外行学空分（314）一一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详解（6）

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' B3 v+ U0 w& \2 N3 O1 s      前面已经说过无论是基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案还是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从精馏组织而言，都是经隔板模型优化后的依次精馏组织方案，它们之间的不同在于开式热泵供冷供热方案的不同！
    如果说二元物系的精馏是精馏理论和技术的基础核心内容，那么三元物系或多元物系的依次精馏本质上就是二元物系精馏的重复操作，任何一个多元物系都可以通过分解为多个近似的二元物系的精馏塔，从每一个精馏塔顶部或者底部得到一个纯度合格的组分产品，同时得到一个合格的混合组分（以合格纯度组分为工艺指标）作为依次精馏后一个精馏塔的原料气（或者原料液体），依次精馏的最后一个精馏塔理论上可以得到两个纯度合格的组分产品，但实际上往往需要增加一个精馏塔，对其中的一个组分产品进行进一步提纯，这样n元物系如果要得到所有组分的合格纯度产品，则至少需要h-1个近似二元物系精馏塔，一般情况下需要n个近似二元物系精馏塔。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，如果按照标准的依次精馏组织方案，如果依次精馏组织方案的第一个精馏塔是氮一氩氧精馏塔近似氧氮二元物系精馏塔，那么可以从依次精馏组织方案第一精馏塔顶部得到纯度合格的氮气产品，从依次精馏组织方案第一精馏塔底部得到合格的氧氩混合气体（以氮气含量为氧氩混合气体的工艺指标）。合格的氧氩混合气体作为依次精馏组织方案第二精馏塔原料气进入依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔的近似氧氩二元物系精馏塔进行精馏分离，从依次精馏组织方案的第二精馏塔底部得到合格纯度的氧气产品（以氮氩含量为工艺指标，但氮含量微乎其微，实际上以氩含量为工艺指标），从依次精馏组织方案第二精馏塔顶部得到合格的工艺氩气产品（以氧气含量为工艺指标），如果工艺氩气中的氮气含量（不是氧含量）达不到氩气的纯度，则还需要把工艺氩气作为依次精馏组织方案的第三精馏塔的原料气，进入依次精馏第三精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氮氩二元物系精馏塔中进行精馏分离，从依次精馏组织方案第三精馏塔底部得到纯度合格的氩气产品（以氮气含量为工艺指标）。实际上氧氩氮三元物系一一空气依次精馏还有另外一个依次精馏组织方案，依次精馏第一精馏塔是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，从依次精馏第一精馏塔底部得到合格纯度的氧气产品（以氮氩含量为工艺指标，但氮含量微乎其微，事实上以氩含量为工艺指标），从依次精馏第一精馏塔顶部得到合格的氮氩混合气体（以氧含量为工艺指标，氮氩含量比例则和空气中的氮氩比例基本一致）作为依次精馏第二精馏塔的原料气，依次精馏第二精馏塔是氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，从依次精馏第二精馏塔底部得到合格的工艺氩气（以氮含量为工艺指标），从依次精馏第二精馏塔顶部得到纯度合格的氮气产品（以氧氩含量为工艺指标。但氧含量微乎其微，实际上以氩含量为工艺指标），如果工艺氩气中的氧气含量（不是氮含量）达不到氩气产品纯度，则需要以工艺氩气为原料气的依次精馏第三精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，从依次精馏第三精馏塔得到纯度合格的氩气产品。这不是有利的氧氩氮三元物系一一空气依次精馏组织方案，但如果不提氩又要求氧气产品纯度达到99.5%以上（氩含量低于0.5%），则采用这个依次精馏组织方案的第一精馏塔，同时通过污氮气的引出，使污氮气引出口以上成了氮一氩氧精馏塔，从而在顶部得到纯度合格的氮气产品。
, C1 C/ N6 B0 W' f0 O0 F    以空气处理量50000NM3的空气装置为例，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按照依次精馏组织方案叙述如下，干空气等温压缩至4-4.3bar，纯化后其中40000-430000NM3压力空气经涡轮增压后在主换一热器换热后膨胀制冷后进入空分塔（依次精馏组织方案的第一精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔）参与精馏，其余7000-10000NM3压力空气（其中5000NM3压力空气增压至38bar）在主换热器与返流气换热液化后节流减压或经液体膨胀机减压后进入设置在空分塔底部的压力空气冷凝器，其余2000-5000NM3压力空气在主换热器换热后进入设置在空分塔底部的压力空气冷凝器中冷凝，冷凝后的液空过冷减压后送至空分塔精馏段作为回流液。从空分塔顶部引出纯度合格的氮气42000NM3在主换热器复热后，其中2000NM3作为产品氮气，其余22000NM3等温压缩至5.4bar，在主换热器换热后进入设置在空分塔底部的压力氮气冷凝器中冷凝为液氮，液氮过冷减压后送至空分塔顶部作为回流液。从空分塔精馏段引出污氮气约19000NM3在主换热器复热后作为纯化器再生气或空冷塔之用！从空分塔底部引出氧氩混合气体（含氧95.3%，含氩4.5%含氮0.2%）约10500NM3作为依次精馏组织方案第二精馏塔的原料气，其中氮氩比例和空气中的氮氩比例一致，而氮气含量则是氧氩混合气体的工艺指标是可以调整的。
