外行学空分（340）一一空分基本原理（18）一一空分流程的组织（二）

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$ [, X# J" q4 M! l0 F5 w* C6 ^/ \1 Q    完整的空分装置由空气开式热泵一膨胀制冷液化部分和空气开式热泵供冷供热精馏部分组合而成，其中空气开式热泵供冷供热精馏是空分装置的核心部分。空气开式热泵供冷供热精馏实际上分为两个部分，一是开式热泵供冷供热方案部分，二是空气精馏分离方案本体部分，包括精馏原料空气的输送，纯化及依次精馏塔内空气精馏分离，原料空气与精馏产品氧氮氩气的换热。空气精馏本体部分包括空压机（精馏原料空气输送压缩机，空压机除了空气原料输送压缩功能外，同时还是以空气为循环工质的供冷供热开式热泵循环工质压缩机，用于膨胀制冷循环工质压缩机及用于液化空气初级压缩机），纯化器（其功能是除去原料空气中的水份，二氧化碳，碳氢化合物，氧氮化合物等），主换热器（精馏原料空气与返流精馏产品换热）。精馏塔（二元物系）及依次精馏塔（三元物系）或者经隔板模型优化后的依次精馏塔（主塔加侧塔，实际上是两个依次精馏塔组合而成）。其中核心部分是二元物系的精馏塔和三元物系及多元物系的依次精馏塔或者经隔板模型优化后的依次精馏塔。
     空气的真实组成是多元物系，其中主要组分是氧氮氩，其中氧氮含量在99%左右，氩含量约1%！还含有少量的稀有气体（氦氖氪氙）及水份和二氧化碳及氧氮化合物，氧氮化合物。但稀有气体含量很低，空气精馏分离时一般不予考虑，只有在提取氦氖氪氙等稀有气体及生产极高纯度氧氮氩气产品时才会加以考虑。水份及二氧化碳，碳氢化合物，氧氮化合物在空气精馏分离之前由纯化器除去，虽然实际去除率无法达到100%但在空气精馏分离时，一般也不予考虑，只在讨论空分装置安全问题，才会考虑碳氢化合物和氧氮化合物的累积问题，只有在制取极高纯度气体产品时，才会考虑碳氢化合物及氧氮化合物的影响！根据空气精馏分离的气体产品及产品纯度指标，空气精馏分离就精馏本体部分而言可以分为近似氧氮二元物系精馏分离工艺方案和氧氮氩三元物系精馏工艺方案。两者之间是不同的，不能混为一谈！其中近似氧氮精馏分离在空气真实组分下，可以制取纯度合格的氮气产品，但只能制取纯度95%左右的氧气产品（以氮气含量为工艺指标，氧气中含氩4%-5%），当然氧氮气产品（折纯）提取率理论塔均可以接近100%！如果要制取95%纯度以上的氧气产品及提取氩气产品，则是氧氮氩三元物系依次精馏及经隔板模型优化后的依次精馏工艺方案，其中近似氧氮二元物系精馏塔（工艺方案）只是氧氮氩三元物系依次精馏工艺方案的第一精馏塔，还需要氧氮氩三元物系依次精馏第二精馏塔近似氧氩精馏塔，才能得到纯度合格的氧气产品（氧气纯度99.5%以上，以氩氮含量为工艺指标，但氮含量微乎其微，实际上近似以氩含量为工艺指标），为了保证氩气产品纯度，一般情况下还需要氧氮氩三元物系依次精馏第三精馏塔近似氮氩精馏塔（脱氮塔，精氩塔），才能得到纯度合格的氩气产品。氧氮二元物系或者近似氧氮二元物系精馏在过程在一个接近常压的精馏塔中完成，从精馏塔底部和顶部分别得合格的高沸点组分产品（氧氩混合气体，以氮含量为工艺指标）和低沸点组分氮气产品。所谓的空气精馏双塔精馏工艺方案实际上是氧氮二元物系或者近似氧氮二元物系精馏分离工艺方案，其中的下塔（双塔之一）是以空气为循环工质的开式热泵一拖二转换塔。就精馏分离本体而言仍然是接近常压精馏塔（上塔），是氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔！
( J& D6 a4 \4 Q* W9 w( t    对于氮一氩氧近似氧氮二元物系精馏工艺方案，除了可以采用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（即所谓的空气双效精馏或双塔精馏）外，还可以采用以空气，产品氮气为循环工质的双开式热泵供冷供热精馏工艺方案。
     以处理干空气50000NM3为例具体描述如下，50000NM3空气经空压机压缩至4.2bar，经纯化器纯化后，其中约5000NM3压力空气经增压机增压至38bar在主换热器与返流氮气及氧气，污氮气换热液化后，经液体膨胀机膨胀减压后进入设置在空分塔底部的压力空气冷凝器中，液空经与返流氮气，污氮气换热过冷后节流减压进入空分塔中部作为回流液。其余45000NM3压力空气经涡轮增压后在主换热器与返流氮气，氧气，污氮气换热后进入膨胀机膨胀制冷，膨胀制冷后的空气进入空分塔参与精馏，膨胀机输出功用于膨胀制冷空气的涡轮增压。