本人1999年写的一篇空分液化设备能耗比较的文章,后发表在《气体分离》上,文字部分转发如下:
/ T9 _$ m- I. D! q9 [( D: l# ^' H: U$ \$ g- w u, G D# m" N
空分液化设备能耗比较方法探讨
2 a# K8 T& D3 {; Q8 u, e
* \6 z0 A4 M# K( W2 ^' n* ]* \摘要:本文根据制取各种空分产品理论上所需要付出的最小功,结合实际过程的流程效率,提出了一种比较空分液化设备能耗大小的新方法。本文提供了实际计算和比较的步骤,并以三套空分设备的比较为例。表6参4。
" V4 |. W1 ]7 m' ~主题词:空分液化设备 分离功 压缩功 液化功 流程效率 能耗
, p M) \! a1 b1 ^4 A
* Q, B: W) k% e" g一、概述6 [ n( X. e. _
一种比较空分设备能耗大小的方法是,简单地以总电耗除以氧气产量,得出所谓的“制氧单耗”,数值小的就被认为是能耗低。另一种方法是,考虑到了产品所具有的三种可逆功,即“最小分离功”、“最小液化功”和“最小压缩功”,但是又将几种不同的“最小功”直接相加减。
) f, G6 g( u4 V3 L* ~. f实际上这两种方法都有一些问题。第一种方法不顾生产低温液体和带压气体产品需要提供额外功率的事实,这种方法对于以生产低压气体产品为主的空分设备或可适用,但当应用于液体产率较大,或出冷箱气体产品压力较高的空分设备时,就很容易出现混乱。5 U" z; O9 l* M5 C( v) k0 \
第二种方法则忽略了实际过程中获得各种可逆功的流程效率并不相等、而且相差很大的事实,当用这种方法来比较两套液体产率相差较大,或是出冷箱气体产品压力相差较大的空分设备时,决定能耗指标的往往是液体产率或是出冷箱气体压力,而不是空分设备本身的性能指标以及所体现的技术发展水平,因而也不能较真实地反映出设备的能耗指标大小。
6 e4 t8 B8 ^) ?: l1 b- D本文提出了一种比较空分液化设备能耗大小的新方法。它的计算和比较步骤是:先计算出所有产品的“最小分离功”、“最小液化功”和“最小压缩功”,再将这几种“最小功”分别除以各自的“典型的流程效率”后,求出它们的和,然后将设备运行过程中实际的总电耗除以这个求出的和,得出的数值越小,即说明该空分液化设备的能耗指标越低。7 H& v3 c7 [/ B8 S5 ]/ j
二、最小分离功* t) M1 [6 z/ H2 F
如果将1m3的空气完善分离,可得到0.2095m3的氧气、0.7812m3的氮气和0.0093m3的氩气。在环境温度为300K时,将1m3的空气完善分离所需的最小分离功为[1]:
, G8 H/ k8 w( d' B7 z0 J0 bpsep=8.314×300×[0.2095ln(1/0.2095)+0.7812ln(1/0.7812)+0.0093ln(1/0.0093)]* A: _5 o9 Q" h% Y/ M9 ?4 V
=817+481+109=1407kJ/kmol=0.01744kWh/m3/ U, h8 v! e W5 T) o, Q3 J
由计算可知,在空气被完善分离的情况下,可逆分离功的58%存在于氧气产品中,34%存在于氮气产品中,8%存在于氩气产品中。0 o$ Q: e/ I& W$ ~* N8 C
实际上的空分设备不可能将空气完善分离,因此所需要的最小分离功也要比以上计算值小一些,但仍然等于各分离气体的可逆分离功之和。各分离气体的最小(可逆)分离功的计算式为[1]:: s& f4 v0 h/ u$ z) R! I
(1). h, D, t$ {' ]" H. l& n
式中:R——通用气体常数,8.314 kJ/kmol·K或0.3712 kJ/m3·K
- Q9 @) q$ q& W) g4 L T0——环境温度,K9 n- l, e G' |# H
xi——混合气体中第i种气体成份的摩尔(或体积)百分数% l1 O/ U+ v9 z$ Y" \- Y1 q
xi0——环境大气中第i种气体成份的摩尔(或体积)百分数
3 }3 ]/ T/ U2 t/ C) P6 l( u本文将废气(污氮气和多余的纯氮气)的分离功也包括在内,这是因为废气本身也具有可逆的分离功,虽然这种可逆功在废气放空时就散失掉了。
; _- {! I5 N! @3 q三、最小液化功
% ?6 x( \, u/ c( q& u; E* @! t氧气、氮气和氩气的最小液化功pliq可查阅相应气体的T—S图,并根据计算式(2)很方便地计算出每千摩尔气体的最小液化功[1]。
