外行学空分（312）一一氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案详解（4）

     基于新单塔流程标准氧氮氩三元物系精馏一一空气精馏工艺方案，要实现氧氮氩三元物系的完全精馏分离并得到纯度合格纯度氧气，氮气，氩气产品，至少需要两个精馏塔，一般情况下需要三个精馏塔，从每一个精馏塔得到一个纯度合格的产品（氮气或者氧气），只要进入第二精馏塔的原料气一一氩馏分中的氮或氧含量足够低（是依次精馏第一精馏塔的工艺指标，如果依次精馏第一精馏塔是氮一氩氧精馏塔，则氩馏分是氧氩混合气体以氮气含量为工艺指标，如果依次精馏第一精馏塔是氮氩一氧精馏塔，则氩馏分是氮氩混合气液以氧含量为工艺指标），也可以在第二精馏塔得到两个合格纯度的组分产品，这样就只需要两个精馏塔。不需要依次精馏第三精馏塔脱氮塔或者脱氧塔。如果进入第二精馏塔的原料气中的氧氮含量较高（是依次精馏第一精馏塔的工艺指标），那么就需要第三个精馏塔一一脱氧塔或者脱氮塔，才能保证氩气产品的纯度。
# e! R' b% t1 e6 y    合理有利的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的第一个精馏塔是氮一氩氧精馏塔一一近似氧氮精馏塔，依次精馏第二精馏塔是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，依次精馏第三精馏塔是氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔。按照氧氮氩三元物系依次精馏隔板模型优后的方案就是空分塔氩馏分引出口以上至空分塔顶部是氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，粗氩冷凝塔加氩馏分引出口以下的空分塔（上塔）是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔。从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依次精馏第一精馏塔一一氮一氩氧精馏塔的顶部得到合格纯度的氮气产品，从依次精馏第一精馏塔一一氮一氩氧精馏塔底部（氩馏分引出口处）得到合格的氧氩混合气体（以氮气含量为工艺指标氮气含量约为0.2%-0.5%。氩含量约10%）作为第二精馏塔的原料气即氩馏分。依次精馏第二精馏塔是氮氩一氧精馏塔一一近似氧氩精馏塔，其中粗氩冷凝塔是依次精馏第二精馏塔一氮氩一氧精馏塔的精馏段，氩馏分引出口至空分塔底部是依次精馏第二精馏塔一一氮氩一氧精馏塔的提馏段。从依次精馏第二精馏塔底部（经隔板模型优化后就是空分塔底部）得到纯度合格的氧气产品（理论上以氮氩含量为工艺指标，但实际上氮含量微乎其微，事实上以氩含量为工艺指标），从依次精馏第二精馏塔顶部得到合格的工艺氩气一一氮氩混合气体（以氧含量为工艺指标，工艺氩气中的氮氩比例则则是氩馏分中的氮氩比例的2倍左右），如果第二精馏塔原料气一一氩馏分中的氮气含量较大，为了保证氩气产品的纯度（氩气中的氮气含量），就需要依次精馏的第三个精馏塔氮一氩氧精馏塔一一近似氮一氩精馏塔，又可称为脱氮塔，精氩塔。如果依次精馏第二精馏塔的原料气一一氩馏分中的氮气含量足够低（由氩馏分中的氮气含量决定），从第二精馏塔顶部得到的工艺氩气己经达到氩气产品纯度指标，则可以不需要依次精馏的第三精馏塔一一精氩塔或者脱氮塔。
4 T. i% W; y9 o# K9 ~! \' {- e# r     其实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的依次精馏组织方案（经过隔板模型优化）的第二依次精馏塔和第三精馏塔和基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案依次精馏组织方案的第二依次精馏塔和第三精馏塔从精馏而言其理论塔板数和回流比（包括精馏段和提馏段的理论塔板数及回流液气比及回流气液比）产品纯度是完全一致的区别只在供冷供热方案的不同！其中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的依次精馏第二精馏塔采用以工艺氩气为循环工质的开式热泵供冷供热方案，而依次精馏第三精馏塔则采用以氮气，工艺氩气为循环工质的双开式热泵供冷供热方案。而基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案的依次精馏第二精馏塔采用压力氮气（冷凝温度约96k）冷凝供热，富氧液空（氧含量约40%，蒸发气化温度的84K）的蒸发气化供冷，蒸发气化后的富氧空气在富氧液空入口处以下返回上塔参与精馏！第三精馏塔则是采用以氮气为循环工质的热泵供冷供热（为了降低上塔的系统压力，在精氩塔顶部增加了一个液氮蒸发冷凝器，蒸发气化的氮气和污氮气汇合，而精氩塔顶部的氮氩混合气体又称为废气则就地排放）。
