外行学空分(46)新单塔流程的精馏组织

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, I) U7 D9 K1 k; Y+ l     空气是一个近似氧氮二元物系的氧氮氩三元物系。氧氮氩都是深冷气体在地球环境下根本无法找到能使之液化的冷源，因此通过制冷和液化（空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案）使空气液化是空气精馏分离的必要前提条件。都是采用等温焓差和膨胀制冷加开式热泵实现空气的液化。空气压缩后冷却至常温，进入换热器与返流空气换热，其中大部分的压缩空气经涡轮增压膨胀机制冷形成焓降温降后返流，小部分未通过涡轮增压的压力空气继续与返流气换热并液化，液化后的压力空气节流膨胀部分气化，气体与膨胀制冷后的空气混合后作为返流气，从而得到常压的液空。这里其实隐藏一个极为重大的理论问题，那就是压力空气分为两个部分，一部分用于正流液化（开式热泵液化），大部分用于膨胀制冷。两者压力一致合理不合理？现在我们已经知道这是极不合理的，后面将对比进行详细讨论！
   在解决了空气液化的问题后，只是满足空气精馏分离气液共存的前提条件，如何进行空气精馏组织特别是如何为空气精馏过程供冷供热仍然是一个大问题！这个问题和空气的液化并不是一回事！氧氮氩都是深冷气体当然无法按照环境温度以上的精馏过程的精馏组织方案，标准常规精馏，双效精馏及多效精馏进行精馏工艺方案的组织，而只能采用完全自热的开式热泵供冷供热方案进行空气精馏工艺方案的组织，实现空气精馏过程的供冷供热。我们已经知道所有可行的空气精馏流程(工艺方案)都是完全自热精馏流程即开式热泵供冷供热精馏流程！无论是古典单塔流程还是目前绝对主流的双塔流程，新单塔流程都是开式热泵供冷供热精馏工艺方案！下面以每小时处理50000立方米标准状况的干空气为例说明新单塔流程的精馏工艺方案的组织。
    标准状态干空气50000立方米经空压机两段压缩至4,3bar，经纯化器纯化后压力4,2bar，其中40000立方米涡轮增压后进入主换热器与返流换热后进入膨胀机制冷，膨胀机制冷后的空气进入空分塔参与精馏。空分塔底部设置三个并列的冷凝器，分别是压力空气冷凝器，压力氮气冷凝器，压力工艺氩气冷凝器。
9 R# X5 l4 L7 d/ b  }! l. c    压力4,2bar的压力空气10000立方米在主换热器与返流气换热后部分带液进入设置在空分塔底部的空气冷凝器中与空分塔内的液氧换热，使液氧气化，一部分作为提馏气，一部分作为产品氧气引出。另一方面压力空气液化为液空，经与返流氮气污氮气换热过冷后进入空分塔精馏段作为回流液。从空分塔顶部引出的氮气42000立方米与液空液氮换热后进入主换热器与正流空气及正流压力氮气换热至常温，其中20000立方米作为产品氮气，22000立方米经氮压机两段压缩后压力5,4bar，在主换热器与返流气换热后进入设置在空分塔底部的氮气冷凝器中与空分塔内的液氧换热，一方面液化为液氮，另一方面使空分塔内的液氧气化。液氮经过冷后送至空分塔顶部作为回流液。另从空分塔精馏段引出污氮气约20000立方米经与液氮，液空，粗氩冷凝液换热后在主换热器复热至常温后作为纯化器再生气或空冷塔之用。
    从空分塔提馏段引出含氩10%，含氮0.2%，含氧89.8%的氩馏分约14000NM3进入粗氩冷凝塔中，从粗氩塔顶部引出粗氩气14000NM3经深冷压缩至2,3bar，其中13580立方米送至设置在空分塔底部的粗氩冷凝器中冷凝为工艺氩液体，送至粗氩冷凝塔顶部作为回流液。另420NM3压力工艺氩气送至设置在精氩塔底部的粗氩冷凝器中冷凝为粗氩液体送至精氩塔中部作为回流液，精氩塔底部另设氮气冷凝器用压力氮气100立方米在其中冷凝为液氮送至精氩塔顶部作为回流液。
   从空分塔底部引出纯度99,5%的液氧1500NM3，气氧8500NM3。从空分塔精馏段引出污氮气20000NM3，从精氩塔底部引出精氩约400NM3。
  按照以上工艺方案组织的空气精馏，空分塔底部至氩馏分引出口以下回流气液比为0.7以上，理论塔板数25块左右，氩馏分引出口以上空分塔提馏段回流气液比为0,53左右。分别是氮氩一氧精馏塔（粗氩冷凝塔加氩馏分引出口以下的空分塔）的提馏段和氮一氩氧精馏塔（氩馏分引出口以上的空分塔）的提馏段的回流气液比！从而保证氩馏分引出口在任何情况下都是空分塔中氩含量最高的位置。
4 N- v8 B# D1 X7 f   这个工艺方案从精馏角度而言是基于新单塔流程的氧氮氩三元物系经隔板模型优化后的精馏基本的工艺方案 ，但从开式热泵一膨胀制冷液化的角度而言，由于用于液化的正流空气压力太低，在实际工程条件下，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率很低！用于液化的正流空气5000NM3，通过压力空气增压机增压至38bar（空气临界压力），这样可以大幅度提高空气开式热泵一膨胀制冷液化效率，则液氧产品数量达到35000NM3，从而提高空分装置的效率，降低空分装置的能耗水平！
   关于空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数的优化将在后面详细讨论！

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不同产品方案下，就新单塔专利流程的基本流程而言，空气压力的变动范围很大，液体产品少时，空气压力很低，制冷效率很低，新单塔专利流程的综合能耗高于双塔流程。随箸液体产品数量的提高，空气压力提高制冷效率提高，新单塔专利流程的综合能耗开始向有利方向转变，当空气压力达到和双塔流程的空气压力一致时，新单塔专利流程的能耗己低于双塔流程近百分之三十！至于如何在低液体产品数量的产品方案下，使新单塔专利流程拥有相对于双塔流程的优势，需要对新单塔专利流程进行调整和优化。

Yb2021

这是经过优化后的新单塔流程精馏工艺组织方案。