外行学空分(207)一一95%纯度的氧气和99,5%纯度的氧气能耗差距多少？

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4 W3 \# O+ o! J) a$ U. V) g! }7 M      95%纯度的氧气(含氩4,5%，含氮0,5%，含氧95%)1,05立方米和99,5%纯度的氧气(含氩0,5%，含氧99,5%)1,005立方米有效能数值相差甚微，但在实际过程中95%纯度的氧气和99,5%纯度的氧气能耗差距甚大，但究竟差距多少，并不是一个容易说的清楚的问题，现在我们就来讨论一下这个问题。
* T/ V4 B" N7 f    前帖我们已经讨论过99,5%纯度的氧气和99,8%纯度的氧气实际上的能耗差距，如果说99,5%纯度的氧气和99,8%纯度的氧气只是一个量变，只是回流气液比和理论塔板数的问题，那么95%纯度的氧气和99,5%纯度的氧气却是一个质变。空气是一个由氮氩氧构成的三元物系，如果氧气纯度在95%(含氩4,5%，含氮0,5%)，那么就精馏而言本质上是近似氧氮二元物系的精馏分离即氮一氩氧精馏分离。一旦氧气纯度超过95%达到99,5%以上，那么和氧氮二元物系精馏分离就差距非常大了，实际上是近似氧氩二元物系的精馏过程，两者之间有本质上的不同！
     目前双塔流程空分塔在制取纯度99.5以上的氧气（含氩0.5%以下，含氮微乎其微）无论提氩与否都是两个精馏过程（精馏塔）组成，其中提氩时，氩馏分引出口以上的上塔是氮一氩氧精馏塔，氩馏分引出口以下的上塔加粗氩冷凝塔是氮氩一氧精馏塔！当不提氩但要求同时制取合格氮气产品时，上塔污氮气引出口以上是氮一氩氧精馏塔的精馏段，而污氮气引出口以下的上塔是氮氩一氧精馏塔。
   目前双塔流程在提氩时，采用的是主塔（上塔）加侧塔（粗氩冷凝塔）的工艺方案。这是氧氮氩三元物系依次精馏的优化精馏组织方案。同时以富氧液空作为粗氩冷凝器的冷源，氩馏分在粗氩冷凝塔中进行氮氩一氧精馏分离。富氧液空蒸发气化吸热使粗氩冷凝塔顶部的粗氩气（工艺氩气）冷凝液化回注粗氩冷凝塔作为回流液。气化后的富氧空气从氩馏分引出口以上一块理论塔板处至富氧液空入口处之间返回上塔。这样进入下塔的空气数量达到空气总量的85%-87%！如果氧气纯度95%（含氩4.5%，含氮0.5%以下），那么空分塔就可以按照氮一氩氧进行精馏组织，进入下塔的空气数量只需要达到空气总量的70%即可（如果进入下塔的空气数量占空气总量的60%，由于下塔产生的液氮数量不足，膨胀制冷空气的一部分无法进入上塔参与精馏，只能回收冷量后返回空压机进口，空分装置的氧提取率较低，在保证氧提取率的95%以上的情况下，进入下塔的空气数量达到空气总量的70%），两者之间的进入下塔的空气数量差距达到15%-20%！以时产10000NM3氧气的空分装置为例，进入下塔的空气数量相差约10000NM3左右，该部分空气的压缩功耗700Kwh，这就是氧气纯度从95%提高至99,5%及提氩的能耗，即使扣除提氩能耗，每立方米氧气能耗差距基大。  这里有一个问题，那就是当双塔流程空分塔按照氮一氩氧进行精馏组织，进入下塔的空气数量占空气总量的70%。其余30%的空气过入膨胀机制冷后，氧提取率和目前双塔流程空分塔按照氮氩一氧进行精馏组织时是否相同？在规整填料出现之前，膨胀机后的空气甚至于不能进入上塔参加精馏，只能换热后放空。现在膨胀机制冷后的空气数量占到空气总量的30%，能全部进入上塔参加精馏并保证氧提取率？能！只要富氧液空中的氧含量接近40%，液氮数量达到进入下塔空气数量47%以上，膨胀机制冷后的空气就可以全部进入上塔参加精馏并保持和目前双塔流程一样的氧提取率，但是由于下塔富氧液空中的氧含量总是低于40%，甚至低至36%，那么下塔制取的液氮数量就不可能达到17000立方米，膨胀制冷空气就不可能全部进入上塔参与精馏，氧提取率要低5%-10%左右。其原因在于当空分塔按照氮一氩氧进行精馏组织时，富氧液空处的气相氧含量为14%左右，而目前空分塔按照氮氩一氧进行精馏组织，富氧液空处的气相氧氩含量达到21%-22%左右。
   有没有更好的工艺方案降低能耗呢？当然有！那就是采用以粗氩为循环工质的开式热泵精馏提氩流程。具体来说，在空分塔底部设置粗氩冷凝器，粗氩冷凝塔顶部引出的粗氩气复热至100K左右，深冷压缩至2,2-2,4bar在主换热嚣换热后进入空分塔底部的粗氩冷凝器中冷凝为粗氩液体，送至粗氩冷凝塔顶部作为回流液，含氩10%的氩馏分从空分塔提馏段引出，粗氩冷凝塔底的液体返回空分塔。氩馏分引出和粗氩冷凝塔和目前双塔流程完全一致！这样空分塔氩馏分引出口以下至空分塔底部是氮氩一氧分离，氩馏分引出口以上是氮一氩氧分离。以时产10000NM3氧气的空分装置为例，粗氩压缩量为13500NM3，深冷压缩功耗180Kwh，折合能耗550Kwh。当然工艺氩气也可以选择复热常温压缩，由于正返流阻力的存在，其压缩比高于深冷压缩，压缩功耗在550kWh左右，当然如果不提氩，则可以以氧氩混合气体（含氩4.5%，含氮0.5%）作为热泵循环工质，则热泵循环工质压缩比可以降低至1.5-1.6！相应压缩功耗接近降低一倍！
   制取高纯度产品，在理论塔板数受到严格限制的情况下，如果高低沸点组分的分离系数很小，采用不采用多热泵精馏工艺方案，精馏能耗差距甚大，这其实就是深冷压缩的多热泵精馏工艺方案的重大意义。

润泽

哦靠，不觉明历