外行学空分(144)一一双塔流程的提氩(一)

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     双塔流程进入下塔和过膨胀机空气数量如何分配是一个非常重要的问题，但对这个极为重要的问题，深冷空分教科书却没有对此进行充分的讨论，我现在试着就这个问题提出一些看法。
( z5 Y; V+ d$ ~5 j. G. ~# J   深冷空分装置最重要技术指标是氧气的纯度和氧气提取率！至于氮气纯度从来不是一个重要的问题（如果制取高纯氮气，氮气纯度，氮气提取率才会成为问题），更没有氮气提取率的说法。双塔流程刚出现的时候，深冷空分制冷的唯一方式是等温焓差，这个时候空压机出口压力很高，压力空气全部节流减压进入下塔，单位氧气产量需要的主冷凝器热负荷最大，上塔提馏段回流气液比和上塔精馏段单位氧气产量液氮富氧液空数量达到了最大。此时氧气的纯度大约在95%左右，氧气提取率也不能达到百分之百！其中氧气纯度之所以只能达到95%，主要的原因在于上塔提馏段塔板数的不足及氧氩精馏分离的困难。而在液氮数量最大的情况下氧气提取率仍然不能接近百分之百，其原因也在于精馏段理论塔板数的不足及污氮气引出口以下的精馏段实际回流液气小于最小回流液气比所致！通过增设所谓的增效塔，可以在同样条件下，提高氧气产品纯度和氧提取率。所谓的增效塔其实就是粗氩冷凝塔的简化版！
! [4 G4 x5 e8 O     后来出现了膨胀机制冷，进入下塔的空气数量减少了，上塔提馏段回流气液比下降，液氮数量及富氧液空数量下降，受限于上塔的精馏状况，在保持氧气纯度和氧气提取率基本不变(不出现严重下降)的条件下，膨胀制冷空气量只能占到空气量的30%以下，有时还不能全部进入上塔参与精馏。
; O: v# i5 d- O+ q, @1 e2 Y: {! x   后来出现了规整填料，上塔精馏状况出现了重大的改兽，首先是膨胀制冷空气可以全部进入上塔参加精馏了，使氧气提取率上升，这个节能效果是最明显最直接的！同时上塔提馏段塔板数增加使氧气纯度不断提高，达到了99,5%以上！其实这个时候不知不觉间空分塔发生了一个重大的变化，即空分塔从氮一氧氩精馏分离塔变为氮氩一氧精馏分离塔(空分塔是氮氩一氧还是氮一氧氩分离塔，和提馏段回流气液比有关，也和塔板数及氧气产品纯度指标有关)。
    规整填料的出现也使全精馏提氩成为了可能，经过增效塔过渡阶段后，提氩流程的出现又使双塔流程的上塔再次发生了重大的变化，确立了氮一氩氧分离塔向氮氩一氧分离塔转变的趋势，本质上上塔已经变成了氧氮氩三元物系精馏分离的两个精馏塔经隔板模型优化后的组合，其中上塔氩馏分引出口以上是氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，粗氩冷凝塔加氩馏分引出口以下的上塔是氮氩一氧精馏塔。
     双塔流程的提氩流程大体上是这样的，从空分塔提馏段（上塔底部以上25块理论塔板数处）引出含氩10%的氩馏分在粗氩冷凝塔的进行冷凝精馏分离，从粗氩冷凝塔顶部得到粗氩气体（工艺氩气），粗氩塔顶部设置的粗氩冷凝器用下塔来的富氧液空作为冷源，富氧液空气化后的富氧空气从上塔富氧液空入口处以下，氩馏分引出口以上返回上塔参与精馏，粗氩冷凝塔底部的液体也返回了上塔。其实双塔流程也可以有另外一个提氩工艺方案描述如下，从上塔提馏段（上塔底部以上25块理论塔板数及）引出含氩10%的富氩馏分在粗氩精馏塔中进行氮氩一氧精馏分离，粗氩精馏塔采用的是常规精馏流程，从主流程来的压力空气进入设置在粗氩精馏塔底部的加热器(压力空气冷凝器，精馏标准术语叫再沸嚣，空分术语中叫做冷凝器）)加热粗氩塔底部的液氧使其气化，气化后的氧气一部作为上升气参加提馏，一部分作为产品氧气引出。压力空气自身液化成为液空送至粗氩冷凝塔顶部的粗氩冷凝器蒸发气化使粗氩精馏塔顶部的工艺氩气液化形成回流液，气化后的空气与膨胀制冷空气汇合后从上塔富氧液空入口处以下3-4块理论塔板数处返回上塔参与精馏。从上塔底部和粗氩精馏塔底部引出的纯度为99.5%的氧气产品汇合后经主换热器复热后引出空分装置。当然在这样的情况下进入下塔的空气数量只需要达到空气数量的60%-70%。
