外行学空分（341）一一空分基本原理（19）一空分流程的组织（三）

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( k2 ]4 O8 B' V1 e7 J3 k# h    空气的真实组成是氧氮氩三元物系（还有氦氖氪氙等，但含量极低，可以不予考虑），氧氮氩三元物系只有采用依次精馏组织方案才能得到纯度指标合格的氧氮氩气产品，并保证氧氮氩气产品提取率均接近100%（具体提取率需要根据氧氮氩产品纯度才能确定，其中氧氮气产品纯度决定了氩气产品提取率，反之亦然，这是一个简单的物料平衡的问题。
    空气氧氮氩三元物系依次精馏组织方案有两个不同的基本组织方案，一是依次精馏第一精馏塔为氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，从依次精馏第一精馏塔顶部得到纯度合格的氮气产品，依次精馏第二精馏塔是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔。以依次精馏第一精馏塔底部的氧氩混合气体（以氮气含量为工艺指标，氧氩含量比例和空气中的氧氩含量比例一致）为原料气，从依次精馏第二精馏塔底部得到纯度合格的氧气产品（以氩氮含量为工艺指标，氮含量微乎其微，相当于以氩含量为工艺指标），依次精馏第三精馏塔是氮一氩氧精馏塔近似氮一氩精馏塔，以依次精馏第二精馏塔顶部的工艺氩气（氮氩混合气体，以氧含量为工艺指标，氮氩含量比例和氩馏分中的氮氩含量比例一致）为原料气，从依次精馏第三精馏塔底部得到纯度合格的氩气产品（以氮含量为工艺指标，氧含量由原料气一一工艺氩气中的氧含量决定）。氧氮氩三元物系依次精馏组织方案的第二个组织方案是依次精馏第一精馏塔为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纯度合格的氧气产品（以氩氮含量为工艺指标，氮气含量微乎其微，相当于以氩含量为工艺指标），依次精馏第二精馏塔为氮一氩氧精馏塔近似氮一氩精馏塔，以依次精馏第一精馏塔顶部的氮氩混合气体为原料气（以氧含量为工艺指标，氮氩含量比例和空气中的氮氩含量比例一致），从依次精馏第二精馏塔顶部得到纯度合格的氮气产品，依次精馏第三精馏塔为氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，以依次精馏第二精馏塔底部的氧氩混合气体为原料气（以氮气含量为工艺指标），从依次精馏第三精馏塔顶部得到纯度合格的氩气产品。在一般情况下以上第一个氧氮氩三元物系依次精馏基本组织方案是合理有利的空气氧氮氩三元物系依次精馏组织方案，而第二个依次精馏基本组织方案只有在特殊情况下才具有合理性（例如不提氩，但要求氧气纯度指标大于99.5%时）。依次精馏是三元物系及多元物系精馏组织的基本方案，只有采用依次精馏组织方案才能实现三元物系和多元物系的完全精馏分离，才能保证保证每个组分的产品纯度和提取率。
    在三元物系或者多元物系依次精馏组织方案确定后，才能考虑每个依次精馏塔（过程）近似二元物系精馏塔的供冷供热方案。每个近似二元物系精馏塔供冷供热方案都可以采用单热泵及多热泵供冷供热方案，一般而言，以每个近似二元物系精馏塔的低沸点组分或者混合组分为循环工质的单热泵供冷供热方案是最简单和必要的供冷供热方案（精馏角度来说就是二元物系或者近似二元物系标准常规精馏工艺方案），但在单热泵供冷供热方案二元物系或者近似二元物系精馏过程精馏效率很低的情况下，需要采用以低沸点组分和精馏原料气为循环工质的双开式热泵供冷供热方案，甚至多开式热泵供冷供热方案，才能有较高的精馏效率。具体情况可以参阅前面的帖子一一单热泵及多热泵精馏！
    三元物系及多元物系依次精馏组织方案中，依次精馏第一精馏塔以后的第二，第三，第n依次精馏塔，如果能耗较少，为了简化开式热泵供冷供热方案，可以采用依次精馏第一精馏塔的供冷供热开式热泵的压力循环工质气体和减压后的循环工质液体，通过增设冷凝一蒸发器和蒸发一冷凝器实现供冷供热，具体情况可以参阅前面的帖子一一常规热泵，开式热泵和一拖多热泵。
