全低压空分设备膨胀空气量确定的方法分析

摘 要：全低压空分设备稳定运转的必要条件是保证其冷量平衡，而压缩空气在膨胀机内膨胀产冷是达到这一条件的重要手段。减少膨胀空气量是提高氧提取率的重要措施，对全低压空分设备中膨胀空气量的计算及探讨各种影响因素是十分必要的。本文通过全低压空分设备中膨胀空气量的计算公式来对确定膨胀空气量方法进行分析，从而得出了环流空气量与膨胀空气量间的关系。

关键词：全低压空分设备 膨胀空气量 环流空气量

全低压空分设备稳定运转的必要条件是保证其冷量平衡，而压缩空气在膨胀机内膨胀产冷是达到这一条件的重要手段。由精馏各区段液汽比分析得知，膨胀空气量直接影响各段精馏工况，膨胀空气量增大将使各段精馏工况恶化，进而使氧提取率降低。如一台国产制氧机膨胀空气量每增多1%标米3/标米加工空气，其氧提取率相应降低约1%。显然，减少膨胀空气量是提高氧提取率的重要措施。因此，对全低压空分设备中影响膨胀空气的诸因素进行理论分析，探讨减少膨胀空气量的各种手段是十分必要的。

一、膨胀空气量的数学表达式

当全低压空分设备在稳定工况下运转时，膨胀机的产冷量q应保证装置总的热平衡的要求，即

q=b+q1+q2+q3+q4-q5 千卡/标米3加工

q：膨胀机液态产品量

b：换热设备的复热不足损失

q1：液氧泵运转时带入之热量

q2：生产液态产品之冷量

q3：它附加冷损

q4：等温节流效应产冷量

q5：装置的跑冷损失

在全低压空分设备稳定运转工况下膨胀机产冷量q与环流热负荷qT由装置总热量平衡及可逆式换热器热平衡方程式所确定了。因此，膨胀机的进气参数从理论上可以确定，但在实际生产中难以获得膨胀空气量与机前洽值的数学表达式。本文在总结理论的基础上，试图解决膨胀空气量和机前温度的数学表达式。

对于全低压空分设备来说，当膨胀机前后压力一定的条件下，由气体热力性质图发现，机前温度愈高，其理论晗降愈大。

式中b、q1、q2、q3、q4、q5在一定温度区域内是一常数，其值见表1：

表1 系数b、q1、q2、q3、q4、q5数值表

膨胀空气从下塔抽取饱和状态空气，部分作为可逆式换热器环流空气，在其内复热后与部分旁通空气汇合，再经机前换热器冷却，由膨胀空气热平衡达到机前空气状态参数。

二、确定膨胀空气量方法的分析

1.从膨胀空气量和机前温度数学表达式清楚地看出，当装置总热平衡和可逆式换热器热平衡分别确定膨胀机产冷量和环流热负荷的条件下，膨胀空气量和机前温度是计算确定值，由此机后过热度亦为确定值，不是任意选定的数值。

2.现有的全低压空分设备工艺流程计算中，往往是先选定膨胀机后过热度算得膨胀空气量，实质上就是满足了装置总热平衡。而空分设备稳定运转又必须保证可逆式换热器热平衡，亦即尚应满足膨胀空气复热之热平衡方程式。所以，当膨胀空气量、机前温度及下塔抽取的膨胀空气值一定时，则只有设置机前换热器，其热负荷能够确定。若不用机前换热器，只有改变下塔抽取的膨胀空气量值。采用国产3200标米3制氧机，工艺流程计算中设置一个调湿器，并要求含湿度达38%。显然，机前换热器与调湿器的设置，是预先选定机后过热度参数的必然结果，而增加这种换热设备却使机前温度降低，膨胀空气量增大，精馏工况变差，氧提取率相应降低。

三、环流空气量与膨胀空气量间的关系

环流空气主要用来补充可逆式换热器所需之冷量，确保其适当的自清除条件；同时，它又作为膨胀空气的一部分；而膨胀空气是用来在膨胀机内膨胀产冷，确保空分装置冷量平衡的条件。这就构成了环流空气与膨胀空气间的联系。可逆式换热器冷量平衡时，环流热负荷是确定值，它与环流空气参数具有一定的关系。

在环流量等于膨胀空气量理论值条件下，就不要再补充旁通空气量。故若不设置机前温度，则环流空气出口温度等于机前温度，表明了环流空气出口温度降低时，膨胀空气量理论值与环流量比例相应减小。所以，当环流空气出口温度升低于其临界值时，即环流空气量大于膨胀空气量理论值。也就是说，当环流出口空气温度选择的数值低于临界值时，若要同时满足空分设备和可逆式换热器冷量平衡的条件下，则必然会出现环流空气量大于膨胀机所需之膨胀空气量，倘若将环流空气全部送至膨胀机内膨胀，势必导致空分设备冷量过剩，所以现有的空分设备中，出现这种情况时，采取部分环流空气旁通或设法利用过剩的冷量。

当环流出口温度高于其临界值时，即膨胀空气量理论值大于环流量，所以为了保证空分设备冷量平衡所需之膨胀空气量，必须用旁通空气加以补充，这正是我们推导膨胀空气量及机前温度的数学表达式的条件，在这种条件下，膨胀空气量、机前温度为给定值，与环流热负荷，与环流空气出口温度无关。但是，对于大型空分设备，饱冷损失减小，可逆式换热器温差减小，所以理论计算的膨胀空气量比实际的空气量要小，环流出口温度临界值较高，而会出现环流出口空气温度的选择低于临界值的情况，从而造成了环流量大于膨胀空气量的矛盾。这只有采取提高环流空气的出口温度的措施加以解决才是合理的。

综上所述，设置膨胀空气加热器、减少跑冷损失、减小可逆式换热器冷热端温差、提高膨胀机绝热效率等措施，可以使膨胀空气最的理论值减小，本文中阐述了数量上的关系。

参考文献

[1] 张立伟.《制氧原理与设备》（第五分册）．南京工业大学出版社．2005，7.

[2]范铭.全低压制氧机原理及计算．西安交通大学．2009，7.

[3]卢明章.全低压空分流程中减少膨胀空气量的探讨．深冷技术．2010，4.