楊澤萌，韓曉萌，盧新發(fā)

（北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司熱能事業(yè)部；北京市冶金三維仿真設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，北京 100043）

引言

在空氣分離方法中，深冷精餾法相較于變壓吸附、膜分離具有分離純度高、產(chǎn)能規(guī)模大等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、機(jī)械、電子行業(yè)，技術(shù)成熟度較高[1]?，F(xiàn)階段，隨著國家“碳達(dá)峰、碳中和”的政策驅(qū)動(dòng)，各行業(yè)內(nèi)相關(guān)節(jié)能環(huán)保項(xiàng)目應(yīng)聲落地。在該背景下，企業(yè)內(nèi)既有空分機(jī)組的氧氮平衡比被打破，表現(xiàn)為氮?dú)庑枨罅康纳?。?jīng)空分增氮技術(shù)方案對(duì)比，采用塔內(nèi)改造增氮法對(duì)既有設(shè)備進(jìn)行挖潛具有可行性，且經(jīng)濟(jì)效益明顯[2-3]；而塔內(nèi)精餾設(shè)備的技術(shù)改造是空分增氮工藝設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

化工過程模擬或流程模擬系統(tǒng)作為新技術(shù)、新工藝設(shè)計(jì)的有效工具，通過建立工藝流程的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行規(guī)律計(jì)算、特性描述、行為預(yù)測與分析[4]。采用穩(wěn)態(tài)模擬系統(tǒng)對(duì)空分增氮工藝進(jìn)行分析，尤其針對(duì)塔內(nèi)精餾設(shè)備改造的技術(shù)開發(fā)過程進(jìn)行仿真；從而準(zhǔn)確掌握工藝過程的信息參數(shù)并代替試驗(yàn)研究，推動(dòng)空分增氮改造工程設(shè)計(jì)與創(chuàng)新發(fā)展，具有重要的指導(dǎo)意義。

1 項(xiàng)目概況

首鋼公司所屬鋼鐵生產(chǎn)單位，為落實(shí)國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的相關(guān)政策以及超低排放的生產(chǎn)要求，新建多項(xiàng)環(huán)保類工程。其中，煉鐵作業(yè)部除塵灰、瓦斯灰氣力輸送改造工程以氮?dú)庾鳛閯?dòng)力氣源，需新增氮?dú)?0 000 m3/h；燒結(jié)球團(tuán)一、二系列脫硫脫硝工程以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣源，需新增氮?dú)? 000 m3/h。因此，新落地的環(huán)保項(xiàng)目所需氮?dú)饪偭繛?6 000 m3/h。根據(jù)原工藝及生產(chǎn)所需氧、氮、氬氣情況，制氧作業(yè)部日常運(yùn)行三套35 000 m3/h 空分即可滿足生產(chǎn)要求，實(shí)現(xiàn)供需平衡?？紤]新建環(huán)保項(xiàng)目事故狀態(tài)下增量因素，氮?dú)饪傂枨罅窟_(dá)到30 000 m3/h。因此，需對(duì)既有空分設(shè)備進(jìn)行挖潛改造，實(shí)現(xiàn)污氮資源化利用，從而保障環(huán)保項(xiàng)目順利實(shí)施。每套35 000 m3/h空分氧、氮、氬氣產(chǎn)品數(shù)據(jù)見表1。

表1 單套空分氣體產(chǎn)品數(shù)據(jù)表

2 增氮工藝流程與物系選擇

由于低壓氮?dú)猱a(chǎn)能提高，原純氮塔K03 精餾能力無法滿足增產(chǎn)要求?？辗衷龅脑旃に囆鑼?duì)純氮塔K03 進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并將純液氮管道與污液氮管道進(jìn)行交叉互換，節(jié)流閥后兩管道進(jìn)行二次交叉互換；低壓氮?dú)夤艿琅c污氮管道交叉互換，復(fù)熱后進(jìn)行二次交叉互換，從而保障低壓氮?dú)忭樌统觯に嚵鞒虉D如圖1 所示。置換后的污氮量減少，需增設(shè)冷水機(jī)組以滿足預(yù)冷系統(tǒng)所需冷量[5]。

圖1 空分增氮工藝流程圖

空分增氮模擬基于氧-氮-氬三元物系計(jì)算，通常采用立方形狀態(tài)方程，如PR 方程、RK 方程、SRK方程等；經(jīng)測算，在相同條件下，采用PR方程和SRK方程進(jìn)行計(jì)算，產(chǎn)品產(chǎn)量相同，純度誤差小于3×105。[6]穩(wěn)態(tài)模擬中的相平衡參數(shù)、焓及氣相密度等，采用PR 方程[7]進(jìn)行數(shù)學(xué)建模與計(jì)算，并依據(jù)空分增氮工藝流程圖在Aspen Plus 中構(gòu)建模擬流程。根據(jù)表1 所列，該流程模擬的低壓氮?dú)庖?0 000 m3/h作為計(jì)算產(chǎn)量。

