外行学空分(76)一一为什么新单塔流程只有一个氩富集区？

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5 W( l" E" _& X: j0 I  对于空气精馏来说，我们一般以空气入口区分精馏塔的精馏段和提馏段，空气入口以上为精馏段，空气入口以下为提馏段。双塔流程的上塔中有专家认为双塔流程的上塔有两个氩富集区，一是在提馏段，另一个在膨胀制冷空气入口以上。那么为什么新单塔流程却只在空分塔提馏段有一个氩富集区呢？
7 ?4 V3 U/ h/ l2 H1 }( y   新单塔流程空分塔和双塔流程的上塔虽然极为相似但却也有重大的区别，首先新单塔流程单热泵工艺方案中空气经膨胀制冷后全部由精馏塔中部进入精馏塔参予精馏，双热泵工艺方案中也有55%-80%的空气膨胀制冷后进入常压精馏塔参与精馏，而双塔流程中只有大约15%的空气经膨胀制冷后进入上塔中部参予精馏，其次新单塔流程中只有液氮，液空作为回流液而没有富氧液空。
   有专家认为，新单塔流程和双塔流程一样，由于空气的冲稀作用应该也有两个氩富集区。这种结论末免太武断了！双塔流程有两个氩富集区的根本原因在于双塔流程的提馏段，为了在空分塔底部得到纯度99.5%的氧气，双塔流程的提馏段是按照氮氩一氧进行精馏组织的，氩含量从下到上都是上升的，膨胀空气进入上塔（空分塔）冲稀了氩含量，从而分别在精馏段和提馏段分别出现一个氩富集区共两个氩富集区。其实这样的说法是错误的。
    双塔流程的上塔分为叁种情况，第一种情况是上塔按照氮一氩氧进行精馏组织，这样压力空气的30%经涡轮增压后在主换热器换热后膨胀制冷进入上塔，其余70%的压力空气进入下塔，上塔底部得到的是纯度约95%的氧气（其中含氩4%-5%），按照这样的精馏工艺方案，不但上塔的精馏段（富氧液空入口处以上）不存在什么氩富集区，提馏段也不存在什么氩富集区。
9 B7 H, b4 Z* n- n& P9 E   第二种情况是上塔按照氮氩一氧进行精馏工艺方案组织。那么经涡轮增压在主换热器换热后膨胀制冷空气的数量在压力空气数量的15%以下，85%以上的压力空气在主换热器换热后进入下塔。这样必须有污氮气引出才能保证氮气产品纯度，如果污氮气与氮气产品数量比例为1比1！污氮气中的氩含量约2%左右！富氧液空入口处对应的气相中氧含量在21%-26%之间（空气进入下塔的比例越高，氧含量越高）！氩含量在1.2%左右。富氧液空入口处气相中的氧氩含量并不与富氧液空处于平衡状态。这样的情况下，上塔提馏段从上塔底部以上25-30块理论塔板数处氩含量最高，可以达到20%-25%！然后迅速降低。富氧液空入口处以上是上塔精馏段，以污氮气引出口为界，以上是氮一氩氧精氩段，以下是氮氩一氧精馏段，污氮气引出口处是上塔富氧液空入口处以上精馏段氩含量最高的位置！可以认为出现了氩富集区！
: f* f$ O, q9 P    第三种情况是基于双塔流程的氧氩氮三元物系经隔板模型优化组织的精馏工艺方案，在粗氩冷凝塔（增效塔）未投入运行前，上塔上升气中的氩含量变化情况和第二种情况完全一致！但随着粗氩冷凝塔投入运行，情况就大不一样了，首先是随着氩馏分进入粗氩冷凝塔，上塔提馏段上升气中的氩含量由最高20%-25%迅速降低至10%！氩馏分引出口处的气相中的氩含量是上塔最高的位置！粗氩冷凝塔投运后，上塔富氧液空入口处对应气相中的氧，氩含量变化就比较复杂了，富氧液空入口处对应气相中的氧含量会显著降低，但氩含量却有明显的上升，其原因在粗氩冷凝器蒸发气化的富氧空气（氩含量约2%）在富氧液空入口处以下返回上塔参与精馏。这样富氧液空入口处以上的精馏段气相中的氩含量先是上升，随后再下降，氩含量最高处大约在富氧液空入口处以上2-3块理论塔板数处，往下至富氧液空入口处，往上至污氮气引出口，气相中的氩含量都是降低的，这就是所谓的上塔精馏段第二个氩富集区，实际上只是粗氩冷凝器蒸发气化的富氧空气返回上塔参与精馏，使富氧液空入口处对应气相中的氩含量与富氧液空中的氩含量不处于气液平衡状态，而造成的精馏工况扰动而已！