    氧氮氩三元物系一一空气依次精馏工艺方案中，依次精馏工艺方案中的第一精馏塔是能耗（开式热泵供冷供热功耗）最大的精馏塔，要占到依次精馏开式热泵供冷供热功耗的60%以上！而基于新单塔流程的氧氮氩三元物系一一空气依次精馏第一精馏塔和基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气依次精馏第一精馏塔都是氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔！
% a# P4 x2 Z% T4 S3 x; X. Q    基于新单塔流程的依次精馏第一精馏塔是氮一氩氧精馏塔，产品纯度工艺指标有两个，一是氮气产品纯度，二是氩馏分（依次精馏第一精馏塔的高沸点组分产品一一氧氩混合气体同时又是依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔的原料气）中的氮气含量。其中氮气产品纯度的主要影响因素是氮气压缩量（以氮气为循环工质的开式热泵偱环量即是空分塔顶部回流液氮数量），其次是氮气产品数量（根据污氮气引出量不同而变化）及污氮气中的氧氩含量，空分塔顶部至污氮气引出口之间的理论塔板数，在实际操作中，通过增加污氮气引出量可以改变污氮气引出口至空分塔顶部的实际回流液气比，（氮气压缩量操作中是无法改变的，设计时是一个决定氮气纯度的关健参数）达到改变氮气产品纯度的目标。氩馏分中的氮气含量由氩馏分引出口至膨胀制冷空气入口处之间的理论塔板数和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和进入空分塔底部压力氮气冷凝器压力氮气数量决定，如果氩馏分引出口至膨胀制冷空气入口处的理论塔板数在20块左右，则在不改变进入设置在空分塔底部压力氮气冷凝器压力氮气数量的情况下，通过增加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，可以大幅度地降低氩馏分中的氮气含量，如果氩气产品纯度要求不是特别高，则理论塔精氩塔可以取消！是否有利需要综合考虑而定。依次精馏第二精馏塔是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，氧气产品纯度（以氩含量为工艺指标，氮含量微乎其微）由空气塔氩馏分引出口至空分塔底部之间的理论塔板数（一般在25块理论塔板数）和进入设置在空分塔底部的压力工艺氩气冷凝器的压力工艺氩气数量决定，以处理干空气50000标准立方米的空分装置为例，如果工艺氩气压缩量为14000标准立方米，则氧气产品纯度可以达到99.5%，相应氩馏分中的氩含量（不是氮含量）在10%左右。如果工艺氩气压缩量18000标准立方米，则氧气产品纯度可以达到99.8%，相应氩馏分中的氩含量降低至8%左右。如果进一步增加工艺氩气压缩量，当然可以进一步提高氧气产品纯度！从粗氩冷凝塔（依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔精馏段）顶部得到的工艺氩气以氧含量为工艺指标，目前氧含量一般为1PPM，粗氩冷凝塔理论塔板数约200块。由于氧氩分离系数很小，在氧含量高时为1.5左右，随着氧含量降低，氧氩分离系数逐步降低至1.1！因此粗氩冷凝塔需要的理论塔板数很多（200块）左右。氩馏分中的氩数量的30%可以作为工艺氩气引出，即粗氩冷凝塔氩提取率只有30%左右。精氩塔又称为脱氮塔是氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔，从精氩塔底部引出的氩气产品纯度，决定于精氩塔提馏段的理论塔板数及进入设置在精氩塔底部的压力氮气冷凝器的压力氮气数量，在实际操作中增加进入设置在精氩塔底部的压力氮气冷凝器的压力氮气数量就可以提高氩气产品纯度（以氮含量为工艺指标）。