3 流程模擬計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 流程模擬的理論基礎(chǔ)

對(duì)空分增氮流程進(jìn)行化工過程模擬，是實(shí)現(xiàn)工藝系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提與基礎(chǔ)。流程模擬按對(duì)象的時(shí)態(tài)劃分，可分為穩(wěn)態(tài)模擬和動(dòng)態(tài)模擬兩類；穩(wěn)態(tài)模擬描述已知工況條件下的變量關(guān)系，與時(shí)間無關(guān)；而動(dòng)態(tài)模擬描述過程為時(shí)間的函數(shù)，主要反映實(shí)際操作過程的變化規(guī)律[8]。在空分技術(shù)領(lǐng)域，常用穩(wěn)態(tài)流程模擬進(jìn)行新工藝設(shè)計(jì)、舊設(shè)備改造的優(yōu)化。現(xiàn)階段，主流的靜態(tài)模擬系統(tǒng)包括艾斯本的Aspen Plus、劍維的PRO/Ⅱ、VMG 的VMGSim以及Chemstations的ChemCAD等。

以Aspen Plus 為基礎(chǔ)進(jìn)行流程模擬，在配置過程中，換熱器E01、過冷器E03 選用多股流MHEATX模塊，純氮塔K03、低壓塔K02、中壓塔K01 等精餾裝置選用RADFRAC 計(jì)算模塊。由全塔物料衡算、能量衡算及Underwood 公式[9]計(jì)算純氮塔K03 的最小回流比Rmin為1.55。按工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，全塔最優(yōu)回流比Ropt為Rmin的1.1～1.5倍，設(shè)計(jì)選定Ropt為2.17。此時(shí)，根據(jù)增氮項(xiàng)目的設(shè)計(jì)參數(shù)及運(yùn)行模擬流程，進(jìn)行模擬計(jì)算。

3.2 模擬結(jié)果與分析

對(duì)于氧-氮-氬三元物系，全塔效率一般在50%～70%，本設(shè)計(jì)取全塔效率ET為60%。根據(jù)As?pen 嚴(yán)格流程模擬計(jì)算，純氮塔K03 的理論塔板數(shù)為14，包括冷凝器與再沸器。因此，純氮塔K03 的實(shí)際塔板數(shù)為22，塔頂采出產(chǎn)品參數(shù)如表2 所列。從表中可以看出，低壓氮?dú)鈴募兊﨣03塔頂采出，流量為71 200 m3/h，含O2量為1.85×10-6，滿足氮?dú)庠霎a(chǎn)規(guī)模與純度要求。

表2 純氮塔K03模擬數(shù)據(jù)表

3.2.1 精餾塔內(nèi)溫度與壓力分布

穩(wěn)態(tài)下純氮塔K03內(nèi)部各塔板的溫度及壓力分布，如圖2、圖3 所示。從圖2 中可以看出，精餾塔內(nèi)部溫度隨著塔板數(shù)的增加而升高，塔釜溫度最高，約168.65 ℃，塔頂溫度最低，約173.45 ℃。這是由于隨著塔板數(shù)的增加，液相中高沸點(diǎn)組分摩爾分?jǐn)?shù)逐漸增大，溫度也隨之升高。同時(shí)，在精餾塔塔釜設(shè)置再沸器，溫度相對(duì)較高；而在塔頂處設(shè)置冷凝器，氣相冷凝回流至精餾塔進(jìn)行兩相接觸后分離，使得塔頂溫度最低。

圖2 純氮塔K03的溫度分布圖

圖3 純氮塔K03的壓力分布圖

從圖3 可知，精餾塔內(nèi)部壓力隨著塔板數(shù)的增加而上升，低壓氮?dú)鈴乃敳沙?，氮?dú)鈮毫s35 kPa。由于氮?dú)鉃榈头悬c(diǎn)的輕組分，其在穿過塔板上升的過程中，存在塔板阻力損失，即塔板壓降；而在氣液兩相接觸過程中，輕組分要克服液體內(nèi)層壓力以及表面張力，這同樣會(huì)造成壓力損失。因此，精餾塔的塔頂?shù)膲毫榧兊﨣03壓力最低點(diǎn)。

3.2.2 精餾塔內(nèi)氮?dú)饨M分分布

在氧-氮-氬三元物系中，氮?dú)鈱儆诘头悬c(diǎn)輕組分，在逐層穿越塔板的過程中濃度不斷富集，在塔頂時(shí)純度達(dá)到最高。純氮塔K03內(nèi)部各塔板的純度分布如圖4 所示。從圖4 中可以看出，精餾塔內(nèi)部的氮?dú)饧兌入S著塔板數(shù)的降低而升高，越靠近塔頂?shù)獨(dú)饧兌仍礁?，塔頂采出的氮?dú)饧兌却笥?9.999%，含O2量小于2×10-6，符合增氮項(xiàng)目對(duì)純度的要求。

