外行学空分(106)一一再论热泵(四)

  深冷空分流程中精馏回流液及提馏回流气的数量和热泵循环量是什么关系呢？如果不考虑液体减压过程的气化率，则现有双塔流程中上塔的回流液（液氮加富氧液空）完全等于热泵循环量。而上塔提馏上升气数量也只与热泵循环量成正比（热泵循环工质冷凝热和空分塔底部高沸点组分气化热的比值）。可以说热泵的运行参数完全决定了精馏的回流液气比和回流气液比。不了解深冷空分流程中的热泵运行情况如何能够做到知其然且知其所以然！例如深冷空分流程是自热精馏流程，这一点没有人能够否定吧？但不涉及热泵你就无法讲清楚这个问题！而就只能视而不见避而不谈！例如为什么上塔的液体数量越大越有利于氧气产品纯度提高？从常规精馏来说，这种讲法几乎近于胡说八道，为什么在深冷空分流程中却是事实？原因很简单，因为深冷空分流程是开式热泵精馏流程，上塔液体数量越多，说明热泵循环量越大，提馏段回流上升气的数量成比例增加，又由于高沸点组分的相变热总是大于低沸点组分的相变热，回流气液比增大，当然有利于提高高沸点组分的产品纯度！相当于常规精馏时蒸汽冷却水消耗同步提高，当然有利于氧气产品纯度的提高。
    下面我们来讲一下深冷空分流程中各个单体设备与热泵的关系，以双塔流程为例。空气压缩机，它当然是精馏原料的输送设备及膨胀机制冷循环工质的压缩设备，但它同时也是热泵循环工质压缩机，它85%的压缩空气是用于热泵循环。纯化器，它既是精馏原料空气的纯化器是精馏原料的预处理设备。主冷凝器，它是开式热泵的高温高压换热器，下塔也可以认为是高温高压换热器的一部分。液氮和富氧液空减压阀，它是热泵循环工质的液体减压阀。至于上塔则是热泵的服务对象一一空分精馏塔！整个双塔流程中除了膨胀机外，其它都是开式热泵的组成部分和服务对象。
   

( O' ^7 i+ P7 F5 ~0 ]1 ^+ d
空分上塔下部(氩馏分抽口以下)最大回流比的计算。如果氩馏分中氩含量10%，此处氩-氧的相对挥发度是1.5，上塔底产品氧纯度99.7%，求上塔下部的最大回流比Rm。
# i' K* ]0 q  K1 f" w5 Z9 `" z
. h' @$ v% I5 _% _7 v( s3 H8 L空分上塔下部几乎没有氮组分，可以看作是氩-氧二元精馏分离。设上塔下部氩馏分抽口处上升气量是1，回流液体量是x，则上升气中氧含量是0.9，产品氧的产量是x-1，而回流液中氩含量是(1*0.1+(x-1)*0.003)/x，回流液中氧含量是(1*0.9+(x-1)*0.997)/x

6 P1 g, k* b% Q# A最大回流比时，此处气液相之间达到平衡，故有
α=(0.1/((1*0.1+(x-1)*0.003)/x))/(0.9/((1*0.9+(x-1)*0.997)/x))=1.5
- I6 a/ z1 y8 R' \0 }解出x=1.47
此即上塔下部的最大回流比Rm。

; x2 F. U( k$ ?% V. A; d9 s实际回流比R可以取最大回流比Rm的0.95倍左右，所以实际回流比
0 k7 z1 r1 M. S& yR=1.47*0.95=1.4
8 s# l% I: m4 n5 j% E& c
& @3 W7 u" }& d; ~如果氧产品纯度降低，或氩馏分中氩含量降低，则最大回流比和实际回流比都可以增大一些。
5 A1 R/ G9 `+ o9 h) }/ E
8 Z1 Z. R! f( v8 W# U% \8 p2 \目前几乎所有生产99.7%左右氧纯度的大型空分设备的上塔下部回流比都是在1.4左右，其中全低压流程稍大一点，内压缩流程稍小一点，但很少有超出1.35~1.45范围的。

, y1 A4 w! h$ b8 c上塔下部回流比1.4，相当于回流液量是氧产量的1.4/(1.4-1)=3.5倍；全低压流程上塔下部回流比稍大一点，比如R=1.43时，回流液量是氧产量的1.43/(1.43-1)=3.3倍。
( F& f# I2 Y& T( y. Z
, ~+ P4 e# D4 b$ s# l( j" L$ ]上塔下部气液相潜热大约是进下塔空气潜热的1.29倍，所以氧产量10000全低压流程空分需要进下塔的空气量大约是：
10000*3.3*1.29=42570
6 x, c! Z, ]; w+ v. d3 \4 p; K
如果加工空气量是50000，那么进下塔空气量占比是42570/50000=85%，进上塔膨胀空气量占比15%
% z# q/ D) Q0 x% _1 K/ [4 S1 \
空气中氮组分潜热比氧小一点，所以在主冷热负荷相同时，进主冷氮气量会比进下塔空气量多7%。尤总的新单塔流程，如果氧产量10000，氧纯度99.7%，而且氩馏分中氩含量也是10%，那么需要进主冷的循环氮气量是：
( h2 ^4 a, n6 j5 x$ B/ G' v2 M42570*1.07=45550

尤总的新单塔流程10000空分进主冷氮气量只有23000，这个循环氮气量连生产95%氧纯度都不行，只能生产90%甚至更低纯度的氧产品。
  W+ p: D& ~/ s8 R: w4 V( D

先生矣于氩馏分的高论，我没有发言权，因为我只做过氧氮二元物系的模拟运算，怒不回复。至于新单塔专利流程的氮气压缩量，先生所讲100l0立方米制氧，氮气压缩量23000立方米，这个数据出处何在？先生还是先认真看一下厦大的论证报告再发表高见，是不是会好些？

氮气压缩量23000在专利第7页，“本发明的第二种实施例”，倒数第3行，“其中标准流量为23000m3/h的氮气经氮气压缩机甲NP2压缩至0.58MPa……”

专利第8页(说明书第6页)也有氧气流量10000，进主冷氮气量23000
& Y0 M. L3 m5 C, p$ B+ Q& j
9 Q! S6 K  W: c  c* M- \: u8 p* z

我发一篇杭氧1994年翻译过来的文章，或许对尤总了解空分精馏过程有点帮助
  P& m" `9 U) b( j

文章中，上塔下部效率最高时的回流比L/V是1.3左右，应该是以前筛板上塔的情况，当前空分上塔普遍用阻力更小的规整填料塔，最高效率时的回流比L/V应该是1.4左右。

先生辛苦了，谢谢指教。专利文件中确实有这部分内容，其中的氮气压缩量的参数是错误的，若非先生指出，我几乎忘记了这个事。这个错误在厦大的论证报告中已经得到纠正，但专利文件已经不可能修改了，再次感谢先生的指教。