8 a7 O: P# ~# z' T4 D$ N7 c1 z    三元物系或者多元物系依次精馏组织方案中，还有一个非常重要的隔板模型优化组织的问题，三元物系及多元物系依次精馏组织方案，依次精馏第一精馏塔的能耗往往是最大的，后面的依次精馏塔往往能耗较小，为了简化供冷供热方案，多采用依次精馏第一精馏塔的开式热泵一拖多供冷供热方案实现依次精馏第一精馏塔以后的依次精馏塔的供冷供热！这样后面的依次精馏塔就精馏本位部分而言就和组分沸点在环境温度以上的标准常规精馏塔完全一致，只不过以依次精馏第一精馏塔的供冷供热开式热泵压力循环工质气体和减压后循环工质液体代替蒸汽和冷却水实现精馏过程供冷供热而已！如何降低后面依次精馏塔的供冷供热数量就是一个对三元物系或者多元物系精馏能耗影响重大的非常重要的问题。标准常规精馏工艺方案依次精馏塔的供冷供热量在产品纯度指标，理论塔板数既定的情况，由依次精馏塔原料气组成及高低沸点组分分离系数决定，三元物系及多元物系依次精馏塔的原料气组成决定于三元物系及多元物系的精馏原料组成及依次精馏顺序是固定不变的，但通过采用相邻两个依次精馏塔的隔板模型优化组织方案，可以改变依次精馏相邻依次精馏塔的后一个依次精馏塔原料气组成，从而大幅度降低后一个依次精馏塔需要的供冷供热量！具体内容可以参阅前面的帖子一一空分基本原理一一隔板模型优化组织方案。
    氧氮氩三元物系精馏过程当采然必须采用依次精馏组织方案，才能保证氧氮氩组分产品纯度和提取率。但氧氮氩三元物系依次精馏组织方案无论是采用第一个依次精馏组织方案还是采用第二个依次精馏组织方案（氧氮氩三元物系依次精馏只有两个依次精馏组织方案），当然都可以得到纯度合格的氧氮氩每一个组分产品，理论上的各个组分产品提取率也可以达到接近100%！但在实际工程条件下并不是最优化的氧氮氩精馏组织方案。标准依次精馏组织方案，每一个依次精馏塔的原料气组成都是由精馏原料中的各组分组成决定的，是无法改变的。依次精馏组织方案的第一精馏塔的精馏能耗一般要占到多元物系依次精馏总能耗的大部分，而依次精馏第二，第三精馏塔的精馏能耗比例往往较低！依次精馏第一精馏塔一般采用双开式热泵甚至叁开式热泵供甚至多开式热泵冷供热方案，以降低精馏过程能耗！但依次精馏第二，第三精馏塔往往只能采用单开式热泵供冷供热方案（就精馏本体而言，就是标准常规精馏工艺方案，但并不是绝对的，只是精馏能耗和供冷供热方案简化之间的选择比较而已），或者直接采用依次精馏第一精馏塔的开式热泵压力循环工质气体和减压后循环工质液体通过冷凝一蒸发器（再沸器）供热和蒸发冷凝器（冷凝器）供冷实现依次精馏第二，第三精馏塔的供冷供热，从而简化依次精馏第二，第三精馏塔的供冷供热方案。这样依次精馏第二，第三精馏塔原料气的组成就是一个非常重要的问题，直接影响依次精馏第二，第三精馏塔需要的供冷供热量或者单开式热泵循环工质压缩量，从而影响氧氮氩三元物系依次精馏的总精馏能耗。
" G* _8 {; y$ @5 C6 [! n' u       以处理干空气50000NM3的空分装置为例，氧氮氩三元物系依次精馏组织方案，第一依次精馏塔是氮一氩氧精馏塔，采用空气，氮气为循环工质，压力循环工质冷凝器设置在空分塔底部的双开式热泵供冷供热方案，以氮气循环工质的热泵循环量为25000NM3，以空气为循环工质的热泵循环量为5000NM3，从依次精馏第一精馏塔顶部得到纯度合格的氮气产品，从依次精馏第一精馏塔底部得到氮气含量0.2%-0.5%的氧氩混合气体（其中含氧95%左右，含氩约4%-5%，含氮0.5%以下）10800NM3左右，作为依次精馏第二精馏塔的原料气，采用以工艺氩气为循环工质，压力循环工质气体冷凝器设置在氮氩一氧近似氧氩精馏塔底部的单开式热泵供冷供热方案（当然也可以采用依次精馏第一精馏塔的以氮气，空气为循环工质的开式热泵的压力空气在冷凝一蒸发器中冷凝实现供热，减压后的液空在蒸发一冷凝器中蒸发气化实现供冷），那么工艺氩气压缩量（以工艺氩气为循环工质的开式热泵循环量）要达到31000-38000NM3！才能实现氮氩一氧精馏分离，并保证氧气产品纯度达到99.5%一99.8%（含氩0.2%-0.5%），工艺氩气中的氧含量低于1PPM（理论塔板数225块）。
