外行学空分（214）一一关于提氩的几个问题（三）

Yb2021

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    目前双塔流程的上塔，在要求氧气产品纯度99.5%（含氩0.5%）的情况下，上塔提馏段都是按照氮氩一氧进行精馏组织的，这只是一个大而化之的说法。实际上是否带提氩装置（包括所谓的增效塔）情况是不同的。不带提氩装置时，上塔富氧液空入口处以下的提馏段（一般情况下是按照膨胀制冷空气入口处作为空分塔精馏段和提馏段的分界，但考虑到膨胀机制冷后的空气呈过热状态，以富氧液空入口处作为精馏段和提馏段的分界更为合理）是按照氮氩一氧进行精馏组织的，其最小回流气液比为0.6左右（富氧液空中的氧含量变化会有小幅度变化，已经考虑了氧氮相变热的不同）！实际回流气液比在0.65左右相应富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量之和达到20%一26%之间（而不是一般认为的平衡氧氩14%-15%，与富氧液空处于气液平衡状态，而是和进入下塔的空气数量直接相关）左右。富氧液空入口处以上是氮一氩氧精馏段（在污氮气引出的情况下），污氮气引出口以上是氮一氩氧精馏段。而带提氩装置时，上塔提馏段实际上分为三段，其中氩馏分引出口以下至上塔底部是氮氩一氧（近似氩一氧精馏）提馏段其最小回流气液比是0.66，（上塔底部回流气摩尔数量和氩馏分引出口下降液摩尔数量的比值，已经考虑了氧氩相变热的不同）！实际回流气液比在0.7左右。这一段理论塔板数约25-30块左右，相应空分塔底部氧气纯度为99.5%，氩馏分中的氩含量10%！氩馏分引出口以上富氧液空入口处以下是氮一氩氧提馏段，其中又可分为两段，一是氩馏分引出口至富氧空气返回上塔入口处，其最小回流气液比为0.49，实际回流气液比为0.53（富氧空气返回口处下降液体摩尔数和回流上升气摩尔数的比值）。二是富氧空气返回上塔入口处至富氧液空入口处，同样也是氮一氩氧提馏段。这一段的情况比较复杂，回流比的情况后面再进行详细讨论。
    假设氩馏分中的氮气含量0.1%-0.5%，富氧液空中的氧含量40%（加上氩大约42%），如果实际回流气液比比最小回流气液比大10%即0.53左右（这里指和氩馏分组成相同的回流气不考虑返流的富氧空气），那么需要的理论塔为10-12块左右，如果保持理论塔板数不变，实际回流气液比比最小回流气液比大20%，即达到0.59左右，那么氩馏分中的氮气含量将达到30PPm左右。这是简单的粗略计算，但也说明了一个问题，那就是由于氮一氩氧分离系数很大，要让氩馏分中的氮气含量达到10PPm级别并不需要太多的理论塔板数，也不需要特别大的实际回流气液比！
4 v; v% d/ g* D  N4 o6 P/ P    前帖已经指出目前双塔流程粗氩冷凝塔冷凝器富氧液空气化后的富氧空气从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处返回上塔从精馏角度而言极不合理（机械理解实际回流气液比和氩馏分中的氮气含量的关系。完全不考虑富氧空气的组成和温度），合理的做法是从富氧液空入口处以下3-4块理论塔板数处返回上塔，这样富氧空气返回上塔处（膨胀制冷空气也由此处和富氧空气混合后进入上塔）的下降液体中的氮含量将降至30%左右，如果保持氩馏分引出口至富氧液空入口处理论塔板数20块不变，尚余理论塔板数17-18块，如果回流气液比为0.5（最小回流气液比0.446）比最小回流气液比大10%，则氩馏分中的氮气含量将达到0.1%以下！如果实际回流气液比为0.55左右，比最小回流气液比大20%，则氩馏分中的氮气含量将在50PPm左右（如果空气全部进入下塔，只要适当控制送粗氩冷凝塔粗氩冷凝器的富氧液空数量，则这种情况就是非常容易出现的。）。
' Y+ L7 O" I$ x( M; J   对上塔提馏组织方案作合理化调整后（即粗氩冷凝塔冷凝器富氧空气返回上塔的位置从气富氩馏分引出口以上一块理论塔板数处上移至富氧液空入口处以下2-3块理论塔板数处。），首先解决了氩馏分中的氮气含量可能大幅度扰动的问题，其次可以使氩馏分中的氮气含量更低更加稳定。
7 ?4 F& _# D+ y$ ?4 P9 l. v    而在目前双塔流程的上塔提馏段精馏组织方案（粗氩塔冷凝器富氧空气由氩馏分引出口以上一块理论塔板数处返回上塔，目前已经改为富氧液空入口处以下一块理论塔板数处返回上塔）下，且不说富氧空气返回处和氩馏分引出口仅相差一块理论塔板数，而两者之间的氮气含量相差百倍以上！空分塔工况稍有波动就有可能导致氩馏分中的氮气含量大幅度上升，对于稳定富氩馏分中的氩含量提高空分装置的氩提取率也是极为不利的。至于正常操作下氩馏分中的氮气含量实际上和粗氩冷凝塔冷凝器富氧空气是从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处返回上塔还是从富氧液空入口处以下2-3块理论塔板数处返回上塔并无多大关系！真正决定氩馏分中的氮气含量的关健因素是氩馏分引出口处的空分塔回流上升气（其数量等于主冷凝器氧气气化量减去氧气产品引出量再减去去粗氩冷凝塔的氩馏分数量），其数量大（即进入粗氩冷凝器的氩馏分数量少）则富氩馏分中的氮含量低，反之则高！因为它是高能的提馏回流气，而富氧空气则是低能提馏回流气！高能提馏回流气和低能回流气混合，虽然从表面上看提高了实际回流气液比，但实际上并不能降低氩馏分中的氮气含量反而提高了正常操作下的富氩馏分中的氮含量，反之把富氧空气返回上塔的位置从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处上移至富氧液空入口处以2-3块理论塔板数处，在其它条件不变的情况，反而有利于氩馏分中的氮气含量降低，至于氩馏分中的氮气含量是否需要降低到10PPm级，那是另外一个需要综合考虑的问题！
   目前双塔流程上塔富氧空气返回口已经从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处调整至富氧液空入口处以下一块理论塔板数处，虽然仍不尽合理（会导致富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量升高，如果保持污氮气中的氧氩含量不变，则需要相应增加富氧液空入口处至污氮气引出口之间的理论塔板数），但相对于从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处返回上塔合理得多，导致富氧液空入口处至氩馏分引出口之间理论塔板数不变的情况下，氩馏分中的氮气含量大幅度降低，这其实就是合理精馏组织方案和理论塔板数，回流气液比的问题。毫无神秘之处！