浅谈空分设备性能研究及问题

摘 要：本文主要是以HYSYS过程模拟软件作为计算工作，同时借助化工原理、化工热力学等相关理论知识，对空分设备建模，从与设备运行性能关联密切的特性入手，模拟分析了特性见的影响关系、特性变化对组分分布状态的影响及设备泄露问题，从而强化对精馏激励的认知和理解，掌握设备运行及调整规律，便利日常运行指导、优化及维护。

关键词：空分设备 性能 设备建模 KDON-170/400 研究

新形势下，随着现代化社会步伐的加快，以及科学技术的蓬勃发展，对于空分设备性能的研究工作也进一步得到人们的关注和重视。空分设备，作为一种依靠气体沸点差异进行深度冷冻筛选分子、预冷的机械装置，近年来的研究已趋于大型化、环保化、高效化、重载化以及高度的自动化等层面发展。为了确保空分设备能够高效运行，减少故障的发生，本文通过空分设备的现状、模型建立的环境及相关内容，以及设备运行性能等方面，加深人们对空分设备的认识和了解，现具体分析如下。

一、空气分离行业现状

近些年来，随着空分设备从高压流程逐渐转化为中压流程、高低压流程的技术革新，目前大多数空气分离行业的大、中型空分设备多是采用全低压流程，尤其是对超低压流程的空分设备的探索，更是有了进一步的发展。从我国空气分离行业现状来看，第一，流程重视对计算软件的开发，有利于进一步优化设计；第二，关键静态核心设备在设计制造上，也取得了突破性发展；第三，当今的空气分离行业几乎都采用计算机控制系统，自动化、智能化步伐加快；第四，通过工艺结构的调整和国外先进检测技术、高精度动平衡机等的引进，空分设备的装备水平有了进一步的提高。

二、模型构成

1.基础环境建立

建立基础环境，通过采用基础模拟管理器，可以实现空气信息的输入和获取，并排除不必要的计算流程，提高计算效率。在此过程中，需要有关人员做到准确输入物系构成组分、流体状态方程以及用户自定义特性等方面的参数信息。

一般来说，基础环境的建立需要考虑以下几个方面：①组分主要由氧、氮、氩等构成，作为模拟环境的基础，需要对这方面加以优化。通常只考虑这三种组分在空气分离中的热力学性质。②状态方程通常选择f（p、V、T）=0（其中p为压力，V为摩尔体积，T为温度），作为趋向理想气体定律，可以用来帮助简化问题和衡量真实气体状态是否正确。同时对于该理想气体定律在工程计算中的温度及压力范围限制，要充分考虑到气体是否易于液化。如NH3、SO2等易于液化气体在低温、105Pa下，计算结果就存在明显偏差。

2.模拟环境建立

空分设备在模拟环境建立上，主要包括建立PFD流程图、使用逻辑操作器等两个方面内容。

建立PFD流程图。通过PFD流程图的建立，能够直观快速地显示空分设备流程的整体状况，同时方便对流程连接状态、物流及操作器状态等模拟信息的查找，此外，还可以采用一系列控制工具，完成观测对象、物流及操作器的重新定位，对观测对象、物流及操作器进行图标尺寸上的调整等。从PFD流程图获取对象、物流及操作器的物性信息方面来看，PFD流程图同时还具备着评估分析功能，能够及时刷新物性信息。

使用逻辑操作器。主要包括循环处理器和调节处理器两种。其中，循环处理器通常被用于解决热循环和物流循环上的问题，在进料状态已知的前提下，塔系统开始运算，当运算结束后，出料结果将参与到另一组系统运算结果的对比中，若比较结果在设定公差允许的范围内，则需要继续进行运算，直至满足条件为止。而调节处理器，则一般是用在改变独立变量的值上，以满足模拟环境的需求。当需要处理混合特性时，调节处理器能够提供实验分析和误差判断的功能，用来解决物流分配中的下塔富氧液空问题。

三、KDON-170/400型空分设备运行性能研究

1.设备概况

KDON-170/400型空分设备主要包括空气预冷塔、冷水机组、分子筛纯化系统、增压透平膨胀机、分馏塔（包括上塔、下塔和冷凝蒸发器等）、主热交换器、过冷器、液体计量罐、DCS系统以及外配仪表系统等。KDON-170/400型空分设备流程采用全低压空气分离流程，通过压缩机洁净压缩空气，进入到空气预冷系统中，并与冷冻系统传输来的冷冻水逆流接触，达到降温效果，当完成这些步骤后，再进入到分子筛纯化系统中，将空气所含的水份、CO2以及微量烃类组分去除，同时在吸附热的影响下，产生两股正流空气，一股经主热交换器，与返流的低温气体换热，再把换热后的气体送往下塔底部精馏；另一股经去增压机增压后，送往主热交换器冷却，并完成剩下的分离流程。

2.模型建立

模型的建立，在掌握设备运行规律和设备日常生产操作的调节上，有很大的帮助作用。主要考虑主塔收敛性的选择，包括上塔和下塔两方面。

下塔。根据常规空分设备的设计和实际调整规定，下塔收敛计算的特性之一为36%～40%体积摩尔分率的液空中氧组分，另一特性则为控制抽口物流体积流量在0m3/h。

上塔。上塔的收敛计算特性，是准确运行的氧气、纯氮气产品的体积流量。通过对比模拟结果与设备的实际运行数据，确定模型是否建立完成。

3.设备运行性能研究

3.1影响氧产量的关联因素及其关系

在分离空气量以及氧产品中氧组分体积含量维持不变的前提下，借助模型，可得知氮中平均氧含量和纯氮气体积流量、返流污氮气体积流量，以及两股物流中氧组分体积含量存在着动态的关系。通常情况下，氮平均纯度与氧产品的量之间存在同向变化关系，而氧产品纯度与氧产品量之间存在逆向变化关系。通过构建三元分离物系进行研究，得知降低氧纯度或是采取提高氮平均纯度，能够增大氧产量。相对来说，具有良好的经济效益，不过氧产量纯度不高。

3.2氧氮纯度和氧提取率关系

针对氧气需求大的用户，从氮平均纯度、氧纯度方面考虑氧气提取率。可借助氧产量与氮平均纯度间的敏感关系，调整氮平均纯度，以获取更大的氧产量。

四、小结

通过对空分设备性能的分析和探究，并采取建立模型的方式，促进空气分离行业对该技术的深入了解，并有针对性地对空分设备进行利用和革新，推动我国空气分离行业的发展进步。

参考文献

[1]张琼，郝迅.川空两套液体空分设备流程与性能比较[J].气体分离，2010，（05）.

[2]顾福民.空气制品公司空分设备性能优化采取三种方法[J].深冷技术，2011，（01）.

[3]江代彬.小型空分设备运行状态的建模仿真分析与改进[D].国防科学技术大学，2003，（01）.