从空分塔顶部引出氮气45000-64000NM3（当引出氮气数量为45000NM3时，需另外引出污氮气约19000NM3，当引出氮气数量为64000NM3时，则无污氮气引出，氮气提取率分别为50%和约100%）在过冷换热器，主换热器换热复热至常温，其中20000-39000NM3作为产品氮气，其余25000NM3氮气经氮压机压缩至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，与返流氮气，污氮气换热过冷后节流减压送至空分塔顶部作为回流液。从空分塔底部引出3500-4000NM3液氧（含氩的4%-5%），气氧6800-7300NM3（折纯）在主换热器换热复热至常温后作为产品氧气（纯度95%，含氩4%-5%）。氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔氮气产品可以通过增加精馏段理论塔板数和液空入口处以上的精馏段实际回流液气比（由氮气压缩量决定）达到氮气产品纯度指标。而高沸点组分氧氩混合组分，通过理论塔板数及提馏段实际回流气液比只能保证氮气含量指标，却无法保证氧气纯度指标（在95%左右），其原因在于空气真实组分下，氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔底部的氧氩混合气体中的氧氩比例和精馏原料空气中的氧氩比例基本一致，和氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔的理论塔板数，回流比无关！如果通过提馏段回流气液比的提高，导致氧气产品纯度高于95%！实际上已经是氮氩一氧近似氧氩精馏塔，精馏工艺方案的性质发生了重大的变化，是另外一个问题了！
   以上氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔是氧氮氩三元物系依次精馏分离工艺方案的依次精馏第一精馏塔。如果以此工艺方案作为制氮工艺方案，则氮气产品提取率理论上可以接近100%！在空分塔理论塔板数85块的情况下，只要适当增加氮气压缩量，提高精馏段实际回流液气比，增加精馏段理论塔板数，就可以制取高纯度氮气产品且氮气提取率可以接近100%。如果制取高纯度氮气产品则影响氮气产品纯度的主要是空气中的氩组分。如果对氧气产品纯度无要求（即以制取氮气产品为唯一目的），则可以降低氧气纯度指标（相应适当降低氮气提取率），从而增加空分塔精馏段理论塔板数，根据氮气产品纯度，提取率，可用理论塔板数，计算出需要的氮气压缩量（以氮气为循环工质的开式热泵循环量）。以此空气精馏工艺方案制取氮气产品，高纯度氮气产品和一般纯度氮气产品之间的能耗差距是很小的！当然以此工艺方案制取高纯度氮气产品时，还可以通过开式热泵供冷供热方案的改进（增设压力氮气冷凝器设置在液空入口或以下位置的以氮气为循环工质的开式热泵），进一步降低制取高纯度氮气产品的能耗，具体可以参阅前面基于新单塔流程的制氮工艺方案的帖子。
' l' ?* x# c0 d9 K    如果不提取氩气，但要求氧气产品纯度达到99.5%-99.8%（含氩0.2%-0.5%）同时制取氮气产品，则不是氮一氩氧精馏近似氧氮二元物系精馏工艺方案，而是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，是氮氩氧三元物系精馏工艺方案另一个经隔板模型优化后的依次精馏组织方案的简化版，除了可以采用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（即所谓双塔流程）外，还可以采用空气，氮气，氧氩混合气体（含氩10%）为循环工质的三开式热泵供冷供热精馏方案，和氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔相比，以空气，氮气双开式热泵供冷供热方案不变，同时从空分塔底部以上25理论塔板数处引出氧氩混合气体（含氩约10%），数量为14000-18000NM3，复热至常温后压缩至1.5bar（适宜采用氧氩混合气体深冷压缩，这样可以省去氧氩混合气体复热换热器，同时不存在正返流阻力损失相应降低氧氩混合气体压缩比），在主换热器换热后，进入压力氧氩混合气体冷凝器，压力氧氩混合气体冷凝器同样设置在空分塔底部，压力氧氩混合液体过冷后从空分塔底部以上约30块理论塔板数处加入！在近似氧氮二元物系精馏工艺方案基础上增加一个以氧氩混合气体（含氩约10%）为循环工质的开式热泵供冷供热方案，空分塔氧氩混合气体引出口以下是氮氩一氧精馏分离近似氧氩精馏塔提馏段，以上是是氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，如果要制取纯度合格的氮气产品，则需要引出污氮气才能保证氮气产品纯度，这样空分塔底部就可以得到纯度99.5%-99.8%的氧气产品。引出污氮气后空分塔顶部可以得到纯度合格的氮气产品，但氮气提取率无法达到100%，只能达到75%左右。当然也可以采用氮气，空气双开式热泵供冷供热方案，与基于新单塔流程的空气，氮气双开式热泵供冷供热氮一氩氧近似氧氮二元物系精馏工艺方案相比，进入压力空气冷凝器的空气数量从5000NM3提高至21000-25000NM3，相应减少膨胀制冷空气数量，压力空气增压机的压缩量也相应从50000NM3减少至2500NM3左右），这样空分塔液空入口处以下是氮氩一氧精馏塔，液空入口处至污氮气引出口之间为氮氩一氧精馏塔精馏段，污氮气引出口以上是氮一氩氧精馏塔精馏段，这不是一个优化完整的氧氮氩三元物系精馏工艺方案，只有在不提氩且氮气提取率要求较低但却要求氧气产品纯度达到99.5%-99.8%（含氩0.2%-0.5%以下）时才能采用。
