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摘要：作为重要的工业气体，氮气和氧气在工业生产领域得到广泛应用，尤其是钢铁企业和化工企业，其生产过程离不开氮气和氧气。在企业生产和运行过程中，常常用低温蒸馏法获得氮气和氧气。但该方法在分离空气时，往往需要大量能耗。调查显示，一个制氧作业区的电耗接近整个企业电耗的20%，对企业发展和运行效益提高产生不利影响。为有效应对这些问题，降低能耗，节约成本，采取措施降低低温精馏法的能耗是十分必要的。本文主要探讨了低温精馏法空气分离过程中的精馏能耗与其它能耗，最后设想了几点有效节能方案。
关键词：低温精馏法；空气分离；能耗；节能分析
1、低温精馏法空气分离的主要能耗分析
当前我国钢铁与化工行业对氧气、氮气的要求越来越高，例如工业领域中的低温精馏法空分装置就非常普遍，但是其生产中所产生的能耗也相对较高，例如低温精馏状态下一个制氧作业区的电能能耗就要达到企业工业生产总电耗的1/5甚至以上。为此，本文有必要对这部分能耗进行细致有效的分析。
1.1精馏过程的能耗分析
空气分离主要消耗电能，分离过程中先压缩原料气，然后进行精馏分离，将产出的产品输送给用户并进行再次压缩，压缩过程中会产生能耗。整个装置运行和产品加工中，主要能耗发生在精馏过程，具体表现在以下方面。
（1）沿压力梯度的动量传递。上升蒸汽通过塔板产生压降，空分下塔采用筛板塔，上塔是填料塔，填料比筛板的阻力小很多。但设备运行中需要的高度更大一些，实际工作中不能忽视其中的阻力。为减小压降，可以降低气速，或者减小塔板上的液面高度，从而降低能耗，让设备更好运行和发挥作用。
（2）沿温度梯度的热量传递。对主冷负荷进行有效调节，可以达到控制装置能力的目的。主冷氮侧的压力高于氧侧的压力，不利于氮气蒸发液氧。减小主冷传热温度，降低下塔氮侧温度，需要的压力也降低一些，有利于降低能耗，并且在设计时还要选用高效换热器。
（3）沿浓度梯度的质量传递。空分塔热力学效率下降快，筛板的气相和液相在温度和组成上不平衡。例如，蒸汽变为液体时，蒸汽的含氮量小于液体平衡后的含氮量。为实现降低能耗的目的，应该采取相应措施，减少筛板之间传热和传质的推动力。
1.2其它能耗分析
除了在精馏过程中会产生大量能耗，其它几个过程也会有能量损失，下面从几方面阐述能量损失的过程：
（1）压缩过程。在空气分离时，首先要压缩空气，压缩机在对空气压缩时，并不是等温压缩，而等温效率是与电能消耗成反比，因此，为降低电耗，需要提高压缩机等温效率，通常采用的方法是使用冷却水，使各级压缩空气得到充分冷却。但是，冷却水也会带走一部分热量，造成空气压缩机电能损耗；
（2）冷损。在空气分离过程中，冷损主要包括液体产品带走的冷量、换热器产生的温差损失、冷跑等。为达到补充这部分冷损的目的，需要制取冷量，但是制取冷量过程中，也会消耗大量能量。但是，如果不能及时补充这部分冷损，就会造成冷损失过大，冷损失过大就要增加膨胀气量，这就会对精馏产生影响。因此，要控制好装置的能耗，控制冷损是很重要的一部分；
（3）氧气提取率和纯度问题。一般情况下，在空气量和氧气纯度一定时，氧气产量越高，氧气提取率就越高，而单耗就会越小。所以，需要提高氧气提取率。而氮气会带走一部分氧气，会导致氧气提取率下降，因此，也可以通过提高平均氮纯度来降低单耗。这里分析得到的启示就是，在实际操作过程中，如果减少氧气用量，操作人员就会减小氧气产量，同时也会降低空气压缩机压力，但是能量损失并没有随之减少。这主要是由于当氧气浓度下降时，就会增加分离氧气：的难度，使氧气单耗增大，从而造成能源浪费。所以，当减少氧气量时，要考虑减少主冷负荷，这样就会减少空气量，从而减少传递到上塔能量，达到降低能耗的目的，在减少氧气量同时，减少能耗，避免能源浪费。
2、低温精馏法空气分离的节能分析
2.1空分塔下塔節能改进
传统空分塔下塔所采用的是筛板塔，应该对其进行改造选择效率更高的填料塔。填料塔的高度更高，但空气阻力并不会因此增加。传统筛板塔一般通过增大塔径来解决高度问题，但如此操作空分塔下塔成本也会增加。而填料塔本身高度、塔径足够，且在能源利用方面仅为筛板塔的1/3，可节省能源消耗矛盾，因此选择填料塔能够实现能耗节约设计目的。
