外行学空分(98)一一氧氮二元物系和氧氮氩三元物系问题

( P: X; B$ f! P* |2 i
   深冷空分流程就其重要性来说，可以说有以下的几个问题，一是深冷空分精馏流程(包括古典单塔流程，双塔流程及新单塔流程)是否是自热精馏流程即彻底开式热泵供冷供热精馏流程，这个问题之所以重要，因为它关系到对深冷空分流程本质认识，如果不能认识到深冷空分流程是化工中常见的开式热泵供冷供热精馏流程，那么对深冷空分流程的认识也只能达到知其然的程度，而无法做到知其所以然，无法透过现象看本质！当然也就无法运用目前已经发展成熟的开式热泵供冷供热精馏理论来审视深冷空分流程，釆用单热泵及多热泵技术对精馏过程进行优化和改进从而为深冷空分进一步节能提供方向和启发，同时也可以运用深冷空分(最早实现工业化运用的开式热泵精馏流程)的丰富实践充实完善开式热泵供冷供热精馏理论。
    深冷空分流程第二个重要的问题是双塔流程和新单塔流程的比较问题。首先它们都是完全自热开式热泵供冷供热精馏流程，它们的区别仅仅在于它们采用的热泵循环工质及热泵形式的不同，双塔流程采用以空气(精馏原料)作为循环工质的一拖二热泵，而新单塔流程热泵则采用氮气(精馏低沸点产品气)作为循环工质的标准常规开式热泵供冷供热精馏工艺方案，本质是是标准常规开式热泵供冷供热精馏工艺方案，它们之所以有单塔双塔的区别，也是因为热泵循环工质及热泵形式不同而造成的！采用闭式热泵的标准空气精馏流程当然是精馏原料空气从精馏塔中部进入，而从精馏塔塔顶和塔底分别引出产品氮气和氧气的单级精馏塔，而精馏塔再沸器热量的供给及精馏塔冷凝器热量的取出则由闭式热泵实现。很明显采用闭式热泵的标准常规空气精馏流程中，原料空气输送压缩机和热泵压缩机(即使采用空气为循环工质)是必须分设的，精馏塔的再沸器和冷凝器也是分设的。当采用氮气为循环工质的闭式热泵标准空气精馏流程时，我们会发现一个问题，那就是精馏塔顶部的冷凝器是液氮和气氮进行换热，很明显这个冷凝器是有害无益的，取消这个有害无益的冷凝器的同时，氮气从精馏塔直接引出并压缩，这个流程当然不再是采用闭式热泵的标准空气精馏流程，它就变成了以氮气为循环工质的开式热泵供冷供热精馏流程即新单塔流程！当采用以空气为循环工质的标准空气精馏流程时，我们很容易想到它也可以向开式热泵供冷供热流程优化，精馏原料空气输送压缩机和热泵压缩机可以合并，精馏塔冷凝器(液空和空气换热)同样也可以取消，这样就形成了古典单塔制氧流程，这是深冷空分最早运用的流程，这个古典单塔制氧流程当然存在极大的缺陷，那就是氧提取率低无法实现氧氮完全分离！为了解决古典单塔制氧流程氧提取率低无法实现氧氮完全分离的问题，人们在古典单塔制氧流程冷凝器（再沸器）中增加一个冷凝精馏塔(即下塔是一个氮气冷凝塔）)从功能上说可叫做氮气冷凝塔(可以和目前双塔流程中的粗氩冷凝塔作一个比较)把液空分离成液氮和富氧液空作为精馏塔（上塔）的回流液，这样不但提高了氧提取率而且实现了氧氮完全分离！这就是目前绝对主流的双塔流程。如何比较新单塔流程和双塔流程的精馏效率高低呢？