（化学工程专业论文）空分设备性能研究及问题分析.pdf

中文摘要 本文以h y s y s 过程模拟软件作为计算工具，同时借助化工原理、化工热力 学等相关理论知识，对本厂两套空分设备建模，从与设备运行性能关联密切的 特性入手，模拟分析了特性问的影响关系、特性变化对组分分布状态的影响及 设备泄漏问题，从而强化对特馏机理的理解和认识，掌握设备运行和调整规律， 便于日常运行指导、调整、优化及问题分析。 归纳起来，本文主要就空分设备几个基本问题进行了探讨：首先从产品产 量入手，分析了氧产量与氧纯度、平均氮纯度及分离空气量之间的关系：然后 通过模拟，分析氧纯度与平均氮纯度对氧产量及氧提取率影响的敏感性问题： 接下来从进上塔膨胀空气的量和进料的热状态对上塔精馏的影响入手，通过模 拟，量化上述参数对氧提取率和氧产品纯度的影响程度并通过模拟确定氧的最 大提取率：然后针对氩组分在主塔中的分布情况进行研究，并就氧、氮产品产 量和纯度变化对氩组分分布的影响进行分析，包括分布情况的变化及量的影响： 最后针对k d o n a r - 7 3 0 0 1 5 0 0 0 1 2 0 型空分设备的泄漏问题应用h y s y s 软件进行 模拟分析。 通过模拟分析得出，氧产量与氮平均纯度呈同向变化趋势，与氧纯度呈逆 向变化趋势；氮平均纯度与氧纯度比较，氮平均纯度的变化对氧产量和氧的名 义提取率影响更敏感；随着吹入上塔膨胀空气过热度降低。氧中氧组分体积含 量下降，氮中氮组分体积含量上升，液氧产量增加，氧的提取率提升；吹入上 塔膨胀空气量变化，对应特性呈相应变化趋势，并通过相关条件的限定确定氧 的最大提取率；氩组分对下塔精馏影响较小，对上塔精馏影响较大：氧气产量 增加或纯度降低，上塔富氩区下移，氮气产量增加或纯度降低，上塔富氩区上 移；使用h y s y s 软件对k d o n a r 一7 3 0 0 1 5 0 0 0 1 2 0 型空分设备泄漏问题进行模拟 分析，确定泄漏的主因、位置及泄漏量的大小。 关键词：空分设备；精馏塔；分子筛吸附器；物料平衡；回流比：全低压流程； 氩馏分 a b s t i 认c t d e p e n d i n g o nt h es i m u l a t i o ns o f t w a r eh y s y sa st h ec a l c u l a t i n gt o o la sw e l l 髂 t h ek n o w l e d g eo fp r i n c i p l e so fc h e m i c a le n g i n e e r i n ga n dt h e r m o d y n a m i c s ，t w oa i r s e p a r a t i o nu n i t s ( a s t oi n0 1 1 1 c o m p a n yh a v eb e e nm o d e l e d t h r o u g ht h er e s e a r c ho n t h ek e yf a c t o r sr e l a t e dt or u n n i n gc a p a b i l i t i e so ft h ee q u i p m e n t , t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e s ef a c t o r sh a sb e e na n a l y z e d t h ei n f l u e n c e so fs p e c i e sd i s t r i b u t i o n c a u s e db yt h ec h a n g i n go ft h o s ek e yf a c t o r sa n dt h el e a k a g ep r o b l e m so fe q u i p m e n t s h a v eb e e nd i s c u s s e dt o o t os u mu p ，s e v e m lb a s i cp r o b l e m so nt h ea i rs e p a r a t i o nu n i th a v eb e e nd i s c u s s e d i nt h ep a p e r ：f i r s t ，t h ec o r r e l a t i o n so f o 碍g o u t p u ta n d 呼g p u r i t y , a v e r a g en i t r o g e np u r i t y , a n da i ri l 唧j tma n a l y z e d s e c o n d , l ：r o u g hs i m u l a t i o nt h ep r o b l e m o fs e n s i t i v i t ya b o u tt h e o x y g e np u t t ya n da v e r a g en i t r o g e np u r i t y t ot h eo 珂g e no u t p u ta