外行学空分(53)一一三元物系的精馏组织和优化（三）

+ \! }. O. L( E% W3 I: O! }
+ j5 k% c- k" n* }    前帖讨论了二元物系的精馏组织和优化，这是精馏技术中最基础最简单的内容，而三元物系的精馏组织和优化则是一个在此基础上更加高级复杂的问题。如果说二元物系的精馏组织和优化是一个战斗技能的问题，是瞄准射击三点一线，那么三元物系的精馏组织和优化就是一个战术配合的问题，是三三制是三种情况三种打法！后者以前者为基础为前提条件，但后者的层次高于前者。两者之间讨论的问题是不一样的。对于组分沸点远低于环境温度的二元物系精馏工艺方案的核心问题是供冷供热方案问题是单热泵还是多热泵供冷供热方案，是开式热泵形式问题，是标准常规开式热泵还是一拖多开式热泵供冷供热方案的问题，是热泵循环工质的选择，热泵循环工质压缩机压缩比和压力热泵循环工质气体冷凝器设置的问题。对于三元物系及多元物系精馏而言，除了以上的问题外，还有依次精馏顺序问题及隔板模型优化问题。
    在讨论二元物系的精馏组织和优化时，我们着重讨论了组分沸点在环境温度以上的精馏过程标准常规精馏，双效精馏反多效精馏和单热泵及多热泵精馏技术。组分沸点在环境温度以下的精馏流程我们着重讨论了所有的组分沸点在环境温度以下的精馏过程都是完全自热精馏流程即彻底开式热泵精馏流程，讨论了完全自热精馏流程即彻底开式热泵精馏流程的三个根流程。讨论了在彻底开式热泵精馏流程基础上运用单热泵及多热泵技术进行改进，讨论了不同的热泵形式，热泵循环工质的选择和热泵冷凝器的设置以及热泵循环量的确定。
3 @! G. _4 m# L$ n      三元物系的精馏组织和优化是建立在二元物系的精馏组织和优化的基础上的，三元物系精馏组织最简单最基本的工艺方案是把三元物系的精馏按照依次精馏的方法进行组织，如果把三元物系的三个组分以A，B，C分别表示，其沸点由低至高，那么具体的工艺方案就是在第一个精馏塔中将ABC三个组分精馏分离为A十B和C或者A和B十C！然后在第二个精馏塔中把A十B混合物精馏分离为A和B，或者在第二个精馏塔中将B十C精馏分离为B和C。这样通过两个精馏塔依次精馏实现三元物系的精馏分离。这是最基本最常规的三元物系的精馏组织方案，是可行的但不是最优化。
- @7 R+ L* j9 }; y6 h" z     三元物系的精馏组织有一个相对常规依次精馏更加优化的工艺方案那就是所谓的隔板塔（工业上运用时多采用主塔加侧塔的设计）工艺方案，设备上更加紧凑能耗上也更低。仍然以A，B，C代表三元物系的三个组分，从A到C沸点逐步升高，首先将三元物系分为两种情况，第一种情况是A，B，C三个组分中B和C的沸点接近，A和B的沸点相差较大，第二种情况是A，B，C三个组分中的A和B沸点接近而B和C的沸点相差较大。
& K9 G% r2 w+ h7 q: r     在第一种情况下，具体的工艺方案如下，主塔按照AB一C进行精馏组织，这样可以在主塔底部得到合格的C产品。同时在主塔提馏段引出富B气体馏分在侧塔中进行BC冷凝分离，侧塔顶部设置冷凝器使B组分冷凝，一部分作为侧塔的回流液，一部分作为B产品引出，侧塔底部的下降液返回主塔。由于在侧塔中B组分被冷凝分离取出，在主塔顶部就可以得到合格的A产品。从主塔提馏段回流气液比来看，富B馏分引出口以下至主塔底部的回流气液比必须大于B一C精馏分离最小回流气液比，这样在主塔底部才能得到合格的C产品。其次主塔富B馏分引出口以上的提馏段其回流气液比必须大于A一BC提馏回流最小气液比这样才能保证富B馏分中A含量的合格。这样就能保证富B馏分引出口始终是主塔中B组分含量最高的位置。
  \& T9 E( z9 `) B- h7 t; S% e    在第二种情况下，具体的工艺方案如下，主塔按照AB一C进行精馏组织，这样可以在主塔底部得到合格的C产品。同时在主塔精馏段引出富B液体馏分在侧塔中进行蒸馏分离（蒸馏就是提馏），侧塔底部设置再沸器，这样在侧塔底部得到合格的B产品，侧塔顶部的气相返回主塔。由于B组分在侧塔底部连续取出，从而可以在主塔顶部得到合格的A产品。从主塔精馏段的回流液气比来讲，富B馏分引出口至主塔精馏段顶部的回流液气比要大于A一B精馏分离的最小回流液气比，而富B馏分引出口以下的精馏段回流液气比要大于AB一C精馏分离最小回流液气比，这样才能保证富B馏分引出口始终是主塔内B组分含量最高的位置。
    就深冷空分而言，氧氮氩中的氧沸点最低，氮的沸点最低，氩的沸点居中。氧含量20.7%，氩0.9%，氮含量78.4%，应该按照上述的第一种情况进行三元物系的精馏组织。具体工艺方案如下，首先空分塔采用空气氮气工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热精馏工艺方案，其中工艺氩气空气热泵冷凝器均设置在空分塔底部，而氮气冷凝器则有设置在空分塔底部和设置在液空入口处的区别。从精馏角度来说，主塔（新单塔流程的空分塔或双塔流程的上塔）自氩馏分引出口以下至底部为氮氩一氧提馏段，和粗氩冷凝塔构成完整的氮氩一氧精馏塔。主塔氩馏分引出口以上为氮一氩氧精馏塔。这样从主塔底部可以得到合格的氧气产品，从主塔顶部可以得到合格的氮气产品。从粗氩冷凝塔顶部得到合格的粗氩气产品。其中氩馏分中的氩含量由主塔底部的氧气产品纯度（含氩），氩馏分引出口以下的提馏段的理论塔板数和实际回流气液比决定。至于空分塔各段的回流比和粗氩冷凝塔回流液气比则由空气氮气工艺氩气三热泵的循环压缩量决定。
% c4 I3 F; {; U. z    关于氧氩氮三元物系经隔板模型优化的依次精馏工艺方案将在后面进行详细讨论，这里只是做一个初步的说明！