    对于空气精馏开式热泵精馏而言，所谓的新单塔流程和双塔流程区别就在采用什么样的开式热泵供冷供热方案，双塔流程采用以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热方案，而新单塔流程则采用以空气，氮气为循环工质的双开式热泵供冷供热方案！以处理干空气50000标准立方米的空分装置为例，近似氧氮二元物系的双塔流程进入下塔的空气数量为35000标准立方米，压缩功耗2450kWh！而近似氧氮二元物系精馏工艺方案的新单塔流程采用空气，氮气双热泵供冷供热方案，其中进入空气冷凝器的空气数量为7000-10000标准立方米（压力3.9-4.3bar），压缩功耗420KWh-600KWh，进入压力氮气冷凝器的压力氮气（5.4bar）数量为22000标准立方米，压缩功耗为1400KWh，双热泵供冷供热功耗1800-2000KWh！同样空气氧氮二元物系精馏工艺方案，双塔流程进入下塔的压力空气数量占压缩空气总量70%！压缩功耗2450KWh！基于双塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案，进入下塔的空气数量达到空气数量的85%-90%甚至于100%！用于开式热泵供冷供热方案的热泵循环工质压缩功耗3000-3500KWh！基于新单塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案采用空气，氮气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热方案，热泵循环工质总压缩功耗为2500-2600KWh！
     另外一个重要的问题是基于双塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案和基于新单塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案虽然都是经隔板模型优化后的依次精馏组织方案。但依次精馏第一精馏塔（双塔流程的上塔氩馏分引出口以上，新单塔流程氩馏分引出口以上空分塔）氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔却有很大的不同！以处理干空气50000NM3空分装置为例，基于新单塔流程的氧氩氮三元物系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，当采用以空气，氮气双开式热泵供冷供热方案时，如果氮气压缩量为22000NM3，进入空分塔底部压力空气冷凝器的空气数量为8000NM3，那么空分塔液空入口处上升气数量约为60000NM3，对应气相中的氧氩含量分别为7%和0.36%！对应气相中氧氩含量和谁空中的氧氩含量处于气液平衡状态。液空入口处至污氮气引出口最小回流液气比为0.33！液氮回流量为22000NM3，实际回流液气比0.36-0.37！而基于双塔流程氧氩氮三元物系精馏工艺方案的依次精馏第一精馏塔氮一氩氧精馏分离近似氧氮精馏塔。富氧液空入口处的上升气数量约为38000NM3！富氧液空入口处对应的气相中的氧含量和富氧液空组分并不处于气液平衡状态，而和进入下塔的空气数量有关，当进入下塔空气数量为42500NM3时，对应气相中的氧含量则为21.5%，氩含量1.0左右！空气全部进入下塔则富氧液空入口处对应气相中的氧含量为25%左右，氩含量刚为1.2左右。如果富氧液空中的氧含量为40%，在85%空气进入下塔的情况下，则富氧液空入口处至污氮气引出口处的最小回流液气比为0.54！在空气全部进入下塔的情况下，最小回流液气比为0.625！对此很多空分技术人员并没有清楚的认识！正是富氧液空入口处对应气相中的氧含量并不和富氧液空处于平衡状态，而是高于气液平衡对应的氩含量（大约为0.7%），基于双塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案第一精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，富氧液空入口处以上气相中的氩含量先是上升，然后再降低，出现了一个氩富集区！这在基于新单塔流程氧氩氮三元物系精馏工艺方案依次精馏第一精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔中不存在这样的情况。液空入口处以上氧氩含量均是单调降低，不存在什么氩富集区！
% P' S. J- |& z5 }6 O   对此有疑问者，请认真研究一下组分沸点在环境温度以上的标准常规精馏工艺方案和双效精馏低压（常压）精馏塔的状况。

