外行学空分(99)一一氧氮二元物系和氧氮氩三元物系问题(二)

  前帖已经说到无论是深冷空分教科书还是新单塔流程的厦大论证报告，在分析讨论深冷空分主体流程时都是按照氧氮二元物系来进行的，这其实非常容易理解，一旦引进氩组分一方面计算过程将会复杂化，引入氩组分也就变成氧氮氩三元物系精馏分离，三元物系精馏分离也就没有单塔双塔流程的说法，三元物系完全分离起码需要两个精馏塔，一般情况下需要三个精馏塔，何来单塔之说？！！另一方面引进氩组分就一定要讨论氧氮氩三元物系的精馏组织方案和提氩的问题，这将使问题进一步复杂化！正是由于以上的原因无论是深冷空分教科书还是新单塔流程的厦大论证报告在讨论深冷空分流程均把空气视同二元物系，这当然是一个不足之处，但如果认为引进氩组分后将对分析结论产生颠覆性影响那就太武断太夸大其词了，下面我们就来讨论一下这个问题。
% s6 O/ I, P2 ?0 m   深冷空分技术发展的初期(规整填料出现前)，由于工程条件的限制无论是上塔还是下塔的塔板数都很有限，加上双塔流程中无论上塔下塔的回流比都是固定的(其实随着膨胀空气量的增加及膨胀空气进入上塔参加精馏，上塔的回流比是下降，当然这个过程经历了很长时间。)，这个时期深冷空分的产品纯度氮气纯度达到99.9%是没有问题的(氮气的纯度其实是由下塔的液氮纯度决定的)，而氧气的纯度一般只能达到95%！影响氧气纯度的除了少量氮气外主要是氩气，其原因是氧氩沸点很接近只相差3度，在理论塔板数不足的情况下，氧氩难以分离！
. R$ L1 e& h. i* C   这是几十年前的状况了，所以当时工艺氧气的国家标准就是95%！后来规整填料出现了，上塔的塔板数开始大幅度增加，这些增加的塔板数基本上都是加在上塔的提馏段用于氧氩分离，同时又在上塔增设了所谓的增效塔（最初的增效塔其实是一个冷凝器，后来通过增加塔板填料才变成粗氩冷凝塔），氧气的纯度逐步提高到99.5%
    厦大的论证报告中新单塔流程的产品方案是按照照双高设定的，同时双塔流程的产品方案也是按照双高的方案设定的，同时对两个流程按照氧氮二元物系进行模拟运算，从而得出它们之间能耗及有效能效率的比较结论！后来厦大的教授在厦大学报上发表了一篇论文新单塔流程的三元组分运算，其结论是引进氩组分后，在原论证报告的氮气循环量的情况下，无法实现原定的产品纯度指标，而要达到原来设定的产品纯度指标氮气循环量(对应回流比)需要增加20%以上！毫无疑问他们的计算结果是正确的，分析结论也没有问题，但是他们没有注意到三元物系的精馏不是二元物系精馏的简单延伸，三元物系的精馏相对于二元物系的精馏要复杂得多！
     目前双塔流程确实在不提氩的情况下可以实现双高纯度产品方案，它是如何实现的呢？一是空分塔按照氮氩一氧进行精馏组织，二是大量引出污氮气，把氩从污氮气排出，从而在污氮气排放口以上形成氮一氩氧精馏分离，实现高纯度氮气产品。在空分塔按照氮氩一氧进行精馏组织的条件下，如果增加提氩，则提氩只能采用粗氩冷凝塔流程(这个时候已经没有多余的压力空气可以用于粗氩精馏塔再沸器的加热热源，但却有富余的富氧液空可以作为粗氩冷凝器的冷源。)，有专家双塔流程的精馏组织是无比精妙的，确实无比精妙环环相扣牵一发而动全身。
0 F; p, R3 K; z/ ~7 e1 d   但是这里存在一个问题而且是根本性的问题，那就是空分塔（氧氮氩三元物系依次精馏中的第一精馏塔）按照氮氩一氧进行精馏组织是合理的吗？无论是深冷空分教科书还是厦大学报的三组分模拟分析论文都没有对此进行分析，但这却是一个根本性的问题！其实只要看一下氧氮氩的沸点情况就会明白空分塔按照氮氩一氧进行精馏组织是不合理的。
   毫无疑问按照多元物系精馏的依次精馏理论，氧氮氩三元物系空分塔（即依次精馏的第一精馏塔）按照氮一氧氩进行精馏组织才是合理的，这种情况下空分塔底部的氧气纯度只能达到95%(含氩4,5%)，那么空分塔按照氮一氧氩进行精馏组织时应该如何提氩呢？可以参阅有关双塔流程的提氩的帖子，当然这种情况下提氩流程不是采用粗氩冷凝塔流程而是采用粗氩精馏塔流程！相对于粗氩冷凝塔流程可以提高氩提取率而且基本上不存在所谓的氮阻问题。
' T& v# {, d, l0 ?  当然这个问题是复杂的，涉及三元物系的标准精馏组织方案和隔板模型优化组织方案的问题。

