氧气纯度与空分流程经济性分析
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空分的工艺流程
空分的工艺流程空分工艺是一种将混合气体中的氧气和氮气分离的工艺。
通过空分工艺，可以得到高纯度的氧气、氮气和稀有气体产品，广泛应用于医疗、化工、石油、电子等领域。
空分工艺的主要流程包括空气压缩、预处理、空分、产品分离和制品回收等步骤。
首先是空气的压缩，将自然界的空气通过压缩机加压至一定压力。
压缩后的气体会进入预处理系统，经过脱水、脱油和脱硅等工艺，去除其中的杂质和水分，以保证后续空分过程的顺利进行。
接下来是空分过程，将预处理后的空气送入空分装置。
空分装置中通常包含一个吸附器和一个脱附器，通过吸附材料的选择和适当的操作条件，可以使氧气和氮气在吸附器和脱附器之间进行选择性吸附和脱附。
这样，空气中的氧气和氮气就可以被分离出来。
在空分过程中，一般会使用分子筛或活性炭等材料作为吸附剂。
吸附剂的选择要考虑吸附能力、选择性和经济性等因素。
当空气通过吸附器时，分子筛会吸附氮气，而氧气则通过未被吸附的气体从吸附器中排出。
经过一段时间后，分子筛饱和饱和，需要进行脱附操作。
在这个过程中，通过减压或加温等方法，可以使吸附在分子筛上的氮气脱附出来，并排出空分装置以外。
在产品分离阶段，从空分装置中分离出来的氧气和氮气还需要经过一系列的处理，分别得到高纯度的氧气和氮气产品。
这包括常见的冷却、压缩和精馏等操作。
最后，得到的氧气、氮气和稀有气体可以进行包装和储存，以便后续的运输和使用。
最后，在制品回收阶段，对空分过程中产生的废气和废液进行处理和回收。
其中，废气主要是回收氮气、氧气和其他稀有气体的残余气体，废液主要是废气吸附装置中吸附剂的再生液。
通过适当的处理和回收，可以减少对环境的污染和资源的浪费。
综上所述，空分工艺是一种重要的工艺流程，通过空分可以将混合气体中的氧气和氮气分离出来，生产高纯度的氧气、氮气和稀有气体产品。
这一工艺在医疗、化工、石油、电子等领域具有广泛的应用，对于推动工业化进程和提高生产效率具有重要意义。
浅析空分装置在钢铁企业中的应用
浅析空分装置在钢铁企业中的应用化国;崔仁鲜【摘要】This paper analyzed the application features of air separation unit for steel industrial .Subjects such as the use of oxygen , oxygen pressure , peak-shaving , oxygen venting and the use of nitrogen and argon are analyzed .The scheme for the allocation of the air separation unit for steel industrial , the selection of process , the use of load change adjustmentand the region supply are approached .Geared to the needs of themarket ,the proficiency of air separation unit for steel industrial should be excavated adequately , which can get the best interest .%对空分装置在钢铁企业中的应用特点进行分析。
对氧气使用特点、氧气压力、调峰、氧气放散以及氮、氩产品的应用等问题进行了分析。
并对钢铁企业的空分配置、流程选择、自动变负荷技术的应用以及区域供应等问题进行了分析探讨。
面向市场是钢铁企业配套空分装置的一个发展趋势，为此，应充分挖掘空分装置潜能以实现生产最优化和利益最大化。
【期刊名称】《低温与特气》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】4页(P50-52,54)【关键词】空分;钢铁;氧气压力;空分配置;流程选择;变负荷调节;区域供应【作者】化国;崔仁鲜【作者单位】中国昆仑工程公司，北京100037;中国昆仑工程公司，北京100037【正文语种】中文【中图分类】TB657.7当前形势下，我国钢铁行业陷入艰难境地。
