外行学空分（343）一一空分基本原理（21）一一空分流程的组织（5）

Yb2021 · 发表于 2023-10-30 09:01:30

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本帖最后由 Yb2021 于 2024-2-26 08:06 编辑

空分流程组织方案核心部分是空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及空气开式热泵精馏工艺方案。其中空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案又分为原料空气开式热泵液化部分（即压力空气液化部分）和以空气为循环工质的膨胀制冷部分。空气开式热泵精馏工艺方案根据气体产品方案（关健是氧气产品纯度是否大于95%和是否提氩）的不同分为氮一氩氧近似氧氮精馏工艺方案和经隔板模型优化的空气氧氮氩三元物系依次精馏组织方案及经隔板模型优化后的依次精馏组织方案简化版三个不同的精馏组织方案！其中第一个精馏工艺方案氮一氩氧精馏近似氧氮精馏工艺方案适宜于制取高纯度氮气和纯度95%左右的氧气产品（氧气产品中含氩的4.5%左右），不提氩的产品方案。其中第二个精馏工艺方案经隔板模型优化后的氧氩氮三元物系依次精馏工艺方案适宜于制取高纯度氧氮氩气产品同时要求尽可能高的氧氩氮气产品提取率的产品方案（大多数情况下，氮气产品提取率并不要求接近100%）。第三个精馏工艺方案经隔板模优化后的依次精馏简化版适宜于氧气产品纯度大于99.5%但不提氩，氮气产品也不需要太高提取率的产品方案。不同的空气精馏组织工艺方案需要相应不同的开式热泵供冷供热方案。下面分别从空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，精馏本体部分组织方案，开式热泵供冷供热方案三个深冷空分装置核心必要功能部分分别进行讨论和总结。
一，空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案部分是空分装置的必要组成部分，也是深冷空分开式热泵精馏核心功能部分启动及实现稳态化运行的前提条件，同时和空气开式热泵供冷供热精馏部分结合制取液氧，液氮，液氩等深冷空分液体产品。和空气开式热泵精馏部分既紧密联系又相对独立，其作用有以下四项，一是为空气开式热泵精馏过程创造气液共存的前提条件，空气开式热泵精馏无论是精馏过程还是开式热泵供冷供热方案，启动的前提条件都是空气处于气液共存状态及其对应的温度范围，二是补偿空分装置开式热泵精馏部分精馏原料空气与精馏产品氧氮氩气换热的冷热端换热温差及深冷压缩造成的冷量冷能损失，空分装置散冷损失形成的冷能冷量损失，从而实现空分装置的冷量平衡（本质上是热量平衡，功焓衡算，气液平衡），维持空分装置的稳态化运行。三是结合空气开式热泵精馏部分生产液氧，液氩，液氮等液体产品。四是为内压缩工艺方案提供部分冷能。在空分装置运行时，当空气开式热泵一膨胀制冷液化部分出现设备故障（例如膨胀机出现设备故障停止运行）时，可以通过向空分装置反向输入液体产品（液空，液氮，液氧）并对工况进行相应调整维持空分装置的运行。
空分装置中的空气开式热泵液化工艺方案是液化原料空气压缩至一定压力空气（优化后的工艺参数是空气临界压力后）与空分装置返流气换热液化并过冷，经液体膨胀机膨胀减压得到常压液空（精馏塔压力接近常压，膨胀减压过程中压力液化空气会有少量气化）。同时用于膨胀制冷的循环工质空气压缩至一定压力后（用于液化原料空气压缩和膨胀制冷空气压缩过程，同时也是原料空气压缩输送过程）经涡轮增压后用于膨胀制冷！空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案中，用于液化原料空气（压力38bar）与空分装置返流气体换热液化过冷后的压力液空过冷后的温度高低，是采用液体膨胀机还是节流减压将影响压力液化空气气化率，过冷温度降低同时采用液体膨胀机膨胀减压，将显著降低压力液化空气气化率，从而影响空气开式热泵液化部分有效能效率（常压液空中的冷能数量和气化空气中的冷能数量之和减去过冷后的压力液化空气中的冷能数量差额一一冷量增量和液化原料空气压缩功耗的比值）。空气开式热泵液化部分，压力空气中的压力能几乎可以百分之百（受正流阻力及液体膨胀机绝热效率影响实际上也在95%左右）转化为冷能增量，其有效能效率显著高于空气膨胀制冷部分（一般而言，在设备性能参数压缩机，涡轮增压机等温效率70%膨胀机绝热效率85%的情况下，空气膨胀制冷效率不超过50%，而空气开式热泵液化效率大于65%，略低于70%）。空气开式热泵一膨胀制冷液化效率既不是空气开式热泵液化效率也不是空气膨胀制冷效率，和用于空气开式热泵液化的空气压力高低（空气临界压力）关系极大！
