基于内部热耦合空分塔模型设计的低纯氧流程
韩 岭
（杭州中泰深冷技术股份有限公司，浙江 杭州311402）
［摘 要］介绍一种新型内部热耦合空分精馏塔模型，在所建立的模型基础上对常规空分模型进行变形，设计出一种低纯度氧气流程。对设计的18 000 m3/h低纯氧流程空分装置进行简介，并通过与常规流程的比较说明该流程的节能性。
［关键词］空分装置；内部热耦合；低纯氧流程；节能优化
［中图分类号］TQ 116.11 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2016）01-0078-03
0 引 言
在我国，钢铁行业是个能源消耗大户，而高炉富氧炼铁中空分装置又是能耗大户。当前，在国家产业政策指导下，高炉日益大型化、先进化，因此其配套相对较小的制氧设备，特别是变压吸附设备，将被淘汰，而低纯度深冷空分设备将具有更好的前景。
常规的高炉富氧炼铁对氧气纯度要求较低，常规的空分流程，一般生产纯氧，然后与空气混合后进入高炉；或者直接从空分上塔抽出低纯度氧气，这样空压机的压力减小、能耗减少，但氧压机的能耗要增加。
在氧气纯度一定的情况下，空分装置的能耗主要取决于空压机的压力，而空压机的压力又与空分流程组织（空分流程组织主要是指换热和精馏）有关。
对于空分装置而言，精馏塔又是一个重要的耗能单元。上个世纪，国外提出内部热耦合精馏技术。基于内部热耦合技术，对其原理进行分析，然后在对常规空分流程进行分析的基础上，利用内部热耦合技术对常规空分流程进行变形，设计出低纯氧流程。
1 内部热耦合精馏技术原理
内部热耦合技术是指借助于精馏段和提馏段之间的温差进行热交换，使热量从精馏段向提馏段转移，完全凭借精馏段与提馏段的热耦合来产生精馏段的回流和提馏段的上升蒸汽，这就使精馏段是在比提馏段更高的压力和温度条件下运行。理论上精馏段有更多的蒸汽，提馏段有更多的液体。内部热耦合技术充分地利用了精馏段放热、提馏段吸热的原理，通过特殊的方式将精馏段放出的热量引到提馏段，从而大大降低了系统能量的不可逆损失。其工作原理如图1。
图1 内部热耦合精馏系统工作原理示意图
图1所示的热耦合精馏塔，可以逐板交换热量，相当于提馏段和精馏段平行地将热量进行传递，或者提馏段和精馏段进行部分传热。
2 空分精馏塔热耦合技术应用
对于前述中提到的热耦合技术，是无法简单地复制到空分精馏塔上的，因为空分工艺本身属于深冷范畴，从成本和工业生产的便利性上考虑，不可能利用外加设备（如热泵）将精馏段的热量提供给提馏段。而空分装置中双级精馏本身就是利用了一种热耦合技术，其工作原理如图2。
图2 双级精馏系统工作原理示意图
对于常规的空分设备，假如提馏段（即上塔）压力一定的情况下，要使精馏段（即下塔）的热量传递给提馏段，有2种方法：一是利用热泵技术；二是使精馏段顶部温度高于提馏段底部温度。空分装置中采用第二种方法。
而要使精馏段顶部温度高于提馏段底部温度，须提高精馏段的压力，使气体液化温度高于提馏段底部温度，同时还要考虑一定的温差以利于传热，这就形成了如图3所示的热耦合方式。
图3 改进后双级精馏系统能量流示意图
这种方式进一步降低了系统内能量的不可逆损失，从而降低精馏段的压力，达到节能减排的目的。其改进是针对能量流而言，因为能量是依附于物质流的，尚需进一步组织流程，把物质流加上，则形成了如图4所示的热耦合方式。
图4 改进后双级精馏系统物料流示意图
常规空分流程中，在精馏塔上、下塔之间有个冷凝蒸发器，实现上、下塔的热量耦合，实质上是将精馏段热量从下塔塔顶传递给上塔底部。通过改进，我们把精馏段即下塔顶部热量传递给提馏段中部，将精馏段中部的热量传递给提馏段的底部，这样，较常规空分流程可进一步减小能量损失。
3 具体项目的实施
国内某空分公司依托某钢铁厂项目新建1套18 000 m3/h空分装置生产纯度为82%的氧气。其氧氮精馏原理如图5；装置主要技术指标见表1，水消耗水平见表2，电力消耗数据见表3。
更多内容详见《中氮肥》2016年第1期