圖4 純氮塔K03的氮?dú)饧兌确植紙D

3.2.3 靈敏板位置確定

通常，在物系接觸分離的過程中，精餾塔內(nèi)的某些塔板具有靈敏板特性，其對(duì)溫度非常敏感，能夠在靈敏板位置設(shè)感溫元件，從而準(zhǔn)確監(jiān)測進(jìn)料狀態(tài)參數(shù)變動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。不同分離物料氣液平衡性質(zhì)具有較大差異，靈敏板在精餾塔中的位置也會(huì)有所不同。在保持純氮塔K03其它狀態(tài)參數(shù)不變的條件下，通過改變系統(tǒng)回流比考察純氮塔K03 靈敏板的位置及分布?；亓鞅仍黾?0%與減少10%工況下，精餾塔內(nèi)理論塔板的溫差分布見表3 及圖5。從表3 及圖5 中可以看出，當(dāng)回流比增加時(shí)，精餾塔內(nèi)塔板的溫差呈正偏差，第10-12 塊塔板可作為純氮塔K03 的靈敏板，其中第11 塊塔板為最適宜的靈敏板。當(dāng)回流比降低時(shí)，精餾塔內(nèi)塔板的溫差呈負(fù)偏差，第10-12塊塔板的溫差變化更加明顯，第11 塊塔板變化最明顯，最適宜作靈敏板。因此，可在第11塊理論塔板處設(shè)置控制系統(tǒng)，從而達(dá)到優(yōu)化精餾塔分離效果的目的。

圖5 不同回流比理論塔板的溫差分布圖

表3 回流比與塔板溫差數(shù)據(jù)表

4 項(xiàng)目實(shí)施

通過構(gòu)建氧-氮-氬三元物系模型，經(jīng)嚴(yán)格穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算，重新設(shè)計(jì)的純氮塔K03 總塔板數(shù)為24塊，包括塔頂冷凝器與塔釜再沸器。設(shè)備供應(yīng)商核算后，純氮塔K03塔高增至5.11 m（含封頭氮?dú)夤艿莱隹冢?，塔徑保持不變，同時(shí)優(yōu)化了液氮分配器等附件。精餾塔的感溫控制系統(tǒng)設(shè)置在第11 塊理論塔板處，即第18 或第19 塊實(shí)際塔板處，利于精餾塔的監(jiān)測與智能控制。在實(shí)施過程中，純氮塔K03 的支撐鋼結(jié)構(gòu)做加固處理。為節(jié)約投資成本，創(chuàng)新采用管道交叉使用方法，將純液氮管道與污液氮管道進(jìn)行交叉互換，經(jīng)過過冷器E03，在各自節(jié)流閥后進(jìn)行二次交叉互換，送至各自精餾塔接口處參與精餾。低壓氮?dú)夤艿琅c污氮管道交叉互換，經(jīng)過冷器E03、主換熱器E01復(fù)熱，出冷箱后進(jìn)行二次交叉互換，送至各自既有管網(wǎng)。需要注意的是，在管線交叉互換的實(shí)施過程中，與管道連通的附屬管線、檢測儀表等，需一并引至對(duì)方管道上。同時(shí)，在冷凍機(jī)廠房內(nèi)，增設(shè)1 套與既有冷凍機(jī)同規(guī)格、型號(hào)設(shè)備，彌補(bǔ)污氮減少的冷量損失，維持壓縮空氣進(jìn)入純化系統(tǒng)的進(jìn)口溫度。為保證純氮塔K03塔頂?shù)蛪旱獨(dú)忭樌统?，在壓縮機(jī)廠房內(nèi)新增設(shè)1 臺(tái)45 000 m3/h 的低壓氮壓機(jī)。在項(xiàng)目投產(chǎn)滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，低壓氮?dú)庠霎a(chǎn)至80 000 m3/h，純度合格，且超出了模擬預(yù)期值。

5 結(jié)論

對(duì)工業(yè)企業(yè)既有空分機(jī)組進(jìn)行氮?dú)庠霎a(chǎn)改造，經(jīng)化工過程模擬進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算與仿真，能夠輔助設(shè)備挖潛設(shè)計(jì)與優(yōu)化，對(duì)項(xiàng)目實(shí)施提供理論支撐。通過構(gòu)建氧-氮-氬三元物系數(shù)學(xué)模型，采用PR 立方形方程，對(duì)空分增氮工藝進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬。經(jīng)研究，新純氮塔K03 塔板數(shù)增加至24 塊，塔高約5.11 m，第18 與第19 塊塔板間設(shè)置感溫智能控制設(shè)施。項(xiàng)目實(shí)施后，低壓氮?dú)鈴乃敳沙觯a(chǎn)量增加至80 000 m3/h，純度合格，超出了模擬預(yù)期。