空分装置空气开式热泵一膨胀制冷液化中的空气膨胀制冷工艺方案，实际上有两个不同的工艺方案，一是空压机出口压力空气纯化后经涡轮增压在主换热器与空分装置返流气换热至一定温度后，进入所谓的低温膨胀机膨胀制冷，膨胀制冷后的空气进入空分塔（或者所谓双塔流程的上塔）参与精馏。膨胀机输出功用于纯化后压力空气的涡轮增压。空分装置的空压机出口压力大于或者等于所谓双塔流程的下塔底部压力加主换热器正流阻力加纯化器阻力或者大于等于新单塔流程的空分塔底部压力空气冷凝器压力加主换热器正流阻力加纯化器阻力。二是增压机出口压力空气经涡轮增压后，在主换热器与空分装置返流气换热后进入所谓高温膨胀机膨胀制冷，膨胀制冷后的空气压力根据不同情况在4-6bar之间，根据空分装置产品方案中的液体产品数量不同，可以全部进入双塔流程的下塔和新单塔流程的以空气为循环工质的供冷供热开式热泵压力空气冷凝器（高温膨胀机和低温膨胀机膨胀空气数量之和小于空压机压缩空气总量时），或者部分进入双塔流程的下塔或者新单塔流程的以空气为循环工质的供冷供热开式热泵压力空气冷凝器（高温膨胀机和低温膨胀机膨胀空气数量大于空压机压缩空气数量时），部分返流与空分装置正流压力空气换热复热至常温后进入压力空气增压机入口进行循环压缩。膨胀机输出功用于增压机出口膨胀制冷压力空气的涡轮增压（也有用于正流液化空气涡轮增压的案例，但用于液化正流空气压力工艺参数优化后（空气临界压力38bar），这样的工艺方案就既不必要也不合理了）。这两个膨胀制冷工艺方案中膨胀机分别称为高温膨胀机和低温膨胀机，其实这样说法并不准确，膨胀机进口温度和膨胀制冷后的空气压力（膨胀机背压）无关！和膨胀制冷后的是进入上塔或者空分塔参与精馏还是进入下塔冷凝分离或者进入设置在空分塔底部的压力空气冷凝器中冷凝并无关系！而是决定于用于液化的正流空气压力下的冷凝终末温度和用于液化正流压力空气数量和用于膨胀制冷空气数量的比值，主换热器热端温度换热温差有关，当然采用双膨胀制冷工艺方案时还和换热组织方案有关。就空气膨胀制冷部分而言，是否采用涡轮增压方案对空气膨胀制冷效率影响极大，其膨胀制冷效率差距可以达到20%-30%以上！这也是目前涡轮增压己经成为空分塔空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案的标准常规工艺方案的原因，其次与人们的一般认知相反，膨胀机进口温度越高，同样膨胀制冷空气数量，同样膨胀比则膨胀制冷量越大（膨胀机输出功越大），这就是所谓的高温高焓降（膨胀制冷量，膨胀机输出功），但膨胀机进口温度越高，同样膨胀制冷空气数量及同样膨胀比下，膨胀制冷产生的冷能越小即膨胀制冷效率越低！膨胀制冷循环工质的焓降等于膨胀机输出功，在同样膨胀比下，膨胀机进口温度越高，膨胀机输出功越大，膨胀制冷循环工质的焓降越大！而膨胀制冷效率则是膨胀循环工质空气的冷能增加值和膨胀制冷循环工质空气压缩功的比值！两者是不同的，前者高温高焓降当然是正确的，但后者更是正确的，而且更加深刻！！
空气开式热泵一膨胀制冷液化系统效率既不是空气开式热泵分系统液化效率也不是空气膨胀制冷分系统效率，在工艺参数优化的前提条件下，大体上是空气开式热泵液化有效能效率和空气膨胀制冷有效能效率的乘积！空气开式热泵一膨胀制冷液化效率的影响因素除了设备性能参数（空压机，增压机，涡轮增压机等温效率，膨胀机绝热效率）及实际工程条件（正返流阻力，换热器换热温差及散冷损失）和工艺方案（是否采用涡轮增压，压力液化空气采用节流减压还是液体膨胀机膨胀减压）外，工艺参数（空压机出口压力，增压机出口压力，其中空压机出口压力空气用于涡轮增压膨胀制冷，增压机出口压力空气用于空气开式热泵液化和涡轮增压膨胀制冷）对空气开式热泵一膨胀制冷液化效率也有重大的影响，特别是用于液化的正流空气压力（如果空分装置中配备压力空气增压机，则用于正流液化的空气压力等于增压机出口压力，如果空分装置中只有空压机，则用于正流液化的空气压力等于空压机出口压力）对空气开式热泵一膨胀制冷液化效率极其关健，用于液化正流空气压力最优工艺参数应等于空气临界压力38bar，高于或者低于空气临界压力38bar，均会显著影响空气开式热泵一膨胀制冷液化效率！对于膨胀制冷而言，在满足膨胀机膨胀比限制的条件，实际工程条件下，膨胀机进口膨胀制冷空气压力越高，膨胀机膨胀比越大，实际工程条件正返流阻力对膨胀制冷效率影响越小，相应膨胀制冷效率越高。从空气开式热泵一膨胀制冷液化效率考虑，空压机和增压机都是空分流程的必要标准设备配置。没有配备压力空气增压机的空分流程则空气开式热泵一膨胀制冷液化部分效率极低！与配备压力空气增压机的空分流程相比，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率相差可以达到一倍以上，相应空分装置能耗核算时（空分装置以气氧单耗为核算目标，但气氧单耗中除了空气开式热泵精馏能耗外，还包括用于补偿精馏原料空气和精馏产品换热冷热端换热温差及空分装置散冷形成的冷量冷能损失的空气开式热泵一膨胀制冷液化能耗），液体产品液化单耗核算扣除值相差很大，同时气氧单耗核算结果也会不同（气氧单耗中除了开式热泵精馏能外，也包括部分空气开式热泵一膨胀制冷液化能耗，如果空气开式热泵一膨胀制冷液化效率低，则气氧核算单耗也偏高！），对此很多空分技术人员并没有清楚的认识，从而造成空分装置能耗核算的极大混乱！具体内容可以参阅前面的相关帖子一一空分装置的能耗核算系列帖子，双塔流程标准工艺方案（所谓全低压工艺方案）的缺陷帖子。