    依次精馏组织方案的第二精馏塔是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，采用以工艺氩气为循环工质的单热泵供冷供热方案，从依次精馏第二精馏塔顶部引出合格的工艺氩气（以氧含量为工艺指标，目前一般是1PPM）37000NM3在主换热器复热后等温压缩至2.3bar，压力工艺氩气在主换热器与返流气换热后其中35550NM3进入设置在依次精馏第二精馏塔的底部的压力工艺氩气冷凝器中冷凝为液体工艺氩气，过冷减压后送至依次精馏第二精馏塔顶部作为回流液。从依次精馏第二精馏塔底部得到纯度合格的氧气（以氩含量为工艺指标，含氩0.5%以下，氧气纯度大于99.5%，通过增加工艺氩气压缩量可以进一步降低氧气中的氩含量，进一步提高氧气产品纯度）在主换热器复热后作为氧气产品。
' o8 v$ F/ c+ Z5 o3 U! J/ j% p4 p     压力工艺氩气450NM3作为依次精馏第三精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔原料气，进入设置在依次精馏第三精馏塔底部的压力工艺氩气冷凝器中冷凝为液体工艺氩气，过冷减压后送至依次精馏第三精馏塔精馏段作为回流液，第三精馏塔底部另外设置压力氮气冷凝器，从空分塔底部压力氮气冷凝器前引出的压力氮气100-200NM3在压力氮气冷凝器中冷凝为液氮，过冷减压后送至第三精馏塔顶部作为回流液。从第三精馏塔底部得到合格的氩气（以氮气含量为工艺指标）在主换热器复热后作为氩气产品，
    依次精馏第二精馏塔用于开式热泵供冷供热工艺氩气压缩量37000NM3，压缩功耗1600KWh，太高了，原因在氧氩分离系数太小只有1.1-1.5！，另外就是依次精馏第二精馏塔的原料气氧氩混合气体中的氩含量太低了，只有4.5%！即使依次精馏第二精馏塔近似氧氩精馏塔的理论塔板数225块（提馏段25块，精馏段200块），工艺氩气压缩量高达37000NM3！
" J( m/ P7 I1 W) w. j8 W    这就不能不简单介绍一下所谓三元物系隔板模型优化组织方案，对于氧氮氩三元物系一一空气精馏依次精馏组织方案而言，至少需要两个近似二元物系精馏塔，分别是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔和氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔。其中以氮一氩氧精馏塔为依次精馏第一精馏塔，以氮氩一氧精馏塔为依次精馏第二精馏塔为合理，有利！
     所谓三元物系依次精馏隔板模型优化组织方案，形式上就是把三元物系依次精馏的两个精馏塔进行统筹组合为一个主塔加一个侧塔（国外习惯于在精馏塔中加隔板，所以又称为隔板模型），其最重大的意义在于通过隔板模型优化改变了进入依次精馏第二精馏塔的原料气组成从而降低依次精馏第二精馏塔的供冷供热功耗。
/ T) s! ~- ^8 G+ T. I, Z6 }/ `    以处理50000NM3干空气基于新单塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏依次精馏组织方案为例，依次精馏第一精馏塔底部设置压力空气和压力氮气冷凝器，压力氮气数量22000NM3，压力空气数量7000-10000NM3，，则在空分塔底部得到氧氩混合气体10500NM3，其中氧含量95.3%，含氮0.2%，含氩4.5%作为依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔的原料气，则依次精馏第二精馏塔底部的压力工艺氩气冷凝器中冷凝工艺氩气压缩量为37000NM3！如果我们从依次精馏第一精馏塔空分塔底部以上25块理论塔板数处引出含氩10%，含氮0.2%的氩馏分4500NM3处进入依次精馏第二精馏过程进行精馏分离，那么可以从依次精馏第二精馏塔顶部得到合格的工艺氩气（以氧含量为工艺指标），从依次精馏第二精馏塔底部得到纯度合格的氧气产品（以氩含量为工艺指标）4000NM3！那么这个时候依次精馏第一精馏塔空分塔将发生什么样的变化呢？空分塔底部的供热量不变，氧氩混合气体的蒸发量也不变，但氧氩混合气体的引出量从10500NM3减少至6000NM3，相应回流上升气增加4500NM3，氩馏分引出口以下的回流气液比从0.52升高至0.75！氩馏分引出口以下的提馏段从氮一氩氧精馏塔的提馏段变为氮氩一氧提馏段，空分塔底部引出氧氩混合气体组成也从含氩4.5%降低至0.5%以下，而氮气含量则微乎其微！这样空分塔氩馏分引出口以下和依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔提馏段就成了并联关系完全可以合并！依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔底部的压力工艺氩气冷凝器可以移入空分塔底部。相应氩馏分进入依次精馏第二精馏塔精馏段的数量也从4000NM3增加至约14000NM3，其中约4000NM3是进入依次精馏第二精馏塔的原料气，约10000NM3是原依次精馏第二精馏塔的提馏段回流上升气！
    虽然空分技术人员也许不知道什么是三元物系依次精馏的隔板模型优化组织方案，但百年的摸索使他们实际上已经按照三元物系依次精馏隔板模型优化组织方案进行精馏工艺方案组织优化。基于新单塔流程的氧氩氮三元物系一一空气精馏工艺方案当然不能采用标准的依次精馏组织方案而必须采用隔板模型优化后的依次精馏组织方案（空分塔加粗氩冷凝塔）。

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隔板模型优化组织方案是三元物系及多元物系依次精馏组织方案的一个非常重要的内容。空分技术人员虽然并不知道什么多元物系依次精馏隔板模型优化组织方案。但目前双塔流程的上塔加粗氩冷凝塔实际上就是依次精馏氮一氩氧精馏塔和氮氩一氧精馏塔经隔板模型优化组织而成，其中上塔氩馏分引出口以上是依次精馏第一精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔！粗氩冷凝塔加上塔氩馏分引出口以下是依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔！