外行学空分(148)一一双塔流程的提氩(五)

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6 A# ^# z4 h1 S* Z8 Q& Y' L8 C    前几个帖子介绍了双塔流程以氮一氧氩空分塔配合常规精馏的粗氩精馏塔的提氩工艺方案，也简单分析了氮氩一氧空分塔配合粗氩冷凝塔的提氩工艺方案。其实空分塔和提氩流程是互相制约的，如果空分塔采用氮氩一氧空分塔，则进入下塔的空气数量必须达到空气总量的85%以上，这样就没有足够的压力空气可以用于常规精馏塔的提氩装置了，提氩只能采用粗氩冷凝塔流程。如果空分塔采用氮一氧氩空分塔，那么进入下塔的空气数量只需要达到空气总量的70%，就有足够的空气量可以用于常规精馏布局的粗氩精馏塔再沸器作为热源。之所以现在采用的是氮氩一氧空分塔配合粗氩冷凝塔的提氩流程，而没有采用氮一氧氩空分塔配合粗氩塔(常规精馏)的提氩流程，那就是一个路径依赖的问题了。粗氩冷凝塔其实就是所谓增效塔的升级版！在规整填料出现全精馏提氩成为可行之前，深冷空分双塔流程已经完成了从氮一氧氩空分塔向氮氩一氧空分塔的转变。当然这个方案也完全符合氧氮氩三元物系根据隔板塔模型得出现优化精馏组织方案，但本质上是两个精馏塔组合而成，只是大家对此完全没有认识而已。
5 i+ E  p& j/ j8 O) f. u      现在讨论一下双塔流程提氩的几个具体问题，一是粗氩冷凝塔的氩提取率和双塔流程的空分装置氩提取率。粗氩冷凝塔既然是一个和下塔一样的冷凝塔，那么粗氩冷凝塔的氩提取率就是一个非常重要的问题。对于粗氩冷凝塔而言，在最小回流比下操作，对应的是粗氩冷凝塔的最大氩提取率。
   假设进入粗氩冷凝塔的氩馏分中的氩含量10%，氧90%。氧氩相变热比值1.08，氩馏分氩含量10%，氧含量90%，对应的液相平衡组成氩6.6%，氧93.4%。计算出的最小回流液气比为1.04，最大回流液气比为1.073，最大氩提取率33%！如果在恒摩尔流假定下，氩馏分中的氩含量10%时，最小回流液气比是0.967，最大回流液气比是1！最大氩提取率也是33%！氩馏分中的氩含量一般在6%-15%之间，但由于在此氩含量范围内，氧氩分离系数皆为1.5，所以虽然随着氩馏分中的氩含量变化，计算出的最大回流液气比和最小回流液气比均随之变化，但最大氩提取率是不变的。粗氩冷凝塔的氩提取率当然比最大氩提取率小，大约在30%以下。
   空分装置的工艺氩气产量（折纯）等于进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量乘以氩馏分中的氩含量乘以粗氩冷凝塔的实际氩提取率。其中氩馏分中的氩含量由氩馏分引出口以下至上塔底部的理论塔板数，氧气产品纯度（氧气中的氩含量），氩馏分引出口以下至上塔底部的实际回流气液比决定。进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量越大，氩馏分中的氩含量越高，粗氩冷凝塔的实际氩提取率越高则工艺氩气产量越大。
6 e. i/ M. `/ g- n4 h" i" h    第二个具体问题是氩馏分中的氮气含量和氮阻问题的真正原因。氮阻问题是由于氩馏分中的氮气含量异常升高，导致粗氩冷凝器换热温差下降，冷凝量下降甚至完全不冷凝，从而氩馏分进入粗氩冷凝塔的数量减少甚至完全无法进入。这个大家是有共识的，但对引发氮阻问题的具体原因则莫衷一是！影响氩馏分中的氮气含量的因素有那些？搞清楚了这个问题，氮阻问题发生的具体原因也就明朗了。双塔流程的上塔氩馏分引出口以下至上塔底部是氮氩一氧提馏段，氩馏分引出口以上至富氧液空入口处是氮一氩氧提馏段。如果说氩馏分中的氩含量是由氩馏分引出口以下至上塔底部的提馏状况决定，那么氩馏分中的氮气含量就是由氩馏分引出口以上至富氧液空入口处的提馏状况决定。富氧液空中的氧含量越高（氮含量越低），氩馏分引出口以上至富氧液空入口处的理论塔板数越多，实际回流气液比越大则氩馏分中的氮气含量越低！富氧液空的组成由下塔精馏状况决定，其变化范围很小，至于理论塔板数是固定不变的，那么会引发氩馏分中的氮气含量异常大幅度升高，就只有一个因素了，那就是氮一氩氧精馏塔提馏段实际回流气液比的大幅度变化！氩馏分引出口以上至富氧液空入口处的实际回流气液比的情况是非常复杂的，一是膨胀制冷空气进入（原来富氧液空入口处以下一块理论塔板数处进入，现在一般移至富氧液空入口处以下3-4块理论塔板数处）。二是粗氩冷凝塔冷凝器蒸发的富氧空气从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处返回。三是氩馏分一部分进入粗氩冷凝塔，一部分进入提馏段作为回流气。进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量越大，则回流气数量越小！膨胀制冷空气数量和温度变化范围很小，不可能造成氩馏分中的氮气含量大幅度异常升高，这个因素可以排除！那么就只剩下氩馏分数量变化这个因素了，如果氩馏分进入粗氩冷凝塔的数量增加，则氩馏分中的氮气含量升高，如果进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量异常大幅度增加，则氩馏分中的氮气含量异常大幅度升高！而进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量是由什么因素决定的？是由粗氩冷凝塔冷凝器的冷凝量和工艺氩气产量决定的，其中起决定性作用的是粗氩冷凝器的冷凝量！而粗氩冷凝器的冷凝量是由送至粗氩冷凝器的富氧液空蒸发量决定的。现在问题就很清楚了，所谓的氮阻问题是由于粗氩冷凝器的冷凝量异常升高导致进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量异常增加，导致氩馏分中的氮气含量异常升高导致的。至于粗氩冷凝器冷凝量异常升高的原因则比较复杂，可能是粗氩冷凝塔富氧液空侧压力异常降低，导致粗氩冷凝器的换热温差升高，也可能是送至粗氩冷凝器的富氧液空数量偏大（送粗氩冷凝器的富氧液空数量增加则送至上塔的富氧液空数量相应减少）等等，当然这是稳态化运行时的分析结论，是最基本的！实际过程还需要考虑非稳态的因素。
   当然肯定会有人指出，进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量的增加并不会导致氩馏分中的氮气含量升高，因为进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量增加，则返回上塔的富氧空气数量相应增加，而且增加的数量比氩馏分进入粗氩冷凝塔的数量更大，氩馏分引出口至富氧液空入口处的回流气液比不但不会降低反而升高！氩馏分中的氮气含量不但不会降低反而进一步下降！关于这个问题，我只提请考虑一下富氧空气的组分和温度和氩馏分（也是氩馏分引出口至富氧液空入口处最主要的回流气）的区别！
; u9 M% O, ~/ J   第三个具体问题是粗氩冷凝塔的理论塔板数，从前面的计算已经知道，粗氩冷凝塔的最大回流液气比仅比最小回流液气化大不到1%，在保证粗氩冷凝塔一定氩提取率的情况下，实际回流液气比仅比最小回流液气比大不到1%！在要求工艺氩气中的氧含量小于1PPm的情况下 ，需要的理论塔板数为200块左右（这个需要进行逐板计算，因为氧氩分离系数随着氩含量升高而从1.5逐步降低至1.1）。

学习一下。

假设某二元组分A和B，其中A潜热是B的2倍，即每冷凝1个A分子，对应有2个B分子蒸发。
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塔底饱和气相进料组分是20%A+80%B，流量是1，塔顶气相100%B进冷凝器冷凝后，抽出流量0.4，其余返塔作为回流液，塔底抽出液体量W。
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根据物料平衡，进塔流量=出塔流量，1=0.4+W，所以塔底抽出液体量是0.6
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7 O* m: {! Q5 ^; ^/ |A组分物料平衡，1*0.2=0.6*x，所以x=0.2/0.6=1/3，即塔底回流液中，1/3是A组分，2/3是B组分，其中B分子数是0.6*2/3=0.4个单位。

进料气相中总共冷凝了0.2单位的A分子，相应回流液相中应该蒸发了0.4单位的B分子，塔底回流液中B分子数是0.4单位，精馏过程中蒸发了0.4单位的B分子，所以塔顶回流液中的B分子数是0.8单位，塔顶是100%B，故塔顶回流液量就是0.8
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. `7 T: }, h, z: |上升气体中减少了0.2单位的A分子，增加了0.4单位的B分子，上升至塔顶时，分子数净增加0.4-0.2=0.2单位，所以塔顶气体流量是1.2
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我们看，虽然上升气流量和回流液量都在变化，但塔底V-L=1-0.6=0.4，塔顶V-L=1.2-0.8=0.4，两者之差V-L完全相等，都是塔顶冷凝后抽出量0.4。

