空气分离装置氧气及氮气产品的能耗折标系数计算

李国涛　李初福　张　峰　郜丽娟　郭　治

北京低碳清洁能源研究所　北京　102209



空气分离装置氧气及氮气产品的能耗折标系数计算

李国涛*李初福张峰郜丽娟郭治

北京低碳清洁能源研究所北京102209

氧气及氮气均为石油化工等化工过程装置运行的必需气体，其能耗折标系数数值大小直接影响气体使用装置的综合能耗水平的计算及评估。本文应用热力学的混合物最小分离功基本原理，通过热力学等相关计算得到从空气中分离获得氧气和氮气的最小分离功，并根据其最小分离功差别以确定氧气和氮气产品的能耗分摊系数，最后计算得到空气分离工艺过程的氧气产品和氮气产品的能耗折标系数。综合分析了氧氮回收率等计算参数对气体能耗分摊系数的影响，并以实例进行了说明，表明氧气氮气能耗分摊系数计算方法合理可行。

空气分离装置氧气氮气最小分离功折标系数

氧气和氮气均为石油化工等过程装置运行不可缺少的气体。目前，现有国家能耗计算相关标准如《综合能耗计算通则》GB/T2589-2008、《煤制烯烃单位产品能源消耗限额》GB30180-2013、《煤直接液化制油单位产品能源消耗限额》GB30178-2013等中给出的氧气及氮气的折标系数均为0.4kgce(千克标煤)/m3。石油化工等过程工业主要采用空气深冷分离等工艺过程同时生产氧气和氮气，由于空气中氧气和氮气的含量相差较大以及两种气体性质的差别，从空气中生产相同体积的氧气和氮气的难易程度不同，因此对于氧气和氮气的单位生产能耗均采用相同的能耗折标系数的确存在不合理之处，这直接影响了化工生产装置综合能耗水平的计算及评估准确性。本文应用热力学的混合物最小分离功基本原理[4]，通过热力学等相关计算得到从空气中分离获得氧气和氮气的最小分离功，并且根据其最小分离功差别以确定氧气和氮气产品的能耗分摊系数，最后计算得到空气分离工艺过程的氧气产品和氮气产品的能耗折标系数。同时，综合分析了气体回收率等计算参数对气体能耗分摊系数的影响，并以具体计算实例进行了说明，表明本文所提供的氧气氮气能耗分摊系数计算结果合理可行，可为各化工装置综合能耗的准确计算及评估提供有益借鉴。

1　最小分离功和能耗分摊系数

原料连续分离过程见图1，它将数量为nF、焓值为HF和组成为ZF的原料流股分离成为数量为nQ1和nQ2、焓值为HQ1和HQ2、组成为ZQ1和ZQ2的两股产品流股，期间不发生化学反应，并同时与外界发生热量Qt和功Wt的交换(本方法规定，从环境向系统传入热量和环境对系统做功为正)。

图1　原料连续分离过程

假定因为工艺过程引起的动能、位能和表面能的变化可以忽略时，则由热力学第一定律可得：

nFHF+Qt+Wt=nQ1HQ1+nQ2HQ2

(1)

根据热力学第二定律，同时进一步假定工艺过程为可逆过程，则有：

(2)

式中,SF、SQ1和SQ2为原料流股和两股产品流股的单位熵。

将式(2)各项乘以环境温度TO，并与式(1)相减后整理得：

T0SQ2)-nF(HF-T0SF)

(3)

根据最小分离功的定义，可以看出，最小分离功可以是外界提供的功或热能，它等于产物流股有效能和原料流股有效能之差，即：

T0SQ2)-nF(HF-T0SF)

(4)

当同一工艺过程生产多种产品时，每种产品i分摊能耗的比例系数称为能耗分摊系数，其计算公式：

(5)

式中,σi为产品i的过程能耗分摊系数；Wi，min，To为将原料分离为产品i的最小分离功。

2　空分装置能耗折标系数计算

空气分离过程最小分离功是空气分离为氮气和氧气产品所消耗的分离功下限，并且只有当空气分离过程为完全可逆时，其分离所消耗的功才是分离最小功。

2.1空分过程最小分离功

假定空气中组分为氮和氧两种组分，将空气分离为纯氧和纯氮，并假定空气原料、氮气产品和氧气产品为理想气体，则分离过程中的分离最小功可表示：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

2.2氧气和氮气能耗分摊系数

应用上文空气分离为非纯氧气和非纯氮气工艺过程的分离假设和最小分离功公式(公式10)：① 计算以一定纯度氧气为产品的空气分离过程最小分离功；② 计算以一定纯度氮气为产品的空气分离过程最小分离功；③ 根据以上最小分离功计算确定氧气产品和氮气产品的能耗分摊系数；④ 计算得到空气分离工艺过程的氧气和氮气产品能耗折标系数。

2.2.1氧气为主产品时空分过程最小分离功

(11)

2.2.2氮气为主产品时空分过程最小分离功

(12)

