外行学空分（297）一一氧氮氩三元物系精馏工艺方案详解一一氮一氩氧精馏塔

Yb2021

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    氧氮氩三元物系一一空气的完全精馏分离至少需要两个完整的精馏塔，其中第一精馏塔是氮一氩氧精馏塔。对应于基于双塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案的氩馏分引出口以上的上塔及基于新单塔流程的氩馏分引出口以上的空分塔。对于氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案而言，依次精馏第一个精馏塔一一氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔的功能有两项，一是得到合格的氮气组分产品。二是得到合格的氧氩混合气体（氩馏分，以氮含量为工艺指标）作为氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案依次精馏第二个精馏塔一一氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔的原料气。
) |2 M) h# z3 ~9 c" e/ r     基于新单塔流程的以氮气，空气，工艺氩气为循环工质的三热泵供冷供热方案的氧氮氩三元物系一一经隔板模型优化组织后的空气依次精馏精馏工艺方案。压力氮气冷凝器，压力空气冷凝器，压力工艺氩气冷凝器均设置在空分塔底部，三者组合而成为空分塔的主冷凝器。主冷凝器压力氮气，压力空气，压力工艺氩气的冷凝潜热供给空分塔底部液氧蒸发气化之用，蒸发气化后氧气一部分作为合格氧气产品（以氩含量为工艺指标，含氮量微乎其微）引出，大部分作为氮氩一氧精馏塔提馏段的回流气。在氩馏分引出口处，回流上升气分为两个部分，其中一部分（称为氩馏分）进入粗氩冷凝塔（实际上是氮氩一氧精馏塔的原料气加提馏段回流气，其数量等于工艺氩气压缩量或者循环量）。其余作为氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔提馏段的回流气！对于氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案依次精馏第一精馏塔一一氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔而言，氩馏分就是氮一氩氧精馏塔的高沸点组分中间产品（以氮含量为工艺指标，氩馏分中的氩含量则由氩馏分引出口以下的理论塔板数，回流气液比及氧气产品中的氩含量决定）。对于氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案第二精馏塔一一氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔而言就是精馏原料气。而粗氩冷凝塔则是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔的精馏段，而上塔或者空分塔氩馏分引出口以下至主冷凝器则是氮氩一氧精馏塔的提馏段。关于氮一氩氧精馏塔和氮氩一氧精馏塔为什么优化组合成为上塔或空分塔加粗氩冷凝塔的共底结构的两个精馏塔，前面的帖子己经做过说明。有兴趣者可以参阅。
   对于基于新单塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案而言，在空分塔底部的压力氮气冷凝器和压力空气冷凝器中冷凝的液空和液氮经过冷后减压进入空分塔顶部及精馏段中部作为回流液。
. N) R( }! ^8 k0 i9 t    对于标准常规二元物系（或者近似二元物系）精馏塔而言，一般而言以精馏原料气入口处作为精馏塔精馏段和提馏段的分界处，精馏原料气入口处以下是提馏段，以上是精馏段。但对于基于新单塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案而言，空分塔氩馏分引出口以上的氮一氩氧精馏塔，由于膨胀制冷后的空气呈过热状态进入氮一氩氧精馏塔，氮一氩氧精馏塔又采用氮气，空气双开式热泵供冷供热精馏工艺方案，以氮一氩氧精馏塔液空入口处作为氮一氩氧精馏塔的精馏段和提馏段分界更为合理，精馏工艺计算也更加方便。液空入口处以下至氩馏分引出口是氮一氩氧精馏塔提馏段，液空入口处以上至空分塔顶部为氮一氩氧精馏塔精馏段。