   空气单独开式热泵一膨胀制冷液化优化工艺方案及工艺参数如下，标准状态干空气经空压机两段压缩至6bar左右，其中约90%-92%经涡轮增压后（压力约8bar左右）在主换热器与膨胀制冷后的返流空气换热至一定温度后，进入膨胀机膨胀制冷，膨胀机输出功用于膨胀制冷压力空气的涡轮增压。空压机出口压力空气中的8%-10%，经压力空气增压机压缩至38bar，在主换热器与膨胀制冷空气返流气换热液化并过冷，进入液体膨胀机膨胀减压。液体膨胀机的输出功用于发电或者带动风机消散。在空压机，当空压机，压力空气增压机，涡轮增压机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%，正返流阻力损失0.1bar，主换热器换热温差2k不考虑液化装置散冷损失的情况下，空气液化率（液空数量占空压机压缩空气数量的比例）的8%-10%！空气开式热泵一膨胀制冷液化效率33%-35%！如果不设置压力空气增压机，则用于正流液化的压力空气数量占空压机出口压力空气数量的4%-5%！其余空压机出口压力空气的95%-96%经涡轮增压后于膨胀制冷。空气液化率只有4-5%！空气开式热泵一膨胀制冷液化效率只有20%左右！
二，空气精馏分离并无任何神秘之处，都是纯粹的热力学过程，就精馏本体而言（不含供冷供热方案部分和空气开式热泵一膨胀制冷液化部分）就是简单的近似氧氮二元物系精馏分离工艺方案和氧氮氩三元物系经隔板模型优化后的依次精馏工艺方案。近似氧氮二元物系精馏分离只需要单级精馏塔，氧氮氩三元物系依次精馏则需要至少两个精馏塔，一般情况下需要三个精馏塔。其中氮一氩氧精馏塔近似氧氮二元物系精馏塔是氧氮氩三元物系依次精馏组织方案的第一精馏塔，氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔是氧氩氮三元物系依次精馏第二精馏塔，一般情况下还需要依次精馏第三精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔。氧氮氩三元物系依次精馏工艺方案可以保证每个组分的产品纯度及接近100%的产品组分提取率。产品纯度，回流比（分为高沸组分回流比和低沸点组分回流比，精馏计算时必须将高沸点组分回流比转化为回流气液比，低沸点组分回流比转化为回流液气比）和理论塔板数三者之间只有两个自由度，其中产品纯度是工艺指标，可用理论塔板数则受工程条件限制，回流比则由供冷供热数量及方案决定，所谓的精馏计算其实就是近似二元物系精馏过程中，产品纯度既定的情况下，结合实际工程条件可用理论塔板数，对决定回流比的供冷供热方案进行计算和寻优，从而确定优化的供冷供热方案及供冷供热数量（开式热泵的设置，开式热泵循环工质的组成，压缩比及压缩量）。从实际过程而言，根据产品纯度指标，可用理论塔板数，计算出实际回流液气比和实际回流气液比，由实际回流气液比和实际回流液气比计算出供冷供热数量，再计算出热泵循环量及压缩比。
空气氧氮氩三元物系精馏分离，根据氧氮氩三个组分的含量及物理特性（沸点及分离系数），合理的依次精馏组织方案组织方案是依次精馏第一精馏塔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，从依次精馏第一精馏塔底部得到合格的氧氩混合气体（以氮气含量为工艺指标，氧氩比例约为20比1，和空气中的氧氩含量比例一致！），依次精馏第二精馏塔是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，以从依次精馏第一精馏塔底部得到的氧氩混合气体为原料气，从依次精馏第二精馏塔底部得到纯度合格的氧气产品，从依次精馏第二精馏塔顶部得到合格的工艺氩气（又称为粗氩气，以氧含量为工艺指标，氮氩比例和原料气即氩馏分中的中的氮氩含量决定），依次精馏第三精馏塔为氮一氩氧精馏塔近似氮一氩精馏塔，以工艺氩气为精馏原料气，从依次精馏第三精馏塔底部得到纯度合格的精氩产品（以氮气含量为工艺指标）。经隔板模型优化后，依次精馏第一，第二精馏塔组合而成主塔（空分塔）加侧塔（粗氩冷凝塔），其中主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，侧塔（粗氩冷凝塔）和氩馏分引出口以下主塔部分构成完整的依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔。其中作为氧氩氮三元物系依次精馏第二精馏塔原料气氩馏分（既是氮氩氧三元物系依次精馏第一精馏塔氮一氩氧精馏塔的高沸点组分产品，也是氮一氩气精馏塔提馏段回流气）中的氮气含量0.2%-0.5%，氩含量10%左右，其余为氧气组分。无论是基于所谓双塔流程的氧氮氩三元物系依次精馏组织方案还是基于新单塔流程的氧氮氩三元物系依次精馏组织方案就精馏组织方案而言都是一样的，都是经隔板模型优化后的依次精馏组织方案。它们之间的区别在于开式热泵供冷供热方案的不同。