! m+ M8 j% {# l& e: I3 @   氧氮氩三元物系依次精馏工艺方案有两个依次精馏组织方案，一是第一依次精馏塔为氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，第二依次精馏塔为氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔。第三依次精馏塔为氮一氩氧精馏塔近似氮一氩精馏塔。二是第一依次精馏塔为氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，第二依次精馏塔为氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔。第三依次精馏塔为氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔。但空气真实组成中，氮气含量最高（约占80%），氧气含量次之（约占20%），氩气含量最少，且氧氩沸点接近。第一个依次精馏组织方案才是合理有利的依次精馏组织方案，而第二个依次精馏组织方案只有在不提氩的情况下才具有合理性，不提氩但要求氧气产品纯度达到99.5%-99.8%（含氩0.2%-0.5%）即是氧氮氩三元物系依次精馏第二组织方案的简化版。
    与目前所谓双塔流程的近似氧氮二元物系精馏工艺方案和氧氩氮三元物系经隔板模型优化的依次精馏工艺方案相比，基于新单塔流程的近似氧氮二元物系精馏工艺方案和氧氮氩三元物系经隔板模型优化的依次精馏工艺方案完全一样，两者都是进行了隔板模型优化组织的氧氩氮三元物系依次精馏组织方案，它们之间的区别在于开式热泵供冷供热方案的不同！
    深冷空分流程的组织，第一个问题是空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数的优化，关于这部分的内容可以参阅外行学空分（340）！
% T. l, G' w: H" z: |" I    深冷空分流程组织的第二个问题是根据产品方案。产品纯度指标的不同，决定采用氮一氩氧精馏工艺方案近似氧氮精馏工艺方案或者经隔板模型优化的氧氩氮三元物系依次精馏第一组织方案，或者经隔板模型优化的氧氩氮三元物系依次精馏第二组织方案简化版。其中氮一氩氧近似氧氮精馏工艺方案，只需要一个精馏塔，适宜于制取高纯度氮气产品及纯度95%以下的氧气产品！经隔板模型优化的氧氩氮三元物系依次精馏第一组织方案，需要一个主塔加一个侧塔及一个精氩塔，适宜于制取高纯度氧氩氮气产品。其中主塔氩馏分引出口以上是氮一氩氧近似氧氮精馏塔，侧塔（粗氩冷凝塔）加主塔氩馏分引出口以下是氮氩一氧近似氧氩精馏塔，精氩塔是氮一氩氧近似氮氩精馏塔。经隔板模型优化的氧氩氮三元物系依次精馏第二组织方案简化版，适宜于制取高纯度氧氮气产品但不提取氩气产品，其中空分塔污氮气引出口以下是氮氩一氧近似氧氩精馏塔，污氮气引出口以上的空分塔是氮一氩氧近似氧氮精馏塔的精馏段。
, ?# B# [1 ~- a   空分流程组织的第三个问题是开式热泵供冷供热方案。有关这方面的内容可以参阅外行学空分之常规闭式热泵，开式热泵，一拖多开式热泵系列帖子！
   空气开式热泵精馏供冷供热有单开式热泵热泵供冷供热方案，一拖多开式热泵供冷供热方案及多热泵供冷供热方案的区别，一拖多开式热泵供冷供热方案的供冷供热有效能效率显著低于单开式热泵供冷供热有效能效率！多开式热泵供冷供热有效能效率虽然由于压力开式热泵循环工质气体冷凝器换热温差的存在，加权平均供冷供热有效能效率低于以低沸点组分为循环工质的单开式热泵供冷供热有效能效率！但精馏本位有效能效率却可以显著提高，合理的多开式热泵供冷供热方案的开式热泵精馏有效能效率高于以低沸点组分为循环工质的单开式热泵供冷供热方案的开式热泵精馏有效能效率。在解决了空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数的优化后，为多开式热泵供冷供热方案的加权平均供冷供热有效能效率的提高创造了前提条件，从而为进一步提高开式热泵精馏有效能效率降低开式热泵精馏能耗创造了可能性！