    氮一氩氧精馏塔顶部氮气产品纯度决定于液空入口处以上的理论塔板数及回流液气比！首先计算一下氮一氩氧精馏塔液空入口处的上升气数量，以处理50000NM3干空气为例，对于基于新单塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏而言，空分塔液空入口处的上升气数量等于干空气中的氮气组分数量加液氮回流液数量。最小回流液气比则是液空入口处的对应气相中的氧氩含量和液空中的氧氩含量的比值！其中液空入口处气相中的氧氩含量约7%！液空中的氧氩含量约22%（其中氧含量6.7%，氩含量0.35%），计算出的最小回流液气比为0.32！实际回流液气比取0.35！则可以简单计算而得出，上升气数量约为60000NM3，液氮回流液数为量21000NM3左右
( _4 |" i1 ~  }$ q; ]2 \& B3 P    在有污氮气引出的情况下，氮一氩氧精馏塔精馏段则必须分段计算，由于污氮气的引出，污氮气引出口以上的精馏段回流液气比大幅度提高（回流液数量不变，而上升气数量减少）。只要很少的理论塔板数就可以保证氮气产品纯度。液氮回流液数量真正影响的是污氮气中的氧氩含量，影响空分装置氧氩产品的提取率！
* W, U/ G/ B( f* U2 r     氮一氩氧精馏塔液空入口处以下的提馏段，以膨胀制冷空气入口处为界分为两段。膨胀制冷空气入口处以下的提馏段最小回流气液比为0.48左右，这一段的理论塔板数和回流气液比直接决定了氩馏分中的氮气含量，相关内容可以参阅如何计算氩馏分中的氮气含量的帖子。
   最后讨论一下基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案的第一精馏塔一一氮一氩氧精馏塔的情况。对于基于新单塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案和基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案相比，第二精馏塔（氮氩一氧精馏塔）和第三精馏塔（氮一氩氧精馏塔）基本上是完全一致的。而第一精馏塔氮一氩氧精馏塔则区别较大。
    基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案的第一精馏塔氮一氩氧精馏塔（氩馏分引出口以上的上塔），以富氧液空入口处为界分为精馏段和提馏段，富氧液空入口处以上至上塔顶部是氮一氩氧精馏塔的精馏段。富氧液空入口处以下至氩馏分引出口处是氮一氩氧精馏塔的提馏段。
     氮气产品纯度决定于富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量及富氧液空以上的精馏段的实际回流液气比和理论塔板数。首先计算富氧液空入口处的上升气数量，以处理50000NM3干空气为例，数量为39200NM3，即干空气中的氮气组分数量。现在计算最小回流液气比！前面己经计算过氮一氩氧精馏塔精馏段最小回流液气比是富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量和富氧液空中的氧氩含量的比值。如果富氧液空入口处对应的气相中的氧氩含量是15%！略高于与富氧液空平衡的气相氧氩含量，富氧液空中的氧氩含量在40%左右，则计算出的最小回流液气比是0.375！计算出的最小回流液氮数量是15000NM3！如果基于双塔流程的上塔氮一氩氧精馏塔进行精馏组织，那么进入下塔的空气数量只需要到空气总量的60%-70%，其余30%-40%的空气可以用于膨胀制冷，这样富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量在15%-18%！大家很容易想到在要求氧气产品纯度达到99.5%（含氩0.5%以下）时，这肯定是不对！液氮数量严重偏小，氧提取率严重偏低！问题出在那里呢？问题出在富氧液空入口处的对应气相中的氧氩含量不是略高于与富氧液空平衡的气相氧氩含量约15%-16%，而是21%-22%！最小回流液气比21%-22%/40%等于0.525-0.55！计算出的液氮数量是21000-22000立方米。至于为什么富氧液空入口处对应气相中氧氩含量不是略高于与富氧液空平衡的气相中的氧氩含量15%-16%！而是21%-22%！
