992(5):1218.3张宜方.宝钢的高炉鼓风脱湿J.炼铁,1984(1):629.4石秉三等.低温技术原理与装置M.北京:机械工业出版社,1987.5同文献2.6徐文灏.全低压空分装置相对挥发度法精馏计算(下)J.深冷技术,1979