外行学空分(40)一一如何制取高纯氧？

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! V+ @( {& d  k0 J   四川乔源老板在与我交流新单塔流程时曾经告诉我，深冷空分除了提氩及制取高纯气体之外已经毫无秘密可言！当然还是有一些小秘密。前面已经对热泵提氩流程进行了简单描述，现在就来谈谈从热泵精馏的角度如何制取高纯氧和高纯氮。
. r& z, {( r- _, }6 j. n    从有效能的角度来说，高纯氧和普通氧有效能相差极小，道理上说从普通氧制取高纯氧是一个能耗很低的过程。但事实上并非如此，能耗很高难度很大。从精馏角度来说，产品纯度，理论塔板数，回流比（低沸点组分回流比及对应的精馏段回流液气比和高沸点组分回流比及对应的提馏段回流气液比）三者之间只有两个自由度，从理论上说，在理论塔板数无限多的情况下，实际回流比只要大于最小回流比，就可以获得纯组分产品。从精馏角度来说，高纯产品制取的难点在于可用理论塔板数的有限。而在理论塔板数有限的情况下，则是如何用最小的能耗提高回流比从而实现产品纯度指标。本质上是如何提高供冷供热方案有效能效率和精馏本体部分有效能效率的问题！
6 H8 l7 O' p: p, Z8 v   普通氧中的杂质主要是氮氩（还有沸点高于氧的组分氪氙但很少暂不考虑），氮氩都是沸点低于氧的轻组分。在制取高纯氧的时候，关健在于氩而不是氮，氧氮沸点的差距比氧氩大得多，相应分离系数大得多，理论上空分塔应该是近似氧氮分离塔更准确地说是氧氩一氮分离塔。但是目前实际上双塔流程的空分塔（上塔）的氩馏分引出口以上是近似氧氩精馏塔一一氮氩一氧精馏塔，粗氩冷凝塔加氩馏分引出口以下的上塔是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔（上塔加粗氩冷凝塔本质上是两个精馏塔经隔板模型优化组合而成，其中空分塔氩馏分引出口以上是氮一氩氧精馏塔，粗氩冷凝塔及氩馏分引出口以下的空分塔是氮氩一氧精馏塔），氧气产品纯度决定性氩馏分引出口以下氮氩一氧精馏塔提馏段的理论塔板数及实际回流气液比！由于上塔总理论塔板数只能达到85块左右，而氩馏分引出口以下至上塔底部的氮氩一氧精馏塔提馏段理论塔板数只有25-30块左右，因此虽然在空分塔中直接制取高纯氧理论上是可行，但实际上困难很大。目前双塔流程氧气纯度最高可以达到99.8%，这个时候空气已经全部进入下塔，双塔流程基本流程中的低温膨胀机已经取消，上塔提馏段回流气液化达到了双塔流程下的最大，但在氩馏分引出口至上塔底部之间的理论塔板数在25-30块之间时，氧气产品纯度只能达到99.8%！
    制取高纯氧时，无论是新单塔流程还是双塔流程氧气产品的纯度决定于氩馏分引出口以下至空分塔(上塔)底部之间的理论塔板数和气液比！理论塔板数越多，回流气液比越高则氧气纯度越高！氩馏分引出口以下至空分塔(上塔)底之间的理论塔板数受到工程条件的限制不可能无限提高（一般情况下只能达到30块以内），在理论塔板数无法增加的情况下，唯一的办法只能是提高氩馏分引出口以下至空分塔(上塔)底部之间的回流气液比。双塔流程只能通过增加进入下塔的空气数量来实现。能耗的代价太大了！双塔流程为了把氧气纯度提高到99,8%以上，所有的空气已经全部进入下塔(这样情况下当然也就不会有低温膨胀机了，对于双塔流程而言已经是极限），当然也就对应氧气产品纯度的极限！
8 z3 I) ~2 ]$ ], d0 s( |    当采用开式热泵精馏提氩流程(双塔流程压力粗氩冷凝器设置在主冷凝器，新单塔流程氧氩氮三元物系空气，氮气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热经隔板模型优化的精馏工艺方案时，压力工艺氩气冷凝器设置在空分塔底部，只要提高工艺氩气体压缩量，就可以提高氩馏分引出口以下至空分塔(上塔)底部之间的回流气液比，既可以在保证粗氩气中含氧量指标的前提下增加粗氩产量，同时又以较低的能耗代价进一步提高氧气产品纯度。当然更合理的供冷供热方案是氮氩一氧依次精馏第二精馏塔采用以工艺氩气及氩馏分为循环工质的双开式热泵供冷供热方案。
4 f4 P3 P7 w* W( g0 j0 M      双塔流程制取高纯氮气同样也存在很大的困难，其问题在于下塔，上塔氮气纯度的上限决定于下塔液氮纯度，下塔实际上是一个氮气冷凝塔，由于下塔的压力在5.3bαr左右，无法采用规整填料理论塔板数有限，下塔最小回流液气比0,58（己经考虑氧氩氮相变热的不同），现在下塔实际回流液气比在0,61-0.65，比最小回流液气比大5%-10%，要提高下塔液氮纯度，在理论塔板数无法增加的条件下，唯一的办法是提高下塔回流液气比，而下塔回流液气比的提高意味富氧液空纯度的下降送入上塔的液氮数量减少，这将显著降低氧气提取率，是不可接受的！当然双塔流程也可以通过在上塔精馏段增加一个以高纯氮气为循环工质的供冷供热开式热泵，这个开式热泵的冷凝器可以设置在下塔来的富氧液空入口处或下塔来的污液氮入口处。这当然可以以较小的能耗制取高纯氮气，但已经进入新单塔流程专利保护范围（已经有实际案例）。目前制取高纯度氮气实际上采用双塔双冷凝工艺方案及双空压机单塔制氮工艺方案。
0 h* _- J6 F2 m* [( ?" N2 o    双塔流程制取高纯氧气氮气最大的困难在于可用理论塔板数有限的情况下，由于以空气为循环工质的供冷供热开式热泵循环量受限于精馏原料空气输送量，这就限制了在给定理论塔板数下通过提高实际回流比提高产品纯度的可能性！实际上在双空压机单塔制氮工艺方案中，已经通过液空气化（其实是富氧液空）深冷压缩（第二空压机）实现空气热泵循环量大于空气原料输送量！
   双塔流程最大的问题在于限定了空气精馏分离的供冷供热方案（以空气为循环工质的一拖多开式热泵供冷供热方案），这就给在理论塔板数有限情况下，制取高纯度组分产品带来极大的问题，而这些问题采用单热泵及多热泵供冷供热方案后都可以得到较好的解决，再也不是一个难题。
   高纯度氧氮气产品的制取，通过采用多热泵精馏工艺方案可以在给定理论塔板数的条件下，实现较低的能耗。这是多热泵精馏的基本内容，这在后面再进行详细介绍。

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   在古典单塔制氮流程中，为了制取高纯氮气产品，已经有了通过采用特殊工艺方案，提高以空气为循环工质的开式热泵循环量（其循环量是精馏原料空气量的1.6倍）从而提高制氮塔实际回流比的案例。