空气氧氮氩三元物系依次精馏组织方案还有另外一个方案，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纯度合格的氧气产品（氧气产品纯度99.5%以上，含氩0.5%以下），从依次精馏第一精馏塔顶部得到氮氩混合气体（以氧含量为工艺指标），依次精馏第二精馏塔是氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔，以依次精馏第一精馏塔顶部的氮氩混合气体作为原料气，从依次精馏第二精馏塔顶部得到纯度合格的氮气产品，从依次精馏第二精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔底部得到工艺氩气（粗氩气，以氮气含量为工艺指标）。依次精馏第三精馏塔是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，从依次精馏第三精馏塔顶部得到纯度合格的氩气产品。这样的氧氩氮三元物系依次精馏组织方案是不合理不有利的。但是如果不提氩但又要求氧气纯度达到99.5%（含氩0.5%以下）以上，则采用这个氧氩氮经隔板模型优化后的三元物系依次精馏组织方案的简化版是合理的！其中空分塔（上塔）污氮气引出口以下是氮氩一氧精馏塔，污氮气引出口以上是氮一氩氧精馏塔的精馏段。本来还应该有一个侧塔一一粗氩蒸馏塔和精氩塔（脱氧塔），但因不提取氩气产品故简化了！
三，当空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数优化后，空气精馏本体部分组织方案（氧氩氮三元物系依次精馏组织方案和经隔板模型优化后的依次精馏组织方案）确定后，空分流程组织剩下的就是开式热泵供冷供热方案组织和优化！
   当采用以空气为循环工质的一拖多开式热泵供冷供热方案（即所谓的深冷空分双塔流程）时，如果产品方案氧气纯度99.5%（含氩0.5%以下），不提取氩气产品，也不要太高的氮气产品提取率，则氧氩氮三元物系精馏工艺方案如下，空压机出口压力空气5.6bar，纯化后其中约15%的压力空气经涡轮增压后在主换热器换热后进入所谓的低温膨胀机膨胀制冷后进入上塔参与精馏。其余的85%的空压机出口压力空气在主换热器与返流气换热部分液化后进入下塔。下塔分离得到的液氮，富氧液空过冷后分别送至上塔顶部和中部作为回流液。其中上塔（空分塔）的污氮气引出口以下是依次精馏第一精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔。污氮气引出口以上是依次精馏第二精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔精馏段！通过污氮气的引出可以从空分塔顶部得到纯度合格的氮气产品，但由于污氮气的引出，氮气产品提取率将无法达到接近100%！这是在不提氩但氧气产品纯度指标为99.5%（含氩0.5%）时，采用经隔板模型优化后的氮氩氧三元物系依次精馏组织方案简化版！这个经隔板模型优化后的氮氩氧三元物系依次精馏简化版精馏工艺方案，采用以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热方案，存在以下的几个问题，一是空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案的液化效率很低，在膨胀制冷空气只占空气总量15%时，一般情况下需要提高空压机出口压力才能实现空分装置的所谓冷量平衡！二是由于需要通过引出污氮气，才能保证氮气产品纯度指标，氮气产品提取率较低，如果制取高纯度氮气产品则提取率更低，三是氧气产品纯度一般只能达到99.5%（含氩0.5%以下）！
完整的经隔板模型优化后的氧氩氮三元物系依次精馏组织方案，还应该有粗氩蒸馏塔（侧塔）及精氩塔（脱氧塔），从空分塔引出氮氩混合液体（氩馏分）在侧塔（粗氩蒸馏塔）中进行蒸馏分离，从侧塔（蒸馏塔）底部得到粗氩气体，如果需要制取精氩产品，一般而言还需要一个精氩塔脱氧塔一一以粗氩气为原料气的氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔。从精氩塔顶部得到合格的精氩产品。但由于不提氩故省去！
如果以制氮及制取纯度在95%（含氩4.5%）左右纯度的氧气产品，则是氮一氩氧精馏工艺方案，当采用以精馏原料空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热方案时，空气经两段压缩至5.6bar，纯化后其中30%的压力空气经涡轮增压后在主换热器换热后进入膨胀机膨胀制冷进入上塔参与精馏。其余70%的压力空气在主换热器与返流气换热部分带液后进入下塔冷凝分离，从下塔顶部得到纯度合格的液氮过冷减压后送至上塔顶部作为回流液，下塔底部得到的富氧液空过冷减压后送至上塔精馏段作为回流液。从上塔底部引出氧产量7%左右的液氧产品，氧气产品（纯度的95%，含氩约4.5%）在主换热器复热后作为产品氧气！从上塔顶部得到纯度合格的氮气产品，但是这个工艺方案并不适合于以制取高纯度氮气产品为目标的产品方案。一是氮气产品是常压，二是氮气产品纯度和氮气产品提取率存在尖锐矛盾！