你只要说出循环氮压机出口压力和流量、空压机压力流量，然后就能估算能耗了，这个并不困难，更无技术机密可言。
目前工业氧气纯度一般99.6%或更高，你要比较能耗，只能在同样的氧气纯度下，不能你生产90%氧，跟双塔流程的99.6%氧气去比能耗。
7 u; a. ]& p" W* e& ]10000Nm3/h空气，最多可生产2100Nm3/h的99.6%氧气，上塔下部的回流液量需要达到氧气产量的3.3倍左右，也就是2100*3.3=6930Nm3/h，上塔液氧潜热大约是下塔氮气潜热的1.39倍，那么你的循环氮压机流量需要达到6930*1.39=9633Nm3/h，跟空气量10000Nm3/h相差不多了。
& @3 J, [5 E, U再说循环氮气压力，如果上塔底部压力相同且主冷温差也相同，那么你的塔底再沸器氮侧冷凝压力与双塔流程的下塔顶部压力是相同的，你的循环氮气压力降低只有下塔阻力15kPa和分子筛床层阻力5kPa，总共20kPa，因此你的氮压机压力与空压机也相差不多。你的氮压机进气压力高一点，这也能省一点电。
综合考虑氮压机气量、压力等，氮压机功率就需要达到普通双塔流程空压机功率的80%左右。你还有一台空压机，两者加起来，当然要比普通空分的一台空压机能耗高出不少。
, ^) M: \6 B) n* h3 O* N你这种流程的问题很明显，西安交大教学空分流程的教员硕博士或杭氧流程设计人员应该一眼就能看出来，你和他们交流，他们竟然没有跟你说？

  三元物系在一个精馏塔中无法实现双高产品纯度，这本来是一个三元物系精馏的常识，但在深冷空分中所谓的双高产品纯度却成了一个卖点，其实就是一个话术，无非是以下两个情况，一是空分塔（上塔）按照氮氩一氧进行精馏组织，同时通过从污氮气中排出氩从而实现氧氮气产品纯度的双高，二是按照主塔加侧侧塔的三元物系优化精馏组织方案从而实现双高氧氮气产品。