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氧氮二元物系精馏分离和氧氮氩三元物系精馏分离的精馏组织方案是完全不同的，氧氮二元物系精馏分离只需要一个精馏塔，而氧氮氩三元物系精馏分离则至少需要两个精馏塔。至于所谓双塔流程是氧氮二元物系精馏分离，下塔是以空气为循环工质的开式热泵转换塔！两者不能混为一谈！

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一般精馏教科书只对二元物系精馏过程进行讨论，而对于多元物系的精馏分离，只是简单地说明多元物系精馏分离需要分解多个近似二元物系精馏分离过程才能进行。n元物系有（n-1）X（n-2）X……X2个不同的分解方案。但对多元物系分解为近似二元物系精馏过程的基本规则，近似二元物系精馏过程应该注意的问题则极少涉及，更不要说什么隔板模型优化组织方案了。但这些问题对于空气精馏分离过程和计算都是十分重要。没有这样的基础理论知识，就无法深刻理解空气精馏过程及产品纯度的影响因素。

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对于二元物系精馏分离过程而言，核心关健的问题是二元物系精馏分离过程的供冷供热方案问题，标准常规精馏工艺方案，双效及多效精馏工艺方案，单热泵及多热泵精馏工艺方案，完全自热即彻底开式热泵精馏工艺方案，它们之间的本质区别在供冷供热方案的不同。对于多元物系的精馏分离过程，首先是多元物系精馏过程必须分解为多个近似二元物系精馏分离过程，依次精馏分解次序及优化组织方案（隔板模型）是多元物系精馏过程组织的首要问题。剩下的就是供冷供热方案的问题了！

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空气氧氮氩三元物系依次精馏组织方案只有两个，一是依次精馏第一精馏塔为氮一氩氧精馏塔，另外一个是依次精馏第一精馏塔为氮氩一氧精馏塔。第一个依次精馏组织方案第一精馏塔是近似氧氮精馏塔，第二个依次精馏组织方案第一精馏塔是近似氧氩精馏塔。两者之间差别很大，绝对不能混为一谈！

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  所谓标准常规精馏工艺方案，双效精馏及多效精馏工艺方案，单热泵及多热泵精馏工艺方案都是二元物系精馏工艺方案，它们之间的区别在干供冷供热方案的不同。至于组分沸点远低于环境温度的二元物系精馏工艺方案，都是开式热泵供冷供热方案，不同在于是采用一拖二（多）开式热泵供冷供热方案还是采用多开式热泵供冷供热方案。

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   深冷空分流程组织除了空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数优化外，最重要是精馏本体部分的组织方案，有依次精馏组织方案的顺序及隔板模型优化的问题，最后才能考虑适宜的开式热泵供冷供热方案。

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   氧氩氮三元物系依次精馏组织方案是理解空气精馏过程的基础常识。