空分是对空气进行分离,得到氧、氮、氩等高纯工业气体的国民经济重要行业,其产品广泛用于石油、化工、冶金、电子、能源、航空航天、食品饮料、医疗保健等各种工业领域。但随着经济的发展,空分行业的生产能力和能耗问题成为该行业进一步发展的瓶颈。本文在对目前节能效率最高的内部热耦合精馏塔技术的深入研究和对空气分离过程初步优化设计的基础上,尝试把该节能技术应用到低温空气分离过程中。主要工作与成果有: (1) 采用Aspen流程模拟软件,建立了空气分离的仿真模型,并进行了灵敏度分析和操作调优,提升了原有空气分离装置的生产能力。 (2) 采用自主编程的方法,建立空分的数学模型并求解。同时建立空分过程的优化模型,采用SQP优化算法对装置进行优化设计,进一步提升了生产能力。 (3) 采用热力学分析方法,对常规中压流程和低压流程进行了有效能的计算分析,找到进一步提升装置节能潜力的途径—减少精馏塔的有效能损失。 (4) 把内部热耦合技术从原来的中低纯度扩展到高纯度系统,以满足空气分离过程的要求。对高纯内部热耦合精馏塔的动态特性进行了定量定性的详细分析。研究发现:高纯内部热耦合精馏塔具有反向响应,强烈不对称非线性和对外部扰动高敏感度的特点。同时该系统又是一个具有强耦合作用和定向增益问题的病态系统。针对这些动态特性,设计了有效的控制方案。此外还把内部热耦合技术的应用范围扩展到了超高纯度,并通过设计一个前馈和原有反馈控制器相结合的方案,有效地解决了该系统对进料流率的扰动高度敏感的难题。 (5) 内部热耦合技术应用到高纯度的空气分离过程中。尝试了概念设计工作,指定了合理的参数,设计了新的空气分离流程,探讨了热耦合的结构方式,并提出了两种较可行的方案作为备选。在此基础上,给出了其中一种方案的数学描述。研究发现:新型的内部热耦合空气分离精馏塔能比原来的空分装置节能约17.5%。