  先生的意思我完全理解，如果高低沸点组分的气液交换是1比1，那么无论是上升气还是回流液都是不变的，无论同截面气液比还是精馏段顶部的回流液数量和精馏段底部的上升气数量之比，其数值都是一样的。先生曾经认为是这样的，我们就此进行了讨论，现在我们的一些分岐消除了，即我们都已经认识到精馏段上升气在上升过程中数量是不断增加的而回流液在下降过程中数量是不断减少的。这就有讲究了，我的观点很明确，液气比是精馏段顶部的回流液数量和精馏段底部的上升气数量之比！
" y' d. w* D1 m% |$ e   我曾经和先生讨论下塔的回流比，我的结果是最小液气比0,58对应富氧液空氧含量42%，实际液气比0,64对应富氧液空氧含量38%！先生认为应以精馏段底部同截面液气比为准，最小液气比0,52，实际液气比0,55，其中最小液气比先生应该计算错误，应该小于0,5请先生复核一下，如果如此则下塔的实际液气比都是比最小液气比大10%，现在在讨论粗氩冷凝塔时，先生似乎又认为液气比应该是塔顶同截面液气比，至于任意同截面液气，比喻很生动，但不具说服力！还是请先生再思考一下，虽然实际意义不大，但还是要有个讲法才是正理。

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粗氩塔与下塔相似，以下塔为例说明。空气进下塔量V，出下塔富氧液空量L，送至上塔的纯液氮量是D，假定没有其他物料进出下塔(含主冷氮侧)了，是不是有L+D=V?
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/ E. K/ y- T* e) j5 y* Y再以不包括主冷氮侧的下塔作为一个分析单元，出上塔顶的氮气量是V1，进上塔顶的液氮量是L1，那么对于下塔来说，进料有塔底的空气V和塔顶的液氮L1，出料有塔底的富氧液空L和塔顶的氮气量V1，进料是不是等于出料？V+L1=L+V1，即V1-L1=V-L=D
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虽然由于氮潜热比氧小，越往上，气体流量越大，V1>V，但同时越往上回流液体流量也越大，L1>L，而所有同一层的V-L都是固定的，也就是V-L=V1-L1=V2-L2……=D，精馏计算中的物料平衡就是这样算的。还有某组分的物料平衡也是这么算的，如近似认为下塔顶氧含量是0，则下塔底进料空气中氧量=出料富氧液空中氧量，即V*0.2095=L*xO，这样xO=0.2095/(L/V)，具体L/V=0.55时，富氧液空中氧含量xO=0.2095/0.55=0.381
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. n0 Y4 J" A5 e. y. [我这里的L和V是指同一层，不是你说的塔顶L和塔底V，只有同一层才有意义，比如中国的男女比例，目前的男人数/女人数，或秦朝时的男人数/女人数，如果是秦朝时的男人数/目前的女人数，那能说明什么？
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你只要想一下净流量，在下塔上升气体与下降液体流向相反，往上的净流量就是两者之差V-L，显然净流量V-L是不会变化的，因为对于你划分的任意单元来说，进料都恒等于出料。

V1-L1=V2-L2=V3-L3……=D，精馏塔逐层塔板法计算时要用到的最基本的物料平衡(M)，尤总竟然不知道！只能说明尤总不曾作过精馏塔逐层塔板法计算！但能考进中科大，理解这种简单问题还不容易吗？盲点？

首先我感到非常欣慰，我们的分岐大大缩小了！我们的分岐现在集中提氩塔板数是否足够的问题，这已经进入细节问题了，我非常理解先生的担心，即粗氩塔提氩流程相对于目前的粗氩冷凝塔由于增加了提馏段需要占用一定的塔板数，在总理论塔板数受到工程条件限制的情况下，精馏段的塔板数可能不足。这个问题以后我们再讨论。
" T) j/ x7 f3 s: ~* u    其次我计算的最小液气比0,81是按照25%含氩液桕平衡气相氩含量42,5%计算的，先生指出平衡气相含氩32,4%，这个肯定是我错了，先生是正确的，我用先生的平衡数据重新算了一下最小液气比是0,9和先生用软件计算出的结果基本一致。
   关于氩气产量，我是按照氧气产量的0,4%设定的。先生认为上升气二回流比十氩气产量，这个等式是不成立的，正如先生所讲氧氩潜热不同，氧的潜热是氩的1,08倍，那么一个氧分子溶入液相相应就会有1,08个氩进入气相，所以上升气在上升过程中摩尔数和体积是增大的！0,4回流液，0,04氩产量，对应的上升气数量在0,42以下，对应的实际液气比是0,95！以上回复供先生参考。
   