2.2空气量与过热度改善
由于当膨胀空气进入上塔后会造成巨大的不可逆损失，所以在设计过程中应该充分利用到上塔的径流潜力来有效提升针对氧气的提取效率。为此要对液空进料口膨胀空气吹入口塔板数进行相应增加，如此操作减少膨胀空气对精馏的客观影响，保证膨胀空气不进入上塔，有效降低上塔回流量。另外，低温精馏后的氮气在冷却到饱和液体状态后也能进入下塔，这对压缩流程中氮气的膨胀处理具有一定有效性，也确保了低温精馏空分过程的经济合理性。
2.3控制膨胀空气量
设备运行过程中，膨胀空气进入上塔后，会产生不可逆的损失。为实现对其有效控制，需要考虑设备运行需要，选择合适的膨胀流程。膨胀空气进入上塔之后，利用上塔精馏潜力来提高氧气提取率。但在实际工作中需要注意的问题是，采用该种模式会对精馏造成不利影响，制约设备运行效率提升。为尽量减少影响程度，应该增加液空进料口到膨胀空气吹入口的塔板数量，进而实现对膨胀空气量的有效控制，让装置设备更为有效的运行和发挥作用。
2.4改进装置设计
空气分离过程中，为降低能耗，真正实现节约能源的目的，改进装置设计，提高装置设计水平是必要的。目前很多研究人员尝试对分子筛纯化系统、增压膨胀等技术进行研究，探索相应的改进方案。但这些研究成果所取得的成效较小，未能实现有效降低能耗的目的，也并没有较大幅度实现节能的目的。此外，在工艺流程设计上也没有实现新突破，目前仍然主要采用传统模式，难以起到良好的节能效果，对提高设备运行效率，节约能源产生不利影响。
3、结束语
总之，为促进空气分离装置更好发挥作用，提高设备运行效率，节约运行成本，应该采取有效措施降低低温精馏法空气分离的能耗。要注重改进和完善装置设计，注重设备日常巡视和检查，并提高工作人员素质，从而让低温精馏法空气分离工作有效开展下去，降低能耗，提高设备运行效率和综合效益。
参考文献：
[1]浅析空气分离方法和工艺流程的选择[J].巫小元，崔仁鲜，化国.低温与特气.2016（03）.
[2]深冷空气分离法在制氧系统中的应用研究[J].郭震.建材与装饰.2016（18）.
[3]低温精馏法空分装置概述及物料衡算[J].耿晶晶.化工设计通讯.2016（03）.
（作者单位：新疆美克化工股份有限公司）
关键词：低温精馏法；空气分离；能耗；节能分析
1、低温精馏法空气分离的主要能耗分析
当前我国钢铁与化工行业对氧气、氮气的要求越来越高，例如工业领域中的低温精馏法空分装置就非常普遍，但是其生产中所产生的能耗也相对较高，例如低温精馏状态下一个制氧作业区的电能能耗就要达到企业工业生产总电耗的1/5甚至以上。为此，本文有必要对这部分能耗进行细致有效的分析。
1.1精馏过程的能耗分析
空气分离主要消耗电能，分离过程中先压缩原料气，然后进行精馏分离，将产出的产品输送给用户并进行再次压缩，压缩过程中会产生能耗。整个装置运行和产品加工中，主要能耗发生在精馏过程，具体表现在以下方面。
（1）沿压力梯度的动量传递。上升蒸汽通过塔板产生压降，空分下塔采用筛板塔，上塔是填料塔，填料比筛板的阻力小很多。但设备运行中需要的高度更大一些，实际工作中不能忽视其中的阻力。为减小压降，可以降低气速，或者减小塔板上的液面高度，从而降低能耗，让设备更好运行和发挥作用。
（2）沿温度梯度的热量传递。对主冷负荷进行有效调节，可以达到控制装置能力的目的。主冷氮侧的压力高于氧侧的压力，不利于氮气蒸发液氧。减小主冷传热温度，降低下塔氮侧温度，需要的压力也降低一些，有利于降低能耗，并且在设计时还要选用高效换热器。
（3）沿浓度梯度的质量传递。空分塔热力学效率下降快，筛板的气相和液相在温度和组成上不平衡。例如，蒸汽变为液体时，蒸汽的含氮量小于液体平衡后的含氮量。为实现降低能耗的目的，应该采取相应措施，减少筛板之间传热和传质的推动力。
1.2其它能耗分析
除了在精馏过程中会产生大量能耗，其它几个过程也会有能量损失，下面从几方面阐述能量损失的过程：
