一组氮—氩—氧三元系统汽液平衡关联式及其应用.pdf

本帖最后由 Sunqh 于 2021-1-20 16:40 编辑

都是。尤总的3.6倍循环氮气量，是将空气当作氮氧二元计算的结果，3.6倍已经能满足精馏段回流比要求，如果空气中只有氮和氧两种组分，由于空气中氮比氧多几倍，只要能满足精馏段回流比要求，提馏段肯定也能满足。但空气中还有0.93%的氩，而且氩沸点与氧相当接近，氩、氧精馏分离需要更多回流液。空分上塔精馏的瓶颈恰恰在下部提馏段，这是厦门大学和尤总都没有想到的。

尤总的3.6倍循环氮气量，可以制取5ppmO2的纯氮气，但不能制取99.7%的工业氧气，氧纯度只能达到97%~98%左右。

尤总的热泵制氩，氧产量比氩产量多20倍以上，虽然说只要能满足提馏段回流比要求，精馏段肯定也能满足，但精馏段回流液太多了，不可逆损失太大，能耗太高，完全没有实用价值。

目前的空分氧纯度，几乎都在99.6%~99.8%之间，极少数是95%或更低，低纯度氧气能耗低。尤总讨论空分，最好设定氧纯度99.7%左右。

不知尤总想过没有，空分产品中，氮气纯度一般是5ppmO2左右，氩是1ppmO2，但是氧气却是99.7%，氧气中还含有3000ppmAr，氧纯度与氮、氩纯度相比，相差了3个数量级，原因何在？

安全是一方面，99.9%以上的氧纯度有安全风险。空分精馏本身特性也是一个重要原因，空分中提高氮、氩纯度相对容易，提高氧纯度困难。

本帖最后由 Sunqh 于 2021-1-22 08:35 编辑

尤总的新单塔流程极限氧纯度估计

极限氧纯度，是指理论塔板数无穷多，塔板阻力为0时，实际是达不到的，实际氧纯度都低于极限氧纯度。

根据尤总提供的参数，主冷冷凝氮气量是氧气量的3.6倍，由主冷氧侧汽化潜热是氮侧冷凝潜热的1.39倍，计算出蒸发氧气量是3.6/1.39=2.590，其中氧产量是1，上升气是1.590

假设上塔下部气相中氮含量接近0时，氩组分含量是10%(空分提氩时，氩馏分中氩含量一般就是10%上下)，那么其中含氧90%。假设平衡液相中氩含量是x，那么氧含量是1-x

上塔下部氩对氧的相对挥发度大约是1.5，由相对挥发度定义，(0.1/x)/(0.9/(1-x))=1.5，解出x=0.069，这是与氩含量10%气相平衡的液相氩含量，实际肯定比这更大，否则无精馏推动力了。

2.59*0.069-1.59*0.1=0.0197
1-0.0197=0.9803=98.03%

即尤总的新单塔氧纯度理论上最多只有98.03%，还需要无穷多理论塔板且所有塔板阻力都是0，实际的氧纯度肯定低于98.03%

同样方法可以计算出，如果要达到99.6%氧纯度，主冷冷凝氮气量至少要达到氧气量的4.3倍，还是要无穷多理论板和所有塔板阻力都是0

实际生产中，可能4.5倍冷凝氮气量就差不多了，4.5/4.3=1.05，实际主冷负荷是最小理论负荷的1.05倍，已经接近极限了

本帖最后由 Sunqh 于 2021-2-7 16:39 编辑

氮氩氧三元系统理论最小分离功是氮氧二元系统的1.1倍，加上氩氧精馏分离困难，效率更低，实际三元分离功耗比二元分离功耗多15%以上。

你那个热泵制氩制纯氧方案，能耗更是高30%左右，完全没有实现可能性。

我在网上查过，一般的精馏塔有效能效率也就20%左右，比空分精馏塔效率差多了。空分下塔用筛板时，有效能效率70%左右，上塔低一些。下塔如果用填料塔，又抽污液氮和进贫液空，效率可达85%，可谓相当高了。上塔与下塔的效率单位相同，只能加权平均，不能相乘，如空压机的第一级和第二级。空分精馏塔整体效率50%左右也不仅仅只有上下塔，还包括了主冷、粗氩塔、粗氩冷凝器、过冷器等损失，其中主冷的温差损失就要比下塔大。

