外行学空分(75)一一新单塔流程和双塔流程比较的四个层次(4)

   新单塔流程和双塔流程比较的第四个层次是内压缩流程及提氩流程多热泵技术的运用对新单塔流程和双塔流程比较的影响。
    先讲第一个问题，对于新单塔流程的双开式热泵供冷供热精馏工艺方案来说，采用内压缩流程一方面需要增加进入空气冷凝器的空气数量，相应减少用于膨胀制冷空气的数量，同时提高了空分塔提馏段的回流气液比，既有利于氧气纯度的提高，也由于增加了作为粗氩冷凝塔冷凝器冷源的液空数量，可以提高进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量从而提高空分装置中氩提取率。而对于双塔流程而言，采用内压缩流程并没有节能效果，其原因在于双塔流程无论是氧气内压缩还是氮气内压缩，由于进入下塔的空气带液量大幅度增加，富氧液空中的氧气含量明显下降，富氧液空数量增加，下塔产生的液氮数量相应减少，影响空分装置的氧提取率！如果要保持氧提取率不变则需要增加进入下塔的空气数量。所以双塔流程在采用内压缩流程的时候，一般情况下压力空气都是全部进入下塔（只有这种情况下，下塔才能产生足够数量的液氮以保证氧提取率并供给氮气内压缩之用！），当然采用内压缩流程时，由于富氧液空数量的增加，可以作为粗氩冷凝器冷源的富氧液空数量增加，氩馏分进入粗氩冷凝塔的数量增加，可以提高空分装置的氩提取率。另外多说一句有人认为采用内压缩流程由于液体数量增加有利于提高氧纯度，这是错误的！实际原因是虽然采用内压缩流程的双塔流程提馏段下降液体的数量增加，但由于塔底产品以液体形式取出，在主冷凝器热负荷降低的情况下，回流气液比保持不变，而内压缩氧气纯度等于空分塔底部的液氧纯度，空分塔底部的液氧纯度总是高于空分塔底部气氧纯度而已！如果将之归因于液体数量的增加则是知其然而不知其所以然了。总而言之，新单塔流程采用内压缩流程具有很大的联合红利！
    至于提氩是一个氧氮氩三元物系的精馏组织问题，和新单塔流程和双塔流程的比较是一个氧氮二元物系的精馏组织问题。而单热泵及多热泵技术的运用则是开式热泵精馏流程的题中应有之义！这些问题都不会影响双塔流程和新单塔流程的比较结论！

尤总对空分的了解，或许就跟我对合成氨的了解差不多。我开始工作就干空分了，但我原来的专业却是三酸两碱合成氨，当年也曾在化肥厂实习过，所以我对合成氨也多少知道点皮毛。如果我要跟尤总讨论合成氨，我感觉自己很容易闹笑话。尤总跟我讨论空分，不仅不闹笑话，还能提出新见解，确实比我强很多。

膨胀空气进下塔内压缩流程的氩提取率通常高于膨胀空气进上塔外压缩流程，主要原因正是内压缩流程的上塔中下部回流液充足，氩-氧精馏分离的推动力大，所以氧气纯度更高，氩提取率也更高。

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2 J1 o# b6 ]1 r6 r9 v"提馏段下降液体的增加提高了提馏段的液气比不利于氧纯度的提高"?
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" ?, j8 ^! Y' X尤总当领导时间长了，连最基本的化工精馏原理都忘了！
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$ y) |% X  f6 u) ?# X- O产量一定时，无论是精馏段还是提馏段，都是回流液体量越多，产品纯度越高。
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对于精馏段，产量是a，回流液体量是L，那么上升气量就是L+a，液气比L/(L+a)，当a一定而L增大时，液气比L/(L+a)增大，低沸点组分纯度升高。如a=1,L2→3，3/4>2/3

对于提馏段，产量是b，回流液体量是L，那么上升气量就是L-b，液气比L/(L-b)，当b一定而L增大时，液气比L/(L-b)减小，高沸点组分纯度升高。如b=1,L3→4，4/3<3/2
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相信尤总容易理解。

! c( @8 u9 T  n( g尤总想得比较多比较深，但是对空分确实了解不多。你的氮气循环方案明显行不通，原因正是换热量换热损失大增，导致能耗增加，设备投资增大。你如果对你自己说的这些加深理解，一定可以得出目前的空分双塔流程比你设想中的氮气循环流程更优越的结论。
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2 }6 F2 G+ m- [+ g低温下的温差损失很大，同样多的换热量，同样的温差，80K时传热的温差损失大约是400K时的25倍，与绝对温度的平方成反比。还有低压下气体流动的阻力损失大。

' I2 |" N" e+ t  m7 m你的单塔有效能损失并不会比双塔小，甚至你的单塔损失更大。空分下塔并不是简单与上塔串联，而是空分下塔与空分上塔的上部并联，再与空分上塔的下部串联。你取消了下塔，那你的上塔上部就要增大1倍。如果下塔和上塔一样采用规整填料，下塔的有效能效率是高于上塔的，原因有两方面，一是压力高时精馏推动力小，有效能损失小；二是下塔氩富集程度小于上塔，下塔氩富集引起的损失较小。下塔是空气预分离，是为了提高效率的，正如过冷器是提高效率的，下塔和上塔都是物理火用转化为化学火用分离功，转换过程中的损失是相加不是相乘。