/ R7 @! J$ M& L7 B$ O1 K     基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气的精馏工艺方案，第一精馏塔氮一氩氧精馏塔以富氧液空为界分为精馏段和提馏段，其中氮一氩氧精馏塔提馏段又以粗氩冷凝塔冷凝器蒸发气化的富氧空气入口处为界分为两段，富氧空气入口处至氩馏分引出口为一段，富氧空气入口处以上至富氧液空入口处为一段。富氧空气入口处至氩馏分引出口为一段，问题就出在富氧空气入口处至富氧液空入口处这一段，这一段的回流气液比不是比最小回流气液比大5%-10%而是大30%-40%左右，其结果就是富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量大大超过富氧液空平衡气相氧氩含量15%-16%而达到21%-22%！至于富氧空气是从氩馏分引出口以上一块理论塔板数和还是从富氧液空入口处以下一块理论塔板数处进入氮一氩氧对实际结果均无大的影响。
& j4 W; x2 G; A( I    冷凝塔的精馏计算和完整精馏塔的精馏段计算存在很大的不同。对于冷凝塔而言，原料气的组分比例及原料气的数量是固定不变的。只要查出在冷凝器压力下与冷凝塔原料气平衡的液相组成，即可以计算冷凝塔的最小回流液气比，具体而言就是冷凝塔原料气中的高沸点组分比例除以与之平衡的液相中的高沸点组分比例！例如双塔流程的下塔就是一个冷凝塔，冷凝塔的原料气一一空气中的高沸点组分20.7%，与之平衡的液相中的高沸点组分氧含量为42%！在恒摩尔流假定成立的情况下，下塔的最小回流液气比就是20.7%/42%=0.493！实际回流液气比一般比最小回流液气比大5%-10%！实际回流液气比在0.53-0.55之间。富氧液空中的氧含量在38%-40%！冷凝塔的最小回流液气比既和冷凝塔原料气的组成也和冷凝塔的压力有直接的关系。倒如同样是空气，如果冷凝压力接近常压，那么与空气平衡的液相中的氧含量就不是42%而是53%，在恒摩尔流假定成立下，相应最小回流液气比就不是0.493而是0.39！同样冷凝原料气的组分也对冷凝塔最小回流液气比有很大的影响。在接近常压下，如果冷凝塔原料气中的氧含量7%，则与之平衡的液相中的氧含量的为21%！最小回流液气比是0.33！
    而完整精馏塔的精馏计算比冷凝塔的精馏计算复杂得多，关健的问题在于精馏段的上升气及上升气中的高沸点组分含量都和完整精馏塔的提馏段相关而不能简单地采用精馏原料气的数量和组成！需要根据具体情况确定上升气数量和上升气中的高沸点组分含量计算富氧液空入口处以至污氮气引出口之间的实际回流液气比和最小回流液气比。
      基于双塔流程的氧氩氮三元物系经隔板模型优化后的依次精馏工艺方案，依次精馏第一精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，是以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热精馏工艺方案，上塔富氧液空入口处对应的气相中的氧含量并不与富氧液空处于平衡状态，而是与进入下塔的空气数量占压力空气总量的百分数直接相关，如果提氩装置末投入运行，则当进入下塔压力空气数量占压力空气总量70%时，富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量约为18%！当进入下塔压力空气数量占压力空气总量85%时，富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量为24%！占压力空气全部进入下塔时，富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量为26%！而富氧液空入口处的上升气数量则基本保持不变为39200-39600NM3！随着提氩装置（粗氩冷凝塔）投入运行，随后富氧液空送粗氩塔顶部粗氩冷凝器数量的逐步增加，一方面选上塔精馏段的富氧液空数量减少，另一方面氩馏分引出口处的回流上升气数量相应减少，富氧空气返回上塔的数量增加，富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量先是下降，然后回升至21%-22%稳定下来！富氧液空入口处对应气相中氧氩含量要根据进入下塔的压力空气数量，送上塔精馏段富氧液空数量，由粗氩冷凝器返回富氧空气数量的变化而确定。很多人对此毫无概念！
    在空气氧氩氮三元物系三开式热泵供冷供热精馏组织方案中，如果要制取高纯度氮气产品，提高氮气产品提取率，就必须相应提高以氮气为循环工质的供冷供热开式热泵循环量。具体压缩量需要根据氮气产品纯度和氮气产品提取率及液空入口处以上的实际理论塔板数进行精密计算而得出，计算中要特别注意氩对氮气产品纯度的影响。