外行学空分(55)一一双塔流程和新单塔流程主要工艺参数的确定

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      双塔流程的氧氮氩三元物系精馏标准工艺方案（又称为全低压流程，全低压工艺方案）空压机出口压力5.6bar，空气总量中85%进入下塔，15%的空气涡轮增压在主换热器换热后膨胀制冷后进入上塔。上塔顶部压力1.1bar，上塔填料阻力0.1bar，上塔底部液氧面上压力1.2bar，再考虑液氧静压及主冷凝器换热温差2k，与液氧换热并使之气化的下塔顶部氮气压力5.3bar，下塔塔板阻力0.1bar，主换热器阻力0.1bar，纯化器阻力0.1bar，空压机出口压力5.6bar。双塔流程的空压机出口压力当然可以高于5.6bar，这样情况下压力空气节流减压后进入下塔。但空压机出口压力不能低于5.6bar，低于5.6bar则无法满足开式热泵精馏的要求。当然随着实际工程条件的改进（主要是主冷凝器换热温差及主冷凝器液氧侧静压的降低），双塔流程标准工艺方案中的空压机出口压力可以进一步降低至4.8-5.0bar，但潜力己经不大！
    双塔流程进入下塔的空气数量又是如何确定的呢？这个问题就比较复杂了，必须综合考虑产品纯度，产品提取率，可用的理论塔板数，是否采用内压缩流程，能耗的各种因素而确定。
   在深冷空分技术的发展初期，制冷方案采用等温焓差，空气开式热泵一等温焓差制冷液化效率极低，空压机的出口压力很高，空气当然部分带液全部节流减压进入下塔。但是由于无论上塔还是下塔可用的理论塔板数都很少，氧气产品纯度只能达到95%（含氩4.5%），氧提取率只能达到95%左右。后来等温焓差制冷被膨胀机制冷取代，空压机出口压力大幅度下降，这个时候就出现了进入下塔的空气数量和膨胀制冷空气数量的分配问题。当时由于上塔理论塔板数有限，膨胀制冷后的空气是无法进入上塔参与精馏（即所谓旁通），回收冷量后放空。后来出现了规整填料，使上塔的可用理论塔板数（下塔一般不能采用规整填料）大幅度增加，不但膨胀制冷后的空气可以进入上塔参与精馏，氧提取率也达到95%以上，而且氧气的纯度也由95%提高至99.5%（这中间还有一个增效塔的问题）！这个时候上塔精馏过程由氮一氩氧精馏向氮氩一氧精馏过程演变，由近似氧氮二元物系精馏分离向近似氧氩二元物系精馏分离转变，对于氮氩氧三元物系来说，这是一个非常重大的变化，但深冷空分教科书对此也是无一语涉及。
    上塔按照氮氩一氧进行精馏组织，上塔提馏段最小回流气液比是0.6！由于氧氩分离系数只有1.5左右，实际回流气液比要大于最小回流气液比5%-10%左右，双塔流程空气数量的85%进入下塔才能保证上塔提馏段回流气液比达到0.63-0.66左右（如果以氩馏分引出口为氧氩精馏分离提馏段，则最小回流气液比为0.67，实际回流气液比在0.7以上，这里必须注意氧氮，氧氩相变热的不同），才能保证上塔底部的氧气纯度达到99.5%（含氧0.5%）以上（这是不带提氩装置的情况，提氩情况下上塔提馏段的回流气液比需要分段计算）。
- u/ B+ h4 k4 Q% U% ^# z1 N: c    新单塔流程的基本工艺方案，空分塔同样也是按照氮氩一氧进行精馏组织，所以以处理50000NM3空气的空分装置为例，返流氮气压缩量需要22000NM3，进入空气冷凝器的空气数量需要22500NM3，这样新单塔流程常压精馏塔底部的液氧气化量和双塔流程完全一致。
     双塔流程的提氩，富氩馏分从上塔底部以上25块理论塔板数处引出（含氩10%，含氧90%，含氮0.2%-0.5%），粗氩冷凝器以富氧液空作为冷源，气化后的富氧空气从富氧液空入口处以下返回上塔参与精馏。
   新单塔流程的基本工艺方案同样从空分塔底部以上25块理论塔板数处引出富氩馏分在粗氩冷凝塔中进行冷凝分离，粗氩冷凝器采用液空作为冷源，气化后的空气和膨胀制冷空气记合后进入常压精馏塔参与精馏。常压精馏塔提馏段实际上分为两段，一是富氩馏分引出口以下至常压精馏塔底部，其回流气液比为0.72左右，二是富氩馏分引出口以上至提馏段顶部（膨胀制冷空气入口处）其回流气液比是0.53左右，这样富氩馏分引出口以下是氮氩一氧精馏分离，而富氩馏分引出口以上是氮一氩氧精馏分离。富氩馏分引出口始终是空分塔中氩含量最高的位置，富氩馏分中的氮含量则由这一段的理论塔板数及回流气液比决定，提高回流气液比和增加理论塔板数都能降低氩馏分中的氮气含量。
- l4 g5 u# c8 `1 n4 d' u7 G, ~' J* `    新单塔流程的精馏段，由于富氩馏分引出口以上的提馏段是按照氮一氩氧进行精馏组织的，实际回流气液比只比最小回流气液比大5%左右（0.53左右），所以精馏段液空入口处对应气相中的氧含量为7%，与液空处于气液平衡状态，以处理50000NM3空气空分装置为例，虽然液空入口处上升气数量为60000NM3，但22000NM3的回流液氮实际回流液气比0.36！已经大于最小回流液气比0.34！而双塔流程虽然富氧液空入口处对应的上升气数量只有39000N门3，但富氧液空入口处对应的气相中氧氩气含量达到20%-21%（富氧液空入口处气相中的氧含量与富氧液空并不是气液平衡状态）！实际回流液气比为0.55左右，最小回流液气比为0.52左右两者的氧提取率是完全相当的。
    以上的工艺方案都是从空气开式热泵精馏的角度考虑空压机出口压力，但实际上一个完整的空分装置是开式热泵精馏和开式热泵一膨胀制冷液化的联合装置，而在实际工程条件下，用于开式热泵一膨胀制冷液化的开式热泵循环工质（即正流空气）的压力要达到38bar（空气的临界压力）才能实现开式热泵一膨胀制冷液化效率的优化，这无论是5.6bar还是4.2bar均大大低于开式热泵一膨胀制冷液化对正流空气压力的优化要求，导致双塔流程标准工艺方案中的开式热泵一膨胀制冷液化效率很低，关于这个问题，后面将进行详细的讨论。

Sunqh

你百度“冷量火用计算公式豆丁网”，打开“第五章 火用(朱明善) - 豆丁网”，到第12页，有冷量火用计算公式。

Sunqh

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清华大学朱明善《能量系统的火用分析》这本书中有热量火用冷量火用计算公式，或者你简单在网上搜索一下，也能找到冷量火用计算公式，低温技术中最基本的一个公式。
实际上热量火用和冷量火用公式可以看作是同一个公式在不同情形下的使用。
W=Q*(1-T0/T)，热量火用，当T>T0时，括号内确实不会超过1，只能无限接近于1；
! n6 E9 C) X% P! o但是当T<T0时，括号内是有可能超出±1范围的。

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我重新考虑一下，在这个问题上，你是正确的，我想当然了，在冷能和有效能的关系上，外行了！谢谢指教。

Yb2021

关于冷能是我外行了，专家是正确的。但关于深冷压缩的有效能效率，我是正确的，专家是错误的！

Yb2021

  确定了基本工艺方案和参数，就可以进行新单塔流程和双塔流程的能耗比较了。