8 _) y# n7 G; a   所谓隔板模型优化组织方案，就是将氧氩氮三元物系依次精馏组织方案的第一，第二依次精馏塔的供冷供热方案加以统筹，将依次精馏第一，第二精馏塔组合而成一个主塔空分塔加一个粗氩冷凝塔，其中主塔空分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，粗氩冷凝塔加上氩馏分引出口以下的主塔空分塔是依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，其中粗氩冷凝塔是依次精馏塔第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔的的精馏段，氩馏分引出口以下的主塔空分塔是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔的提馏段。这样进入依次精馏第二精馏塔的原料气中的氩含量就从含氩4%-5%提高至约10%，数量从10900NM3减少至4500NM3（由于进行了隔板模型优化组织，氩馏分数量是14000-18000NM3，其中4500NM3是依次精馏第二精馏塔氮一氩氧精馏塔原料气，其它是依次精馏第二精馏塔提馏段回流上升气）！相应依次精馏第二精馏单开式热泵供冷供热的工艺氩气压缩量从31000-38000NM3降低至14000-18000NM3，相应压力工艺氩气冷凝器也移至主塔空分塔底部，与压力空气冷凝器，压力氮气冷凝器并列（其中压力空气冷凝器，压力氮气冷凝器实际上是给氮一氩氧精馏塔依次精馏第一精馏塔供热，压力氮气冷凝器，压力空气冷凝器，压力工艺氩气冷凝器共同给氮氩一氧精馏塔依次精馏第二精馏塔提馏段共同供热）！相应纯度合格的氧气产品也由主塔空分塔底部引出。大幅度降低了依次精馏第二精馏塔的精馏能耗。有关依次精馏隔板模型优化组织方案的内容可以参阅前面的帖子。
   至于依次精馏第三精馏氮一氩氧精馏塔则直接采用以氮气，工艺氩气为循环工质，压力循环工质气体冷凝器设置在氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔底部的双开式热泵供冷供热方案，虽然无法实现精馏能耗最优（工艺氩气，氮气压力偏高，压力工艺氩气，压力氮气冷凝一蒸发器换热温差偏大），但极大简化了氧氮氩三元物系依次精馏第三精馏塔的供冷供热方案（直接采用依次精馏第一精馏塔以氮气为循环工质开式热泵循环工质压缩机和依次精馏第二精馏塔的以工艺氩气为循环工质开式热泵循环工质压缩机，不需要又另外设置依次精馏第三精馏塔的氮气，工艺氩气压缩机）。
& D9 h% S# M" S9 ]; A    依次精馏组织方案是理解三元物系和多元物系精馏工艺方案的基础，也是进行三元物系和多元物系精馏基本计算的必要前提条件！而依次精馏隔板模型优化组织方案则是在实际工程条件下降低三元物系和多元物系依次精馏总能的的关健，如果不理解三元物系和多元物系依次精馏组织方案和隔板模型优化组织方案，对于空气氧氮氩三元物系精馏工艺方案的理解就是经验式的，肤浅的！很多极为简单的问题都难以得到解决，倒如氩馏分中的氮气含量及引发粗氩冷凝塔氮阻问题的原因，解决办法。有关内容可以参阅前面如何计算氩馏分中的氮气含量及出现氮阻问题后应该如何处理的相关帖子。
     氧氮氩三元物系依次精馏组织方案的第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，虽然其原料气数量只有依次精馏第一精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔的20%-30%！但氧氩分离系数相较于氧氮分离系数小得多！精馏能耗是很大的！无论是隔板模型优化组织方案，还是开式热泵供冷供热方案的不同，对氧氮氩三元物系精馏分离的总能耗影响都很大！
% G6 E4 Q- R& D- P( c/ n( _    隔板模型优化组织方案的极端例子是多元物系的恩德伍德精馏塔，从精馏塔的精馏段不同理论塔板数处引出不同的关健组分，但这样的精馏组织方案，无法保证各组分的产品纯度（只是以关健组分为主的混合物）！并不适合于家空气精馏分离这样产品纯度要求极高的精馏过程。比较适合于香精提取这样对产品纯度要求不高的精馏过程。
   