其实很简单，只要比较采用以空气为循环工质的闭式热泵标准空气精馏流程的热泵空气循环量，压缩比和双塔流程的热泵空气循环量压缩比即可得出结论。三是深冷空分流程的空气开式热泵精馏和空气开式热泵一膨胀制冷液化的问题，一个可行的深冷空分流程都是开式热泵一膨胀制冷液化和开式热泵精馏的综合体，制冷和液化是深冷条件下空气精馏分离的必要前提条件，它不但使空气精馏变得可能，而且为精馏冷损的补偿实现稳态化成了可能，但制冷液化本身和空气精馏是独立存在的平行关系是并联关系，它也有自己的产品产出那就是液空液氧液氮液氩等，同时也有空气开式热泵一膨胀制冷液化对最优工艺参数的要求，并不可能和空气开式热泵精馏的工艺参数完全一致，这个问题后面会进行详细的讨论。它们也是要分摊深冷空分装置的能耗和工程造价！标准的双塔流程基本上是没有液体产品产出的，要提高双塔流程的液体产品(如全液体空分装置)那么双塔流程的各参数及工艺方案要发生重大的变化，以标准的双塔流程与新单塔流程进行能耗和工程造价的简单比较是不科学的！这个问题比较复杂，可讨论的问题很多。
   最后一个问题是氧氮二元物系和氧氮氩三元物系的问题，这个问题是一个相对于前面三个问题较为次要的问题，其实深冷空分教科书中讨论深冷空分流程时，从来都是将空气视为近似氧氮二元物系，从来不涉及氩的问题，只有在讨论提氩流程时，才把空气视为氧氮氩三元物系，现在在讨论新单塔流程和双塔流程比较的时候，将氩的问题突出出来，似乎氩的存在将对新单塔流程氧氮二元物系的模拟运算结果会将造成的颠覆性的影响，实在太双标了，毕竟空气中氩含量只有百分之一，影响是有的，但不会影响基本结论。空气实际上是一个氧氮氩三元物系，氩的存在虽然不会影响新单塔流程和双塔流程能耗的比较结论，但对空分装置的精馏工艺方案组织产生重大影响。一旦引入氩组分其实就不存在所谓的单塔流程和双塔流程了。三元组分的精馏组织工艺方案主要问题有以下几个，一是空分塔（第一个精馏塔）是按照氮氩一氧还是氮一氧氩进行精馏组织？这是氧氩氮三元物系精馏组织的首要问题。如果空分塔按照氮氩一氧进行精馏组织，则从空分塔顶部和底部得到双高纯度的氮气和氧气产品，其中的杂质主要是氩，氧氮含量则极低。同时提氩流程可以釆用粗氩冷凝塔流程。如果空分塔按照氮一氧氩进行精馏组织，则只能从空分塔顶部得到高纯度的氮气产品，而空分塔底部只能得到纯度为95%的氧氩混合物，而提氩则只能采用以粗氩为循环工质的开式热泵供冷供热精馏流程。从粗氩精馏塔底部得到高纯度的氧气产品。当然也可以按照氮一氧氩精馏塔提馏段中引出含氩10%的氩馏分进行开式热泵精馏提氩，这样引出的氩馏分只能达到氧气产量的40%左右，这样氧氩精馏分离同时在空分塔氩馏分引出口以下提馏段和粗氩精馏塔提馏段同时进行，同时从空分塔和粗氩精馏塔底部得到合格的氧气产品。引入氩组分后，空气精馏变成了氧氮氩三元物系的精馏分离，三元物系精馏分离涉及的问题相对于二元物系要复杂得多！
   如果要提氩和制取纯度99.5%（含氩0.5%以下）以上的氧气产品，那么就必须将空气视为氧氩氮三开式热泵，而不是氧氮二元物系或近似氧氮二元物系。这是根本不同的两个空气精馏工艺方案！两者不能混为一谈！