煤化工空气分离及其工艺流程分析
煤化工空气分离及其工艺流程分析发布时间：2023-01-04T03:02:19.886Z 来源：《新型城镇化》2022年23期作者：毕翠玉[导读] 空气分离是指利用一定的物理技术，根据气体的物理性质对不同的气体进行分离，如氧、氮等常见气体，以及氦、氩等稀有气体进行区分。
山东华鲁恒升化工股份有限公司山东省 253000摘要：近年来，煤化工行业发展迅速，呈上升趋势，煤化工生产规模也在不断扩大，对各种生产设施和设备提出了更高的要求。
特别是空分设备的选型更注重工艺流程的合理性和安全性。
确定合适的空分装置工艺流程是煤化工企业生产活动中的关键问题之一。
为了保证空分装置的安全高效运行，煤化工企业必须选择正确的工艺流程，控制好安全运行的关键点。
关键词：煤化工；空气分离；工艺流程1煤化工空气分离的概念及其运行意义空气分离是指利用一定的物理技术，根据气体的物理性质对不同的气体进行分离，如氧、氮等常见气体，以及氦、氩等稀有气体进行区分。
空分设备是煤化工行业的重要设备。
随着煤化工的发展，对空分设备的要求越来越高。
煤化工空分装置的运行可以大大提高煤的转化率，提高煤化工企业的生产效率和生产质量，保证其生产目标的实现，为煤化工企业创造更多的经济效益，促进煤化工企业的可持续发展。
空分设备的运行强调安全，只有安全运行才能保证其运行的稳定，才能保证生产目标的实现。
选择正确的工艺流程，掌握合理的工艺流程选择是空分设备安全运行的前提之一。
2 煤化工空气分离工艺概述2.1低温加工低温空气分离理论是生产气态或液态氧气、氮气和氩气最有效、最经济的专业技术。
空分装置（ASU）采用传统多塔低温精馏塔的全流程，从压缩空气中获得高效、纯度高的氧气。
低温技术还可以以较低的增量成本生产高纯度的N2，作为有益的副产品流。
此外，还可以将液氧、液氧、液氮导入产品石英砂岩中，存储产品备份数据或副产品市场销售数据，增加固定资产和能源工程成本。
为了根据规模效应降低产品成本，再次对如何提高每列设备的生产效率进行科学研究。
建设空气分离制氧项目的论证报告
建设空气分离制氧项目的论证报告【摘要】本文详细论证了企业建设空气分离制氧项目的经济可行性，并对空分的技术可行性等诸多方面进行了论证。
【关键词】空气分离制氧；市场背景；生产方案；投资；收益１．基本内容１．１项目概况与背景空气分离制氧就是采用深度冷冻（-183℃～-196℃）的原理，将空气变为液态，然后进行二次蒸馏，利用氧气和氮气蒸发点的不同，用低温精馏法将其分离为氧气和氮气，从而获得高纯度的工业用氧气和氮气。
液氧和液氮都为蓝色透明液体，其应用范围非常广泛，可覆盖钢铁、冶金、机械制造、造船、汽车、化工、医药、食品、电子、石油、航空航天等各个领域。
氧气和氮气既是能源又为原料，是上述各个领域不可或缺的“水和粮食”，市场范围极为广阔。
气体行业是新兴的朝阳产业，世界经济的发展和专业的分工，已经形成了许多世界知名品牌的气体生产厂家。
随着我国经济的快速发展，相关工业对各种气体的需求也日益俱增，气体行业也呈现出蓬勃发展的态势。
外国一些从事气体生产和销售的著名的跨国公司，如英国BOC、法国法液空、德国林德和美国普莱克斯等公司纷纷抢滩，进入我国京津、沪杭、广深和沈大地区，采取独资或合资方式建厂，占领了上述地区很大一块市场。
就目前的山东市场来看，气体生产的厂家虽然较多，但规模较小，整体竞争能力不强，山东气体市场存在着求大于供的矛盾。
据初步估算，仅胶东地区液态氧每天的市场缺口就在200吨以上。
巨大的市场缺口为气体工业的发展提供了良好的发展机遇，因此，投资建设一套6000m3/h全液化空分装置是市场发展的需要。
１．２项目计划项目建成后，将成为山东最大的工业气体生产基地。
根据工业气体不适宜长途运输的特点，我们将未来目标市场初步定位在烟台、威海、青岛和潍坊。
上述四个地区工业气体每天的需求量为812吨，生产能力为340吨，市场缺口达472吨，大用户有一汽大宇、大宇重工、东镐重工、三尼电子、烟台船厂、威海船厂、青岛北海船厂、海尔集团、海信集团、潍柴动力、青州工程机械厂、南山集团、电建一、二、三公司等。
典型空分流程的简述及运行能耗分析