分级供热，或所谓的多热泵方法，确实可以减少精馏塔部分的损失，但是建立多热泵方法的本身是有损耗的，结果往往是得不偿失。

以我看来，尤总提出的两个方法，一是氮气循环给主冷供热和提供回流液，二是热泵制氩和制纯氧，都不具可行性，不可能有人会这么做。

尤总在空分上的一时挫折不能怪法液空、杭氧、川空或开空，更不能怪清华女同学或中科院院士或西安交大的空分权威，是从一开始“灵机一动”单塔制氧的时候就注定了的。

尤总考虑问题比较多比较深刻，但学得可能还是少了点，理解就更说不上了。尤总接触空分的时候，头上已经有中科大化工系毕业、合成氨和煤制气专家、厦大兼职教授、总工程师等光环，终不肯以小学生的态度从头学起。

我举两个例子。一是李化治《制氧技术》上说进上塔膨胀空气量占比20%~25%(《制氧技术》第2版343页)，但实际全低压流程制氩时，进上塔膨胀空气量只有11%左右，相差如此之大，如何理解？

二是曾有西安交大化工系教授写文章说，粗氩塔回流液体送至上塔氩馏分抽口以上第4块塔板上最好，但杭氧编写的《新编制氧工问答》上却说粗氩塔回流液送至氩馏分抽口同一层或抽口以下1至2层最好，如何理解？实际都是同一层。

最小气液比即最大液气比。在氩馏分进口即提馏段顶部，设气相组分是5%Ar+95%O2，液相组分是xAr+(1-x)O2，回流比是R(回流液量R，上升气量1)，氧气产品组分0.4%Ar+99.6%O2，则氧气产量是R-1，而氩组分的物料平衡式是0.05+(R-1)*0.004=Rx

在提馏段顶部，氩氧相对挥发度1.5，即气液平衡时，(0.05/x)/(0.95/(1-x))=1.5，解出x=0.034，气液平衡时提馏段回流比最大，将x=0.034代入上式，解出R=1.539，这是最大液气比，相当于最小气液比1/R=0.65

你的新单塔气液比0.6落在最小气液比0.65之下了，0.7差不多，1.08倍。

你的“提馏段最小气液比是0,4左右”无依据，据此可推算出相对挥发度是2.3，这个比氩-氧相对挥发度大，又比氮-氧相对挥发度小，就不知是什么了。

主冷蒸发量至少是氧气量的3.2倍不是来自于你的新单塔，是根据氩-氧相对挥发度推算出来的，说的还是氧纯度相对较低的全低压外压缩流程，生产99.6%氧气时，氧气纯度更高时，需要的倍数更多，目前多数在3.5倍左右。

你的新单塔实际上没有对精馏系统作任何改进，只是“原来烧煤的，你改烧石油天然气”。你减少主冷热负荷，就相当于一个电厂，原来每天烧煤2000吨，你用行政命令降至1800吨，不做其他任何改进，仅此而已。减少200吨煤，要么少发电，要么生产维持不下去，总之有后果的。你的新单塔减少主冷热负荷的后果是氧气纯度达不到要求。

几何无王者之道，技术岂有捷径？

“热泵提氩提馏段最小气液比是多少呢？0,05！”更是无中生有！尤总不会连相对挥发度都没听说过吧？《制氧技术》和《新编制氧工问答》上不一定有这个概念，但是别的书上有。《新编制氧工问答》上有为什么分析气氧和液氧纯度不相等的解答，大概是说气氧99.4%，而液氧是99.6%，液氧高一些，实际上这就有个相对挥发度问题，(0.6%/0.4%)/(99.4%/99.6%)=1.5

