外行学空分(183)一一新单塔流程的双热泵工艺方案(三）

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9 |1 p4 z* u! J" ~8 P/ r    新单塔流程的本质特征是单级常压精馏塔加一个以氮气为循环工质的开式热泵供热供冷的深冷空分精馏流程。从精馏角度来说，它是标准常规开式热泵精馏工艺方案，只是用以氮气为循环工质的开式热泵代替了蒸汽再沸器和冷却水冷凝器给精馏过程供冷供热提供温差有效能（卡诺功），但这并不排斥在新单塔流程的根流程上采用双热泵甚至多热泵精馏工艺方案。认识到新单塔流程是开式热泵标准常规精馏工艺方案那么采用双热泵及多热泵技术对新单塔开式热泵标准常规工艺方案进行改进以进一步提高开式热泵精馏效率就是题中应有之义，当然这不是新单塔流程的特殊之处，同样也适用于古典单塔精馏流程和双塔流程！
    现在我们思考一下，如何在新单塔流程的根流程（标准常规开式热泵精馏工艺方案）上采用双热泵精馏工艺方案，第一个问题是第二个开式热泵的循环工质的选择。在不考虑采用精馏中间产物作为第二个热泵的循环工质的情况下(精馏中间产物当然也可以用于热泵循环工质)，毫无疑问只能选择精馏原料空气作为第二个热泵的循环工质。第二个问题是热泵冷凝器的设置，理论上热泵冷凝器可以设置在空分塔的任何位置，但毫无疑问和氮气热泵冷凝嚣并列设置在空分塔底部上是最简单也是最有利的。
  y% Z% H" W2 @0 g0 B    这就形成了新单塔流程的氧氮二元物系（包括近似氧氮二元物系）精馏的双热泵基本工艺方案。以时产10000NM3气氧的空分装置为例说明如下。
   标准状态干空气50000NM3经两段压缩至4.3bαr，纯化后压力4.2bar，其中40000NM3涡轮增压后在主换热器与返流气换热后进入膨胀机膨胀制冷，膨胀机后的空气进入空分塔中部参与精馏。其余10000NM3空气在主换热器与返流气换热并部分液化后进入设置在空分塔底部上的空气冷凝器中冷凝为液空，液空与返流污氮气氮气换热过冷后进入空分装精馏段中部作为回流液。经主换热器换热后常温的返流氮气一部分作为氮气产品另22000NM3两段压缩至5.4bαr，在主换热器换热后进入设置在空分塔底部上的氮气冷凝器中冷凝为液氮，液氮经与污氮气氮气换热过冷后进入空分塔顶部作为回流液。
   在真实空气组成下（氧氩氮三元物系），这个新单塔流程的双热泵工艺方案，空分塔是按照氮一氩氧（近似氧氮二元物系）进行精馏组织的，空分塔底部上的氧气产品纯度可以达到95%以上。其中含氩4.5%，含氮0.5%！如果要求氧气产品纯度达到99.5%以上，那么实际上就不是氧氮二元物系双热泵精馏工艺方案或近似氧氮二元物系（氮一氩氧）精馏工艺方案，而是氧氮氩三元物系精馏工艺方案。氧氮氩三元物系精馏工艺方案至少需要两个精馏塔。
' f% |! D9 V) m' D  C  以上新单塔流程双热泵工艺方案都是氧氮二元物系和近似氧氮二元物系精馏工艺方案。如果以制取纯度99.5%（含氩0.5%）以上氧气及提氩为目标，那么实际是氧氮氩三元物系精馏工艺方案。至少需要两个精馏过程！同样也可以采用空气，氮气双热泵工艺方案，如果不提氩，则空分塔按照氮氩一氧进行精馏组织，具体工艺方案叙述如下，标准状态干空气50000NM3，两段压缩至4.3bar，纯化后压力4.2bar，其中27500NM3压力空气涡轮增压后进入主换热器与返流氮换热后膨胀制冷，膨胀制冷后的空气进入空分塔参与精馏。另外22500NM34.2bar压力空气在主换热器与返流气换热机组部分带液进入设置在空分塔底部以上空气冷凝器中全部冷凝为液空，经与返流氮气，污氮气换热过冷后送至空分塔精馏段作为回流液。