8 x6 E; L6 A3 d, n# L- X9 b% ~ (2)
3 o: L4 }" N( g+ G. m% u2 z式中:T0——环境温度,K7 l4 V0 ~, m9 ~& u e& h) u/ h
S0——气体在环境温度和环境压力下的熵,kJ/kmol·K5 E( l" N( B1 e6 @* E5 {
S——低温液体在环境压力下处于饱和状态时的熵,kJ/kmol·K
; @2 p! n2 v/ R& ]% a h0——气体在环境温度和环境压力下的焓值,kJ/kmol
3 w% w Z6 r& E! {; U0 E& S- O4 b h——低温液体在环境压力下处于饱和状态时的焓值,kJ/kmol
5 N c& U. Y8 W$ s. ^# ?# J也可直接查有关资料得到[2]。在环境温度为300K时,氧气的最小液化功为0.2529kWh/m3,氮气的最小液化功为0.2751kWh/m3,氩气的最小液化功为0.2391kWh/m3。
" _7 e, Y: \# o5 |% n6 q四、最小压缩功
5 S6 [; w, }5 J& j+ e1 t) I最小压缩功的计算当然也可以查阅T—S图,并利用与计算最小液化功类似的公式计算出。但一般可将氧气、氮气、氩气都看作理想气体,这样每千摩尔气体的最小压缩功pcomp可用公式(3)计算[1]。
$ U; @7 b$ j0 Y) W3 E (3)' i x0 E/ J1 B; g' B
式中:R——通用气体常数,8.314kJ/kmol·K
2 D; Q0 e( }. \$ R1 \ T0——环境温度,K4 i! [+ F. S. P; \( N
P——气体压力,kPa,绝对压力
, m/ o/ V, y( q; C* E4 m& t9 b P0——环境空气的压力,kPa,绝对压力8 C$ r b7 T3 n7 ^4 M1 V& X
五、流程效率
s1 ^" x' r# w4 s要使得产品气体具有可逆压缩功,只需要用压缩机对产品气体加以压缩就可以了;要使得产品具有可逆液化功,需要经过气体的压缩、换热、膨胀等工序;而要使得产品具有可逆分离功,则必须经过气体的压缩、换热、膨胀、精馏等工序。实际过程的每一道工序中都存在着不可逆损失,工序越多,损失越多,效率当然就越低了。所以,相对而言,获得产品的可逆分离功的效率最低,获得可逆液化功的效率次之,获得可逆压缩功的效率最高。) X) X0 h5 n* j0 m4 k( j
就目前技术发展水平所能达到的程度而言,将加工空气分离成气态低压产品(获得可逆分离功)的流程效率约为20%[3],外部产品液化器(获得可逆液化功)的流程效率约为50%[3],而压缩各种气体产品(获得可逆压缩功)的流程效率约为80%[3]。* {# }5 [ [7 i. Z" N4 q# H7 O
本文就规定获得可逆分离功的“典型的流程效率”为20%,获得可逆液化功的“典型的流程效率”为50%,获得可逆压缩功的“典型的流程效率”为80%。% T: Q9 n8 K2 U, g! q0 d! e$ ^
将最小分离功除以分离过程的“典型的流程效率”的意思是,如果分离过程是采用这种具有“典型的流程效率”(20%)的气体分离设备来完成的话,实际需要消耗的功。同样地,将最小液化(压缩)功除以液化(压缩)过程的“典型的流程效率”的意思是,如果液化(压缩)过程是采用这种具有“典型的流程效率”的液化(压缩)设备来完成的话,所需要消耗的功。
+ K* L3 A# g4 w9 d9 S六、空分液化设备能耗比较举例
: z/ `6 j- Q; k, j9 H1.某石化公司的KDON10000/18000空分设备(见表1和表2)
4 q" h+ g! N% T表1 某“10000”耗电量
0 K" C6 \# J. `名称 耗电量(kW)' K3 x! O: }2 G% D
空压机 50703 _; A* F. l" G# q: z4 E
冷冻机 324/ s4 P8 f1 B/ v
膨胀机 -123
$ c& _ I9 B$ U# k7 z7 ~% h氧压机 1811
4 x1 l# U0 N2 f: ^7 _氮压机 31502 R2 H! S# V9 X! X8 k* O; I/ U
合计 10232' J: K% j; S6 @# p1 K2 K s
表2 某“10000”产品- _2 A9 O( s4 @+ l1 H
名称 产量3 p* W2 x( s5 O4 Z2 D# l
(m3/h) 压力 n ^3 K4 F. u# v
(kPa,A) 最小分离功(kW) 最小液化功(kW) 最小压缩功(kW) 备注; P4 c' [8 g: y1 z: y