（1）压缩过程。在空气分离时，首先要压缩空气，压缩机在对空气压缩时，并不是等温压缩，而等温效率是与电能消耗成反比，因此，为降低电耗，需要提高压缩机等温效率，通常采用的方法是使用冷却水，使各级压缩空气得到充分冷却。但是，冷却水也会带走一部分热量，造成空气压缩机电能损耗；
（2）冷损。在空气分离过程中，冷损主要包括液体产品带走的冷量、换热器产生的温差损失、冷跑等。为达到补充这部分冷损的目的，需要制取冷量，但是制取冷量过程中，也会消耗大量能量。但是，如果不能及时补充这部分冷损，就会造成冷损失过大，冷损失过大就要增加膨胀气量，这就会对精馏产生影响。因此，要控制好装置的能耗，控制冷损是很重要的一部分；
（3）氧气提取率和纯度问题。一般情况下，在空气量和氧气纯度一定时，氧气产量越高，氧气提取率就越高，而单耗就会越小。所以，需要提高氧气提取率。而氮气会带走一部分氧气，会导致氧气提取率下降，因此，也可以通过提高平均氮纯度来降低单耗。这里分析得到的启示就是，在实际操作过程中，如果减少氧气用量，操作人员就会减小氧气产量，同时也会降低空气压缩机压力，但是能量损失并没有随之减少。这主要是由于当氧气浓度下降时，就会增加分离氧气：的难度，使氧气单耗增大，从而造成能源浪费。所以，当减少氧气量时，要考虑减少主冷负荷，这样就会减少空气量，从而减少传递到上塔能量，达到降低能耗的目的，在减少氧气量同时，减少能耗，避免能源浪费。
2、低温精馏法空气分离的节能分析
2.1空分塔下塔節能改进
传统空分塔下塔所采用的是筛板塔，应该对其进行改造选择效率更高的填料塔。填料塔的高度更高，但空气阻力并不会因此增加。传统筛板塔一般通过增大塔径来解决高度问题，但如此操作空分塔下塔成本也会增加。而填料塔本身高度、塔径足够，且在能源利用方面仅为筛板塔的1/3，可节省能源消耗矛盾，因此选择填料塔能够实现能耗节约设计目的。
2.2空气量与过热度改善
由于当膨胀空气进入上塔后会造成巨大的不可逆损失，所以在设计过程中应该充分利用到上塔的径流潜力来有效提升针对氧气的提取效率。为此要对液空进料口膨胀空气吹入口塔板数进行相应增加，如此操作减少膨胀空气对精馏的客观影响，保证膨胀空气不进入上塔，有效降低上塔回流量。另外，低温精馏后的氮气在冷却到饱和液体状态后也能进入下塔，这对压缩流程中氮气的膨胀处理具有一定有效性，也确保了低温精馏空分过程的经济合理性。
2.3控制膨胀空气量
设备运行过程中，膨胀空气进入上塔后，会产生不可逆的损失。为实现对其有效控制，需要考虑设备运行需要，选择合适的膨胀流程。膨胀空气进入上塔之后，利用上塔精馏潜力来提高氧气提取率。但在实际工作中需要注意的问题是，采用该种模式会对精馏造成不利影响，制约设备运行效率提升。为尽量减少影响程度，应该增加液空进料口到膨胀空气吹入口的塔板数量，进而实现对膨胀空气量的有效控制，让装置设备更为有效的运行和发挥作用。
2.4改进装置设计
空气分离过程中，为降低能耗，真正实现节约能源的目的，改进装置设计，提高装置设计水平是必要的。目前很多研究人员尝试对分子筛纯化系统、增压膨胀等技术进行研究，探索相应的改进方案。但这些研究成果所取得的成效较小，未能实现有效降低能耗的目的，也并没有较大幅度实现节能的目的。此外，在工艺流程设计上也没有实现新突破，目前仍然主要采用传统模式，难以起到良好的节能效果，对提高设备运行效率，节约能源产生不利影响。
3、结束语
总之，为促进空气分离装置更好发挥作用，提高设备运行效率，节约运行成本，应该采取有效措施降低低温精馏法空气分离的能耗。要注重改进和完善装置设计，注重设备日常巡视和检查，并提高工作人员素质，从而让低温精馏法空气分离工作有效开展下去，降低能耗，提高设备运行效率和综合效益。
参考文献：
[1]浅析空气分离方法和工艺流程的选择[J].巫小元，崔仁鲜，化国.低温与特气.2016（03）.
[2]深冷空气分离法在制氧系统中的应用研究[J].郭震.建材与装饰.2016（18）.
[3]低温精馏法空分装置概述及物料衡算[J].耿晶晶.化工设计通讯.2016（03）.
（作者单位：新疆美克化工股份有限公司）