n do x y g e nr e c o v e r yr a t i oi s p r e s e n t e d t h e n ，t h ei n f l u e n c ec a u s e db yt h ei n p u ta n do v e r h e a t i n gs l a t eo f e x p a n d i n g a i ri n t ot h e u p p e rc o l u m ni sd i s c u s s e d t h ee f f e c to fo x y g e nr e c o v e r yr a t i oa n do x y g e np u r i t yi sq u a n t i f i e d a n dt h em a xo w g e nr e c o v e r yr a t i oi sd e t e r m i n e d t h ed i s t r i b u t i o no fa r g o nc o m p o n e n ti nt h e m a i nc o l u m ns y s t e ma n dt h ei n f l u e n c eo f t h ed i s t r i b u t i o nc a u s e db yo x y g o na n dn i t r o g e no u t p u t a n dp u r i t yh a v eb e e na l s od i s c u s s e d f i n a l l y ，t h el e a k a g ep r o b l e mo nt h ee q u i p m e n to f k d o n a r - 7 3 0 0 1 5 0 0 1 2 0h a sb e e na n a l y z e dw i t ht h eh e l po f s o f t w a r eh y s y s c o n c l u s i o n sa 肥a sf o l l o w s ：t h et r e n do f t h ec h a n g eo f t h eo x y g e no u t p u tw h i c h i ss a m ea st h a to fa v e r a g en i t r o g e np u r i t yi so p p o s i t et ot h a to fo x y g e np u r i t y c o m p a r e dw i t ht h ea v e r a g en i t r o g e np u r i t ya n do x y g e np u r i t y , t h ec h a n g eo ft h e f o r m e rh a sm o r es e n s i t i v ei n f l u e n c eo nt h eo x y g e no u t p u ta n dt h en o m i n a lo x y g e n r e c o v e rr a t i o w i t ht h ed e c r e a s eo fo v e r h e a t i n gs t a t eo f e x p a n d i n ga i ri n t ot h eu p p e r c o h m m ，t h ev o l u m ef r a c t i o no fo x y g e nc o m p o n e n ti nt h eo x y g e np r o d u c t i o n d e c r e a s e s ，b u tt h ev o l u m ef r a c t i o no fn i t r o g e nc o m p o n e n ti nn i t r o g e np r o d u c t i o n i n c r e a s e s m e a n w h i l et h eo u t p u to ft h el i q u i do x y g e ni n c r e a s e sa sw e l la st h eo x y g e n r e c o v e rr a t i o w h e nt h ei n p u to fe x p a n d i n ga i ri n t ot h eu p p e rc o l u m nc h a n g e d ， r e l a t i v ep r o p e r t i e sc h a n g e dc o r r e s p o n d i n g l y t h em a x i m u m o x y g e nr e c o v e r yr a t i oi s d e t e r m i n e dt h r o u g ht h er e s t r i c t i o no fr e l a t i v ec o n d i t i o n s a r g o nc o m p