空气分离装置工况模拟与操作调优_于成烈

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1、第2期燕山油化空气分离装置工况模拟与操作调优燕化公 司化工一厂于成烈徐一来北京化工研究院王艳积麻德贤1前言利用 空气深冷精馏制造工业 用氮、氧、氢及其它稀有气体,是目前工 业中广泛 采用的方法,燕化公司化工 一厂 生产环氧乙烷乙二醇时所需的氧气,就是 采用该法 生产 的。长期以来,氧产量不足以满足环氧乙烷/乙二醇生 产的需要。本文 旨在不改动 生产 设备的前提下,寻求提高氧产量的措施。2流程简 述及特点调 优的技 术路线确定2.1流程 简述(流程简图见图1 )收表风载气污氮去水冷却塔污氮去 消音器!一气丫尸尸. . . .目. . . . . . . . . . . . . . . . . .

2、l l l l l l lJ J J一一一一一一 门门门一右.11 1 1l二1.一, , 川川川川 ! 川川川川川川川川2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 2 2 2 2、 】 反毛二二! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !10 0 0 l l l l l l l1

3、1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 _l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一! ! ! ! ! ! ! ! !7 7 7 7 7 7 7 7 71.切换换 热器2.切换换热器6.氧过冷液 化器7.液化器3.自动阀箱4.下塔5.过冷液化器8.膨胀机9.上塔1 0.过冷液化器图1空气分离装t简单流程原料空气除 尘 后,进入切换换热器,被返流气体冷却至10 2K。除去水分和二氧化碳的净化低 温空气进入精馏塔,大部分空气经过初

4、步分离。在塔顶获得含氧约6 Ppm的气氮,进燕山油化199 3年入冷凝蒸发器,被液氧冷凝成液氮。部分液氮作下塔回流 液;另 一部分经 过冷节流,进入 上塔顶部回流。在塔釜获 得含氧 约 3 7 %的液空经吸附、过冷、节流,进入上塔中部。在下塔抽出部分污液氮(含氮约 9 5 %),经过冷、节流进入上塔中部喷淋。进入下精馏塔小部分空气,被抽出分成五路,其中三路被返流气体液化,再回流 至下塔塔釜;另两路 中的一股作为环流 空气,调整切换换热器冷端温差,它再与另一股混合,进入透平膨胀机。经绝 热膨胀的空气进入上塔 中部精馏。不 同状态的四股流体在上塔被分离,在顶部得到产品氮,底部的液氧经气氮加热,再复

5、热得产品氧气。在上塔上部还有含氧约5.2%的废气(污氮)抽出,复热,并 把固化的水分和二氧化碳升华带出分馏塔。2.2流程特点从上述流 程中可以看出,空分精馏系统有以下特点:(1 )流程复杂,整个系统 由两个相互联系的复杂塔、若干台换热器以及节流、膨胀设备等组成。整个系统构成了完整的热力学循环,物料 流 和能量相互 影 响,牵 一 动众;( 2)公用的冷凝再沸器联结着上、下塔,物流、能流联为一体,相互制约不能单独调节;(3 )对轻、重组分的产量和纯度要求都很高。2.3操作调优技术路线的确定由于 空气可看作NZ一Ar一O:三元混合物,对此三元混合物物性的研究相 对比较成熟;空分装置的主要单元操 作

6、精馏、闪蒸、换热、膨胀、节流等的理论也较成熟。这就 为建立机理模型提供 了可能性。因此,本文采用机理模型,用模拟调优方法解决提高氧气产量 的问题。3空分 系统的数学模型3.1物性模型空分系统一般 可作为N:一02一Ar系统处理,Harme n提出 的 专 用于NZ一0:一Ar系统 的立方型状 态 方程,其形式为:RTaV一bV:+3Vb一Zb:(l)用此方程可以把系统的烙、嫡等热力学性质与汽一液平衡性质的计算统一在一 个模型上。应用范围小于14 0K。张占柱改变Harme n方程中函数的系数,使适 用范围扩大到T 3060 3 60 0 20 00 2 6 00 5000 096 7 7 70

7、.9 99 6 3 3 30.9 9 7 7 70.9 9 9 9 9 9 90.343 3 33 3 3 3 3103 460 0 300 0 0.9 98 8 80。9 9 9 7 2 2 20。886 6 60.9 9 9 18 8 80.412 2 24 4 4 4 492(I 3060 30 0 0 0.9 9 3 3 30.9 9 9 9 7 7 70.9 94 4 40.9 9 9 9 6 6 60.345 5 55 5 5 5 592(I 20 0 0 460 0(I 39 60(I 0.9 97 7 70.9 9 949 9 90。983 3 30.9 9 9 9 3 3 3

8、0.389 9 96 6 6 6 692(l) ) )40 0 0 3 60 0 50 0 0 0.997 7 70.9 9 9 7 2 2 20.901 1 10.9 9 9 20 0 00。425 5 57 7 7 7 71 08 3060 4600 500 0 0。99 6 6 60。9998 2 2 20。9 1 4 4 40.9 9 954 4 40。42 5 5 58 8 8 8 8108 20 00(I 3600 30 00 0.9 90 0 00.9 9954 4 40。9 9 5 5 50。9 9 9 98 8 80.3 4 3 3 39 9 9 9 9108 40 0 0