氮氩氧三元系统(N2,0.7812;Ar,0.0093;O2,0.2095)最小分离功与氮氧二元系统(N2,0.79;O2,0.21)最小分离功的比值：
(0.7812*ln(1/0.7812)+0.0093*ln(1/0.0093)+0.2095*ln(1/0.2095))/(0.79*ln(1/0.79)+0.21*ln(1/0.21))=1.1
! {0 S9 m5 g3 ?/ Z! L* M- ]
/ k+ n2 p& W+ J4 k8 m, C$ S6 w但氩与氧的沸点太接近，氩氧精馏分离效率很低，实际三元分离(得到氮、氩、氧三种产品)比二元分离(只得到氮和氧两种产品，氩存在于氧气产品中)能耗高15%~20%
" z- a; c* ~8 }7 _( s$ M

要讨论氩对深冷空分能耗，首先要清楚提氩流程及提氩的能耗，我们已经知氧氮氩三元分离的能耗要比氧氮完全分离的能耗高百分之十！而提氩流程同样可以采用如新单塔专利流程一样的开式热泵精馏流程，而不是现在深冷空分的常规精馏流程，这样从含氧95%，含氩5%及少量氮气的馏分，在粗氩塔中得到99,5%的氧气，其中含氲0,5%，在精氩塔中得到合格的氩气产品，提氩部分的能耗如果完全由氩产品承担，那么从95%，含氩5%提高至99,5%以上纯度是不需要承担额外能耗的。

可以估算一下尤总的热泵制氩制纯氧功耗，尤总的99.7%氧气和纯氩产品都是在氩塔或氩氧塔得到，即使氩馏分中氩含量降至5%，制取99.7%纯氧所需回流液也至少是氧气量的3.2倍，对于20000空分而言，需要的回流液量是20000*3.2=64000Nm3/h

热泵压力，氩塔顶部1.2atm，200多块理论板，只能分两段，塔底1.35atm，塔底组成0.3%Ar+99.7%O2，饱和温度93.15K，再沸器温差1.6K，冷凝氩气饱和温度93.15+1.6=94.75K，氩气压力2.06atm
$ P) b5 W9 X9 p/ b6 j0 R9 [% N
1.35atm氧气潜热是2.06atm氩气潜热的1.086倍，所以热泵循环氩气量是64000*1.086=69504Nm3/h
% z; g% b" d% L. u- T: F
9 n( [! @9 H9 {# d6 k! @* `5 I7 T氩气复热后压缩，复热板阻0.15atm，所以压缩机前压力是1.2-0.15=1.05atm

循环氩气压缩机后冷器阻力0.1atm，氩气冷却板阻0.15atm，所以压缩机出口压力是2.06+0.1+0.15=2.31atm
3 f0 @3 Q+ o8 o
: T, L9 E8 }& Q! j( k" t热泵氩气压缩机功耗69504/10*log(2.31/1.05)=2380kW

常规全低压空压机压缩功耗大约是98000/10*log(5.6)=7332kW

& U- H! @# o( B* j% p% W4 O热泵氩气压缩功耗占全低压空压机电耗的比例是2380/7332=32%

* e) O6 n6 a2 Q+ [' a降低主塔氧气纯度至多节能15%~20%，尤总的热泵氩压机电耗就增加了常规双塔流程空压机的32%，明显的得不偿失
1 l* Q8 G' \2 ^1 j* @6 W9 z
+ I4 T3 @& p$ K$ [' H4 w$ G+ |6 H; Y低温增压可避免阻力损失，但低温增压的不可逆损失更大，更加不可行。

尤总热泵制氩方法功耗增加的原因是：

空气中氧含量是氩含量的20多倍，在同一个塔中，塔底产品量是塔顶产品量的20多倍，塔上部和下部所需回流液量并不协调，为了满足下部回流液量，上部回流液就太多了，这是能耗增大的主要原因
2 f" f" V3 _, Y. I, N4 _9 L0 s
另一个原因是氩气的复温和降温过程阻力和温差损失大

关于提氩能耗，可以参阅外行学空分(128)一一提氩的能耗。

热泵精馏的效率等于热泵效率和精馏效率的乘积，新单塔流程和双塔流程能耗比较的要害在于新单塔流程的热泵效率比双塔流程一拖二热泵效率高，这也是双塔流程上下塔是串联关系的真正涵义。

   三元物系的精馏组织不是二元物系精馏组织的简单延伸，它涉及的问题比二元物系的精馏复杂得多！

上塔（空分塔）是按照氮一氩氧进行精馏组织还是按照氮氩一氧进行精馏组织是氧氮氩三元物系精馏组织首先要解决的问题。