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关于采用内压缩流程后，双塔流程中上塔提馏段液气比相对于未采用内压缩流程的液气比是上升还是下降，我想先生犯了想当然的大错误，先生列了一个上塔捉溜段的液气比计算公式，毫无疑问这个公式在未采用内压缩流程的情况下是正确的，而在采用内压缩流程的情况下是不正确的，因为在未采用内压缩流程的情况下，产品数量b是气氧产量，液气比为L÷(L一b)，而在采用内压缩流程的情况下，产品数量b是液氧，不能简单用L÷(L一b)计算液气馏段的液气比。

至于双塔流程和新单塔能耗比较，我暂时不想和先生争论，因为这种争论没有意义。毫无疑问双塔流程和新单塔都有有利和不利的方面，不针对具体的产品方案并用ASPEN一PLUs软件进行运算，争论是不会有答案的。

无论外压缩还是内压缩，如果氧产量(包括气氧和液氧)是b，上塔提馏段回流液体量是L，则显然上升气量就是V=L-b。只是一个简单的物料平衡，进入主冷的氧量(L)=离开主冷的氧量(V+b)，L=V+b，V=L-b，跟氧产量b是气相液相无关。
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你只要想一下，一个精馏塔，进料量及塔顶、塔底产量都不变，如果增加塔底蒸汽热量，同时增加塔顶冷却水冷量，使精馏塔的热负荷增大，那么塔内上升气体和下降液体量都是增大的，提馏段回流液体量当然也增大，塔底产品纯度升高，跟塔底产品取出是气相或液相无关。

某二元组分各占50%，精馏分离，进料量1，低沸点组分产量0.5，高沸点组分产量也是0.5

9 x6 T% {8 a7 T- v饱和汽相进料，产品也都是饱和汽相，那么塔底再沸器热量和塔顶冷凝器冷量在数值上基本相同。再沸器热量和冷凝器冷量越大，则塔内上升气量和下降液量越多，产品纯度就越高，低沸点组分和高沸点组分产品纯度都升高。

$ T  U" p4 u0 X$ \8 Y4 y. b" r+ s7 A饱和液相进料，产品也都是饱和液相，那么塔底再沸器热量和塔顶冷凝器冷量在数值上也基本相同。再沸器热量和冷凝器冷量越大，则塔内上升气量和下降液量越多，产品纯度就越高，低沸点组分和高沸点组分产品纯度都升高。
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汽相进料，产品是液相，那么塔顶冷凝器冷量在数值上必须大于塔底再沸器热量，但同样是再沸器热量和冷凝器冷量越大，塔内上升气量和下降液量越多，产品纯度就越高，低沸点组分和高沸点组分产品纯度都升高。

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* ~2 K9 r( B7 u9 j% \  S; \2 g无论何种情况，都是塔内上升气量和下降液量越多，则产品纯度就越高，当然能耗也越大。与产品是液相或汽相无关。

先生很巧妙！直接将提馏段回流比问题简化成提馏段最后一块塔板的回流比的问题，自然回流比就可以从物料平衡得出了。但是提馏段并不是只有一块塔板，回流液也不是液氧，我前面回复曾指出光生以公式L÷(L一b)是基本正确的，是因为这个公式做一定的修正即应改为L÷(αL一b)其中α是单位回流液液化焓和氧气液化热的比值，这样才能既符合物料平衡和热量平衡。只有在提馏段的最后一块塔枚处回流液接近于液氧α也接近于1。其实提馏段液气比公式L÷(αL一b)之所以成立正是双塔流程是热泵精馏流程的一大证据，而在常规精馏中并不总是成立只有在再沸器输入热量和冷凝器输出热量相等时才成立。有点扯远了！还是回到最初的问题，即采用内压缩流程是否有利于氧纯度的提高，我的意见是内压缩流程不利于氧纯度提高，先生斥我无知外行，举出公式证明采用内压缩流程后上塔提馏段液体量增加(毫无疑问先生认为采用内压缩流程上塔液体量增加)，当我指出该公式在采用内压缩流程时不能成立的时候，先生直接把提馏段液气比问题简化为提馏段最后一块板外的液气比，也间接提馏段回流液是液氧，并用物料平衡来证明公式的正确。但是这样证明充分吗？提馏段的液气比(或者象先生一样简化为提馏段最后一块塔板处的回流比问题)真的只是一个物料平衡的问题吗？其实双塔流程无论采用还是不采用内压缩流程，上塔的液体量都是一样，变化的只是液氮和富氧液空的数量比例，采用内压缩流程时，富氧液空浓度变稀数量增大，液氮数量减少，但总量不变。因为内压缩流程并不改变进入下塔的空气数量，只是有部分空气因与液氧换而呈液态进入下塔，然后变成液氮和富氧液空而进入上塔。但采用内压缩流程却给主冷凝器的换热量带来重大变化，如果未采用内压缩流程的主冷凝器的换热量(也是上塔蒸发量)是αL(这里αL是与物料量相对应的热量)，那么采用内压缩流程后，主冷凝器的换热量就变为αL一b，其中b是液氧和加压空气的换热量。相对应的上塔蒸发量也从末采用内压缩流程时αL变αL一b，虽然最终无论采用还是不采用内压缩流程，双塔流程的上塔提馏段的液体量，提馏气数都是不变的，但这是一回事吗？是可以用物料平衡来证明的吗？当然内压缩流程是否有利于氧纯废的提高结论已经呼之欲出！那就是采用内压缩流程不利于氧纯度的提高。因为液氧的氧纯度总是低于气氧，既然采用还是不采用内压缩流程上塔提馏段的回流比都是一样的，那么采用内压缩流程后，要达到同样的氧能度，提馏段需要增加一块以上的塔板。