CN1459745A - 空分产品能耗分摊比例计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种确定空分生产能耗在各产品间分摊比例的计算方法，包括：氧－氮－氩及其混合物的物性计算，精馏计算，空分流程计算，其特征在于：分别计算出单独生产氧或氮的单高纯产品空分装置的能耗、同时生产氧和氮的双高纯产品空分装置的能耗以及同时生产氧、氮、氩产品的空分装置的能耗；氧或氮为主导产品时，单高纯产品空分装置的能耗即为氧或氮的耗耗，双高纯产品空分装置能耗减去单高纯产品空分装置能耗即为非主导产品之能耗；将氧氮分别为主导产品时的能耗进行平均，即可得出氧氮均为主导产品时的能耗；以同时生产氧氮氩产品空分装置的能耗减去同时生产氧氮产品空分装置的能耗，即可得到氩产品的能耗。

Description

空分产品能耗分摊比例计算方法

技术领域

本发明提供了一种空分产品能耗分摊比例的计算方法。

技术背景

空气分离(以下简称空分)装置通过将空气压缩、液化、精馏分离获得氧、氮、氩等气体产品。长期以来空分装置产品(主要为氧、氩、氮)的能耗分摊比例核算一直缺少科学、准确的计算依据，产品能耗分摊比例一般都是根据经验估算。而且不同类型(或流程)空分装置的产品能耗比例按照相同的比例分摊，这实际上是不合理也是不准确的。

不同流程形式、不同厂家生产、不同控制方式的空分设备的能耗有很大差别，多台机组运行有最佳化(产量最高、能耗最低)的问题。因此，准确界定氧、氩、氮产品能耗分摊比例，能够在降低能耗、提高经济效益上有的放矢，在成本核算、价格制定上有据可查，实现效益最大化。

确定空分各产品能耗分摊的困难在于空分产品是同时、连续生产的，一种产品的生产依赖其它产品的同时分离，对现有设备来讲，停止任何一种产品的供出，其它产品也将因纯度恶化而终止生产，因此无法在空分装置上直接测出产品能耗。

精确分析氧、氩、氮产品的能耗指标，须在空分精馏计算的基础上，根据不同精馏工艺，找出气体分离中氧、氩、氮能耗的内在联系，进而确定能耗分摊比例。而空分系统的气体分离是一个复杂的流程，涉及到空气的压缩、液化、精馏、热交换、膨胀等过程，空分计算必须建立在氧—氩—氮三元系统的物性计算基础上，而后构建精馏计算模型，完成空分流程计算。这里通过氧—氩—氮物性计算和精馏计算模型，提出了一种计算空分产品分离能耗即成本计算方法。

计算前提条件

进行空分产品成本计算，首先要掌握空分流程计算方法。空分流程计算大致有三个关键环节：1)氧—氩—氮及其混合物的物性计算；2)精馏计算；3)整个空分流程的模拟计算。其中重要的是正确建立精馏计算模型。

1)物性计算

以Harmens状态方程为基础 $P=\frac{\mathrm{RT}}{V-b}-\frac{a}{V^2+3\mathrm{bV}-{2b}^2}$ 式中    P-压力(atm)    T-温度(K)    V-摩尔体积(cm³/mol)

    R-气体常数     a，b-参数对于纯物质 $a={\mathrm{\Ω}}_a{R}^2{T}_c^2/T_c$

                       b＝Ω_bRT_c/P_c式中

                  Ω_a＝K-Lτ+Mτ²-Nτ

                  Ω_b＝0.070721

                  τ＝0.01T对混合物，采用以下混合规则 $a=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{x}_i{x}_j{a}_{\mathrm{ij}}$ $b=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{x}_i{b}_i$

2)精馏计算

任何以理论塔板(或平衡级)为基础的严格精馏计算均包含联解以下基本方程组，结合模型塔和理想平衡级关系可列出：

(1)相平衡方程组(E方程)

                        y_i，j＝k_i，jx_i，j

(2)物料平衡方程组(M方程)

     V_j+1y_i，j+1+L_j-1x_i，j-1+F_jZ_i，j-(V_j+W_j)y_i，j-(L_j+U_j)x_i，j＝0

(3)能量平衡方程组(H方程) $V_{j+1}{H}_{j+1}^v+L_{j-1}{H}_{j-1}^l+F_j{H}_j^F-(W_j+V_j)H_j^v-(L_j+U_j)H_j^l-Q_j=0$