, u9 o9 C3 h  t, {( g9 t: M     新单塔流程的空分塔，第一种情况按照氮一氩氧进行精馏组织，那么80%的压力空气经涡轮增压后在主换热器换热膨胀制冷后进入空分塔参与精馏，20%的压力空气进入设置在空分塔底部的压力空气冷凝器中冷凝为液空，过冷后减压进入空分塔作为回流液。氮压机出口压力氮气在主换热器换热后进入设置在空分塔底部的压力氮气冷凝器中冷凝为液氮，过冷后送至空分塔顶部作为回流液。这样从空分塔底部只能得到纯度95%左右的氧气产品（氩含量4%-5%）！空分塔提馏段底部（即空分塔底部）是氩含量最高的位置，根本不存在什么氩富氧区！空分塔液空入口处为界（一般以原料空气入口处为空分塔精馏段和提馏段的分界处，但空气膨胀制冷后呈过热进入空分塔，以液空入口处作为空分塔精馏段，提馏段分界更合理），以下是空分塔提馏段，以上是空分塔精馏段，液空入口处气相中的氧含量约为7%，氩含量为0.36%！与液空组成处于气液平衡状态。液空入口处以上精馏段，上升气中的氧氩含量均降低，但氧含量下降速度比氩含量降低快得多，也不存在什么氩富集区。
( K6 X4 T) `$ u     第二种情况，空分塔按照氮氩一氧进行精馏组织，，这样占空气数量55%左右的压力空气经涡轮增压后在主换热器换热膨胀制冷后进入空分塔参与精馏，其余45%的压力空气在主换热器换热后世入设置在空分塔底部的压力空气冷凝器中冷凝为液空，过冷后送至空分塔中部作为回流液，氮压机出口压力氮气在主换热器换热后进入设置在空分塔底部的压力氮气冷凝器中冷凝为液氮，过冷后送至空分塔顶部作为回流液。在这样情况下，空分塔底部的氧气产品纯度可以达到99.5%（含氩0.5%以下），空分塔底部以上25-30块理论塔板数处上升气氩含量20%-25%！是一个氩富集区！空分塔液空入口处上升气中的氧含量约为7%，氩含量的为1%，如果没有引出污氮气，氮气中的氩含量约为1.1%-1.2%，如果引出污氮气，可以保证氮气产品纯度，污氮气和氮气产品为1比1，则污氮气中的氩含量约为2%！污氮气引出口是空分塔精馏段氩含量最高的位显！可以认为存在氩富集区，其原因是污氮气引出口以上是氮一氩氧精馏段，污氮气引出口至液空入口处是氩氮一氧精馏段！空分塔实际上已经是氮氩一氧精馏塔和氮一氩氧精馏塔的组合！其中污氮引出口以下的空分塔是氮氩一氧精馏塔，污氮气引出口以上是氮一氩氧精馏塔的精馏段！
   第三种情况是氧氩氮三元物系经隔板模型优化后的依次精馏工艺方案，采用空气，氮气，工艺氩气开式热泵供冷供热方案，其中空分塔氩馏分引出口以上的空分塔是氮一氩氧精馏塔，液空入口处的氧含量约7%，氩含量约为0.36%！和第二种情况完全一致！氩馏分引出口以下的空分塔加粗氩冷凝塔是气氮氩一氧精馏塔。
2 B; c+ O; c3 p( Q% h7 m% D7 P+ X( s# x    不区分各种不同的情况，泛泛而谈什么氩富集区是很不严谨的。
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Yb2021

   严格地说，无论是双塔流程的上塔还是新单塔流程的空分塔都只在提馏段有一个氩富集区，其峰值出现在氩馏分引出口，而氩馏分引出口上下气相中的氧含量都是下降的。这是因为氩馏分引出口以下是氮一氩氧提馏分离，而氩馏分引出口以下是氮氩一氧提馏分离。至于膨胀制冷空气及富氧空气入口处只是由于两股气相中的氩含量不同而形成的扰动而已！