厦大报告方案3中冷凝空气增压前压力2.15bar可能是2.75bar之误，因为膨胀前压力2.876bar，继续冷却压力会稍降，但不至于降至2.15bar。
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厦大报告方案3478中都有空气冷凝，冷凝空气压力都是4.8bar，这个肯定是软件计算结果。
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尤总向大家推介厦大报告，但这个报告尤总自己并没有认真看，报告中有提到化学有效能物理有效能概念，尤总不知道有这两个概念，还以为是我创新。
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Yb2021 发表于 2023-8-10 18:07
至于空压机出口压力是3.9bar-4.3bar，而厦大论证报告中的空压机出口压力是4.8bar（还有2.3bar），是因？ ...

如果说空气冷凝器温差有1-2K的不确定，那么你的氮气冷凝压力却又是5.4bar的确定值，这如何解释？我认为你是不确定多少压力的空气才能冷凝，所以才写一个范围，但这个范围就错了。空气冷凝器温差，可以与氮气冷凝器相同，所以也是一个确定值，厦大报告上是4.8bar，那是用软件计算出来的。

你看清楚了，厦大报告上的冷凝空气压力4.8bar并不是空压机出口压力或膨胀机增压侧空气压力，而是用2.15bar的空气低温增压而得到的，如果3.9-4.3bar压力的空气即可冷凝，当然是增压到3.9-4.3bar压力最好，功耗小冷损小，何必增压到4.8bar？

厦大报告的最大问题是里面没有一个人是懂空分的，这些人连什么叫氧气纯度都不知道就来空分专利了。牛顿还需要站在巨人肩膀上，厦大这些人完全不了解空分就能发明空分专利了。

我问尤总有无遇到过合成氨民科，尤总或许会说合成氨工业经过百年发展，目前已经是个成熟工业，外行很难置喙，那么空分又何尝不是如此？

最后说一句，厦大论证报告最大的问题是没有工艺方案中的开式热泵一膨胀制冷液化工艺参数进行优化！

至于我的坚强，先生不需要有任何质疑，足够坚强，足够自信，大概会让先生失望。

  先生对厦大论证报告的问题评述虽然有些是正确的，但基本上言不及义，厦大论证报告最大的问题现不是设备性能参数（那个只要保持一致就可以了，因为只是相对比较而己），也不是什么产品纯度，所谓氧气产品纯度其实是氧氮二元物系和氧氮氩三元物系的问题，而厦大论证报告只涉及氧氮二元物系而不涉及氧氮氩三元物系的问题，真实空气组分下的氧气纯度问题，实际上是氧氮氩三元物系的问题而不是氧氮二元物系的问题。

厦大论证报告中均假定氮气纯度99.9%（含氧0.1%），氧气纯度99.5%（含氮0.5%），当然实际上氮气纯度和纯度有不同的要求，但是关于流程比较的论证报告不可能对不同的产品纯度都进行计算，那既无必要也无可能，先生的要求是否太苛了，这是工程设计时需要解决的问题，至于先讲氮气中的氧含量0.22%不知是何出处，先生是否查一下！

   至于空压机出口压力是3.9bar-4.3bar，而厦大论证报告中的空压机出口压力是4.8bar（还有2.3bar），是因？厦大论证报告中是按照膨胀制冷量最大和最小两种情况确定空压机出口压力，现在看来不合理，现在统一以实际工程条件下空分塔底部压力空气冷凝器的空气压力加主换热器正流阻力加纯化器阻力确定，是3.9-4.3bar，之所以有一个范围是空气冷凝起始温度和终未温度有1-2K差距。这有问题吗？

夏大论证报告对于空分塔的理论塔板数有两个不同的假定，一是40块理论塔板数，二是60块理论塔板数，在先王的指导下，己知目前上塔理论塔板数85块，其中氩馏分引出口以下大约25块，氧氮二元物系精馏分离空分塔合理的理论塔板数应该是60块，先生引用厦大论证报告中40块理论塔板数下的数值来指责帖子里氮气压缩量和进入空分塔压力空气冷凝器的压力空气数量有意思吗？