中压氧气 8000 3600 383 884 T0=300K: ~1 C: \- t% e! k7 y7 }" X" P
P0=101 kPa
- w* s9 W; [7 }0 k" G( \, O氧纯度99.6%
" [! J. e$ n. Z& @4 o0 Q( i; h近似认为氮气中不含氧和氩0 u* b- D$ t! [6 t! U/ V
; W" F. g! C9 h! \! s8 d5 h" x3 \' O8 E2 [
低压氧气 2000 1100 96 148 _% F# M7 \! Z: m1 g
中压氮气 18000 2100 137 1689
! v! O' i0 ?0 l( u8 m液氧 100 5 25
" e' e& ?; }' c5 N( }液氮 400 3 110 ! Z" e" b2 r) j0 l4 v |
污氮气 27300 76
9 x G1 d9 L6 \4 ~. l: o合计 700 135 2721 $ t, X$ Q3 O7 V
700÷0.2+135÷0.5+2721÷0.8=7171
' q& A2 R+ o* g# J8 l10232÷7171=1.43
2 L! @8 X' h4 ]$ |2.北京氧气厂的T-370NA/LMPL-1空分液化联合设备(表3和表4)
; u9 k/ i# D; x! h! o8 Q表3 北京氧气厂T-370NA/LMPL-1耗电量[4]( c9 \+ ]. Q) r3 h; C7 h; z
名称 功率(kW) 备注
! S# N: g+ G$ G6 X3 r, T空压机 5100 膨胀机、再生鼓风机、液氧泵的功率没有计入;氩气压缩机功率为估计值。* K( y4 S, @/ R% \( O) R
冷冻机 172 & g1 Z! P' G( p/ J1 _, l
氧压机 1380 4 X$ |! u$ T: C+ J) D+ H) a
产品氮压机 1181 1 I, H7 @9 G% W: y
液化器氮压机 3686 0 P( f; b2 n3 l+ m1 w
氩气压缩机 100 1 w( m3 O6 H" c; u5 i) t1 Y# E/ z
合计 11619 : h3 s3 _+ ] k% d/ H
表4 北京氧气厂T-370NA/LMPL-1产品[4]$ S- w" X1 G t" M# c
名称 产量
0 ?$ N3 k! L6 R' ?- F, g(m3/h) 压力
' K. T, N( S9 f1 W% s(kPa,A) 最小分离功(kW) 最小液化功(kW) 最小压缩功(kW) 备注$ w8 V8 b4 T0 v" j) D4 F4 X! M/ H- v% X
产品氧气 9320 2300 448 901 T0=300K
2 m/ b* T; A/ ^+ IP0=101kPa
2 O6 W- q$ a' d E4 ]氧纯度99.8%3 K! s2 g7 ^; @6 ]
近似认为氮和氩产品的纯度为100%。3 X2 o: `( ^) V) U6 ^% a
产品氮气 9100 1475 70 755
) \( Z6 X' z$ \+ n& c" y4 L液氧 2575 124 639
4 m+ [6 b, _4 W1 o- E# G液氮 3312 25 911
6 A) Y4 {" P2 I* }8 h2 u液氩 470 68 112
1 e2 y2 s" [1 |3 R% Z废氮气 23200 177 ; g0 x x& @2 o1 G# D R
废污氮气 10823 41 ) i3 e) n' c8 t
合计 953 1662 1656
/ Q$ B$ j w. j$ l4 ?0 h* P953÷0.2+1662÷0.5+1656÷0.8=10159
8 V; w0 | U7 y# `11619÷10159=1.14
' ]7 ?$ i) K$ r3.某石化公司的20000 m3/h空分液化综合设备(表5和表6)
+ Z* n$ w0 c/ I5 P7 q表5 某“20000”耗电量0 a3 C+ G( P" H- I
名称 功率(kW)8 f. D4 I+ ~6 Q1 b& o2 `
主/增压空压机 131908 M1 W5 m9 \9 G) z7 R
氮气压缩机 52101 a% q! L# Q* O
工艺低温泵 90
) q6 G+ ~, v5 w# u, @/ W+ u冷冻机 80! L% Z) C( V# F* K8 V
合计 18570
8 k7 T) L4 T# W% `6 `- Y: D表6 某“20000”产品" X3 V$ ]" g$ ?