经隔板模型优化组织后的氧氩氮依次精馏工艺方案，当采用以空气为循环工质的一拖多开式热泵供冷供热方案时，空气两段压缩至5.6bar，纯化后压力空气的85%在主换热器与返流气换热部分带液后进入下塔冷凝分离，其余压力空气数量的15%经涡轮增压后在主换热器与返流气换热后进入膨胀机膨胀制冷后进入上塔参与精馏。从下塔顶部引压力氮气至设置在精氩塔底部压力氮气冷凝器中冷凝为液氮，过冷后送至设置在精氩塔顶部的液氮蒸发器中蒸发供冷，使精氩塔氮氩混合气体冷凝作为精氩塔回流液，末冷凝氮氩混合气体称为废气通过废气阀就地对空排放（后面一般加一个空浴）。从下塔顶部得到纯度合格的液氮过冷后送至上塔顶部作为回流液。从下塔底部得到的富氧液空（氧含量38%-40%），一部分送至上塔精馏段作为回流液，一部分送至粗氩冷凝塔顶部粗氩冷凝器中蒸发气化供冷使粗氩冷凝塔顶部粗氩气冷凝作为回流液，末冷凝的粗氩气进入精氩塔作为原料气。从上塔底部以上约25块理论塔板数处引出氩馏分进入粗氩冷凝塔进行冷凝分离。这样的采用以空气为循环工质的一拖多开式热泵供冷供热方案的氧氩氮三元物系经隔板模型优化后的依次精馏组织方案，在在以下的几个问题，一是冷量平衡很紧张，一般情况下，需要提高空压机出口压力以保证冷量平衡。二是在保证氧气产品提取率的前提下，氩气产品提取率只能达到75%左右！三是氧气产品纯度只能达到99.5%以上，无法达到99.8%！现在采用以空气为循环工质的一拖多开式热泵供冷供热氧氩氮精馏工艺方案越来越趋于采用空气全部进入下塔的工艺方案，这样氧气产品提取率有显著的提高，氧气产品纯度可以达到99.8%左右，至于空压机出口压力当然也不需要为了实现冷量平衡而提高，但是压力空气增压机及所谓高温膨胀机就成为空分装置的必要配备。
四，空气组分沸点远低于环境温度，开式热泵供冷供热方案是唯一可行的空气精馏供冷供热方案。理论上空气精馏分离过程也可以采用以氧氮氩混合气体为循环工质的闭式热泵供冷供热，但无论是工艺方案和简化还是热泵供冷供热效率上而言，以氮气，空气，氧氮氩混合气体为循环工质的开式热泵均为有利，组分沸点在环境温度以上的单热泵及多热泵精馏技术均是开式热泵供冷供热方案，任何讨论闭式热泵用于精馏过程供冷供热方案都是闭门造车，是没有实用价值的，也是对精馏技术发展历史报端无知的表现！就象集成电路时代讨论电子管一样，内容可能可能完全正确但没有实际意义！
五，无论是氧氮二元物系精馏分离（或者氮一氩氧精馏分离近似氧氮二元物系精馏分离）还是氧氮氩三元物系依次精馏分离或者经隔板模型优化后的氧氩氮三元物系依次精馏工艺方案，开式热泵供冷供热方案又可分为单热泵供冷供热方案和多热泵供冷供热方案，理论上正如组分沸点在环境温度以上的精馏过程只需要一个规格的蒸汽和冷却水就可以实现给多个依次精馏过程供冷供热一样，在组分沸点远低于环境温度以下的精馏过程，以精馏原料中沸点最低组分为循环工质的开式热泵，只要开式热泵循环工质压缩机的出口压力下冷凝温度高于精馏原料中沸点最高组分精馏塔压力下液体蒸发气化温度加冷凝一蒸发器换热温差，单开式热泵供冷供热方案可以满足三元物系或者多元物系依次精馏多个精馏过程的供冷供热需要，只不过除了依次精馏第一精馏塔外，其它的依次精馏塔都需要增设最低沸点组分循环工质压力气体冷凝一蒸发器（其作用相当于再沸器）及最低沸点组分循环工质减压液体蒸发一冷凝器（其作用相当于冷凝器）而已！，但多开式热泵供冷供热方案可以显著降低开式热泵供冷供热总功耗（开式热泵循环工压缩功耗之和），从而降低开式热泵精馏的能耗水平。单开式热泵和多开式热泵供冷供热方案分为两种情况，一是近似二元物系精馏工艺方案的单开式热泵和多开式热泵供冷供热方案，其中单开式热泵供冷供热方案只能以低沸点组分为循环工质。多开式热泵供冷供热方案除了以低沸点组分为循环工质的开式热泵供冷供热方案外，还可以根据具体情况设置精馏原料气体为循环工质的开式热泵和以高低沸点混合气体为循环工质的开式热泵供冷供热方案。从而提高二元物系或者近似二元物系精馏过程的精馏效率。降低供冷供热开式热泵循环工质压缩总功耗。至于三元物系或者多元物系的依次精馏，依次精馏第一精馏塔根据具体情况一般采用单开式热泵或者多开式热泵供冷供热方案，而对于依次精馏第二，第三，第n精馏塔而言，当然也可以根据具体情况采用单热泵及多热泵供冷供热方案。但很多情况下，为了简化流程，可以采用依次精馏第一精馏塔的开式热泵提供的开式热泵循环工质压力气体和减压后的循环工质液体通过设置冷凝一蒸发器和蒸发一冷凝器从而给依次精馏第二，第三，第n精馏塔供冷供热。由于供冷供热温度和精馏过程需要的供冷供热温度无法完全匹配，从而降低了供冷供热有效能效率。