o n e n th a sl e s s e f f e c to nt h ed i s t i l l a t i o ns t a t eo ft h el o w e rc o l u m nt h a nt h eu p p e ro n e w h e nt h e o u t p u to ft h eo x y g e ni n c r e a s e so ri t sp u r i t yd e c r e a s e s ，t h ea r g o n r i c hr e g i o ns h i f t s d o w n w a r da n dv i s ev e r s a t h r o u g ht h e a n a l y s i s o nt h el e a k a g ep r o b l e mo f k d o n a r - 7 3 0 0 1 5 0 0 1 2 0u n i tb yu s eo ft h es i m u l a t i o nw i t hh y s y s 。t h em a i n i 傩o n s ，p o s i t i o n sa n dq u a n t i t yo f t h el e a k a g ea r ed e w m i n e d k 叮w o r d s a i rs e p a r a t i o nu n i t ( a s t 0 ；d i s t i l l a t i o nc o l u m n ；m o l e c u l a rs i n c e a b s o r b e r ：m a t e r i a lb a l a n c e ；r e f l u xr a t i o ；f u l ll o wp r e s s u r ep r o c e s s ；a r g o nf r a c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得丞翌互螳或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文储龉啊、毒签字魄肿胁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授 权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 靴做储獭：锨、彦 签字日期： 年岁月妒 新躲描够 签字日期：衫事孑月多日 第一章前言 第一章前言 随着科学技术与生产的发展，设备朝着大型化、复杂化、高速化、重载化、 高度自动化方向发展，由此对设备运行的可靠性提出了越来越高的要求。尤其 是大型石油化工企业，一旦设备发生故障，不仅会直接或间接的造成巨大的经 济损失，而且会危及人身安全，造成极为严重的后果，因此，怎样在设备运行 中采用现代化的分析手段，掌握设备运行状态，分析设备中异常的部位和原因， 并尽可能优化运行、节能降耗，是现代化工业生产中亟待解决的问题。 设备问题分析的平台很多，其中过程信息技术已经、正在极大地促进过程 工业的发展，是企业实现卓越经营的最佳手段。过程信息技术带来的经济效益 非常可观，据估计，全世界过程工业的年产值为6 万亿美元，存在3 0 0 0 5 0 0 0 亿美金的潜在年效益，对现有装置而言占5 8 。仅就过程信息技术在中石化 应用为例，中石化已经大大加速了信息化建设的速度： ( 1 ) 购买a s p e n 公司软件产品情况： 实时数据库i n f o p l u s 2 12 6 6 5 0 0 点；计划优化软件p i m s3 3 套( 买断) ； 生产调度优化软件4 套；先进控制系统4 3 套；a e s 工程套件6 1 4 套( 租用) ；数 据整合软件2 套。 ( 2 ) 采用a s p e np i m s 软件进行原油选择、分配和运输进行优化 完成2 5 个炼油企业单厂单周期p i m s 模型开发，集成2 6 种国产原油、6 6 种进口原油、5 6 种代表性炼油产品、4 6 个市场区域的总部m p i m s 模型。可以优 化总加工量，确定需要采购的原油品种、数量；优化原油流向，确定各厂加工 的原油品种、数量；优化单厂加工量，测算产品产率、产品结构；利用影子价 格分析原油加工的机会效益及不同油种的合理差价。 ( 3 ) 采用s d - p i m s 软件对成品油的流向进行优化 2 0 0 2 年按照6 7 6 个中心油库、3 3 个炼厂供应点、对应8 3 0 0 个运输管道建 成一次物流优化模型，用于季度优化排产，效果令人满意。 ( 4 ) 建设甬沪宁原油输送调度优化系统 建设联接宁波地区的大型原油码头和浙江、江苏、上海等地炼厂的甬沪宁 原油输送调度优化系统，降低运输成本。 ( 5 ) 优化炼厂装置运行方案，实现a p c 控制 各炼厂催化裂化分馏塔优化操作、增产柴油；扬子石化、燕山石化聚乙烯 装置优化：燕山石化聚丙烯装置，苯乙烯一丁二烯一苯乙烯热塑性弹性体装置 模拟等。 ( 6 ) 进行炼油化工工艺技术开发 第一章前言 3 5 万吨年m t b e 裂解制聚合级异丁烯的工艺流程开发，生产的异丁烯满 足丁基橡胶的要求( 燕化) ：脱醋酸乙酯、醋酸甲酯新分离工艺( 上海石化) ； 6 0 0 0 吨年过氧化氢二异丙苯( d c p ) 工艺包( 高桥石化) ；8 0 万吨乙烯工艺包 ( 北京化工研究院) 。 ( 7 ) 进行炼厂化工装置改造技术方案研究 脱除瓶颈，扩大生产能力，提高经济效益，6 6 万吨乙烯变为7 1 万吨( 燕 化) ( 8 ) 工程设计单位采用a s p e nt e c h 软件提高设计水平 洛阳工程公司、宁波工程公司、上海工程公司等 同时由于信息化技术的引进与应用，也给中石化带来巨大的效益 ( 1 ) 培养了一批掌握先进技术的专业技术人才： ( 2 ) 促进了技术开发、工艺设计、生产控制、管理水平的提高； ( 3 ) 流程模拟工具提高了设计效率； “) 离线优化提高了装置的产率和质量； ( 5 ) 生产管理系统改善了物料平衡数据的准确性和生产管理的科学性； ( 6 ) 先进控制系统提高了生产装置的操作稳定性，提高了产量，降低了消耗； ( 7 ) 资源优化系统优化了原油配置、降低了成本，大幅度提高了排产效率。 鉴于信息技术在企业发展过程中的巨大作用，本文以h y s y s 过程模拟软件 作为计算工具，同时借助化工原理、化工热力学等相关理论知识，对本厂两套 空分设备建模，从与设备运行性能关联密切的特性入手，模拟分析了特性间的 影响关系、特性变化对组分分布状态的影响及设备泄漏问题，从而强化对精馏 机理的理解和认识，掌握设备运行和调整规律，便于日常运行指导、调整，优 化及问题分析。 第二章空气分离行业状况概述 第二章空气分离行业状况概述 2 1 空气分离流程 空气分离流程“主要由制冷系统和精馏系统组成，细分可分为十大系统， 即空气压缩系统、空气净化系统、换热系统、制冷系统、精馏系统、安全防爆 系统、氧气压缩输送系统、加温解冻系统、仪表自控系统以及电控系统。我厂 k d o n a r 一7 3 0 0 1 5 0 0 0 1 2 0 型空分设备基本框架流程如图2 - 1 示： 图2 - 1k d o n a r - 7 3 0 0 1 5 0 0 0 1 2 0 型空分设备流程框 2 1 1 空分设备分类 空气分离设备分类方法很多，根据产品状态划分，可分为生产气氧、生产液 氧、既生产气氧又生产液氧的空分设备；根据产品种类划分，可分为生产单高 产品、双高产品( 氧和氮) 、带氩”产品( 氧、氮、氩) 及全提取( 氧、氮、氩 及其它稀有气体) 空分设备。 根据产量划分，可分为小型空分设备，单位时间氧气产量小于1 0 0 0 m 3 h ； 中型空分设备，单位时间氧气产量介于1 0 0 0 1 0 0 0 0 m 3 h ，大型空分设备，单位 时间氧气产量大于1 0 0 0 0 m 3 h 。 第二章空气分离行业状况概述 根据操作压力划分，可分为高压流程空分设备，操作压力为2 0 m p a ；中压 流程空分设备，操作压力通常为l 5 肝a ；全低压流程空分设备，操作压力为 0 5 0 6 d p a 。 2 1 2 空分设备流程的普遍分类 2 1 2 1 国内空分设备流程的普遍分类 行业分法：偏重使用的参数 ( 1 ) 冶金型：出装置氧气压力0 0 3 m p a ，经氧气压缩机压缩至3 o o m p a 送出； ( 2 ) 化工型：液氧泵将液氧压缩至1 0 o m p a ，复热后送出； 代代分法：偏重流程中某个局部的改进，忽视流程整体的改进 ( 1 ) 第一代：铝带盘蓄冷器的高低压流程； ( 2 ) 第二代：铝带盘蓄冷器或石头蓄冷器的全低压流程： ( 3 ) 第三代：带产品气盘管的石头蓄冷器的全低压流程； “) 第四代：切换板式主换热器的全低压流程； ( 5 ) 第五代：分子筛吸附、增压透平膨胀机、i ) c s 控制的全低压流程； ( 6 ) 第六代：规整填料上塔、全精馏制氩的全低压流程： ( 7 ) 第七代：内压缩流程。 2 1 2 2 国外空分装置流程的普遍分类 ( 1 ) 膨胀空气进上塔的常规空分流程； ( 2 ) 带氧气增压器的空分流程； ( 3 ) 部分内压缩和氧气压缩机的空分流程； ( 4 ) 膨胀空气进下塔的氩提取率高、液体产品率高的空分流程； ( 5 ) 氩提取率高、液体产品率高带氧气增压器的空分流程； ( 6 ) 内压缩流程； ( 7 ) 氮循环制冷的内压缩空分流程。 世界科技与经济飞速发展，各行业对氧、氮、氩的需求急增，使空分设备 越造越大。现在国外空分设备特点是：巨型化、填料塔、无氢制氩、内压缩、 气液并产、高自动化、高可靠、低能耗、长周期等。 目前世界上投运的较大空分设备如下： ( 1 ) 法国液化空气公司：3 5 5 0 t d ( 也) ( 2 ) 美国空气制品与化学品公司： 3 1 0 0 t d ( 0 2 ) ( 3 ) 德国林德公司：3 3 5 0 0 0 r a 3 h ( n 2 ) ( 4 ) 美国普莱克斯实用气体有限公司：1 7 0 0 t d ( 鹏) ( 5 ) 英国氧气公司： 2 4 0 0 t d ( 0 2 ) 第二章空气分离行业状况概述 ( 6 ) 德国梅塞尔集团：1 7 0 0 t d ( 侥) ( 7 ) 俄罗斯深冷机械公司：7 0 0 0 0 m 3 h ( 0 2 ) ( 8 ) 投运最大制氧站南非煤油气公司：1 0 0 0 0 0 0 m 3 1 1 ( 0 2 ) ( 9 ) 最大制氮站是墨西哥坎塔雷尔：1 3 4 0 0 0 0 m 3 h ) 2 1 3 空气分离基本概念 ( 1 ) 氧的提取率：在采用空气分离法制取氧气时，总是希望加工空气中的氧 组分尽可能多的作为产品分离出来，为了评价空气分离的完善程度，引入氧提 取率概念。