名称 流量
, s. t( a0 z8 `(m3/h) 压力' f# E# E0 A T
(kPa, A) 最小分离功 (kW) 最小液化功 (kW) 最小压缩功 (kW) 备注
: [8 B. v% Z3 i7 j8 I8 Z产品氧气 17500 3034 841 1842 T0=300K6 g2 |) Q% H# Z7 ] E$ S
P0=101kPa% r3 j8 A" R; m3 m0 M# N7 f
氧纯度99.8%
% z L4 O2 v6 m& e, U( _8 S8 B) f近似认为氮和氩产品的纯度为100%
1 G0 }* d0 B w污氮气中含氧47ppm,氩2451ppm, i! i% ~0 T* T( `0 V6 G" G
& O& `# k) o! O* D y, Q! ]
产品氮气 37500 2080 286 3509
8 @ X1 b% h+ O! N/ d$ u& a液氧 2564 123 648
1 ?2 h, S7 u0 l1 P% w1 Q液氮 2518 19 693
$ X) @0 z6 j# u! e; n! Q+ X% C液氩 800 116 191
: M B# K! n; Y" ^. t废氮气 20643 158
* V& p3 O; ]8 i) Y7 x! ]& t污氮气 13143 98
J( N: m$ T8 W* |! v+ J合计 1641 1532 5351 6 W% D g% x) Y
1641÷0.2+1532÷0.5+5351÷0.8=17963/ I9 K: \- J' n
18570÷17963=1.03
, m g; o) ~% d/ \- @6 g0 Z七、对某两套空分设备的看法
6 W: j5 H* ?& r, q2 R2 D8 Z% c某“10000”是八十年代中期的国产设备,算得上是我国第一代分子筛型空分设备,它与目前世界先进水平的空分设备相比较,能耗要高出许多。它能耗较高的原因主要在以下几个方面:! M( g5 k: o( V( G! C
1) 空气压缩机及产品气压缩机的效率较低。
5 a6 \1 D: x6 M! g: J2) 没有提取氩气,氧气提取率也较低。6 |$ C. f# H9 b, x, p$ V& a
3) 没有设置利用污氮气的水蒸发冷却塔,冷冻机负荷较大。" _' V6 b( y% I8 ]
某“20000”是我公司最近才从美国普莱克斯引进的,具有九十年代末世界先进水平的一套空气分离和液化综合设备,它与九十年代中期居世界领先地位的、北京氧气厂的T-370NA/LMPL-1空分液化设备相比,整体上能耗要低10%左右。这主要是在某“20000”空分设备中采用了一些新技术:
- T; K- K4 r2 v g. K8 L- a9 W8 J1) 上塔和氩塔采用的是阻力很小的规整填料塔,降低了分离过程的能耗,实现了全精馏制氩,氧和氩的提取率都很高。$ \- N+ {+ [& V6 e2 j' o3 Z' Z
2) 采用了膜式蒸发主冷凝器,温差很小,减少了传热过程中的不可逆损失。
' w6 q8 T1 o! Q. L3) 将空气分离和液化综合在一起,分离和液化过程所需的能量全部由主空气压缩机提供,不象外置液化器那样需要采用氮循环制冷,因而总的传热量大大减少,不可逆损失自然也相应减少。0 b. o% _; T' S) n' E) G8 \
无论从设备价格还是能耗方面考虑,将分离和液化过程综合在一起的空分液化设备都占有较大优势。但美中不足的是,它的灵活性较差,因为它不象分离装置和液化器分置的空分设备那样在液体产品滞销时可以将液化器单独停下来。如果低温液体产品卖不出去,那么它就只能在低效率下运行。* M s1 {' }! s
: N/ p# P4 q$ Q$ \5 s1 f
参考文献:
7 Q0 P# m6 W) b3 w" u& y[1] 朱明善。能量系统的火用分析。清华大学出版社,1988年4月第1版。
8 C% Y2 q5 ]* b8 e& ?[2] 陈芹元。空分产品能耗成本计算方法的探讨。《深冷技术》1985年第4期。
7 I2 W: j: c4 [8 }) m) n[3] 王催春(译)。空分设备产品火用分布。《深冷技术》1997年第5期。9 V; x9 e6 P; X: A
[4] 王德义,侯喜胜。北京氧气厂引进普莱克斯空分液化设备简介。《深冷技术》1993年第3期。
* L5 X9 M& D7 n5 U. _- r- t (1999年2月)/ f D* X, c8 c: e+ Y
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