你的热泵提氩提馏段最小气液比明明就是0.65左右，哪来的0.05？

尤总的人脉和商务运作能力确实厉害，令我等佩服！如果不是技术上站不住脚，一定可以成功！

本帖最后由 Sunqh 于 2021-2-10 08:44 编辑

上传一篇制氩文章，其中有提到粗氩塔底部氩-氧相对挥发度1.5，供尤总参考，作者是50年代浙大化工系毕业的，教授级高工

还有尤总的“氮气的压缩量是氧气产量的3,8倍，塔底的氧气气化量当然是氧气产量的3,2倍了！”也是不知所云，主冷氧气潜热是氮气潜热的1.39倍，氮气压缩量是氧气量的3.8倍，氧气蒸发量应该是氧产量的2.734倍，哪来的3.2倍？

我很好奇尤总热泵精馏来多级热泵精馏去，却对精馏过程的几个基本概念，如汽液平衡、相对挥发度、最小液气比、最小气液比、操作线、平衡线等没有涉及。你不知道最小液气比气液比是多少，你如何确定热泵负荷？如何确定多级热泵的加入位置和数量？

尤总说“热泵提氩提馏段最小气液比是多少呢？0,05”从何而来？氩含量0.05，最小气液比就是0.05？哪有这种算法？跟相对挥发度无关？

今天白天我到单位值班，在单位电脑上发的。

尤总这个算法我看不懂，我认为其他人也都看不懂。

回流液体量-上升气量=氧气产量，如果已经设定氧气产量是10000，那就在回流液量与上升气量之间只有一个未知数，不必XY

关于潜热，1.35atm(主冷氧侧即上塔底部)氧的潜热是5atm(主冷氮侧即下塔顶部)氮潜热的1.39倍；如果压力相等，比如都是上塔的1.3atm，仍是氧潜热大一些，不过只有1.23倍。压力越高，潜热越小，临界压力时潜热是0

上塔下部35%的塔板上是没有氮组分的，可以看作只有氧和氩两种组分。

1atm时，与汽相0.792N2+0.208O2平衡的液相是0.479N2+0.521O2；上塔压力1.3atm下与汽相0.792N2+0.208O2平衡的液相是0.497N2+0.503O2

尤总说的热泵和多级热泵有点道理，但这个计算最小气液比就不知是什么了。我原以为尤总是中科大毕业的，跟诺贝尔哥那些民科不同，应该是可以沟通的。现在看来，也许法液空“不评论”的做法才是对的，我以后不会再扫尤总的兴了，尤总厉害！

回流液量-上升气量=氧气产量，是指同截面，包括提馏段底部、中部和顶部的所有截面。虽然因潜热差异，回流液量和上升气量都在变化，但同截面的两者之差是固定不变的，操作线方程式实际就是物料平衡(M)。

汽液平衡(E)是指离开同一塔板层的汽相与液相，汽相在塔板之上，液相在塔板之下，并不处于同一层。精馏逐层塔板法计算就是交替使用操作线(M)和平衡线(E)方程，当然也包括热量(H)平衡和组分归一(S)，即所谓的MESH方程组。

回流比也是指同一截面液气量之比，因回流液量和上升气量变化，实际回流比也稍有变化。以下塔为例，进下塔空气1，塔底富氧液空量0.55，塔顶气氮量1.07，塔顶回流液氮量0.62，那么塔底回流比是0.55，而塔顶回流比实际是0.62/1.07=0.579，塔顶大一些。下塔回流比一般是指塔底的0.55

我看出点门道了，尤总还是氮-氧二元理想空气，我说的是氮-氩-氧三元实际空气，我说的上塔下部关键组分是氩和氧。氩-氧相对挥发度1.5，氮-氧是3.5左右，氮和氧精馏分离的提馏段最小气液比当然比氮-氩-氧三元小，很正常。最小气液比也与氧纯度有关，尤总计算时没用到，应该是假定纯度是近似100%了。

日本东京大学节能30%的热泵空分，我估计是生产纯度60%~65%的富氧，生产这个纯度的富氧确实可以比生产99.7%空分节能30%左右，这没什么神秘的。