氧提取率是以产品氧中的总氧量与加工空气中的总氧量的比值来表 示，即： 炉铹 协， 炉7 2 1 ) 式中：y ：氧的提取率 匕，：加工空气体积流量和产品氧流量( 包括液氧产品) ，m v h ； y 。o ，圯o ：空气和产品氧中氧组分体积摩尔分率。 ( 2 ) 制氧单位电耗：即生产1m 3 氧气所消耗的电能，单位k w h 一。制氧单 位电耗是氧气生产的重要经济指标之一。在电耗中，空气压缩机的电耗占了最 主要的部分，因此制氧时消耗于压缩空气的单位电耗的计算公式为： p ：丘p r t i n ( p 2 只) ( 2 - 2 ) 、”吆3 6 0 0 刁r r 式中：p ：标准状况下空气密度，1 2 9 3l ( g 一； ：空气压缩机的排气量，m 3 h ： r 7 ：气体常数，0 2 7 8 k j ( 培k ) ： r ：环境温度，k ； 只，只：排气和进气压强，m p a ； 珊：空气压缩机的等温效率； ：空气压缩机的机械效率； 7 岛：氧气产量，m 3 h 。 ( s ) f l z 均氮纯度：在低压流程生产双高纯度产品的双级精馏塔中，从上塔引 出的氮气有两股：一股是氮组分体积摩尔分率为9 9 9 9 的接近于纯氮气的产品 气，一股是氮组分体积摩尔分率为9 4 左右的污氮气。所谓平均氮纯度就是纯氮 第二章空气分离行业状况概述 气与污氮气纯度的平均值。由于两股氮气的数量不一样，平均值还与它们的数 量有关。用公式表示为： ，。：垒：塾：鱼：堑： ( 2 3 ) 。 + 式中：y “：平均氮纯度3 y 。”：纯氮气氮组分体积摩尔分率； y 。“：污氮气氮组分体积摩尔分率； ，p 钰：纯氮气和污氮气体积流量，m t h 。 ( 4 ) 回流比( 液气比) ：在空气精馏中，回流比一般是指塔内下流液体与上升 蒸气量的比值，又称为液气比，与化工生产中的回流比有一定区别。 2 2 工业气体在国民经济中的应用 工业气体是指氧、氮、氩、氖、氦、氪、氙、氢、二氧化碳、乙炔、天然 气等。由于这些气体具有固有的物理和化学特性，因此在国民经济中占有举足 轻重的地位，推广应用速度非常快，几乎渗透到各行各业。 工业气体用量最多的传统产业有：炼钢、炼铁、有色金属冶炼、化肥生产、 乙烯、丙烯、聚氯乙烯、人造纤维、合成纤维、硅胶橡胶制品、电缆和合成革 等石油化学工业，机械工业中的焊接，金属热处理、浮法玻璃生产等。由于这 些传统产业在近几年发展迅速，工业气体的用量也达到高峰。 工业气体用量正在崛起的产业有：煤矿灭火、石油开采、煤气化和煤液化， 玻璃熔化炉、水泥生产窑、耐火材料生产窑，砖瓦窑等工业炉窑、食品速冻， 食品气调包装、啤酒保鲜、光学、国防工业中的燃料、超导材料生产，电子、 半导体、光纤生产、农业、畜牧业，鱼业、废水处理、漂白纸浆、垃圾焚烧、 粉碎废旧轮胎等环保产业、建筑、气象、文化、文物保护、体育运动、公安破 案、医疗保健产业中的冷刀、重危病人吸氧、高压氧冶疗、人体器官低温冷藏、 麻醉技术及氧吧等。 工业气体应用正在试验中的产业有：固体氮生产，燃料电池生产，磁性材 料生产，超细加工，天然气发电，压缩天然气汽车，氢能汽车生产等。 第二章空气分离行业状况概述 2 3 空分设备的发展“ 自从1 9 0 2 年德国的林德教授发明了高压节流循环制冷，单级精馏塔分离空 气制氧至今已历经百年，在空分设备流程方面，从高压流程改进为中压流程进 而出现高、低压流程。现在大、中型空分设备几乎全部是全低压流程，小型空 分设备也向低压方向发展，而且对超低压流程正在进行研究探讨。 从空分设备能耗方面，单耗从2 k w h m 3 ( 0 2 ) 降低到0 3 8 k w h 一( 仉) ，单机 容量从2 0 m 3 h 发展到1 0 0 0 0 0 0 m h 以上，空分设备的产品也不再是单一的生产 气氧，而是既产氧又产氮以至提取全部的稀有气体。不但有气态产品，还有各 种液态产品，产品的种类趋向于多样化发展。从控制系统方面，由手动发展到 计算机数字集散系统控制，实现了机电一体化。 当今，世界经济随科技进步飞速发展，各行各业出现好多“大”：大钢铁、 大化肥、大石化、大化纤、大乙烯、大芳烃、大炼油、大发电( i g c c ) 、大电子、 大注氮采油、大煤气化、大煤化工等等，它们都需要超大型空分设备为之服务。 因此，空分设备依然具有较好的发展空间。当前世界著名的空分设备公司，如 法液空、a p c i 、林德“三足鼎立”，竞争发展；b o c 、普莱克斯、梅塞尔也在努 力拼上，可谓后“三足鼎立”。我国空分设备行业，近几年从低谷攀升，形势好 转，也形成了杭氧、开空、川空“三足鼎立”的局面。 