空氣分離裝置的模擬與優(yōu)化

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1、第30卷第11期遼　　寧　　化　　工Vol.30,No.112001年11月LiaoningChemicalIndustryNovember,2001空氣分離裝置的模擬與優(yōu)化李素君,陳　紅(遼陽石油化工高等?？茖W(xué)校,遼寧遼陽111003)摘　　　要:采用ASPEN系統(tǒng)模擬軟件對(duì)某空分裝置的設(shè)計(jì)工況和實(shí)際工況進(jìn)行了模擬計(jì)算,給出了以純氧產(chǎn)量最大為目標(biāo)函數(shù)的操作參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果,其結(jié)果可以為空氣深冷分離設(shè)計(jì)和操作提供可靠的參考數(shù)據(jù)。關(guān)　鍵　詞:空氣分離;深冷技術(shù);模擬計(jì)算;優(yōu)化中圖分類號(hào):TQ028文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10040935(2001)11048702

2、塔,大部分空氣被初步分離成富含氧的液體空氣1　前　言(富氧液空)、純氮、液氮和餾份氮,從下精餾塔中空氣分離是以空氣為原料生產(chǎn)氧、氮、氬及其抽出的餾份氮作為回流液,富氧液空從塔底抽出,它稀有氣體的過程?？諝夥蛛x方法較多,其中低除去烴類,在過冷器中被來自上精餾塔頂部的污溫精餾法即深冷技術(shù),因其技術(shù)成熟,制氧能耗氮過冷后節(jié)流進(jìn)入上塔中部噴淋,在上精餾塔中[1]低,產(chǎn)氧純度高等優(yōu)點(diǎn),一直被普遍使用。在整液體空氣和餾份氮被分離成產(chǎn)品氧氣和污氮,產(chǎn)個(gè)系統(tǒng)中各物流和熱流相互影響,物料與能量交品氧氣(氣氧和液氧)從上塔塔底抽出,污氮從塔換復(fù)雜,準(zhǔn)確地模擬及優(yōu)化空分系統(tǒng),對(duì)空分

3、裝置頂抽出,經(jīng)過冷器進(jìn)入切換式換熱器,走原料空氣設(shè)計(jì)與操作有著重要指導(dǎo)意義。本文以某廠的空通道,被加熱到環(huán)境溫度并將通道內(nèi)的固體水、干分裝置為背景,利用ASPENPlus軟件,對(duì)其進(jìn)行冰揮發(fā)或升華,與污氮一起放空。產(chǎn)品氧氣濃度模擬計(jì)算,在此基礎(chǔ)上對(duì)裝置的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。99.5%,氮?dú)鉂舛?9.999%。2　空氣分離工藝過程簡述3　空氣系統(tǒng)的熱力學(xué)模型2.1　基本原理空氣經(jīng)處理后可以近似看作是氧、氮、氬的三采用低溫精餾法分離空氣是先將空氣壓縮、元體系,關(guān)于三元物系的熱力學(xué)計(jì)算,國外主要采液化,然后利用液體空氣中氧、氮組分的揮發(fā)度差[2][3]用Harmens、

4、P-R等方法。本研究采用ASPEN異進(jìn)行精餾,將空氣分離。Plus系統(tǒng)推薦的P-R方程進(jìn)行空分計(jì)算。修正2.2　空氣前處理過程的P-R方程形式為:原料空氣經(jīng)空氣過濾器清除灰塵和其它機(jī)械PTaP=-Vm+bVm(Vm+b)+(b(Vm-b)雜質(zhì),由透平壓縮機(jī)壓縮至0.68MPa,壓縮后的式中:b=0.07780RTCPPC空氣經(jīng)噴淋冷卻塔用水冷卻至25℃后,進(jìn)入可逆222a=a(T)0.45724RTCPPC式換熱器被返流的純氧、純氮、環(huán)流氮和污氮所冷0.5)]3a(T)=[1+m(1-Tr卻,空氣中的二氧化碳和水被除去?？諝鈩t進(jìn)入2m=0.37464+1.54

5、226ω-0.26992ω下精餾塔。2.3　精餾過程　　收稿日期:2001207205空氣分離的精餾塔分為上塔和下塔。在下　　作者簡介:　李淑君(1968-),女,講師。?1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　遼　　寧　　化　　工　　　　　　　　　　　　　　　4882001年11月F的影響,結(jié)果見圖1、2、3。由圖1可見,隨著餾4　空分裝置的模擬計(jì)算份氮量R1增大,產(chǎn)品氧氣的

6、濃度逐漸增大。由在ASPENPlus平臺(tái)上建立了空分精餾模擬圖2、3所示,去第一、二液化器空氣量R2增大,相計(jì)算系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況和實(shí)際工況分別進(jìn)應(yīng)地富氧液空中氧濃度減少,產(chǎn)品氧濃度降低。行了模擬計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表1可因此該最優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù):以看出,模擬計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)值吻合較好,與實(shí)測F=f(R1,R2)數(shù)據(jù)基本相符。最優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫作:MaxF=<(R1,R2)5　空分裝置的優(yōu)化s.tC(R1,R2)=016500≤R1≤208004591≤R2≤60915.1　優(yōu)化模型的建立X1≤1E-7X2≥0.995在對(duì)該系統(tǒng)準(zhǔn)確模擬的基

7、礎(chǔ)上,以提高氧產(chǎn)X1、X2分別為產(chǎn)品氮?dú)獾难鯘舛?、產(chǎn)品氧氣量為最優(yōu)操作條件,根據(jù)裝置特點(diǎn),將該問題的目中的氧濃度。等式約束C(R1,R2)=0實(shí)際包含了標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為氧氣濃度最大。根據(jù)生產(chǎn)報(bào)表,選優(yōu)化決策變量的系統(tǒng)模擬方程組。定了餾份氮量R1和去第一、二液化器空氣量R2為可調(diào)變量,利用模擬系統(tǒng)確定它們對(duì)目標(biāo)函數(shù)表1　模擬計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)、實(shí)際工況比較設(shè)計(jì)工況(1)設(shè)計(jì)工況(2)實(shí)際工況(1)實(shí)際工況(2)項(xiàng)　　目設(shè)計(jì)值模擬值設(shè)計(jì)值模擬值設(shè)計(jì)值模擬值設(shè)計(jì)值模擬值3-1)837508375091625916258300830084008400進(jìn)料　　流量P(Nm·h　

8、　　　溫度P℃-170.7-171.1