六，近似氧氮二元物系精馏过程供冷供热方案一般采用以空气，氮气为循环工质的双开式热泵供冷供热方案，压力空气压力氮气冷凝器设置在空分塔底部的双开式热泵供冷供热方案，氧氮氩三元物系经隔板模型优化后的依次精馏组织方案一般采用空气，氮气，工艺氩气为循环工质冷凝器设置在主塔底部的三开式热泵供冷供热方案，较好地在实际工程条件下平衡了供冷供热方案简化和开式热泵供冷供热总功耗（热泵循环工质压缩总功耗）之间的平衡。
以空气处理量50000NM3每小时经隔板模型优化后的依次精馏组织方案，如果采用以氮气为循环工质的单开式热泵供冷供热方案，则氮压机出口压力5.4bar，氮气压缩量46000NM3，其中500NM3压力氮气用于依次精馏第三精馏塔精氩塔的供冷供热，45500NM3压力氮气冷凝用于空分塔底部供热，冷凝后的液氮过冷后，其中30000NM3用于空分塔顶部供冷（直接加入），15500NM3在设置在粗氩冷凝塔顶部的蒸发一冷凝器中蒸发气化，使粗氩冷凝塔顶部工艺氩气液化作为回流液，实现给粗氩冷凝塔顶部供冷。从空分塔底部压力氮气冷凝器引出的500-700NM3压力氮气在设置在精氩塔底部的冷凝一蒸发器中冷凝实现给精氩塔底部供热，液氮过冷后送至精氩塔顶部的蒸发一冷凝器中蒸发气化，实现给精氩塔顶部供冷。热泵循环工质复热常温压缩功耗2900KWh！如果采用氮气，空气双开式热泵供冷供热方案，则氮压机出口压力5.4bar，压缩量30000NM3，空压机出口压力4.2bar，进入压力空气冷凝器的空气数量15000NM3，其中压力氮气冷凝器和压力空气冷凝器共同给空分塔底部供热，液氮过冷后送至空分塔顶部（直接加入）实现供冷，15000NM3液空在粗氩冷凝塔顶部设置的蒸发一冷凝器中蒸发，使粗氩冷凝塔顶部的工艺氩气液化回流，实现给粗氩冷凝塔顶部供冷，蒸发气化后的空气与膨胀制冷后的空气汇合进入空分塔参与精馏。另外引压力氮气500-700NM3作为精氩塔供冷供热之用！热泵循环工质复热常温压缩功耗2800kWh！如果采用空气，氮气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热方案，则氮气压缩量为25000NM3，氮压机出口压力5.4bar，空气热泵压缩量为5000NM3，空压机出口压力4.2bar，工艺氩气压缩量为14000-18000NM3，工艺氩气压缩机出口压力2.1bar，热泵循环工质总压缩功耗为2400-2600KWh！
七，空分流程的组织中还有内压缩工艺方案及开式热泵循环工质深冷压缩和复热常温压缩的选择和优化等问题。可以参阅前面的深冷压缩与复热常温压缩相关帖子。
八，所谓的双塔流程是以空气为循环工质的一拖二（多）开式热泵供冷供热方案，所以同时具备单热泵及多热泵供冷供热方案的特点，其中的下塔是以空气为循环工质的开式热泵一拖二（多）转换塔，把以空气为循环工质的开式热泵转换为以氮气为循环工质的开式热泵和以富氧空气为循环工质的开式热泵。但这样的一拖二（多）开式热泵供冷供热方案正如分体式空调一样，其供冷供热方案效率只有常规开式热泵供冷供热方案效率的70%-80%！具体情况可以参阅前面闭式热泵，开式热泵，一拖多开式热泵帖子的相关内容。
空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，依次精馏隔板模型优化组织方案和开式热泵供冷供热方案综合优化后的空气氧氮氩三元物系基本工艺方案（以处理标准状态干空气50000NM3为例）简单叙述如下。
标准状态干空气50000干空气经空压机两段压缩至4.2bar（3.9-4.3bar），纯化后其中约5000NM3压力空气在增压机经两段或者三段压缩至38bar，在主换热器与空分装置返流气换热液化过冷后，经液体膨胀机膨胀减压进入设置在空分塔底部的压力空气冷凝器中（会有少量气化），液空经与返流气换热过冷后送至空分塔中部作为回流液。液体膨胀机输出功用于发电或者带动风机消散！其余45000压力空气经涡轮增压后在主换热器换热至一定温度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。从空分塔顶部引出氮气45000NM3与液氮，液空，工艺氩液体换热并使它们过冷后，在主换热器与正流压力空气，压力氮气，压力工艺氩气换热复热至常温后，其中20000NM3作为产品氮气。25000NM3经氮压机两段压缩至5.4bar，在主换热器换热后，其中100-300NM3进入设置在精氩塔底部的压力氮气冷凝一蒸发器中冷凝为液氮，过冷减压送至精氩塔顶部作为回流液。其余24700-24900NM3进入与压力空气冷凝器并列设置在空分塔底部的压力氮气冷凝器中冷凝为液氮，过冷后送至空分塔顶部作为回流液。空分塔理论塔板数约85块，其中氩馏分引出口以下至空分塔底部约25块！从空分塔底部引出液氧3500-4000NM3，引出纯化99.5%-99.8%的氧气约6500-7000NM3在主换热器换热复热至常温后作为产品氧气。从空分塔底部以上约25块理论塔板数处引出含氮0.2%-0.5%，含氩约10%，其余为氧组分的氩馏分约13000-16500NM3进入粗氩冷凝塔。