( k' `- L/ M7 [+ B; ?如果是液相含氩25%以上段，那么最小液气比会减小一点，我用软件计算是0.901(压力1.3atm)，可以满足最小液气比条件了，但是塔板数仍是问题。你的气相25%氩抽出位置与液相25%氩进塔不是在同一层，后者位置更高，应该以液相25%氩计算，对应气相氩含量32.4%。
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6 h- f% o# g$ ?* `5 V, H" B普通空分1%氧到1ppm氧所需理论塔板数估计。氩馏分量是粗氩气量30倍，相当于液气比是29/30=0.967，相对挥发度1.11~1.12，平均按1.115计。
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气相含氩0.99，氧0.01，那么液相含氧0.01/0.967=0.0103，液相含氩0.9897，设与此液相平衡的气相中氧含量是x，则有((1-x)/0.9897)/(x/0.0103)=1.115，解出x=0.00925，一块理论塔板降低到原来的0.00925/0.01=0.925倍，
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$ b$ m8 o+ [1 V* O0 `1 q/ k0 X设需要n块理论塔板降低到1%的0.0001倍即1ppm，则有0.925^n=0.0001，n=log(0.0001)/log(0.925)=118块，与实际120块左右正好相符。

尤总提出新方法，应该自己证明其可行，而不是要别人来证明其不可行。

说的是氩25%以上段。我是假定你的氩提取率与普通空分一样，即20000空分生产750氩产品或粗氩气，粗氩气与氧气量之比是750/20000=0.0375
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对于氩25%以上段的所有相同层，都有上升气量=回流液量+粗氩气量，你如果上升气量0.43，回流液量0.4(我已经给你算多了，因为氧潜热比氩大)，那么粗氩气量只有0.3，相当于20000空分粗氩气量只有0.03*20000=600，氩产量比普通空分少多了，是不是这样？
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粗氩塔最小液气比0.81？真是不知从何而来？据此可以反算出相对挥发度，气相25%Ar+75%O2，平衡液相含氧75%/0.81=92.6%，含氩7.4%，氩-氧相对挥发度=（25%/7.4%）/（75%/92.6%）=4.17

8 C1 N9 b1 P, Z5 h' A* q" q1 P/ U标准大气压力即1atm绝压时，氮-氧二元组分在气相氮含量25%时，相对挥发度是4.13，尤总用的是表压为0时的氮-氧汽液平衡？

粗氩塔关键组分是氩和氧，氮很少，可以忽略氮，应该用氩和氧的汽液平衡，氩-氧相对挥发度小于1.5，氩含量越高，相对挥发度越小，氩含量99%以上时，相对挥发度在1.11~1.12之间。

关于先生提到的最小液气比问题，讲的当然是含氩25%液体进口至粗氩塔顶这一段的最小液气比，首先粗氩压缩量为氧气产量0,4倍时，此段的实际液气比为0,93！我想大概认为是0,4，先生为什么今这样认为呢，因为先生认为上升气的数量和氧气产量相等或略高，但这时上升气的数量其实只有氧气产量的0,43倍，实际液气比为0,4/0,43二0,93！这一点只要做一下物料平衡即可得到验证，请先生考虑一下。
8 H7 [) e$ P- U. a3 B7 z   其次先生计算最小液气比的方法是错误的，实际最小液气比是0,81。另外先生提到理论塔板数问题，在给定产品纯度的条件下，不能抽象地说理论塔板数不足，因为需要的塔板数和实际回流比紧密相关，回流比越大所需要的理论塔板数越少。回流比提高10%所需要的理论塔板数可以减少1/3。
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再有尤总的“如果是深冷压缩，应以压缩功耗的4倍计算能耗”也是想当然。空分中设液体膨胀机时，液膨发电机每增加1kW功率，空气增压机可以同时节省5kW功率，合计是6倍关系。我大约在2004年发表过一篇这样的文章，但在此前2003年曾听林德流程专家说过这样的话，所以才有底气了。后来我听杭氧膨胀机专家说，或许比6倍更多。这是有可能的，如果发电机效率更低，或传动过程损失更大，那么倍数就会更多。
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膨胀和增压可看作是互逆过程，尤总低温增压，至少应以6倍计算。空分中很少有低温增压，原因正是这一过程的效率太低。