典型空分流程的简述及运行能耗分析摘要：以伊犁新天煤化工KDON-51000/26000空分装置为背景，简单介绍了空分装置的工艺流程以及装置运行中的能耗分析。
关键字：工艺流程；原理；能耗；分析伊犁新天煤化工有限责任公司是浙江能源集团和山东能源新矿集团共同投资成立的国有合资企业。
地处新疆自治区伊犁哈萨克自治州伊宁市，公司占地面积5700亩，于2010年开工建设，2017年建成投产，以年产20亿Nm3煤制天然气为主，该项目是目前国内外已建成的最大单体煤制天然气项目。
其中空分装置采用杭氧公司内压缩流程，氧产量51000Nm3/h，氮气产量26000Nm3/h。
其中空分装置是整个项目最重要的部分之一，它的稳定运行是后续工段连续稳定的重要保障。
1、空气分离的方法及原理空气中的主要成分是氧和氮，它们分别以分子状态存在。
分子是保持它原有性质的最小颗粒，直径的数量级在10-8cm，而分子的数目非常多，并巨不停地在作无规则运动，因此，空气中的氧、氮等分子是均匀地相互搀混在，起的，要将它们分离开是较困难的。
目前主要有3种分离方法。
（1）低温法先将空气通过压缩、膨胀降温.直至空气液化，再利用氧、氮的气化温度（沸点）不同（在气压力下，氧的沸点为90K，氮的沸点为77K）.沸点低的氮相对于氧要容易气化这个特性，在精馏塔内让温度较高的蒸气与温度较低的液体不断相互接触，液体中的氮较多地蒸发，气体中的氧较多地冷凝.使上升蒸气中的含氮量不断提高，下流液体中的含氧量不断增大，以此实现将空气分离。
要将空气液化，需将空气冷却到100K以下的温度，这种制冷叫深度冷冻；而利用沸点差将液空分离的过程叫精馏过程.低温法实现空气分离是深冷与精馏的组合，是目前应用最为一泛的空气分离方法。
（2）吸附法它是让空气通过充填有某种多孔性物质一分于筛的吸附塔，利用分子筛对不同的分子具有选择性吸附的特点，有的分子筛（如5A，I3X等）对氮具有较强的吸附性能，让氧分子通过，因而可得到纯度较高的氧气；有的分子筛（碳分子筛等）对氧具有较强的吸附性能，让氮分子通过，因而可得到纯度较高的氮气。
浅析空气分离方法和工艺流程的选择
浅析空气分离方法和工艺流程的选择巫小元;崔仁鲜;化国【摘要】介绍了变压吸附分离、膜分离和低温分离三种空气分离技术的原理和流程。
并对三种分离技术的工艺流程特点进行了对比分析。
在实际应用中，应根据空分装置规模大小和产品特点，选择最优化的空分工艺流程。
%The article introduces three kinds of air separation technology:PSA air separation, membrane air separation and cryogenic air separation. The flow characteristics of three kinds of separation techniques are compared and analyzed. Ac-cording to the size of air separation devices and product characteristics, the optimal process and flow is chosen.【期刊名称】《低温与特气》【年(卷),期】2016(034)003【总页数】5页(P1-5)【关键词】空分;变压吸附分离;膜分离;低温分离;内压缩;外压缩【作者】巫小元;崔仁鲜;化国【作者单位】中国昆仑工程公司，北京100037;中国昆仑工程公司，北京100037;中国昆仑工程公司，北京100037【正文语种】中文【中图分类】TB657.7·综述评论·空气分离是根据空气中各组分物理性质的不同，采用变压吸附、膜分离或低温分离等方法，从空气中分离出氧气、氮气，或同时提取氩气、氦气等稀有气体的过程。
近年来，随着我国国民经济的高速发展，不同规模的空分设备广泛运用于钢铁冶金、电子、化工、煤化工、航空航天和油气开采等行业，空分设备也具有较为广阔的发展前景。
作为工程设计人员，要掌握空分装置的不同工艺和流程的特点，设计时，能够根据用户所需产品产量和品质要求，准确分析其工况特性，为用户选择合理的空分工艺和流程。
PSA制氧机经济性分析
PSA制氧机经济性分析——河南开元气体装备有限公司摘要：目前，氧气的制取工业上主要有两种方法：深冷空分法和变压吸附法。