从空分塔顶部引出合格氮气42000NM3，经过冷换热器，主换热器换热复热至常温后，其中20000NM3作为产品氮气，其余22000NM3氮气两段压缩至5.4bar在主换热器与返流气换热后部分带液进入设置在空分塔底部的氮气冷凝器中全部冷凝为液氮，经与返流氮气，污氮气换热过冷器送至空分塔顶部作为回流液。从空分塔精馏段引出污氮引出约20000立方米，在过冷器，主换热器复热至常温作为纯化器再生气及空冷塔之用。从空分塔底部引出液氧约1000NM3，纯度99.5%（含氩0.5%，含氮微乎其微）的氧气9000NM3在主换热器复热至常温后作为产品氧气。这个工艺方案中，从空分塔液空入口处以下至空分塔底部是氮氩一氧提馏段，空分塔顶部至液空入口处是氮一氩氧精馏段！如果要提氩，那么从空分塔底部以上约25块理论塔板数处引出含氩10%，含氮0.2%其余为氧的氩馏分在粗氩冷凝塔进行氮氩一氧精馏分离。粗氩冷凝器用设置在空分塔底部的空气冷凝器来的液空约15000NM3作为冷源，液空蒸发气化吸热使粗氩冷凝塔顶部的工艺氩气冷凝为液体回注粗氩冷凝塔！蒸发气化的空气与膨胀制冷空气汇合后进入空分装置参与精馏。粗氩冷凝塔底部（氩馏分引出口处）返回空分塔参与精馏。从粗氩冷凝器顶部引出工艺氩气420NM3（含氩96%，含氮4%，氧含量在1PPm以下）进入精氩塔进行脱氮，精氩塔底部设置氮气冷凝器，用来自空分塔底部氮气冷凝器的压力氮气在其中冷凝。使精氩塔底部的精氩气化，一部分作为回流上升气，一部分作为精氩产品引出在主换热器复热至常温后作为精氩产品。精氩塔底部氮气冷凝器中冷凝的液氮送至设置在精氩塔顶部的蒸发器中蒸发气化吸热，一方面使精氩塔顶部的氮氩混合气体冷凝回注精氩塔。液氮蒸发气化后与污氮气汇合在主换热器回收冷量。精氩塔顶部未冷凝的氮氩混合气液（废气）通过废气排放阀就地排放。这个工艺方案中氩馏分引出口以上的空分塔是氮一氩氧精馏塔！粗氩冷凝塔加氩馏分引出口以下的空分塔是氮氩一氧精馏塔！这是以空气，氮气为循环工质压力双热泵氧氮氩三元物系精馏工艺方案，但不是优化的氧氮氩三元物系精馏工艺方案。优化的精馏工艺方案应该是以空气，氮气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热精馏工艺方案，相关内容参阅后面的新单塔流程制氧工艺方案的帖子。
& m* n! O' h  _( m   以上的新单塔流程基本工艺方案（双热泵工艺方案）都是从开式热泵精馏的角度考虑并进行优化，但一个完整的深冷空分流程，是开式热泵一膨胀制冷液化和开式热泵精馏的联合装置，其效率既决定于开式热泵精馏效率也决定于开式热泵一膨胀制冷液化效率！从开式热泵一膨胀制冷液化的角度考虑，以上的两个新单塔流程标准工艺方案其开式热泵一膨胀制冷液化效率是很低的，是未经优化的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，就开式热泵一膨胀制冷液化角度而言，在实际工程条件下，用于液化的开式热泵的空气压力应该接近于空气的临界压力即38bar左右，这样工艺参数下开式热泵一膨胀制冷液化效率最优。因此新单塔流程的两个基本工艺方案，都应该增加空气增压机，把空气数量的5%-10%的增压至38bar用于液化，从而大幅度提高新单塔流程标准工艺方案的液体产品数量。这样改进后的工艺方案可以称为新单塔流程的新标准工艺方案。有关内容可以参阅后面的相关帖子。

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以空气和氮气为循环工质的双热泵工艺方案既可以认为是新单塔流程的双热泵工艺方案也可以认为是古典单塔精馏流程的双热泵工艺方案。