2.2.3氧气产品和氮气产品的能耗分摊系数

实际空气分离生产装置一般同时生产氧气产品和氮气产品，在此条件下，根据上述公式(11)和(12)计算得到的最小分离功，计算得到氧气产品和氮气产品的能耗分摊系数如下：

(13)

(14)

式中，σO2、σN2分别为空气分离过程的氧气产品和氮气产品过程能耗分摊系数。

2.3氧气和氮气能耗折标系数

根据氧气和氮气产品过程能耗分摊系数，同时考虑到两种气体产品的有效利用率，分别计算空气分离过程的氧气产品和氮气产品能耗折标系数如下：

(15)

(16)

若UO2≠0且UN2=0时，表示空分装置生产的产品氮气不被用至其他装置的情况：

(17)

若UO2=0且UN2≠0时，表示空分装置生产的产品氧气不被用至其他装置的情况：

(18)

式中，UO2、UN2分别为氧气产品和氮气产品的有效利用率，即空气经过深冷等分离过程后，分离所得氧气(氮气)中氧(氮)总量与空气原料中氧(氮)总量之比；αO2、αN2分别为空气分离过程氧气产品和氮气产品能耗折标系数，kgce(千克标煤)/Nm3(氧气或氮气)；Eair为以装置空气处理量为计算基准的空气分离装置单位能耗，kgce(千克标煤)/Nm3(空气)。

3　结果讨论

假设空气的干基组成见表1。

表1　空气的干基组成　(%)

另取环境温度为25℃，压力为1atm，经空气分离装置将该原料空气深冷分离得到氧气产品和氮气产品，经测算该装置的空气分离综合能耗约为0.17kgce/m3(空气)，其中氮气产品用于气体输送、开停工吹扫等场合，而氧气产品用作气化炉氧化剂。根据上文所提出的氧气氮气能耗折标系数计算方法考察了空分装置氧及氮回收率、氧气产品及氮气产品摩尔纯度、氧气产品及氮气产品有效利用率等因素对该空分装置氧气及氮气能耗折标系数的影响(计算时，假设氧气及氮气的回收率均为95%)，见图2、图3和图4。

图2考察氧气产品和氮气产品能耗折标系数分摊计算所采用的氧氮回收率对计算结果的影响，计算时当氧回收率取值逐渐增加，保持氮回收率取值(95%)不变，同理当氮回收率取值逐渐增加，保持氧回收率取值(95%)不变。可以看出，随着氧回收率取值增加，氧气能耗折标系数逐渐升高而氮气能耗折标系数逐渐降低；而随着氮回收率逐渐增加，氧气能耗折标系数逐渐降低而氮气能耗折标系数逐渐升高。

图3考察计算所采用的氧气氮气摩尔纯度对计算结果的影响，计算时当氧气摩尔纯度取值逐渐增加，保持氮气摩尔纯度(95%)不变，同理当氮气摩尔纯度取值逐渐增加，保持氧气摩尔纯度取值(95%)不变。可以看出，随着氧气摩尔纯度取值增加，氧气能耗折标系数逐渐升高而氮气能耗折标系数逐渐降低；而随着氮回收率逐渐增加，氧气能耗折标系数逐渐降低而氮气能耗折标系数逐渐升高。

图2　氧气氮气回收率参数对能耗折标系数影响

图3　氧气氮气产品摩尔纯度参数对能耗折标系数影响

图4　氧气氮气有效利用率参数对能耗折标系数影响

图4考察计算所采用的氧气氮气有效利用率对计算结果的影响，计算时当氧气摩尔纯度取值逐渐增加，保持氮气摩尔纯度(95%)不变，同理当氮气摩尔纯度取值逐渐增加，保持氧气摩尔纯度取值(95%)不变。可以看出，随着氧气有效利用率和氮气的有效利用率取值增加，氧气能耗折标系数以及氮气能耗折标系数均逐渐降低。同时可见，氧气和氮气有效利用率的取值高低对其能耗折标系数影响较大，在实际工业装置能耗标定中，应特别注意空分装置的氧气和氮气有效利用率的取值问题。

4　结　语

根据热力学的混合物最小分离功基本原理，确定空气分离过程氧气和氮气产品的能耗折标系数的计算方法，并根据具体事例计算分析了气体回收率等计算参数对气体产品能耗分摊系数的影响，计算结果合理可行，为各空分装置能耗计量以及其他化工装置综合能耗的准确计算提供有益借鉴。

1GB/T2589-2008,合能耗计算通则[S].

2GB30180-2013,制烯烃单位产品能源消耗限额[S].

3GB30178-2013,直接液化制油单位产品能源消耗限额[S].

4傅献彩、沈文霞、姚天扬等,物理化学[M].北京：高等教育出版社，2005.

5林文胜、顾安忠.氧气纯度与空分流程经济性分析[J].低温工程，1999,12(4):315-318.

**资助项目：国家高技术研究发展计划(863计划)(2011AA05A202)。

2016-08-11)

*李国涛：高级工程师。2012年毕业于天津大学化学工程专业获硕士学位。主要从事化工工艺与工程化工作。

联系电话：(010)57336137，E-mail:liguotao@nicenergy.com。