粗氩冷凝塔理论塔板数约200块。从粗氩冷凝塔顶部引出工艺氩气14000-18000NM3（氧含量1PPM以下，含氮约4%-10%）在主换热器换热复热至常温（适宜采用深冷压缩），经工艺氩气压缩机压缩至2.1bar，在主换热器与返流气换热后，其中450NM3进入设置在精氩塔底部的压力工艺氩气冷凝器中冷凝为工艺氩气液体，过冷后送至精氩塔中部作为回流液，从精氩塔底部引出精氩约400-450NM3在主换热器换热复热至常温后作为精氩产品。其余约13550-17550NM3进入设置在空分塔底部与压力空气，压力氮气冷凝器并列的压力工艺氩气冷凝器中冷凝为工艺氩气液体，过冷后送至粗氩冷凝塔顶部蒸作为回流液。从空分塔引出污氮气19200NM3，在主换热器换热复热至常温后，作为纯化器再生气及空冷塔之用！
   以上是经空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数优化，空气精馏组织方案隔板模型优化，开式热泵供冷供热方案优化后的氧氮氩三元物系依次精馏基本工艺方案。根据产品方案的不同，可以相应进行适宜性的调整。
如果要制取高纯度氮气产品。并尽可能提高氮气产品提取率，由于这种情况下，影响氮气产品纯度的主要因素是氩组分，常压下氮氩分离系数只有2.6，大大大低于氧氮分离系数3.7！需要根据液空入口处以上的可用理论塔板数（这个时候，就没有污氮气引出了，或只有少量污氮气的引出），适当增加氮气压缩量，以提高空分塔液空入口处以上的实际回流液气比，以保证氮气产品纯度和高提取率。同时应考虑增设压力氮气冷凝器设置在液空入口处的以氮气为循环工质的供冷供热开式热泵（但这样的开式热泵由于压力氮气冷凝器换热温差的影响，开式热泵供冷供热有效能效率较低，但在制取高纯度氮气产品时，可能相对有利，根据具体情况而定）。
如果氧气产品采用内压缩工艺方案，那么只要在以上基本工艺方案上，增加增压机压力空气压缩量，相应减少膨胀制冷空气数量，并增设液氧和正流空压力空气换热单元即可实现，当然液氧产品数量相应减少。这样可以提高压力空气增压机的压缩量，有利于提高压力空气增压机的等温效率（离心压缩功，压缩量太小，不利于提高压缩机械效率，制造难度也大）。
如果希望制取精氩液体产品，则由空分塔底部压力工艺氩气冷凝器引过冷后工艺氩液体进入精氩塔中部作为回流液，取消精氩塔底部压力工艺氩气冷凝器即可从精氩塔底部引出精氩液体，当然相应减少液氧产品数量。
如果采用氮气内压缩工艺方案，需要同时增加增压机压力空气增压数量及氮气压缩量（在空分塔回流液氮量不变的情况下，引出液氮用于内压缩工艺方案），并增设液氮和正流空气换热单元即可，当然也相应减少液氧产品数量。这是和采用以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热方案的氧氩氮三元物系依次精馏工艺方案不同的地方，采用以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热方案的氧氩氮三元物系依次精馏精馏工艺方案，即使空气全部进入所谓的下塔，由于能够引出用于内压缩的液氮数量有限，内压缩氮气数量一般只有达到空气总量的6%以下！原则上基于新单塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案，压力氮气和压力氧气均应该采用内压缩工艺方案，相对于采用外压缩为有利。
如果要制取液氮产品，只要增加氮气压缩量，相应减少液氧产品数量即可！这个和采用以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热方案的氧氩氮三元物系依次精馏工艺方案是不同的，大家可以思考一下，采用以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热方案（即所谓双塔流程）时，应该如何制取高比例液氮产品！采用三膨胀制冷工艺方案，除了空气膨胀制冷进入上塔外，还需要氮压机和压力氮气增压机！压力氮气增压机出口压力45bar（氮气临界压力）！高温氮气膨胀机和低温氮气膨胀机！
如果产品方案要求的液氧产品数量较少，首先工艺氩气体复热常温压缩改为深冷压缩（工艺氩气压缩比在2左右，本身就适宜深冷压缩，不但可以减少主换热器换热面积，而且可以降低工艺氩气压缩比，相比于复热常温压缩，更加有利）。如果液氧产品数量依然偏大，则可以将压力氮气冷凝器从设置在空分塔底部改至空分塔液空入口处，这样氮压机出口压力相应从5.4bar降低至2.1bar，相应进入设置在空分塔底部的压力空气冷凝器的压力空气数量从占空压机出口压力空气数量的10%增加至60%，相应减少膨胀制冷空气数量和压力空气增压数量！如果液氧产品数量依然偏大，则氮气复热常温压缩改为深冷压缩！
   如果希望提高液体产品数量甚至实现全液体产品方案，则增加压力空气增压数量，并设置增压空气膨胀机，提高膨胀制冷量即可实现。