本文就两种方法进行了比较说明。
介绍了真空变压吸附VPSA制氧机能耗的计算，阐述了VPSA制氧机在一些现场供气领域的经济性优势。
可作为投资的参考。
关键词：VPSA 深冷法能耗计算经济性一、氧气的应用氧气是气体工业中数量最大的品种，广泛应用于化学工业、冶金工业等部门中。
在过去十几年间，已经开发了各种各样的氧气应用技术，且成功地应用于许多工业生产中。
氧的化学性质非常活泼，很容易与其他物质化合而成氧化物，在氧化反应中会产生热量，因此氧可以助燃。
随着氧气浓度的提高，氧气反应将加剧，利用这一性质，可以强化生产工艺。
冶金工业消耗大量氧气，富氧炼铁、富氧炼钢、炼铅、炼钨、炼锌等在发达国家已被广泛采用。
在炼钢过程中吹以高纯度的氧气，氧便和碳及磷、硫、硅等起氧化反应。
这不单降低了钢的含碳量，还有利于清除磷、硫、硅等杂质。
而且，氧化过程中产生的热量足以维持炼钢过程所需的温度。
因此，吹氧不但缩短了冶炼的时间，同时提高了钢的质量。
工艺用氧中，纯氧顶吹转炉用氧纯度要求在99.5%以上。
因为氧纯度降低，将增加钢中的含氮量，影响钢的质量。
平炉用氧在炉头吹氧的作用是增加空气中的氧浓度，提高燃料燃烧温度。
它对氧纯度无严格要求，供氧压力为６～８公斤／厘米２，用氧量为３０标立方米／吨钢左右。
炉门吹氧是从炉门插入吹氧管向熔池吹氧，用氧条件无严格要求，用氧量５～２０标立方米／吨钢。
炉顶吹氧是从炉顶插入氧枪向熔池吹氧，氧纯度要求不小于９３％，用氧压力８～１０公斤／厘米２，吹氧量１５～３０标立方米／吨钢。
平炉用氧对供氧连续性的要求不像顶吹转炉那麽严格，只是影响冶炼时间。
电炉炼钢原有工艺用氧，要求氧纯度大于９８％，含水量低于３克／标立方米，用氧压力在５～１０公斤／厘米２，耗氧量对普通钢为１０～１５标立方米／吨钢，合金钢为２０～３０标立方米／吨钢。
内压缩流程空分设备氧气纯度调节方法分析
内压缩流程空分设备氧气纯度调节方法分析浙江绍兴三锦石化有限公司，浙江省绍兴市312000摘要：液氧内压缩流程空分设备与氧气外压缩流程空分设备工艺流程不同，上塔提馏段氧气纯度调节方法差异较大。
内压缩流程空分设备采用空气循环增压、膨胀空气进下塔、液氧内压缩及氮气外压缩、全精馏制氩工艺流程关键词：内压缩流程；空分设备；氧气纯度；调节方法引言液氧内压缩流程空分设备自投入运行，在空分设备开车、运行时对上塔提馏段氧气纯度采用不同调节方法，经过对内压缩流程空分设备上塔提馏段氧气纯度不同调节方法进行分析及实际运用效果比较，认为内压缩流程空分设备氧气纯度调节方法与传统的外压缩流程空分设备氧气纯度调节方法有较大不同。
1空分流程简介制氧生产使用的是空分设备，其中4台空压机在生产中为用3备1，2台膨胀机用1备1，纯化器1组再生切换使用。
生产流程为:1台空压机提供原料气体，通过预冷机机组使原料气体降温，经油水分离器后进入纯化器进行干燥净化，去除水分、二氧化碳和碳氢化合物后的洁净空气进入主换热器，经过热交换温度降至－173℃后进入空分塔进行精馏;冷却原料气体的冷量由制冷循环系统提供，制冷循环系统使用的气体为经过纯化器净化后的洁净空气，由2台空压机循环气体，加压后的洁净空气进入增压机增压后进入膨胀端，压力下降，气体对外做功，温度下降，膨胀后的空气温度在－183℃左右进入主换热器用于冷却原料空气，换热后的气体再由空压机压缩提高压力。
在循环过程中，损耗的气体用原料气体进行补充。
2制冷系统密封分析制冷循环系统气路是闭合运行的，经过启动调整后的循环空气量相对稳定。
在不考虑原料气体影响的前提下，循环系统密封不严密会使未净化的空气进入循环系统或冷却器微漏，导致主换热器堵塞，系统无法正常运行。
近年来多次出现主换热器堵塞问题，经排查发现是由于循环系统密封不严，大气进入循环系统，水分、二氧化碳等杂质在主换热器中析出导致堵塞。
2.1分子筛吸附效果影响空分设备主要采用纯化器净化原料空气，纯化器中装填13X-APG型分子筛。
深冷空分制氧、VPSA变压吸附制氧技术、经济特点比较
最大电机功率1000KW，启动时对电网要求不高，如果是独网可满足启动要求。
12
仪控系统
对仪控系统要求较高，控制、连锁复杂，至少有20个控制回路或连锁。要求必须使用成熟的DCS系统。
对仪控要求一般，多数是开关量，使用PLC即可满足使用。
13
风险性
深冷工艺成熟、国内外业绩很多