请看宝钢2#液化装置性能参数

帖子的内容是按照一般的精馏理论对氧氮氩三元物系进行分析。按照精馏理论氧氮氩三元物系精馏分离，空分塔按照氮一氧氩进行精馏组织，得到氮气产品和氧氩混合物，氧氩混合物再在另外一个精馏塔进行精馏得到氧气和氩产品。这是综合能耗最优的精馏组织方案。这也是无提氩不能实现双高产品的真正涵义！这是一般的精馏组织方案但在特殊情况下也可能有不同的情况。目前双塔流程实际情况就是如此！空分塔采用氮氩一氧精馏流方案，提氩采用粗氩冷凝塔方案，由于污氮的大量引出，从而在空分塔实现了氧氮双高产品方案。这也是深冷空分教科书的难言之隐。

在对于空分的认识方面，尤总有没有感觉自己比2009年时有提高？尤总与杭氧销售人员首次见面时的第一感也是正确的：在一个塔内可以实现氮和氧的精馏分离，但不知这样是否有利。

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) W$ V, I: J2 }# V尤总“氮氩—氧精馏”和“氮—氩氧精馏”的总结很好，以前的不提氩流程可看作是“氮氩—氧精馏”，而目前的提氩流程可看作是“氮—氩氧精馏”。

进入下塔空气中的氩组分，主要存在于下塔底富氧液空中，然后氩组分随富氧液空进入上塔中部。如果不提氩，且要求氧纯度>99.6%，那么上塔的氩组分往上进入氮气中，通过大量污氮气的抽出，氩组分也被排出，同时也有较多氧组分随污氮气被排出，所以空分不提氩也不设增效氩塔时，氧提取率较低。

对于提氩流程，上塔的氩组分往下，先产生氩氧混合组分，可以将上塔下部看作是粗氩塔的提馏段，再在粗氩塔底得到氧气产品，在粗氩塔顶得到氩产品。空分提氩时，污氮气量可以很少，只要满足分子筛再生就行。

无论空分提氩还是不提氩，氧气产量都基本上与进下塔空气量成正比，上塔回流液的瓶颈在上塔下部氩氧分离段。不提氩时，允许进上塔膨胀空气量多，但氧提取率低；提氩时，允许进上塔膨胀空气量少，氧提取率高。两种流程的上塔下部回流比基本相同。

纠正一下尤总的两个认识误区：

/ }7 O" V5 L+ ~1、99.5%氧纯度是50年前才有的，现在都是99.6%和99.8%，钢铁和煤化工一般是99.6%，化工反应气要求99.8%，即使只要求99.6%，也要按99.7%或99.65%计算，因为氧纯度是要求>99.6%，不是=99.6%。氧气纯度与上塔下部回流液量有关；
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2、空分提氩时，上塔氩馏分抽出口只有一个，就在上塔提馏段抽出氩氧混合气体，不是两个抽出口，上塔精馏段没有氩馏分抽出口。

      先生问我比起和2009年初见杭氧销售人员时有否提高？我必须老实承认那提高很多了！不然如何能够和先生这样的顶尖深冷空分专家有来有去讨论数百回合？先生已经承认在单塔可以实现氮氧完全分离。先生只是认为我还不知道新单塔流程相对于双塔流程是否有利。？我必须老实承认，我的观点新单塔流程拥有相对于双塔流程的碾压性能耗优势。具体内容可以我最后的三个帖子。欢迎先生提出反驳意见？

