空分存在下游用户氧气需求阶段性、间歇性或不均衡性等特点。频繁的变负荷要求空分研究者们对空分设备的操作可行域有更为完善的了解,尤其是操作变量与产品质量之间内在联系。本文构建了以氧氮液化流程为例的空分装置操作柔性分析命题,建立包括多股流换热器在内的空分全流程模型,分析了空分流程各主要操作变量的可行域和操作柔性,以期为理论研究和工业应用提供合理依据。本文工作主要包括以下几个方面:(1)对设计和操作的柔性分析命题及柔性指数计算方法进行完善的综述,确定了以工业装置的柔性指数和可行点个数为两种柔性分析指标。以换热网络为例进行设计和操作柔性分析对比,比较两者在变量数、方程数和自由度上的区别,讨论了调节公用工程冷却量、出口温度约束和换热器面积对可行域和柔性指数的影响。通过比较发现,受到设备参数的限制,操作可行域远小于设计可行域。其中出口温度约束和换热面积对调节操作可行域影响较大。确定了适宜出口温度控制在±3 K左右时,柔性指数和可行域面积与温度波动之比最大,与产品流股直接相关的换热器面积为正则值的1.2倍时,柔性指数和可行域面积最大。(2)采用分级超结构建模方法Stage-Wise(SW)建立了多股流换热器的等价换热网络模型,由13个双流换热器通过调整分流比例,通过参数估计得到换热器面积,可实现多股流换热器的操作分析,模拟结果与原流程的平均相对误差约为0.3%。(3)以空分设备中的氧氮液化流程为研究对象,用等价换热网络替换多股流换热器构建操作模型进行流程模拟。分析了单个变量和多个变量的操作可行域,除了膨胀机出口压力以外的各单变量的可行域都在正则值±4%左右。两个进料流量的平面可行域柔性指数均为0.1,主要限制因素是增压透平膨胀机组的功率。该操作模型有效地完成了操作过程模拟和柔性分析。