2 4 杭氧特大型空分设备的技术现状及进展“ 我国空分行业经过“七五”、“八五”、“九五”这1 5 年的快速发展以及与国 外著名公司的技术交流与合作，为6 0 0 0 0 m 3 h 等级空分设备的国产化打下了良好 的基础。杭氧是国内空分行业的龙头企业，通过引进技术、消化吸收、自主创 新、国产化攻关，相继开发了2 0 0 0 0 m 3 h 、3 0 0 0 0m 3 h 、5 0 0 0 0m 3 h 等级的不同 流程形式的空分设备，并投入使用。2 0 0 3 年1 2 月与中石化签订两套4 8 0 0 0 m 3 h 内压缩流程空分设备供货合同，2 0 0 4 年8 月与中原大化签订了5 2 0 0 0 m 3 h 内压 缩流程空分设备供货合同，2 0 0 5 年签订了两套出口的6 0 0 0 0 m 3 h 内压缩流程空 分设备供货合同，成绩相当显著。 特大型空分设备的技术现状： ( 1 ) 流程的优化设计 重视流程计算软件的开发和流程优化设计。应用美国a s p e n 热力计算软件 对空分流程进行集成计算；采用林德精馏计算软件，同时结合目前采用规整填 料及全精馏制氩流程的特点，自行开发了适用于该流程的精馏计算模块，实现 主塔与氩塔的耦合精馏计算；采用专用的性能和结构计算软件，对空冷系统和 第二章空气分离行业状况概述 分子筛纯化系统进行计算，计算合理的分子筛再生污氮气量，在保证分子筛再 生气量的同时使空冷系统获得尽可能多的污氮气量；用美国s 1 公司板翅式换 熟器性能及结构计算程序，对换热器进行热力计算。这些设计计算软件广泛应 用于大型空分设备的开发设计、多套合作生产的空分设备及由杭氧设计制造的 3 0 0 0 0 m 3 h 和5 0 0 0 0 m 3 h 空分设备中。 针对产品的压力和纯度等不同的要求，空分设备流程可分为内压缩和外压 缩流程，杭氧对这两种流程都进行了深入的研究。 空分设备可应用于冶金和化工等行业。就冶金型的特大型空分设备，杭氧 已成功开发了宝钢3 0 0 0 0 m 3 h 常规外压缩流程、北台5 0 0 0 0 m s h 自增压外压缩流 程及马钢、天钢3 0 0 0 0 m 3 h 等级内压缩流程。至于化工型的特大型空分设备，由 于煤气化工艺的不同及汽化用的燃料不同，杭氧针对不同的氧产品压力等级和 不同氮产品及压力，共开发了五种不同流程：4 5 5 2 m p a 氧气压力的中压氧空 分设备，开发了两种空分流程：i 、中原大化5 2 0 0 0 m 3 h 空气循环、内压缩、膨 胀空气进下塔流程；、中石化4 8 0 0 0 m 3 h 氮气循环、内压缩流程；8 5 9 8 m p a 氧气压力的高压氧空分设备，开发了三种空分流程：、浩化1 8 0 0 0 m 3 h 内压缩、 膨胀空气进上塔流程；、陕西渭化集团公司2 8 0 0 0 m 3 h 空气循环、内压缩、膨 胀空气迸下塔流程；v 、乌石化2 0 0 0 0 m 3 h 氮气循环、内压缩流程。 ( 2 ) 关键静态核心设备的设计制造 通过对特大型空分设备研制和攻关，关键静态核心设备大型化已取得了突 破性进展，杭氧已制造出的最大单体设备有： i 、国内最大低温铝制精馏塔器( 直径4 8 0 0 m m 、壁厚3 5 r a m ) ： 、新型的双层主冷； 、主换热器最大钎接尺寸1 2 0 0 m m xi l o o m 7 5 0 0 m m ： 、能处理3 0 0 0 0 0 m 3 h 空气量的分子筛吸附器( m4 2 0 0 m m 2 2 0 0 0 m m ) ； v 、为法液空配套的6 0 0 0 0 m 3 h 空分设备节能型分子筛纯化系统用蒸气加 热器； 、能处理3 0 0 0 0 0 m 3 h 空气量的空冷塔( 由4 5 0 0 m m 2 6 0 0 0 t m ) 。 在中高压板式换热器设计制造方面，杭氧已取得了实质性进展，开发了适 合高压流体的新型翅片及相应的刀具，8 m p a 等级板式换热器试件准备工作已完 成，并做了爆破试验，已有大量中高压板式换热器被用于空分与石油化工领域。 ( 3 ) 计算机控制系统( d c s ) 杭氧已在2 0 0 多套大型空分设备中采用了d c s 控制系统，机型包括 h o n e y w e l l 、f o x b o r o 、f i s h e r - r o s e m o u t ，t o k o g a w a 等多家公司的产品，已在 1 1 种目前最先进的计算机上进行了o c s 组态。同时杭氧近年来在变负荷调节控 制技术上做了大量的开发研究，初步实现了对单元设备的优化控制，建立了关 8 第二章空气分离行业状况概述 键单元设备的动态数学模型，提出了优化控制的实施方案。国家发改委已立项 对杭氧申报的“大型空分装备自动化成套系统高技术产业化”的项目给予了一 定的资助，与浙江大学合作开发a l c 控制技术为实现3 0 0 0 0 6 0 0 0 0 m 3 h 等级空 分设备的自动控制、智能化调节打下了良好的技术基础。 “) 杭氧制造特大型空分设备的装备水平 拥有美国s 公司引进的大型真空钎接炉，可钎接尺寸为1 2 0 0 m m 1 2 0 0 m m 6 0 0 0 m m 的板翅式换燕器，叶轮真空钎接炉和多种大型自动焊机等。