  在以上基本工艺方案中，氧气产品纯度决定于氩馏分引出口以下至空分塔底部的理论塔板数和实际回流气液比，在氩馏分引出口以下至空分塔底部理论塔板数25块时，工艺氩气压缩量14000NM3，对应氧气产品纯度99.5%！18000NM3对应氧气产品纯度99.8%！如果进一步提高工艺氩气压缩量，氧气产品纯度可以进一步提高。但更合理的供冷供热方案是增加以氧氩混合气体为循环工质的供冷供热开式热泵，这样可以降低制取高纯度氧气产品的能耗。
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的组织和优化，其中用于液化的空气压力最优值是38bar空气临界压力（如果用于液化是压力氮气，则最优值是45bar，氮气临界压力，这是目前空分装置生产高比例液氮产品时的工艺方案）。开式热泵一膨胀制冷液化效率和用于正流液化的空气压力和氮气压力关系极大！
二，空分流程组织的第二个问题是根据产品纯度指标，是否提氩等具体情况，决定空气氧氮氩三元物系精馏工艺方案是采用氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔（可以保证氮气产品纯度指标及提取率接近100%。但氧气产品纯度只能达到95%左右），以氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔为第一依次精馏塔的经隔板模型优化后的氮氩氧三元物系依次精馏组织方案（可以保证氧氮氩三个组分的产品纯度和提取率）。还是采用以氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔为依次精馏第一精馏塔的经隔板模型优化后的氧氩氮三元物系依次精馏组织方案简化工艺方案（只适合于氧气产品纯度要求高但又不提氩的产品方案，通过含氩污氮气的引出，可以保证氮气产品纯度，但无法保证氮气产品提取率接近100%！）。
空分流程组织的第三个问题是供冷供热方案，空气精馏分离是远低于环境温度的精馏分离过程，唯一可行的供冷供热方案就是开式热泵供冷供热方案！经隔板模型优化后的氧氩氮三元物系依次精馏工艺方案最基本的供冷供热方案是以氮气，空气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热方案。根据氧氩氮气产品纯度指标及可用理论塔板数，在制取高纯度氧氩氮气产品时，在三开式热泵供冷供热方案基础上适当增加供冷供热开式热泵的设置，从而降低精馏能耗。例如制取高纯度氧气产品，或者要求精氩气产品中的氧含量极低时（目前是1PPM），那么增设以氧氩混合气体（含氩20%-50%）为循环工质的供冷供热开式热泵，以降低精馏能耗。
空分流程组织的第四个问题是开式热泵供冷供热方案循环工质深冷压缩和复热常温压缩的选择，开式热泵循环工质压缩比在2左右，以深冷压缩为有利，在3以上选择复热常温压缩为有利，2-3之间根据具体情况选择。
空分流程组织的第五个问题是氧氮气内压缩问题，对于采用以氮气，空气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热方案的空分流程，氧氮气采用内压缩工艺方案为有利！
空分流程组织的第五个问题是换热组织问题，基本原则如下，空分装置中返流气（氮气，污氮气，氧气，精氩气）应优先用于开式热泵循环工质液体（液氮，液空，富氧液空，工艺氩气液体）的换热过冷，这一方面降低了开式热泵循环工质液体节流减压的气化率，从而提高了开式热泵供冷供热效率。二是用于液化正流空气除了在主换热器与空分装置返流气换热外，应单独设置用正流液化空气冷凝器，以保证正流液化空气的充分冷凝并过冷，同时保证供冷供热开式热泵循环工质压力气体不带液也不过热进入压力热泵循环工质气体冷凝器，以提高开式热泵供冷供热有效能效率。

Yb2021 · 发表于 2023-10-31 08:35:37

空分流程经历所谓高压流程，中压流程，全低压流程三个阶段，都是按照空压机出口压力进行划分。这其实是肤浅表面的的，其中高压流程，中压流程，完全由空分装置液化部分及纯化部分所主导，当空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案代替空气开式热泵一等温焓差制冷液化工艺方案及涡轮增压技术，吸附法纯化技术出现后，空分流程进入了所谓全低压流程阶段。全低压流程空气开式热泵一膨胀制冷液化效率相对于优化后的空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案（空压机加增压机）效率低近一倍！全低压流程采用的以空气为循环工质的一拖二开式热泵（下塔一拖二开式热泵转换塔，把以空气为循环工质的开式热泵转换为以氮气为循环工质的开式热泵和以含氧40%富氧空气为循环工质的开式热泵）是以空气，氮气（如果是氧氮氩三元物系依次精馏则是氮气，空气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵）为循环工质的双开式热泵供冷供热效率的70%-80%！空分流程全低压工艺方案还是最合理能耗最低的工艺方案吗？！