本套VPSA是国内第一套单机组合规模达35000Nm3/h，有一定的风险性
变负荷范围为75%-105%，氧纯度（高纯氧99.6%）不变
产量基本可以做到15%-100%调节（具体变负荷能力根据选用几套吸附塔系统有关），纯度可在70%-95%变化。
6
噪音
噪音源少且可控，稍加处理即可满足国家规范要求
噪音源多，噪音较大较难处理。
1成都华西动力设备采用离心风机及水环式真空泵，液压驱动阀门，因此噪音相对较小。
0.439kwh，3家差别不大（蒸汽、水损耗未计算在内）
1成都华西约0.497kwh
行计算，实际运行功率要低些，如我公司杭氧1号深冷空分实际单耗在0.38。
3
安全性
深冷空分由于液氧的存在，有主冷爆炸、空分塔漏液胀裂等危险源的存在，空分运行需要严格管理、精心操作。压力容器较多
深冷空分制氧、VPSA变压吸附制氧技术、经济特点比较
序号
项目
深冷空分制氧装置
VPSA变压吸附制氧
备注
1
总装机功率
1杭氧约18324 kw
2川空约18000 kw
3开空约17800 kw
1成都华西约17390kw
2北大先锋约21440kw
北大先锋比其它4家要高3000kw，需要确认。
2
平均1m3氧气耗电
2北大先锋动力设备均为罗茨鼓风机，气动调节阀，噪音非常大较难处理。
12
仪控系统
对仪控系统要求较高，控制、连锁复杂，至少有20个控制回路或连锁。要求必须使用成熟的DCS系统。
对仪控要求一般，多数是开关量，使用PLC即可满足使用。
13
风险性
深冷工艺成熟、国内外业绩很多
本套VPSA是国内第一套单机组合规模达35000Nm3/h，有一定的风险性
变负荷范围为75%-105%，氧纯度（高纯氧99.6%）不变
产量基本可以做到15%-100%调节（具体变负荷能力根据选用几套吸附塔系统有关），纯度可在70%-95%变化。
6
噪音
噪音源少且可控，稍加处理即可满足国家规范要求
噪音源多，噪音较大较难处理。
1成都华西动力设备采用离心风机及水环式真空泵，液压驱动阀门，因此噪音相对较小。
0.439kwh，3家差别不大（蒸汽、水损耗未计算在内）
1成都华西约0.497kwh
行计算，实际运行功率要低些，如我公司杭氧1号深冷空分实际单耗在0.38。
3
安全性
深冷空分由于液氧的存在，有主冷爆炸、空分塔漏液胀裂等危险源的存在，空分运行需要严格管理、精心操作。压力容器较多
深冷空分制氧、VPSA变压吸附制氧技术、经济特点比较
序号
项目
深冷空分制氧装置
VPSA变压吸附制氧
备注
1
总装机功率
1杭氧约18324 kw
2川空约18000 kw
3开空约17800 kw
1成都华西约17390kw
2北大先锋约21440kw
北大先锋比其它4家要高3000kw，需要确认。
2
平均1m3氧气耗电
2北大先锋动力设备均为罗茨鼓风机，气动调节阀，噪音非常大较难处理。
一种可以大幅度降低制氧单耗的空分新流程
一种可以大幅度降低制氧单耗的空分新流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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第四届全国低温工程低 温 工 程1999年第4期 学术会议论文集CR YO GEN I CS总第110期 氧气纯度与空分流程经济性分析林文胜 顾安忠(上海交通大学制冷与低温工程系 上海 200030) 摘要 从物料平衡、能耗和流程效率几个方面入手,分析了氧气纯度对空分设备的氧气产量、氧提取率、最小分离功、实际功和流程压力等对流程经济性至关重要的几个参数的影响,并以具体计算实例进行了说明。
结果表明,合理地选用低纯度制氧机可带来明显的效益。
主题词 空分流程 氧气纯度 氧提取率 能耗 压力1 概述在国民经济的许多行业都有对氧、氮等空分产品的需求,其中需求量最大的当数化工和冶金行业。
在传统上,对空分产品的需求大多是对高纯度产品的需求。
以冶金行业为例,氧气的最大用户是炼钢过程,而此过程所需的氧气纯度为9916%。
虽然高炉富氧鼓风等用户不需要使用高纯度氧气,但因其用量较小,没有必要为其配置专门的低纯度制氧机。
近年来,这一状况有所改变。