并于2 0 0 2 年新增了一台大型真空钎接炉，最大钎接尺寸可达1 3 0 0 m 1 5 0 0 m m 7 5 0 0 1 。 增添了自动焊接设备，调整工艺结构，杭氧在装备水平上完全达到正常生产 3 0 0 0 0 6 0 0 0 0 m 3 h 空分设备的要求。 拥有国家计量理化中心，具有完备的检测手段和仪器，包括从美国引进的 直读光谱仪，从德国引进的高精度动平衡机等，从英国引进的超声c 扫描仪。 杭氧具有国家、二、三类压力容器设计、制造许可证，并在国内空分行 业率先通过了a s m e 认证，取得了“u ”、“u 2 ”钢印。 ( 5 ) 丰硕的大型空分设备业绩 到目前为止杭氧已生产了4 0 0 0 多套空分设备，其中1 0 0 0 m 3 h 以上空分设 备3 0 0 余套，1 0 0 0 0 m 3 h 等级6 0 多套，1 5 0 0 0 2 0 0 0 0 m 3 h 等级5 0 多套，3 0 0 0 0 l n 3 h 等级以上的空分设备8 套，5 0 0 0 0 m 3 h 等级以上的空分设备6 套。 近年来杭氧开发的采用规整填料塔及全精馏无氢制氩技术的新代大中型 空分设备均一次性投入正常运行，并通过考核。 ( 6 ) 配套的关键运转机械的解决方案 特大型空分设备配套的运转机械主要有原料空气压缩机、增压空气( 氮气) 循环压缩机、透平膨胀机组、低温液体泵，这些关键运转机械性能好坏直接影 响成套空分设备的能耗和运行的可靠性。 原料空气压缩机的作用是为装置提供带压气源，增压循环压缩机的作用是 为装置提供膨胀及高压氧( 氮) 汽化气源。目前有三种解决方案：进口，性能 得到保证，效率高，技术成熟，但投资高；国产，在保证性能的同时，可以大 大降低投资成本：合作生产，即由国外供货商进行性能计算和性能保证，并提 供转子等关键零部件，其它由国内制造，在保证性能的同时，降低了投资成本， 但合作方式比较困难。 中压透平膨胀机的解决方案一般采用三种模式：进口一台主机，离线备用 机芯总成，辆机如冷却器、过滤器由杭氧配套；一台主机进口，一台杭氧制造； 全部采用杭氧制造的中压透平膨胀机。 低温液体泵，般采用进口产品，性能先进可靠，且增加成本比例很小。 9 第三章模型构成 第三章模型构成 3 1h y s y s 过程模拟软件介绍 h y s y s 软件是大型通用过程模拟软件，加拿大h y p r o t e c h 公司研发，广泛 应用于石油化工、化学制品、电解质、制药、气体处理等领域。全世界各大化 工、石化生产厂家。著名的工程公司以及一些高等院校都是h y s y s 的忠实用户， 他们除了使用h y s y s 软件进行常规设计、优化和动态仿真以外，还研究一些诸 如过程合成优化及设备操作弹性评估等问题“1 ，并取得了显著的成果。 h y s y s 过程模拟分稳态模拟与动态模拟两类。其中稳态过程模拟主要用于 过程分析、过程设计、过程优化等，以实现工艺最优、设备选择最优、操作方 式最优的目标。 动态模拟过程的研究与时间有关，如开停车过程、有扰动后过程的变化趋 势、先进控制系统设计、动态仿真培训等。 模拟技术自9 0 年代后得到了长足的进展和广泛的应用，如加拿大 h y p r o t e c h 公司h y s y s ，美国a s p e nt e c h 公司d y n a m i c s ，均综合了稳态模拟和 动态模拟的优点，采用机理模型，解决和处理许多实际问题。 3 2 基础环境建立 h y s y s 软件以基础模拟管理器作为重要组成部分。在基础模拟管理器中可 以输入和获取信息，同时通过排除一些不必要的流程计算达到很高的效率。模 拟方案建立之前，要求在基础模拟环境中准确输入相关参数，包括物系构成组 分、流体状态方程、用户自定义特性等，如果存在化学反应或油处理系统还应 考虑相关参数信息的输入。 3 2 1 组分构成 组分是构成模拟环境的基础。空分设备以空气作为分离原料，空气由多组 分气体混合而成，主要组分为氧、氮、氩，干燥空气组成列于表3 - 1 中。 表3 - 1 干燥空气组成 组分 分子式 体积( ) 质量( )组分分子式体积( ”质量( ) 氮 n 27 8 0 8 47 5 5 2氨i t e5 2 4 1 旷07 2 1 0 1 氧 2 0 9 52 3 1 5 氪 k ri 1 4 x 1 旷3 3 x 1 0 1 氩 a r 0 9 3 2 1 2 8 2 氙 x e0 0 8 x 1 0 40 3 6 1 0 1 0 第三章模型构成 组分分子式体积( 吣质量( )组分分子式体积( )质量( ) 二氧化碳 c 仉o 0 30 0 4 6 氢地 o 5 1 旷o 0 3 5 x l o - 4 甲烷、乙炔等碳 氖 l i e1 8 1 0 11 2 5 1 0 。3 5 3 x 1 2 0 8 x 1 矿 氢化合物 为了简化模型，只考虑空气中氧、氮、氩三元组分在空气分离过程中的热 力学性质，以氧、氮、氩组分构建三元物系，设定氧，氮、氩三元组分体积摩 尔分率分别为2 0 9 5 、7 8 1 1 8 、0 9 3 2 。 