外行学空分(68)一一二元组分和三元组分模拟运算异与同

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   无论是深冷空分教科书还是厦大的(单塔深冷空分工程条件下模拟沦证报告)在进行深冷空分流程模拟运算及叙述时均采用氧氮二元组分，而不采用氧氩氮三元徂分，这当然也是有其合理性的。首先空气中氩气的组分仅占约1%，和氧氮根本不存一个数量级，其次氧氮氩三元组分的运算量比氧氮二元组分的运算量大得多！当然这对于计算机运算来讲只是一个小问题，更严重的问题在于这将对流程的叙述比较带来很大的难度，变得非常复杂很不简明。一般仅在讨论提氩的时候才对深冷空分流程进行氧氮氩三元组分的运算。
   厦大在完成了(单塔深冷空分流程工程条件下模拟论证报告)后，有几个教授写了一篇论文，该论文采用氧氮氩三元组分模拟运算，得出的结果是在氮纯度99-9%，氧纯度99-6%的情况下，新单塔流程氮气压缩量比原论证报告高20%，有人认为该结果是对原论证报告的否定！于是乎就成为了一个问题。对于这个问题到底应该如何解决                                       
    这个问题不是一个简单的问题，三元物系的精馏分离其复杂性要超过二元物系的精馏分离好几倍！二元物系的精馏分离涉及的问题只有单热泵及多热泵组织方案及塔板数和回流比的问题。而三元物系涉及的问题则复杂得多了。需要考虑的问题太多了！
8 O6 _% U6 l, c$ G9 |    第一个问题如何进行精馏组织？这就涉及许多因素，各个组分的比例，各组分价值如何，对各组分的纯度有什么要求，都必须加以考虑才能制定出合适的三元物系精馏工艺方案。还需要对不同的工艺方案进行比选和优化。才能最终确定三元物系的精馏工艺方案。
: K& y2 x% B( e* \/ b   第一种情况，不提氩，但要求氧气纯度达到95%，氮气纯度达到99,9%，那么在这样情况下双塔流程是如何组织工艺方案的呢？一，空压机出口压力5,6bar，60%的空气进入下塔，40%的空气用于膨胀制冷（其中10%的空气无法进入上塔参与精馏，只能旁通回收冷量）。
    新单塔流程有两个工艺方案。一是单热泵精馏工艺方案。在这种情况下，其工艺方案如下，一是空压机出口压力由空分装置需要的制冷量决定，空气全部过膨胀机制冷。二返流氮气在常温下经两段压缩至5,4bar，数量为空气压缩量的60%。新单塔流程的第二个工艺方案如下，一是空压机出口压力4,3bar，其中20%进入设置在空分塔底部的空气冷凝器中冷凝为液空送至空分塔精馏段作为回流液。其余80%的空气经涡轮增压后用于膨胀制冷。二返流氮气在常温下经两段压缩压力为5,4bar，压缩量为空气数量的44%。
    第二种情况，不提氩，但要求氧气纯度达到99,5%以上。这样情况下，双塔流程的工艺方案是空气数量的85%进入下塔，15%用于膨胀机制冷。氩组分从污氮口排出，氧提取率略低。
     新单塔流程在这样情况下则有两个工艺方案。一，单热泵工艺方案，其它不变，返流氮气压缩量从占空气数量的60%提高至94%！二，空压机出口压力4,3bar，其中45%的空气进入设置在空分塔底部上的空气冷凝器中冷凝为液空送至空分塔精馏段作为回流液。返流氮气在常温下经两段压缩至5,4bar，压缩量为空气数量的44%。
   第三种情况，提氩，要求氧气纯度达到99,5%，氮气纯度达到99,9%。在这样情况下，双塔流程空分塔部分的工艺方案保持不变，从空分塔提馏段引出富氩馏分在粗氩冷凝塔中提氩。粗氩冷凝器用富氧液空作为冷源，气化后的富氧空气从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处返回上塔。新单塔流程的空分塔工艺方案保持不变，从空分塔提馏段引出富氩馏分同样在粗氩冷凝塔中提氩，粗氩冷凝器用液空或液氮作为冷源，气化后的空气和膨胀机后的空气汇合后进入空分塔。气化后的氮气和空分塔顶部的氮气汇合。
2 |# r1 G* v. L    当然无论是双塔流程还是新单塔流程都可以采用开式热泵精馏提氩工艺方案。

我几天前跟一位同事说起过这事，我说空分网上有一位异想天开者，还是中科大毕业的，当过一家化肥厂的总工程师和厂长，后来不知何故不干了，他提出了一种空分流程……开始他很感兴趣，还说“历史往往就是异想天开者推动的”，我说“异想天开的99%以上都是错误的”。后来他看过几个帖子后，说“确实不懂空分”。

我说要以氮氩氧三元计算，并不是要你这样去做精馏塔计算，而是说在确定塔底热负荷时，就应该考虑空气中氩组分的存在，除非你只生产95%的低纯度氧气。这是因为氮-氧相对挥发度与氩-氧相对挥发度相差较大，氩-氧精馏分离所需的塔底再沸器负荷比氮-氧分离大，你以氮氧二元计算，实际起作用的就是氮-氧之间的相对挥发度，这样计算出的再沸器负荷必定偏小。
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. u' V. {9 f0 ~- M0 R8 O当生产99.6%或更高纯度的工业氧气量，空分无论提氩与否，上塔底都是氩-氧精馏分离，因此塔底再沸器负荷必须以氩-氧精馏分离来考虑。你提氩可以提高空分的氧提取率，空气量可以减少，但受回流比限制，塔底再沸器负荷是不能减少的。当然你也可先以氮-氧精馏计算热负荷，然后再乘以1.2。

你的流程所需循环氮气量负荷很容易计算出，就是全低压双塔流程空气量的95%左右，0.89*1.07=0.95。全低压流程提氩时，适宜进上塔膨胀空气量是精馏空气总量的11%左右，那么进下塔就是89%；相同压力下，空气潜热是氮气的1.07倍。

生产95%或更低纯度的氧气产品时，上塔底基本没有氩-氧精馏分离，可看作还是氮-氧精馏分离，此时塔底再沸器负荷可以降低，也就可以节能。一般认为95%氧气的单耗比99.6%氧气单耗低20%左右，实际正是塔底再沸器负荷不同引起的。氮-氧二元计算结果实际上相当于生产95%的低纯度氧气。
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你在网上搜索“热泵空分”，可以找到2014年浙江工业大学的那篇文章，他说的就是这种流程，他已经意识到低温压缩不可行。这个流程是很容易想到的，我在20多年前(大约1994年)也设想过这种流程，但与双塔流程比较后，认为不如双塔流程。