同样看冶金行业,这些年受到极大关注的COR EX熔融还原炼铁技术需要使用数倍于采用传统流程的相同规模的冶金工厂的氧气耗量(约550～600m3 t 铁),而所需氧气的纯度可低至95%。
新的形势对空分行业提出了新的要求。
如同氧气顶吹转炉的应用极大地促进了空分行业的发展一样,新的炼铁工艺也为空分行业的发展提供了又一次机遇[1,2]。
此外,近年来在世界上呈蓬勃发展之势的综合煤气化联合循环发电(IGCC)系统也需要数量相当大(约5600m3 MW)的低纯度氧气(95%),这一迅速发展的行业有可能成为今后对氧气需求最大的领域[3]。
本文简要分析纯度对空分流程经济性的影响,以此说明在需要大量低纯度氧气时采用低纯度空分设备的优越性。
为简便起见,在以下所有分析中均忽略空分装置的气体泄漏量,并将空气视为氧氮二元理想气体。
2 纯度对物料平衡的影响用V A,V O,V N分别表示加工空气、氧产品和氮产品的体积流量,则装置的总物料平衡为林文胜,男,32岁,博士生。
V A =V N +V O (1) 用y A O ,y O O ,y N O 分别表示加工空气、氧产品和氮产品中氧的体积浓度,则装置的氧物料平衡为V A y A O =V N y N O +V O y O O(2) 联立解以上两式得V O =y A O -y N O y O O -y N O V A (3)V N =y O O -y A Oy O O -y N O V A (4) 从以上两式可以看出,由于y A O 为定值,氧、氮产量取决于y O O ,y N O 和V A 。
本文着重分析氧气纯度的影响,因此在讨论中将氮气纯度y N O 取为定值。
在保持加工空气量V A 不变的前提下,我们很容易地从式(3)看出,随着氧气纯度y O O 的降低,氧气产量V O 将增大。
当然,如果保持氧气产量不变,则加工空气量可得到相应减少。
再看y O O 对氮产量V N 的影响。
从(1)式可看出降低氧气纯度会减少氧气的产量。
这样,从产量的角度看,降低氧气纯度有利有弊,需要根据用户对不同空分产品的需求量才能得出正确结论。
对于冶金工厂和IGCC 电厂来说,一般空设备的制氮能力有很大富余,而对其制氧能力则希望充分利用。
在这种情况下,降低氧气纯度是有利的。
当然,我们注意到,氧气纯度y O O 降低时氧气产量V O 虽然增大,但其中杂质量也相应增大。
那么,实际的纯氧产量是否增加了呢?这个问题可以从对氧提取率的分析中找到答案。
按氧提取率(Β)的定义和式(1),有Β=V O y O O V A y A O =V A y A O -V N y N O V A y A O (5)显然,由于y O O 降低时氮气产量V N 减小,故氧提取率Β将上升。
这说明,y O O 降低时不但氧气的名义产量增加,实际纯氧的产量也有所增加。
3 纯度对能耗的影响我们从分离过程所需的理论最小功入手来考察纯度对分离过程能耗的影响。
虽然实际分离过程所需的能耗远大于理论最小功,但它确定了一个真实过程可以不断向其趋近的理论极限,因而对分离过程的研究具有非常重要的意义。
气体的分离过程是一个不可能自发进行的过程,它必须以消耗外功作为补偿。
如果分离过程的每一步骤都是理想的可逆过程,则所消耗的功最少,此即最小分离功。
假设环境温度和环境压力为T 0和p 0,分离前气体的焓、熵分别为s 0和h 0,分离后各纯组分的焓、熵之和分别为s ′0和h ′0,混合气体中氧、氮的分压分别为p 0和p N 。
从热力学第一和第二定律可知,最小分离功W m in =T 0(s 0-s ′0)-(h 0-h ′0)(6) 将空气看作氧氮二元理想混合气体,其混合热为零,则焓可表示为h 0=y A O h 0+y A N h N =h ′0(7) 若将空气分离为纯氧和纯氮,在分离前后熵的变化为613低 温 工 程1999年第4期s0-s′0=y A O R M ln p0p O+y A N R M lnp0p N=R M y A O ln1y A O+y A N ln1y A N(8) 于是,最小分离功可表示为W m in,A=T0R M y A O ln1y A O+y A N ln1y A N(9) 若将空气分离为y O O浓度的氧气和y N N浓度的氮气,则将这两部分气体进一步分离为纯氧和纯氮所需的最小分离功分别为W m in,O=T0R M y O O ln1y O O+y O N ln1y O N(10)W m in,N=T0R M y N O ln1y N O+y N N ln1y N N(11) 这样,将空气分离为y O O浓度的氧气和y N N浓度的氮气所需的最小分离功为W m in=W m in,A-W m in,O V OV A-W m in,NV NV A(12) 在上式右边的三项中,随y O O降低,第一项保持不变,第二项会增大,而第三项将有所减小。
