外行学空分(90）一一新单塔流程基本工艺方案工艺参数的确定

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1 ~& y, h0 H2 q# s  精馏计算的核心问题是产品纯度，回流比和理论塔板数三者之间的关系，对于二元物系精馏来说（所有的三元物系和多元物系都必须分解为两个或者多个近似二元物系精馏过程才能进行精馏计算），理论塔板数当然是越多越好，无限的塔板数对应最小的回流比（包括精馏段的回流液气比和提馏段的回流气液比），当然也就意味着最小的精馏能耗和较高的精馏效率。但在现实的情况下，理论塔板数总是有限的，它受到两个条件的硬约束，一是精馏塔的高度限制，精馏塔不可能无限高，有限的精馏塔高度也就决定了理论塔板数有限。其次理论塔板数还受到塔板阻力的限制，理论塔板数越多精馏塔阻力越大，当理论塔板数增加到一定数量，精馏塔阻力增加的不利影响就会超过理论塔板数增加带来的回流比减少的好处，理论塔板数也就不能再增加了，另外理论塔板数还受到其它一些因素的限制，总之实际理论塔板数在一定工程条件下总是有限的。
   从理论上讲，虽然理论塔板数受到工程条件的限制是有限的，但是仍然可以通过提高实际回流比制取高纯度的精馏产品（但在环境温度以上的标准常规精馏及环境温度以下的单热泵精馏方案时，提高回流比受到最大回流比的限制，只有采用双效精馏及多效精馏和多热泵精馏技术才有可能突破最大回流比的限制），但在有限的理论塔板数下，产品纯度仍然有一个极限，但毫无疑问其产品纯度可以达到相对于标准常规精馏或单热泵精馏更高的纯度）但是考察深冷空分的历史，事实似乎不是如此，制取高纯度产品从来是一个困难的问题，而且氧纯度曾经长期徘徊在95%左右，而现在则止步于99.8%，这个具体的原因是什么？大家并没有很认真地思考过！
  常规精馏中，通过加大蒸汽和冷却水用量可以轻易地提高精馏塔的回流比，从而在理论塔板数既定的条件下提高产品的纯度，当然这意味着精馏能耗的提高，但肯定可以提高产品的纯度（在理论塔板数有限的条件下，也存在一个产品纯度的上限）。
   为什么深冷空分双塔流程不能通过提高上塔回流比来提高产品的纯度呢？这是一个问题。双塔流程是一个以空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏流程，它是由采用以空气为循环工质闭式热泵单塔空气精馏流程优化简化优化而来，简化方面主要是合并了空气输送压缩机和热泵空气压缩机，这个简化带来了三方面的影响，一是由闭式热泵精馏流程变成了开式热泵精馏流程，二是单塔精馏流程变成了双塔流程，三是限定了热泵循环量不能大于精馏空气输送量（实际上也就限制了上塔精馏段实际回流液气比和提馏段回流气液比）！
  f' e* p6 x5 j( D( ?     新单塔流程的基本工艺方案是一个以空气和氮气为循环工质的双热泵单级常压精馏塔工艺方案。下面以小时处理50000立方米干空气为例说明一下新单塔流程基本工艺方案工艺参数的确定。
* A; G, r! A  m+ f. B3 q8 A   一，空压机出口压力的确定，在新单塔流程基本工艺方案中，空压机的作用有四个，一是原料空气输送，二是膨胀制冷循环工质的压缩，三是空气热泵循环工质压缩机，四是空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案中的空气开式热泵循环工质压缩机（优化后的空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案由压力空气增压机承担，但也属于空压机的范畴）。常压精馏塔污氮抽口压力1.1bar，加上精馏塔规整填料阻力，加液氧静压为1.3bar，加上空气冷凝器换热温差2K，对应的空气冷凝器中的空气压力4.0bar（以空气冷凝终未温度计算，如果以空气冷凝平均温度计算则是3.6bar），加上主换热器阻力，纯化器阻力，空压机出口压力4.2-4.3bar，这个压力当然也满足空气输送和膨胀制冷的要求（但不一定是最优化的，这个问题会在后面详细讨论）。
    二，氮压机出口压力，在新单塔流程基本工艺方案中，氮压机的作用只有一个那就是氮气热泵压缩机。按照确定空压机出口压力同样的办法可以确定氮压机出口压力为5.4bar。如果氮气冷凝器不是设置在空分塔底部而是设置在空分塔液空入口处，则计算出的氮气压力为2.1bar。
4 l# J/ Z* r: h, V; ^  Y     三，氮压机压缩量的确定，在新单塔流程基本工艺方案中，氮压机的压缩量由氧提取率，氮气产品产量纯度，提取率及常压精馏塔液空入口以上可用理论塔板数决定。在氮气产量20000立方米每小时，纯度99.9%，氧提取率97%以上，液空以上理论塔板数25-30块的条件下，液空入口处上升气数量大约为40000立方米加氮压机压缩量，25-30块理论塔板数下，实际回流液气比比最小回流液气比大5%左右！在液氮采用污氮气氮气换热过冷，液氮气化率低于3%的情况下计算出氮气压缩量为21000-22000立方米左右。
  四，空气热泵循环量。氮气压缩量确定后，空气热泵循环量（空气冷凝器冷凝量）由氧气产品纯度决定，当把空气视为氧氮二元物（氧气纯度99.5%，其中含氮0.5%）时，提馏段可用理论塔板数25块左右条件下，常压精馏塔提馏段回流气液比为0.49！实际回流气液比为0.52-0.53！计算出空气热泵循环量为8000-10000NM3每小时，当把空气视为氧氩氮三元物系时（氧气纯度99.5%其中含氩0.5%）氩馏分引出口以下的提馏段最小回流气液比为0.67！实际回流气液比为07-0.75！计算出的空气热泵循环量为22500-30000NM3每小时。如果氮气冷凝器设置在空分塔液空入口处，则空气热泵循环量分别为42500-50000NM3
   五，膨胀制冷空气数量的确定，空气热泵循环量确定后，空气总量减去空气热泵循环量就是膨胀制冷空气的数量。
    如果希望制取高纯度氮气产品，通过提高氮气热泵循环量，相应减少空气热泵循环量增加液空入口处以上的理论塔板数即可实现。如果希望制取高纯度氧气产品，只要提高冷凝器设置在空分塔底部的空气热泵循环量相应减少膨胀空气数量即可实现。
    对于氧氮氩三元物系而言，更合理的精馏基本工艺方案是空气氮气工艺氩气为循环工质的三热泵工艺方案，具体内容可以参阅后面相关的帖子。
0 L+ m& j6 T  j: D* G0 @   这个新单塔流程的空气氮气双热泵基本工艺方案和双塔流程的基本工艺方案一样，对于开式热泵一膨胀制冷液化过程对正流空气压力的要求，均未加以考虑优化，导致开式热泵一膨胀制冷液化效率极低，关于这方面的问题将在后面加以讨论。