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所谓双塔流程的上塔，如果是氧氮二元物系精馏工艺方案或者近似氧氮二元物系精馏工艺方案，则是氧氮二元物系或者近似氧氮二元物系精馏塔，如果是氧氮氩三元物系精馏工艺方案，则不存在所谓的上塔，而是主塔加粗氩冷凝塔，是氧氮氩三元物系依次精馏第一，第二精馏塔经隔板模型优化而成！其中氩馏分引出口以上的主塔是近似氧氮精馏塔，粗氩冷凝塔加氩馏分引出口以下的主塔则是近似氧氩精馏塔。

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依次精馏组织方案是理解三元物系和多元物系精馏工艺方案的基础也是三元物系和多元物系精馏基本计算的前提条件！而隔板模型优化组织方案则是降低三元物系和多元物系依次精馏能的的关健措施。

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三元物系及多元物系精馏分离过程有所谓的恩德伍德方程式，那是三元物系及多元物系依次精馏隔板模型优化组织方案的一个极端形式。一般而言只适合于不需要保证每个组分产品纯度及提取率的情况，例如香精水溶液的精馏分离。

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  氧氮氩依次精馏组织方案中的依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔精馏能耗很大，是否采用隔板模型优化组织方案，开式热泵供冷供热方案的不同，对氧氩氮三元物系精馏总能耗影响很大！

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三元物系依次精馏工艺方案和隔板模型优化组织方案是理解三元物系及多元物系精馏工艺方案的基础和常识。抛开依次精馏及隔板模型，那么对于三元物系及多元物系的精馏工艺方案就只能知其然而不知其所以然了！

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三元物系或者多元物系依次精馏组织方案是否需要采用隔板模型优化组织方案，需要综合考虑各个情况而决定，一段而言如果依次精馏塔精馏原料气高低沸点组分含量差距很大，高沸点组分和低沸点组分的沸点差距很小（采用多热泵供冷供热方案，加权热泵供冷供热有效能效率很低）就需要采用隔板模型优化组织方案。