因此,我们并不能直观地推断最小分离功会增大还是减小,需作进一步分析。
为此,将(3)(4)式带入(12)式,并考虑到y O N=1-y O O,得W m in=T0R M y A O ln1y A O+y A N ln1y A N-T0R M y O O ln1y O O+(1-y O O)ln11-y O Oy A O-y N Oy O O-y N O-T0R M y N O ln1y N O+y N N)ln1y N Ny O O-y A Oy O O-y N O(13) 将其对y O O求偏导,经推导得A=5W m iny O O=T0R M(y A O-y N O)(y O O-y N O)2yNO lny N Oy O O+y N N lny N Ny O N(14) 上式的系数为正,第一项为负,第二项为正。
我们发现,当y O N→0时,A→+∞;当y O O →0时,A→-∞。
因此,存在一个浓度值,当y O O大于此值时,A>0。
在空分设备正常操作范围内,上式中两个对数值符号相反,数量上具有相同量级,而y N Nµy N O,故可认为A>0。
通过以上分析我们知道,在空分设备正常操作范围内,降低氧气产品纯度将使最小分离功减小,实际空分设备的能耗也必然随之减小。
4 纯度对流程压力的影响对于处于环境状态下的空气,其火用值为零,因此,为使空气的分离过程能够进行,必须提高它的火用,这就需要将其压缩到一定的压力。
在理想可逆情况下,应使欲分离的空气压缩后的火用等于分离产品各组分的火用之和。
当然,实际的分离过程都是不可逆过程,分离装置中存在各种火用损失,因此压缩空气所具有的火用远大于分离产品各组分的火用之和。
在分离过程中,相当于理论最小功数量的火用转化为分离产品的火用,而压缩空气中超过最小分离功部分的火用则在过程中被耗散。
因此,若装置的火用效率为Γe,则压缩空气具有的火用与最小理论功之间的关系为e A=T0R M ln pp0=W m ine(15)7131999年第4期氧气纯度与空分流程经济性分析 由此可以确定流程压力p =p 0exp (W m in T 0R M Γe )(16) 显然,在Γe 保持不变时,若降低氧气纯度,则流程压力将随W m in 的减小而降低。
装置的实际能耗是将空气从环境压力等温压缩至流程所需压力时消耗的功,即W =T 0R M ln p p 0 ΓT ΓM (17)式中ΓT 、ΓM 分别为空压机的等温效率、机械效率。
随着p 降低,实际功也将减小。
5 计算实例以上从理论上分析了氧气纯度对流程经济性的影响,现将氧气纯度、最小分离功、实际功和压力等随氧气纯度的变化计算出来,并以图形方式整理如下。
在计算中取T 0=273115K ,p 0=1011325kPa ,R M =813143kJ (km o l ・K ),V A =1km o l ,y A 0=01209,ΓT =0170,ΓM =0198,Γe =0120。
另外,给定氮气平均浓度(产品氮和污氮的平均浓度)y NN =0196。
图1 物料平衡与氧气纯度图2 流程压力与氧气纯度图3 能耗与氧气纯度图4 单位电耗与氧气纯度 将以上计算中y O O 分别为0190、0195和01996时的结果列表如下。
表中的w 1和w 2是按工程习惯折合的每立方米产品氧和纯氧的耗电量。
813低 温 工 程1999年第4期y o o V Okmo lΒW m in (kJ kmo l )A p kPa W (kJ kmo l )W 1 (k W h m 3)W 2 (k W h m 3)0.9000.1970.846712.671062.14486.565194.360.3280.3640.9500.1860.844769.901256.03551.905611.530.3750.3940.9960.1770.842839.752155.41643.646120.620.4290.4316 结论通过理论分析和计算,得出氧气纯度降低对流程经济性有如下影响:(1)氧产量和氧提取率增加。
