外行学空分(141)一一氧氮氩三元系的问题(一)

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8 o: j( l+ w: l2 F. d! U5 v" _      空气是一个近似的氧氮二元物系，实际上是一个氧氮氩三元物系！对于二元物系的精馏，如果是沸点在环境温度以上的精馏过程，标准常规精馏组织方案需要考虑的问题无非是产品纯度，理论塔板数和回流比，蒸汽的压力及用量，冷却水的温度及用量！而采用双效精馏进行精馏组织时，需要考虑的问题除了标准常规精馏需要考虑的产品纯度理论塔板数及回流比外，还需要考虑高压塔压力选择及高压塔底部混合液体的组成，从而达到最优的能耗和最高的精馏效率。对于沸点在环境温度以下的精馏过程，开式热泵供冷供热精馏是唯一可行的精馏组织方案，精馏组织需要考虑的除了产品纯度理论塔板数及回流比外，还需要考虑供冷供热开式热泵的形式，需要考虑设置几个供冷供热开式热泵，开式热泵的循环工质的选择，开式热泵循环量的计算，开式热泵冷凝器的设置位置等等。但空气实际上是氮氩氧三元物系，虽然和氧氮相比氩的含量很低只有1%左右，但对深冷空分精馏过程影响却很大（特别是在制取高纯度氧氮气产品时）！当把空气视作氧氮氩三元物系的时候，第一个问题三元物系的是精馏组织的问题，这里的精馏组织问题不是和二元物系精馏一样的产品纯度理论塔板数及回流比的问题（实际上是供冷供热方案的问题），也不是热泵形式热泵压力循环工质气体冷凝器设置的问题，而是关于三元物系精馏组织的特殊问题。
     常规单级精馏塔能也只能实现二元物系的完全精馏分离，这是一个毫无争议的常识，那么面对实际上的三元物系该如何处理呢？必须将三元物系分解为近似二元物系才能进行回流比和最小回流比的计算，才能利用气液平衡数据图画出操作线确定需要的塔板数和可以达到的产品组成。
: A4 g9 u# s. O    三元物系如何化为二元物系呢？如果三元物系中的第三个组分的沸点是三个组分中沸点最低或最高的，这个就好办了！那么第三个组分就和沸点和它相近的组分视为同一组分！从而进行近似二元精馏分离！并据此计算出实际回流比和最小回流比，并利用气液平衡数据图计算出需要的塔板数和实际达到的产品组分，毫无疑问这样情况下只能设定一个产品纯度指标，在第一个精馏塔中得到一个合格组分产品后，再将另外二元组分混合物在另一个精馏塔中进行精馏分离从而得到合格的另两个组分。这是三元物系的一般精馏组织方案一一依次精馏。这就是所谓三元物系不能在一个精馏塔中实现双高产品的根本原因。依次精馏是三元物系精馏分离的基本工艺方案，是可行的但不一是最优化的。在一个主塔加上一个侧塔（冷凝塔或者蒸馏塔）可以实现三元物系的完全分离，这就是精馏理论中非常重要的隔板模型理论，这里的主塔是一个完整的精馏塔，而侧塔则可能是一个冷凝塔也可能是蒸馏塔（提馏塔）。从本质上说，仍然是依次精馏工艺方案的优化，是两个精馏塔的优化组合而成。
    空气是氧氮氩三元物系，第三个组分氩的沸点在氧氮之间，按照常规精馏组织的原则，空分塔应视为氮一氧氩精馏分离塔，这样空分塔（第一精馏过程）提馏段的最小回流气液比小，能耗较低！当然这样在空分塔底部只能得到氧氩混合物！其氧气含量在95%左右，这也是几十年前工业氧气纯度的国家标准设定氧气纯度为95%的原因。
" n0 m8 _/ a- u    这当然是几十年前的事了，能不能进一步提高氧气产品的纯度呢？当然可以！一个办法是增加提馏段的塔板数，在规整填料出现之前之前，受到工程条件的限制难度很大！一个办法是降低氧提取率进一步提高提馏段气液比，但代价太大了。当然还有一个办法那就是增设所谓的增效塔，增效塔其实已经是简易提氩装置了，是一个侧塔了！也就是已经是两个精馏塔了！
- N4 N9 T4 o8 y( l    当然也可以将氩视同为氮(从精馏组织角度来说这是不合理的)这样空分塔就成为了氩氮一氧精馏分离塔。理论上这样也是不能实现双高的(即氧氮产品同时实现高纯度！)，但可以在氮氩一氧空分塔底部得到合格的氧气产品（氧气产品纯度99.5%以上，含氩0.5%以下，含氮微乎其微）同时在空分塔顶部得到氮氩混合气体，此混合气体在另一个精馏塔中进行精馏分离，得到合格的氮气和氩气产品。但深冷空分流程有一个特殊情况，氮是一个低价值产品，深冷空分不需要氧氮完全分离，可以有污氮引出，这样如果将空分塔视为氮氩一氧精馏分离塔就有可能实现双高产品纯度。但这会发生一个问题，提馏段不但是氧氮精馏分离，而是近似氧氩精馏分离！其所需要的回流气液比要比氮一氧氩精馏分离回流气液比大得多！根据计算，氮一氧氩精馏分离精馏段最小液气比是0,437！提馏段最小气液比是0,49！而如果把空分塔视为氮氩一氧精馏分离塔，则精馏段最小液气比基本不变，而提馏段最小气液比则从0,49提高至0,67！
    当然关于三元物系除了常规依次精馏组织方案外，还有所谓的隔板模型，即在一个主塔加上一个或两个侧塔实现三个组分的制取。隔板模型的三元物系精馏组织方案相对于常规三元物系精馏组织方案有能耗的优势。当然深冷空分技术人员并不了解什么三元物系或多元物系的隔板模型理论，但这并不妨碍通过不断的比选得出氧氮氩三元物系的最优精馏组织方案。
   如果说二元物系的精馏只是单兵战术，那么三元物系的精馏是班战术，两者之间有着层次的不同！

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   目前的深冷空分，上塔和下塔构成完整的空分塔，粗氩冷凝塔和精氩塔构成完整的提氩流程。其中上塔是氮氩一氧精馏分离塔，精氩塔是氮一氧氩精馏分离塔。而下塔和粗氩塔则分别是氮冷凝塔和粗氩冷凝塔，两者在性质上是完全不同的。
  以上的深冷空分流程存在以下的几个问题需要思考一下，一是下塔是必要的吗？二是上塔采用氮氩一氧进行精馏组织是唯一的选择吗？它合理吗？三是粗氩冷凝塔流程是唯一的选择吗？为什么不能以富氩馏分作为原料气按照氮氩一氧进行精馏组织呢？当然这些问题的思考又会引出更多的问题！
   

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   二元物系的精馏组织是一个单兵战斗技能的问题，而三元物系没多元物系的精馏组织则首先是战术配合的问题，然后才是战术技能的问题，三元物系的精馏首先要分解为二元物系的精馏。