(4)摩尔分数加和方程组(S方程) $\underset{i=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{i,j}=1$ 及 $\underset{i=1}{\overset{c}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{i,j}=1$

其中V_j、L_j分别表示塔内上升气量和下流液量；F_j、Z_j表示输出产品流量与组成；W_J、U_J分别表示汽相及液相进出量；H_j ^V、H_j ^I、Q_j表示各级汽液相焓值与冷损值。

描述精馏过程的MESH方程组是非线性的，求出精确解尚有困难，通常采用逐次逼近法求解。将相平衡方程(E方程)和物料平衡方程(M方程)进行变换，并由塔顶至各板间截面作总的物料衡算，ME方程改写成矩阵形式

或

                           A_jX_i，j＝D_j

对于指定的精馏塔，一般精馏过程求解步骤如下：

(1)假定x_i，j、T_j、V_j初值；

(2)计算物料平衡矩阵系数，用高斯消元法求解ME方程，从而得到各层理论塔板上的液相组成；

(3)用S方程检验平衡级温度，若不正确，利用泡点计算求解新的平衡温度；

(4)用H方程校验并计算气相流率；

(5)重复以上(2)-(4)步骤，直至满足收敛准则。精馏计算框图略。

对于不同的精馏塔，各塔的流程组织、进出物料、热量分配都不相同，相应的求解各塔精馏过程的数学模型也不尽相同。根据各塔不同情况，参照模型塔建模理论和方法，就可以分别建立并求解各塔的MESH方程组。

3)流程计算

根据物性计算方法，以精馏模型为基础，结合空分流程特点，可以完成各空分的流程模拟计算。

发明内容

1、空分产品能耗分摊比例的计算方法和步骤

(1)以单独生产氧产品的空分装置(即单高纯产品精馏塔流程-简称单高塔)为研究对象，通过精馏模型计算得出计算参数，进一步计算出空压机能耗，所有发生能耗作为氧产品的能耗；

(2)以生产氧、氮产品的空分装置(即双高纯产品精馏塔流程-简称双高塔)为计算对象，同上方法计算出空压机能耗，总能耗中减去氧产品能耗，作为氮产品的能耗；

(3)以生产氧、氮、氩产品的空分装置为基础计算，在总能耗中除去(2)项的能耗，即为氩的产品能耗。

(4)以上计算是以氧为主导产品。当以氮为主导产品时，计算方法类似(首先以单独生产氮产品的空分装置(单高塔)为计算对象，所有发生能耗作为氮产品的能耗；然后分别计算氧、氩产品能耗)。

(5)目前空分装置将氧、氮、氩同时作为主导产品，将以上两种计算结果平均即可。

(6)以上(1)-(5)计算得出氧、氮、氩分离能耗，当产品以不同形式送出时(如压缩、液化等)，整体能耗改变，氧、氮、氩产品能耗以及分配比例也在改变。在分离能耗的基础上，考虑各种产品形式的能量消耗和相互关系，能够计算出最终产品能耗的分配比例。

2、计算公式与参数选择

空分装置主要能耗在空气压缩机，而空压机出口压力取决于塔高(塔板数、塔效率)和产品出口压力。离心式压缩机功率计算为 $w=\frac{1}{\mathrm{\η}}\frac{k}{k-1}{\mathrm{ZR}}_{m}T[1-{\left(\frac{p_2}{p_1}\right)}^{\frac{k-1}{k}}]---\left(1\right)$ 其中k-绝热压缩系数，空气取1.4；Z-压缩性系数，部分数值见表1；R_m-理想气体常数，取8.3143kJ/(kmol·K)；T-气体入口温度，K；P₁、P₂-气体进、出口压力，Pa；η-压缩机效率。

3、考虑因素及假定

(1)对比计算流程的空压机效率相等；

(2)对比计算的空分塔塔板效率相同；

(3)对比计算的空分塔主冷温差相同；

(4)氧、氩、氮产品出空分塔为常压且压力相同。

(5)对于实际气体压缩过程功耗，由理想气体绝热压缩公式，考虑实际气体的可压缩性。几类气体的压缩性系数见表1。

                  表1几类气体的压缩性系数Z*

压力(kgf/cm2)	空气	氧气	氮气	氩气
					5	0.9988	0.9977	0.9987	0.9637
10	0.9973	0.9949	0.9984	0.9617
					15	0.9958	0.9921	0.9981	0.9596
20	0.9943	0.9892	0.9977	0.9575
					25	0.9927	0.9866	0.9975	0.9555
30	0.9911	0.9839	0.9972	0.9534