3 2 2 状态方程选择“ 在化工过程的分析、研究和设计工作中，经常用到流体的许多热力学性质， 诸如焓( 肋、熵( d 、内能( 、压力( p ) 、摩尔体积( k ) 、温度( d 等。根 据相律得知，规定了系统一定数目的强度性质以后，其它的强度性质随之确定。 在以上热力学性质中，p ，kt 性质是可以直接测量的，而其它不能直接测量的 热力学性质可用p 矿t 函数表示，这种表示系统间p 矿t 的关系式 | t p 、v 、t ) = 乜 称为状态方程。最简单的状态方程是理想气体定律 p v 。= r 1 ( 3 一1 ) ( 3 - 2 ) 三百多年以前，人们通过对气体p 矿t 性质的研究，提出了理想气体定律， 奠定了研究流体p 矿t 关系的基础。实际上自然界中不存在理想气体，它只是 人为规定的模型。理想气体定律假设气体分子间没有作用力，而且分子本身不 占有体积，显然没有一种真实气体能够满足以上条件。但是在极低的压力下， 真实气体的p 矿t 规律接近理想气体定律，因此可以当成理想气体处理，以便 使问题简化。至于理想气体定律在工程计算中所能应用的温度和压力范围，要 视气体是否容易液化而异。一般的讲，容易液化的气体，如n i 。、s o 。等，低温时， 即使在1 0 5 p a 下作为理想气体处理，已有明显偏差。而难于液化的气体，如n 2 、 h 2 、0 ：等，在常温时，1 0 1 0 5 p a 下产生的偏差也不大。直接将理想气体定律应 用到工程计算中，其适用范围虽然不大，而作为衡量真实气体状态方程是否正 确的尺度，理想气体定律却起着重要的作用。任何真实气体，在压力趋于零时， 都应该服从理想气体定律。任何正确真实的理想气体状态方程，在零压下的形 式应与理想气体定律一致。 第三章模型构成 从1 8 7 3 年，著名的范德华方程问世以来，经过一个多世纪的探索，已经公 布了1 0 0 余个真实流体状态方程式，其中少数为纯理论方程，大部分为半理论 半经验方程，也有一部分是由实验数据归纳的纯经验方程。不同的方程适用范 围不一样，选用得当，才能获得满意的计算结果。常用的状态方程有h a l m a n s 方程、p e n g - r o b i n s o n 方程、s o a v e r e d l i c h - k w a n g 修正方程、p e n g - r o b i n s o n s t r y j e k - v e r a 方程等。h y s y s 提供的应用于空气分离系统的状态方程有两种： p e n g - r o b i n s o n 方程和p e n g - r o b i n s o ns t r y j e k - ￥e r a 方程，两种方程的适用范 围不同。 p e n g - r o b i n s o n 状态方程： p e n g - r o b i n s o n 状态方程是最常用的状态方程之一，能够在很宽的适用范 围内准确的模拟各类系统，可以处理单相、两相甚至三相组成系统并且计算的 可靠性很高，该方程适用范围如表3 2 ： 表3 - 2p e n g r o b i n s o n 状态方程适用范围 l 状态方程温度( 下) i 温度( ) i 压力( i s i a )i 压力( k p a ) i ip e n g - r o b i n s o nl 一4 5 6 l 一2 7 1 i 1 5 0 0 0 l 4 9 ) ( 3 - 1 1 ) 式中：只压力，p a k 摩尔体积，m 3 h 正温度，k 正：临界温度，k 乐对比温度，t t o 只：临界压力，p a a , b ：参数 胄：气体常数 x ：液相浓度，m o l m 3 如：二元相互作用系数，无因次 _ j 偏正因子 p e n g - r o b i n s o ns t r y j e k - v e r a 状态方程： p e n g - r o b i n s o ns t r y j e k - v e r a 状态方程在p e n g - r o b i n s o n 状态方程基础上 进行了双重修正，拓展了原始p e n g - r o b i n s o n 状态方程的适用范围，尤其适用 于中等非理想系统。它模拟的纯物质和混合物系统的蒸气压力趋势比 p e n g - r o b i n s o n 状态方程更准确，特别是低蒸气压力场合。p e n g r o b i n s o n s t r y j e k - v e r a 状态方程处理非理想系统取得的效果和w i i s o n 、n r t l 、u n i o u a c 方程使用吉布斯能量方程取得的效果同样好。 p e n g - r o b i n s o ns t r y j e k v e r a 状态方程与p e n g r o b i n s o n 状态方程相比有 两个修改点：( 1 ) 引入扩展项“口”，它由偏正因子和经验系数屯组成，适用于纯 物质蒸气压力模拟。扩展项公式如下： 够：l + k ，0 一t ”) ( 3 - 1 2 ) 毛= k ，+ 七。0 + 乙。5 x o 7 一瓦。5 ) ( 3 一1 3 ) 如，= 0 3 7 8 8 9 3 + 1 4 8 9 7 1 5