在氧气纯度由9916%降至95%时,氧产量增加511%。
(2)最小分离功和实际功减少。
在氧气纯度由9916%降至95%时,最小分离功和实际功减少813%。
如果折合为产品氧和纯氧,则单耗分别减少1216%和816%。
(3)流程压力降低。
在氧气纯度由9916%降至95%时,流程压力降低1413%。
由此可以得出结论,在需要大量低纯度氧气的场合,采用低纯度制氧机对于增加氧产量和氧提取率、降低能耗和流程压力都是有利的,值得采用。
参 考 文 献1 A non .L arge scale air separati on p lants to be built fo r new steel m ak ing facility under developm ent in India .IndustrialH eating ,1995,62(5):58～592 肖宗立,盛永美.有关炼铁用氧的几个问题.钢铁厂设计,1998,(3):31～353 Sm ith A R ,K lo sek J ,W oodw ard D W .N ext generati on concep ts fo r air separati on units and gas turbines .In :P roceedings of the 1996Internati onal Gas T urbine and A eroengine Congress and Exh ibiti on ,B ir m inham ,U K4 R aney S M ,T ho rogood R M .Op ti m izati on of the ther m ally integrated distillati on fo r low purity oxygen p roducti on .Instituti on of Chem ical Engineers Sympo sium Series ,1997,(1422):521～5305 张朝阳.KDO 6500 型低纯制氧机特点及改进.深冷技术,1996,(2):37～406 张祉祐,石秉三.低温技术原理与装置(上下册).北京:机械工业出版社,1987INFL UENCES OF OXY GEN PUR IT Y ON ECONOM I CALASPECTS OF A IR SEPARAT I ON PROCESSL in W en sheng Gu A nzhong(Shanghai J iao Tong U niversity ,Shanghai 200030)ABSTRACT Con sidering the aspects of m ass balance ,energy con sum p ti on and p rocess efficiency ,th is p aper analyzes the influences of oxygen p u rity on oxygen p roducti on ,oxygen ex tracting rate ,m in i m um separati on w o rk ,p ractical w o rk and p rocess p ressu re .A ll these p aram eters are vital to the econom ical aspects of the air separati on p rocess .A calcu lating exam p le is given .A nalyses show that to adop t the low pu rity oxygen generato r can b ring beneficial resu lts .KEYWOR D S air separati on p rocess ;oxygen pu rity ;oxygen ex tracting rate ;energy con sum p ti on ;p ressu re 9131999年第4期氧气纯度与空分流程经济性分析。