9、2 600 3 960(I 0.996 6 60.999 9 3 3 30。97 8 8 80.9 9 9 80 0 00.390 0 06调优方案的实施根据上述的数学模型,优化计算及正交设计试验而得出的调优方案,实施操作调优。调优前后同期生产工况对比见表7。可见,按工况模拟计算确定的调优操作的具体措施为:污液氮 阀门JL一1 02开 度 由80%开大至8 7%;进上塔回流液氮阀门JL一1 0 3由户5%开大至7 8%;下塔回流液氮 阀门D X一1 10由3 5%关小至2 2%。经这 样 调整操作后,在 加工 空气量 为220 0 0N m,/ h的前提下,仍能保证产品氮纯度(含 氮9 9.9

10、9 9 %)和产品氧纯度(含氧 9 9.6%),氮 产量 达到3 30 3Nm3/h,氧 产量 达到330 9Nm3/h。该软件经 1 4个月实施考核,增产氧 气1 7.8 6% 一2 1.4 3%,年经济效益可达二百多万元。本软件技术处于 国内领先水平。可以推广第2期燕山油化97到石化、化工、冶 金、机械、制氧等部 门中的类似的空分装 置。表6处理结果T T T T T T TBI I ID D DD1 1 1Bz z z备注注Y Y Y。: : :I/3 3 30.9 8 70 0 00.9 950 0 00.9 9 4 4 4 40.9 9 6 3 3 3各因素对对砚砚砚/3 3 30.

11、9 95 7 7 70.9847 7 70.985 3 3 30.9 8 6 7 7 7产 品氧 纯纯I I I I I/3 3 30.9940 0 00。9 9 70 0 00.99 70 0 00.9 9 3 7 7 7度的影响响极极极差R R R0.0 08 7 7 70.0123 3 30.0117 7 700 096 6 6 6 6Y Y YN Z Z ZI/3 3 30.999 7 6 6 609 99907 7 70.9 9973C C C09 9 97 83 3 3各因素对对I I I I I/3 3 30.99 97 27 7 70.999 5 53 3 30.9 9984

12、3 3 30.9 9 9 723 3 3产品氮纯纯I I I I I/3 3 3J.99 9763 3 3 0.99979 9 90.9 99677 7 70.9 9 9 743 3 3度的影响响极极极差R R R3。00003 0.0 0 03 54 4 4 000 016 e e e二0,0 0 0 06 6 6 6 6X X Xol l lI/3 3 30.954 4 40.962 2 20。95 8 8 80.980 0 0各因素 对对I I I I I/3 3 30.9 5 9 9 90。9 9 2 2 20。9 9 0 0 00.937 7 7污液 氮 纯纯I I I I I/3

13、3 30.96 2 2 20.9 21 1 10.928 8 80.95 8 8 8度的影响响极极极 差R R R0,0 08 8 80.07 1 1 10.06 2 2 20.0 43 3 3 3 3X X XD D DI/3 3 30.9 9 9 6 8 8 80.9 9 9 79 9 90.9 9 969 9 90_q q q R 7 7 7各因素对对I I I I I/3 3 30。9 9 9 70 0 00.9 9 997 7 70.999 9 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2纯 度液氮氮. . . . ./3 3 309 9 9 7 7 7 70.9 9

14、9 3 9 9 90.9 9 95 5 5 50。9 9 95 8 8 8纯 度 的影影极极极差R R R0.0 00 09 9 9n_O nn只只只0.00037 7 70。9 9 9 7 1 1 1响响0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0 0 02 9 9 9 9 9X X XR(a a aI/3 3 30.382 2 20.38 7 7 70.3 86 6 60.3 90 0 0各因索对对I I I I I/3 3 30.38 6 6 60。35 8 8 80.3 5 9 9 90.3 98 8 8液 空 纯度度互互互/3 3 3

15、0。386 6 60.4 09 9 90.409 9 90。3 6 7 7 7的影响响极极极差R R R0.004 4 40.05 1 1 10.05 1 1 10.03 1 1 1 1 1表7空分系统调优前后工况对比、认卜理犯犯调节前前调节后后污污液氮 阀门开度,%80 0 08 7 7 7打打入上塔纯液氮阀门开度,%6 5 5 578 8 8回回流下塔纯液氮阀门开度,%35 5 52 2 2 2下下塔纯液氮纯度(含氮),%9 9。999 9 999.9 9 9 9 9氧氧产品纯度(含氧),写写9 9.6 6 69 9.6 6 6下下塔液空纯度(含氧),%3 5 5 53 9 9 9上上塔氮产品纯度(含氮),%99。999 9 99 9.9 9 9 9 9( ( (V上塔污气氮纯度(含氮),%90 0 09 3。5 5 5产产品氧产量,Nm3/卜卜2 787 7 73 309 9 9产产品氮产量,N m3/卜卜400 0 0 03 303 3 3加加工空气量,Nm3/h h h2 20 0 0 0 0220 0 0 0 0符号说明P一系统的压力T一系统的温度V一体积Z一压 缩因子a一状 态方程中的系数b一状态 方程中的系数R一普通气体