外行学空分(137)一精馏的组织和优化(二)

Yb2021

    前帖对精馏的组织和优化进行了初步的说明，现在对精馏组织优化进行进一步的展开说明。
         对于二元物系的精馏过程而言，精馏组织的优化主要有下面几个问题，一是精馏段最小回流液气比和提馏段最小回流气液比的协调，二是在有限理论塔板数下制取高纯度产品。本质上都是多热泵技术的运用，通过增加热泵的设置从而在理论塔板数约束给定产品纯度下求得总热泵循环工质压缩功（均视为复热常温压缩）的最低，三是热泵循环工质复热常温压缩和深冷压缩的比较。
     对于标准常规精馏（也包括标准开式热泵精馏）而言，精馏段最小回流液气比和提馏段最小回流气液比和三个因素有关，一是精馏原料气的高低沸点组分比例，二是高低沸点组分相对挥发度及分离系数，三是高低沸点组分的相变热比值。其中对于精馏塔最小回流液气比而言，精馏原料中的低沸点组分比例越高，其最小回流液气比越接近于分离系数的倒数越小，反之则越大越接近于1！对于回流气液比而言，精馏原料中的低沸点组分比例越低，其最小回流气液比越接近于高低沸点组分分离系数的倒数越小，反之则越大越接近于1！对于标准常规精馏工艺方案而言，这是无法解决的，正是部分由于这个原因。在标准常规精馏工艺方案的基础上又发展出了双效精馏及多效精馏和单热泵及多热泵精馏技术。
    前帖说过可以通过增加一个富氧空气为循环工质的热泵及采用空气氮气双热泵工艺方案从而使新单塔流程的空分塔提馏段的气液比和精馏段的液气比获得调整的手段，这是新单塔流程单热泵及多热泵技术运用最重要的方面，可以显著提高精馏过程的有效能效率！使新单塔流程获得相对于双塔流程确定无疑的精馏能耗优势，一般来说，只要采用以低沸点组分为循环工质的热泵加上一个以精馏原料为循环工质的开式热泵形成双开式热泵供冷供热精馏工艺方案就可以很好地解决单热泵精馏工艺方方案的精馏段回流液气比和提馏段回流气液比协调的问题，从而提高精馏效率，降低开式热泵供冷供热精馏工艺方案的总开式热泵循环工质压缩功耗。
; s: B3 d- t' v    对于新单塔专利流程来说，精馏效率提高幅度是有限的（大约热泵压缩功耗可以降低10%左右），但是对于提馏段回流气液比和精馏段回流液气比严重不协调的精馏过程，增加热泵设置对精馏效率的提高的幅度是巨大的，例如以含氩5%的氩馏分为精馏原料气的提氩精馏过程就是这种情况。
    在前面关于提氩的帖子中，已经介绍了提氩的流程和能耗，通过在空分塔提馏段引出含氩10%富氩馏分并采用以粗氩为循环工质的开式热泵精馏流程，相对于直接以空分塔底部的含氮0,5%含氩4,5%含氧95%的氩馏分以粗氩为循环工质的开式热泵精馏工艺方案，其粗氩压缩量减少55%。由于氩馏分中的氩含量的不同，当采用单热泵方案时，热泵循环量相差达2,2倍！其能耗相差太大了！当以含氩4,5%的氩馏分为原料气的开式热泵精馏流程增加一个以氩馏分为循环工质的开式热泵形成双热泵工艺方案时，其粗氩压缩量可以降低到原来的45%！但需要增加含氩4,5%氩馏分压缩功耗，虽然总功耗有所减少，但依然明显高于以含氩10%的氩馏分作为原料气的精馏能耗。这其实就是三元物系隔板模型四型侧塔工艺方案相对于三元物系精馏一般依次精馏工艺方案的优势所在。
! ^0 t# R+ \9 i/ @  U) y     当采用以含氩10%的氩馏分(从空分塔底部以上25块理论塔板数处)作为原料的开式热泵精馏提氩流程时，氧气是分别从空分塔底部和粗氩精馏塔底的引出汇合后引出空分装置。同时我们可以看到空分塔氩馏分引出口以下和粗氩精馏塔提馏段是完全一样的平行关系，两者完全可以合并，并把粗氩冷凝器移入空分塔底部。这样流程会更加紧凑，也便于氧气纯度的调整。这样就和双塔流程的提氩完全一致了。
   对于第二个问题，无论是单热泵精馏工艺方案还是双热泵精馏工艺方案，当要求制取高纯度产品时，通过提高以低沸点组分为循环工质的热泵压缩量和以精馏原料为循环工质的热泵循环量其能耗都是很高的，这个时通过在精馏段或提馏段增加一个热泵大幅度提高精馏段回流液气比和提馏段回流气液比就是一个非常重大的工艺方案优化，可以在有限的理论塔板数下实现制取高纯度产品方案。在要求的产品纯度特别高的情况下，在理论塔板数有限的约束条件下，如果不采用多热泵精馏工艺方案则无法实现高纯度产品的制取（当然可以采取多级精馏，但一般而言能耗很高），这已经不是优化的问题了。
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