外行学空分(37)一一新单塔流程和双塔流程的比较(5)精馏塔

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7 ?! Y) ]4 O8 o6 Y% n1 V     精馏塔（空分塔，近似氧氮二元物系精馏塔一一氮一氩氧精馏塔，近似氧氩精馏塔一一氮氩一氧精馏塔）是深冷空分精馏的核心设备，与双塔流程相比，新单塔流程这部分装置的变化最大，双塔流程中的下塔的功能被氮压机所取代，原来双塔流程中的主冷凝器既是下塔的冷凝器又是上塔再沸器及冷凝器，其热源由压力氮气冷凝而得到(这一点和新单塔流程是一样的，虽然新单塔流程用的是氮压机而双塔流程则是空压机)，只不过其压力氮气由压力空气在下塔冷凝精馏分离而来！而新单塔流程基本工艺方案中的冷凝器热源也是压力氮气由氮压机直接压缩而来。
   双塔流程的精馏塔(上塔)从开式热泵精馏的角度来说，它是一个双热泵精馏工艺方案，一个是以氮气为循环工质的开式热泵，另一个是以富氧空气为循环工质的开式热泵，如果新单塔流程采用单热泵精馏工艺方案即新单塔流程的基本工艺方案，那么新单塔流程的精馏过程的效率将有可能会低于双塔流程上塔的精馏过程的效率（实际上差不多，这是由于空气组成对应的平衡液相中氧氮含量非常接近）！这一点在我们形成厦大论证报告时没有充分认识到的问题（由于空气组成及氧氮分离系数，实际上两者差距不是很大）。就精馏过程而言新单塔流程的基本工艺方案相当于标准常规精馏(单效精馏)只不过用以氮气为循环工质的开式热泵代替了标准常规精馏的蒸汽再沸器和冷却水冷凝器！而双塔流程就其精馏过程而言则和所谓的双效精馏工艺方案非常接近。双效精馏的蒸汽耗低于标准常规精馏（至于是否精馏效率更高，则有疑问，因为蒸汽是有品位的！）！当新单塔流程采用空气氮气双热泵工艺方案后，空分塔的精馏效率就和双塔流程上塔的精馏效率完全一致了，而新单塔流程采用的空气氮气直接热泵的热泵供冷供热有效能效率则高于双塔流程的一拖二热泵的供冷供热有效能效率。这就确保新单塔流程的双热泵工艺方案的开式热泵精馏总效率高于双塔流程的开式热泵精馏总效率。
     除了双塔流程的下塔之外，深冷空分的各单体设备基本上都是通用设备均可外购而得，至于上塔由于采用规整填料，无论设计制造均己标准化毫无秘密可言。新单塔流程的精馏塔部分完全可以外购而得。极大降低了设计制造配套的难度。对于双塔流程的下塔的功能和作用在后面再做进一步分析和讨论。
; L$ j# ~7 i, @( |    既然我们已经认识到空分装置是开式热泵供冷供热精馏工艺方案，那么对精馏系统的认识也就不同了。一般而言精馏系统包括精馏原料的输送，精馏原料和精馏产品的换热，蒸发再沸器和冷却水冷凝器！开式热泵供冷供热精馏精馏则把一个完整的精馏系统分为开式热泵供冷供热部分和精馏塔两个部分，开式热泵供冷供热部分代蒸汽再沸器和冷却水冷凝器实现给精馏过程供冷供热，输出温差有效能。精馏塔部分只剩下精馏塔本位及精馏原料的输送及精馏原料和精馏产品的换热，其它部分则归于开式热泵供冷供热部分。
    双效精馏的低压精馏塔和标准常规精馏塔具有非常不同的特点。标准常规精馏塔精馏原料换热后由精馏塔中部进入参与精馏。精馏原料入口处为精馏塔精馏段和提馏段的分界，精馏段上升气数量是低沸点组分产品数量加回流液数量！精馏原料入口处气相成分和精馏原料处于气液平衡状态。而双效精馏低压精馏塔以高压精馏塔底部高低沸点组分液体入口处为界，以上是精馏段，以下是提馏段！精馏段上升气数量一般情况下等于低沸点组分产品数量！但高压精馏塔底部高低沸点组分液体入口处的气相组成并不和液相处于平衡状态。双塔流程的上塔以富氧液空入口处为界，以上是精馏段，以下是提馏段！富氧液空入口处的上升气数量为氮气产品数量（以干空气50000NM3为例则为38000-39000NM3之间），与富氧液空平衡气相中的氧含量为15%-16%！但是富氧液空入口处气相组成并不和富氧液空处于平衡状态！而决定于进入下塔空气数量，当进入下塔空气数量为空气总量100%时，气相中的氧含量25%-26%！当进入下塔空气数量占空气总量90%时，气相中的氧含量为23%左右，当进入下塔空气数量占空气总量80%时，气相中氧含量为20%-21%！都大大高于与富氧液空平衡的气相组成（氧含量15%左右）！
   这就是为什么双塔流程空气全部进入下塔，以干空气50000NM3为例，上塔液氮回流液数量达到24000NM3以上，氧气产品提取率依然无法接近100%！只有当提氩系统投入运行后，氧气产品提取率才会接近100%！至于为什么提氩装置（增效塔也有同样的效果）会提高氧气产品提取率，后面再讨论。

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精馏塔最核心的部分是一个筒体加填料塔板。精馏塔顶部回流液和底部回流气。至于精馏塔顶部的冷凝器和底部的再沸器是否包括在精馏塔中，则是一个可以讨论的问题。一般而言标准常规精馏，精馏塔包括塔顶部冷凝器和塔底部再沸器，而在开式热泵精馏中，精馏塔则不包括冷凝器和再沸器，冷凝器和再沸器则归于开式热泵系统，这并无本质上的区别！