外行学空分(111)一一一点心得(4)

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   深冷空分是一个巨型的产业，空分成套设备是工业最重要的基础装备之一，这和空气原料的无处不在可以免费使用同时它的气体氧氩氮气及其它稀有气体产品在钢铁冶金石化电子产业有着极广泛的用途密切相关，正是由于这个原因深冷空分装置是世界上装备最多的成套工业设备，同时深冷空分装置也是耗能大户，消耗了大约10%的工业电量（空气压缩机械大约消耗工业用电的40%）。电耗或者能耗实际上是深冷空分装置的最主要的变动成本。降低能耗从来是深冷空分技术的最重要的主题。深冷空分技术已经有了一百多年的历史，就其发展来说可以划分为几个阶段，一个是深冷空分技术的发展初期，采用的是古典单塔制氧流程，这是深冷空分从无到有的开创时期，其技术的特征是高压空气，化学法结合冻结法纯化，石头蓄冷换热器，等温焓差制冷，单级常压精馏塔精馏分离。毫无疑问这个阶段制氧的能耗是很高的，同时由于受理精馏塔论塔板数有限的限制，氧氮气的产品纯度也不可能太高。至于制取其它气体产品当然难度就更大了！
  深冷空分技术发展的第二个阶段是所谓双塔流程的出现，古典单塔制氧流程（实际上是以空气为循环工质的开式热泵供冷供热空气的蒸馏工艺方案）由于采用液空做为精馏塔回流液，其污氮中的氧含量达到7%以上，氧的提取率只能达到60%-70%，这当然极大地提高了制氧能耗，同时也无法制取氮气产品！改进的方法则是在主冷凝器(其实是精馏塔的再沸器和冷凝器合二而一，这是开式热泵供冷供热精馏工艺方案的最重要的特征之一！)中增加一个不完整(只有精馏段而没有提馏段）的精馏塔(下塔)，这样主冷凝器既是下塔（氮气冷凝塔）的冷凝器也是上塔的再沸器和冷凝器，把原来的精馏塔回流液液空分离为液氮和富氧液空分别节流减压后进入精馏塔(上塔)作为回流液，这样当然就可以实现同时制取氧氮气了，也就是可以实现氧氮完全分离了，大幅度提高了氧提取率，相应大幅度降低了制氧能耗，这就是此后一百年间绝对主流的所谓双塔流程！由于此后一百年间再也没有发现可以实现氧氮完全分离的单塔深冷空分精馏流程，只有双塔流程可以实现氧氮完全分离成为了深冷空分技术专家牢不可破的观念，深冷空分教科书还对此进行了论证，这个论证过程及论证结论也成为了所有深冷空分技术人员必学必考的内容，也在很大的程度上阻碍人们发现可以实现氧氮完全分离的单塔深冷空分流程的可能性！但是这个论证过程和论证结论其实是有问题的！论证过程的问题是采用了不完全归纳法，论证结论和精馏理论常识存在重大的矛盾！
  深冷空分技术发展的第三个阶段是膨胀机制冷技术的出现，这是深冷空分技术的一个重大改进，采用膨胀机制冷比起等温焓差制冷效率高得多，这样空气的压力就可以大幅度下降了，大幅度降低了深冷空分能耗，但这也是深冷空分流程中空气开式热泵一膨胀制冷液化系统的终极改进了，此后深冷空分制冷液化系统的改进只在于不断地提高膨胀机的绝热效率，这已经是一个机械制造的问题与深冷空分技术没有太大的关系了！膨胀制冷技术的出现及膨胀机绝热效率的不断提高导致空压机出口压力的不断降低，出现了所谓全低压空分流程，但空分装置实际上是空气开式热泵精馏和空气开式热泵一膨胀制冷液化的联合装置，空分装置能耗由两部分能耗构成，既决定于空气开式热泵精馏效率也决定于空气开式热泵一膨胀制冷液化效率，而全低压空分流程（标准双塔流程工艺方案工艺参数）是否是空气开式热泵一膨胀制冷液化的优化工艺方案工艺参数呢？这是一个大问题，后面将进行详细的讨论。
   深冷空分技术发展的第四个阶段是吸附法纯化技术的出现，采用吸附剂在变温变压条件下对原料空气中的杂质进行吸附去除，从而提纯原料的方法是一个古老的技术。在上个世纪中叶以后采用变压吸附技术对混合气体进行分离提纯技术实现了工业化运用，甚至于发展出了变压吸附制氧技术成为与深冷空分技术竞争的一条技术路线。变压变温吸附技术对深冷空分技术的重大意义不仅如此，更重要的是建立在变压变温吸附技术基础上的纯化技术对深冷空分技术的发展带来了重大的影响！由于纯化器可以在很低的压力下将空气处理到满足深冷空分装置的运行要求，直接推动了全低压深冷空分流程的出现，一方面大幅度降低了深冷空分能耗，同时也使石头蓄冷器被板翅式换热器所取代，极大地稳定了精馏塔操作工况为全精馏制氩创造了前提条件。
0 {/ k! O4 ^1 R5 B& b   深冷空分技术发展的第五个阶段是规整填料的运用，在规整填料出现之前，由于塔板的阻力影响，深冷空分精馏塔设置的塔板很少，而所谓的双塔流程由于受到流程的限制其上塔提馏段回流气液比是基本固定的，氮气纯度是由下塔决定的，由于氮一氩氧分离系数很大，基本上是没有问题的，但氧纯度却受到氩成分的影响，氧氩分离系数很小，氧气产品只能达到95%左右！而要提高氧纯度则需要氧氩精馏分离（这其实已经是氧氮氩三元物系的精馏分离而不是氧氮二元物系的精馏分离），而氧氩沸点差距只有三度，要实现氧氩分离需要很多的理论塔板数，在规整填料出现之前是无法实现的，只能通过所谓的增效塔在一定程度上提高氧气产品纯度，规整填料的出现使全精馏流程提氩成为了可能，当然也就从根本上解决了氧产品纯度的问题。
   双塔流程的空分塔(上塔)是按照氮氩一氧精馏工艺方案进行精馏工艺组织的，这是由双塔流程的特性决定的，双塔流程要取得较高的氧提取率，对进入上塔的液氮数量必须达到空分装置的氧气产量的2倍左右，而要达到这个液氮数量，进入下塔的空气数量必须达到空气总量的80%-85%，这就决定了上塔提馏段的回流气液比达到0.65左右，这大大超过了上塔按照氮一氩氧进行精馏工艺组织提馏段所要求的回流气液比，而达到了上塔按照氮氩一氧进行精馏工艺组织所要求的回流气液比！在规整填料出现之前，上塔的理论塔板数很少，在保证氮气纯度和氧提取率前提下，提馏段理论塔板数就更少了，无法进行氧氩分离！氧气纯度只能达到95%左右，规整填料出现后，上塔理论塔板数大幅度增加，不但可以在上塔精馏段增加理论塔板数在保证氮气纯度的前提下，使膨胀空气可以全部进入上塔参予精馏从而进一步提高氧提取率，而且还可以在上塔提馏段增加理论塔板数，使氧气纯度进一步提高，超过了95%！现在大约达到了99.8%！但要进一步提高难度就非常大了！这是因为规整填料的出现使上塔理论塔板数大幅度增加，但在保证氮气纯度和氧提取率的前提下，分配给上塔提馏段用于氧氩分离的理论塔板数不可能很多（只有25-30块理论塔板数），而在双塔流程中上塔提馏段的回流气液比是有一个上限的（即空气全部进入下塔情况下的回流气液比！），而氧氩分离系数又很小，导致在保证氧气产品提取率的前提下，氧气产品纯度无法进一步提高。
    对于空分装置而言，以制氮和制取95%纯度的氧气产品都可以认为是氧氮二元物系精馏或近似氧氮二元物系精馏（即氮一氩氧精馏分离），而要求氧气产品纯度99.5%以（含氩0.5%以下）就是氮氩氧三元物系的精馏或近似氧氩二元物系精馏过程，，两者工艺方案及工艺参数存在重大的区别的，这个将在后面进行详细讨论。
( k# X( O5 j/ W) c% Y  Y6 y: m   不能不指出一个事实，那就是目前采用双塔流程的深冷空分装置全系统有效能效率目前还没有超过30%！但却看不到任何可行的大幅度降低深冷空分能耗的可行办法，这是值得所有深冷空分技术人员思考的一个问题。
    在开式热泵精馏工艺方案中，在开式热泵循环工压缩机等温效率70%时，采用多开式热泵供冷供热方案，开式热泵精馏有效能效率一般在50%以上（己经考虑实际工程条件），而深冷空分装置的有效能效率目前尚在30%左右，对于极端重视能耗水平，对于设备性能参数和实际工程条件的改进己经接近极限的空分装置而言，难道不值得深思吗？！