     与现有双塔流程是粗氩冷凝器提氩流程相比，这个双塔流程的粗氩精馏塔流程有什么区别的？一它是粗氩精馏塔提氩流程，双塔流程现有提氩流程是粗氩冷凝塔流程。二是它的再沸器以压力空气作为热源，冷凝器以液空液空作为冷源，而现有粗氩冷凝塔流程没有再沸器（蒸发器），冷凝器采用富氧液空作为冷源。三，现有双塔流程的粗氩冷凝塔底部的液体返回上塔，而粗氩精馏塔的氩馏分引出口没有液体返回上塔。四，粗氩精馏塔氩馏分引出数量仅是粗氩冷凝塔的40%左右。五，粗氩冷凝塔中粗氩冷凝器中气化后的空气从氩馏分引出口以上，上塔富氧液空入口处以下返回上塔，粗氩精馏塔冷凝器液空气化后的空气和膨胀机后的空气汇合后进入上塔。现在双塔流程的粗氩冷凝塔提氩工艺方案，以富氧液空作为粗氩冷凝器冷源，气化后的富氧空气从氩馏分引出口以上，富氧液空入口处以下返回上塔。六，采用粗氩精馏塔提氩流程时，氧气产品分别从空分塔底部及粗氩精馏塔底部引出汇合后引出空分装置，两者的比例大约是六比四。
& y! q1 z' R: s) T    指出双塔流程除了现有的粗氩冷凝塔提氩冷凝器工艺方案外，还存在一个粗氩精馏塔工艺方案的重要意义在于通过两者之间的比较，可以更深刻地认识现有双塔流程提氩工艺方案的优势及存在的问题。更加深刻认识到在提氩的情况下，所谓的双塔流程的上塔实际上由两个精馏塔组合而成！
     其实只要引入氩组分，空分装置就不再是氧氮二元物系精馏分离，而变为氧氮氩三元物系精馏分离。对于氧氮氩三元物系精馏分离而言不存在什么双塔流程和新单塔流程，而只有基于双塔流程或新单塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案。如果空分装置以制氮或制取纯度95%（含氩4.5%，含氮0.5%）为目标，则依然是近似氧氮二元物系精馏分离（氩视同为氧），一旦以提氩和制取纯度99.5%（含氩0.5%，含氮微乎其微）则不再是氧氮二元物系精馏分离，甚至也不是近似氧氮二元物系精馏，而是彻底的氧氮氩三元物系精馏分离，两者之间是存在重大区别！

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  其实目前的双塔流程提氩可以有三个组织方案，一是现行的粗氩冷凝塔流程，其特点是空分塔(上塔)按氮氩一氧进行精馏组织，进入下塔的空气数量达到空气总量的85%-87%！从空分塔引出含氩10%的富氩馏分在粗氩冷凝塔中进行冷凝分离得到粗氩产品，粗氩冷凝器用富氧液空作为冷源，富氧空气进入上塔参予提馏，富氩馏分引出口和富氧空气、口仅相差一块理论塔板数。粗氩冷凝塔流程的最大的问题是氩提取率只有达到80%-85%，同时存在所谓的氮阻问题。
    双塔流程的提氩还有两个提氩组织方案，一个常规精馏布局的提氩方案，帖子里已经做了详细介绍，该提氩方案的优点是可以提高氩提取率。另外还有一个以粗氩为循环工质的热泵精馏方案。热泵精馏方案和常规布局精馏方案一样可以提高氩提取率，但不存在粗氩冷凝塔流程的和常规布局精馏流程的所谓氮阻问题。
    之所以粗氩冷凝塔流程和常规布局的提氩方案令出现所谓的氮阻问题，其根本的原因在于富氩馏分引出口和富氧空气入口仅相差一块理论塔板数，一旦空分塔稍有波动，进入非稳态，就会出现氩馏分中的含氮量上升，并相应使粗氩中的氮气含量上升，粗氩冷凝器换热器温差下降热负荷减少，粗氩冷凝塔压力上升，氮阻就出现了。以粗氩为循环工质的热泵精馏提氩方案是不可能出现所谓的氮阻问题的。