表中进口温度取30℃；中间压力所对应的压缩性系数用插值法确定。

本发明具有如下积极效果

1、掌握空分物性计算方法，进一步开发精馏计算、流程计算方法，是空分成本计算的基础和条件。

2、“空分产品成本计算方法”是目前空分行业中一种全新的计算方法，能够客观、准确地确定空分氧、氩、氮能耗分配比例，为工业气体生产企业提供成本计算方法。

3、各种产品气体产出形式变化的情况下，氧、氩、氮在总能耗中的比例，可以灵活计算。

具体实施方式

针对某钢铁公司60000Nm3/h空分，应用以上计算方法进行了成本核算，计算结果见表2。

                                      表2

项目		单高塔(氧气)	单高塔(氮气)	双高塔(不提氩)		双高塔(提氩)
								上塔	下塔	上塔	下塔
				理论塔板数		17	15					52	33	46	33
加工空气量Nm3/Nm3O2		5.2	3.0					5.0365		4.953
				空压机出口压力(105Pa)		3.4	4.0					6.2		6.5
空压机能耗(kJ/kmol)		20345.96	9414.99					31959.06		32467.62
				氧、氮、氩分离能耗比例	以氧为主导产品	62.67％∶35.77％∶1.57
以氮为主导产品	56.58％∶41.86％∶1.57％
							综合平均	59.62％∶38.81％∶1.57％
单位产量	1∶0.488∶0.736

注：表中“理论塔板数”是利用精馏计算模型由已知条件计算得出；“空压机能耗”由式(1)计算得出；“氧、氮、氩分离能耗比例”项中的“综合平均”是将“以氧为主导产品”和“以氮为主导产品”的能耗比例平均得出，而“单位产量”表示单位产量产品的能耗即单耗。

表中“单高塔(氧气)”、“双高塔(不提氩)”、“双高塔(提氩)”分别对应于发明内容中“计算步骤”中的(1)、(2)、(3)项。

Claims (1)

1、一种空分产品的成本计算方法，包括：氧—氩—氮及其混合物的物性计算，精馏计算，整个空分流程的模拟计算，其特征在于：

a、计算步骤：

(1)以单独生产氧产品的空分装置即单高塔流程为计算对象，通过精馏模型计算得出计算参数，进一步计算出空压机能耗，所有发生能耗作为氧产品的能耗；

(2)以生产氧、氮产品的空分装置即双高塔为计算对象，用上方法计算出空压机能耗，总能耗中减去氧产品能耗，作为氮产品的能耗；

(3)以生产氧、氮、氩产品的空分装置为基础计算，在总能耗中减去(2)项的能耗，即为氩的产品能耗；

(4)以上计算是以氧为主导产品，当以氮为主导产品时，首先以单独生产氮产品的空分装置即单高塔流程为计算对象，所有发生能耗作为氮产品的能耗；然后分别计算氧、氩产品能耗；

(5)空分装置将氧、氮、氩同时作为主导产品，将以上两种计算结果平均即可；

(6)以上(1)-(5)计算得出氧、氮、氩分离能耗，当产品以不同形式送出时，整体能耗改变，氧、氮、氩产品能耗以及分配比例也在改变，在分离能耗的基础上，考虑各种产品形式的能量消耗和相互关系，能够计算出最终产品能耗的分配比例；

b、计算公式与参数选择：

空分装置主要能耗在空气压缩机，而空压机出口压力取决于塔高、塔板数、塔效率、和产品出口压力，离心式压缩机功率计算为： $w=\frac{1}{\mathrm{\η}}\frac{k}{k-1}{\mathrm{ZR}}_{m}T[1-{\left(\frac{p_2}{p_1}\right)}^{\frac{k-1}{k}}]$

其中：

k-绝热压缩系数，空气取1.4；

Z-压缩性系数，部分数值见表1；

R_m-理想气体常数，取8.3143kJ/(kmol·K)；

T-气体入口温度，K；

P₁、P₂-气体进、出口压力，Pa；

η-压缩机效率；

c、考虑因素及假定：对比计算流程空压机效率相同；对比计算的空分塔塔板效率相同，主冷温差相同；氧、氩、氮产品出空分塔为常压且压力相同。