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还有一个重要的改进是所谓的增效塔或者叫做粗氩冷凝器，在规整填料出现之前及出现以后的一段时间，如何提高氧气产品纯度都是一个大难题，全精馏提氩更无可能！增效塔或者粗氩冷凝哭的就成为了提高氧气产量纯度的非常重要的手段，增效塔其实就是一个简易的粗氩塔！用富氧液空使富氩馏分中的氧冷凝返回精馏塔，粗氩则从精馏塔中排出，全精馏提氩流程出现后，增效塔就没有必要了，但在不提氩的情况下增效塔对于提高氧气产品纯度依然是最节能的办法，同时也极大影响了提氩流程中的粗氩塔流程。例如粗氩塔的进气是含氩的百分之十的馏分不是含氩百分之五的馏分就与增效塔有关，是否有利则大有可议。

Yb2021

在开式热泵供冷供热方案出现后，理论上己经可以实现精馏过程的完全可逆！采用多开式热泵供冷供热方案，则精馏本体部分有效能效率可以达到80%以上，在开式热泵循环工质压缩机等温效率70%的前提下，即使考虑实际工程条件（正返流阻力损失及压力循环工质气体冷凝器换热温差）的影响，开式热泵供冷供热精馏有效能一般也能达到50%以上！和目前深冷空分装置有效能效率30%左右依然差距巨大！