   关于氮一氧氩空分塔和氮氩一氧空分塔先去谬赞了，这是氧氩氮三元物系精馏组织的最基本的问题，当然也是根本性的问题！目前双塔流程无论提氩还是不提氩都是按照氮氩一氧进行精馏流程组织的。不存在不提氩是按照氮氩一氧进行精馏组织，提氩时是按照氮一氧氩进行精馏组织的问题，这点还请先去再思考一下。只要从空分塔顶底部分别取出双高氧氮产品，空分塔就必须按照氮氩一氧进行精馏组织！至于先去所讲空分塔氩馏分引出口以下可以认为是粗氩冷凝塔的提馏段，这个和污氮口以上是氮氩精馏段一样。不影响空分塔是氮氩一氧空分塔的定性。双塔流程的空分塔当然也可以按照氮一氧氩进行精馏组织，其配套的只能是常规布局的粗氩精馏塔，具体内容可以参问有关双塔流程的提氩帖子。至于氧气纯度指标是我外行了，先去是正确的。至于氩馏分引出口问题，好象我没有讲过两个引出口，先生可以再回忆一下。我记得我讲到新单塔流程只有一个氩富集区时，先去反驳得很激烈。

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3 k& R8 ^8 X! ~5 y/ [从功能上来看，如果上塔下部（氩馏分抽出口以下）是树干，那么上塔中上部和粗氩塔就是树干上的两个分枝。

2 e9 e1 p7 d' q/ g  _4 @# C上塔中上部是一个完整的氮—氩氧精馏塔，其中上塔上部是精馏段，上塔中部是提馏段，这个氮—氩氧精馏塔的顶部得到氮气产品，底部得到氩氧混合组分。

粗氩塔和上塔下部则组成了一个完整的氩—氧精馏塔，塔底得到氧产品，塔顶得到氩产品。

( G/ y0 C- b# f" F7 t2 {! Z: B空分提氩时，污氮气不是必不可少，有些空分的污氮气中氧含量只有20ppmO2，如果污氮气中氧含量想要达到10ppm甚至5ppm，这完全没有困难。

0 x' [0 n& B: H6 \, X* W氩馏分中的氮也不是必不可少，有些空分的氩馏分中氮含量就接近于0，粗氩塔（这时常称为“超级氩塔”）顶部直接得到氩产品，没有单独的精氩塔。
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两个引出口从你以前的帖子中看来的。你还说有个方案，是空气压力提高到与常规双塔流程一样，都是5.6bar，你的空气全部膨胀了，膨胀空气温度从-120度降至-175，也就是你没有-120到-175度之间的空气了，那你怎样组织换热？返流气-175度与空气-120度换热？这样大的温差损失有多大？

最有效的方法就是先常温压缩，再换热降温，然后是膨胀制冷和精馏各工序。
* o# s  Z' g/ [# v: Z( s0 I
9 B0 x, }/ [* q: Q8 S低温气体直接压缩，或低温气体复热后再常温压缩、再次换热降温，这些都不是有效的方法。

先生关于双塔流程的分析很精避，我完全同意。这种分析都是建立在空分塔按照氮氩一氧进行精馏组织的基础上，至于氩馏分引出口以上是氮氩一氧精馏还是氮一氧氩精馏还可以再讨论，但也只有理论上的意义。新单塔流程空分塔是按照氮一氧氩进行精馏组织的，同时提氩采用开式热泵精馏流程，如果氩馏分从空分塔底部引出毫无疑问全空分塔都是按照氮一氧氩精馏，如果氩馏分从空分塔提馏段中部引出，即氩馏分引出口以下是氮一氧氩精馏，氩馏分引出口以上仍是氮一氧氩精馏。判断是氮氩一氧还是氮一氧氩根本是理论塔板数产品纯度和回流比三者的关系。

  全部压力空气过膨胀机时(和空气压力大小无关)，这个时候不能单独设置氮气复热常温压缩换热器和主换热器是合并，合并的主换热器可分为三个部，第一部分压力氮气和返流氧气氮气污氮气氩气进行换热使压力氮气部分液化。这个相当于目前的液化嚣，只不过目前的液化器是压力空气与返流气体换热便部分压力空气液化。第二部分是压力氮气和返流气换热，第三部分是返流气和压力空气及压力氮气换热。进膨胀机空气从第二第三部分中间引出。

看来先生对深冷压缩还是非常排斥，利与不利要建模模拟计算才能得出结论，先生岁数应该和我差不多，我就不会建模模拟计算，所以我需要厦大帮忙，先生是否也有同样的问题？