外行学空分(102)一一二元物系和三元物系的问题(5)

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& R5 H5 L+ y6 i   前一帖子已经给出了基于新单塔流程的氧氩氮三元物系经隔板模型优化后的依次精馏组织方案及三开式热泵供冷供热方案！这个工艺方案是经过空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数优化，依次精馏顺序优化及隔板模优化，开式热泵供冷供热方案优化后的基于新单塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案。
- C; y- M7 _: T, p    首先第一个问题是空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数的优化。空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案和空气开式热泵精馏工艺方案是空分装置的两个核心部分，它们是相互独立又紧密联系的两个部分。空分装置中空气液化部分的效率，是空分装置能耗水平一大关健，空气液化方案，从空气开式热泵一等温焓差液化工艺方案进化至空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，就使空分装置从所谓高压流程向中压流程演变，能耗降低一大截！涡轮增压膨胀制冷技术的运用又进一步让空分装置从所谓的中压流程向全低温流程（纯化技术也是一个重要的因素），其实这些都和空气开式热泵精馏无关！空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案实际上可以分为两个部分，一是空气开式热泵液化部分，二是空气涡轮增压膨胀制冷部分。其中用于液化的正流空气压力对空气开式热泵一膨胀制冷液化效率影响极大！具体内容可以参阅后面的相关帖子一一标准常规双塔精馏工艺方案（全低压流程）存在的缺陷及政进！
    第二个问题是氧氩氮三元物系依次精馏顺序问题，精馏教科书中的内容绝大部分都是关于二元物系精馏过程的，对于三元物系及多元物系精馏过程则很少涉及，只是简单提到三元物系及多元物系精馏过程为了保证各组分产品纯度及提取率，必须采用依次精馏组织方案，n元物系有（n-1）（n-2）.....2x1个不同顺序依次精馏组织方案！氧氩氮三元物系依次精馏只有两个组织方案，一是依次精馏第一精馏塔为氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，依次精馏第二精馏塔为氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，为了保证氩气产品纯度，一般还需要依次精馏第三精馏塔近似氮氩精馏塔！二是依次精馏第一精馏为氮氩一氧精馏塔近似氧氮精馏塔，依次精馏第二精馏塔为氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔，为了保证氩气产品纯度一般而言还需要一个氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔。根据氧氩氮三元物系的组分及物性，毫无疑问以上依次精馏组织方案中的第一个组织方案是合理有利的，第二个依次精馏组织方案只有在不提氩但又要求氧气产品纯度大于99.5%（含氩0.5%以下），不要求高氮气产品提取率下才是合理有利的（具体可以参阅后面的相关帖子）！
   基于新单塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案的第三个问题是隔板模型优化组织方案。
% }. Z6 D+ C) R8 r) M8 l- F      如果标准常规依次精馏组织方案，当依次精馏第一精馏塔采用氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔时，从依次精馏第一精馏塔顶部可以得到纯度合格的氮气产品，但只能从依次精馏第一精馏塔底部得到含氧95%，氩5%及0.2%-0.5%氮气的氧氩混合气体(可以有少量液体)作为依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔的原料气进入依次精馏第二精馏塔粗氩塔中部进入进行精馏分离，从粗氩塔顶部出来的粗氩在主换热器换热复热至常温后，压缩至2.3bar在主换热器换热后进入设置在粗氩塔底部的压力粗氩气冷凝器冷凝为粗氩液体后，过冷减压送至粗氩塔顶部作为回流液。粗氩气压缩量达到30000-33000NM3！精馏能耗占氧氩氮三元物系精馏能耗的1/3以上。粗氩塔以粗氩为循环工质的开式热泵循环量与进入粗氩塔的氩馏分中的氧氩含量关系极大，如果粗氩塔原料气中的氩含量提高至10%，则以粗氩气为循环工质的开式热泵循环量就可以降低至14000NM3！关于隔板模型优化组织方案的原理可以参阅后面的相关帖子！
8 g' u0 n# }( M) G  ]: _   最后是开式热泵供冷供热方案，之所以采用氮气，空气，工艺氩气（粗氩气）为循环工质的三开式热泵供冷供热方案，是因为对于经隔板模型优化后的氧氩氮三元物系依次精馏工艺方案，是一个平衡了供冷供热方案效率和供冷供热方案简化基本供冷供热方案！
" b% G5 c8 f- z. b2 I- h, E' y" f+ W    以上任何一个问题解决不好，都会影响新单塔流程和双塔流程的能耗比较结论！

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当把空气视为氧氩氮三元物系的时候，正常的做法是无论双塔流程的上塔还是新单塔流程的精馏塔其氮气纯度应该按照产品氮气纯度设定，百氧馏分的纯度只能设定在95%左右，这个氧气纯度并不是产品氧气的纯度，只是一个中间产品纯度，最终氧气产品纯度在粗氩塔中决定。
+ D$ d2 N7 s, a" w+ Q1 n   为什么要这样做呢？因为按照精馏一般原理，一个完整的精馏塔在处理三元物系时只能一分为二，具体就空气这个三元物系来说，只能实现氮气和氧氩气的分离，而氩氧的精馏分离则在粗氩塔中进行，粗氩塔底部的氧气纯度才是氧产品的纯度！也正因为这个原因，目前可见的理论文献，在讨论深冷空分流程时，当把空气视为氧氮二元物系时，氧产品纯度设定为99.5%，含氮0.5%，当把空气视为氧氩氮三元物系的时候，则把氧气纯度设定为95%左右，其中含氩约5%及少量氮气。然后把氧氩混合气体送至粗氩塔进行氧氩精馏分离，使氧气纯度达到99.5%以上，同时提取氩产品，而粗氩还需要在精氩塔中进行氮氩分离以保证氩产品的纯度。这样的安排对于同时制取氧氩氮产品其综合能耗是最低的。这种做法和目前深冷空分的实际做法并不完全一致，但这是一般常规做法，而目前深冷空分实际做法是特殊做法，其原因有机会再讨论。
  

Sunqh

空分的上塔下部也可以看作是粗氩塔的下部，因为粗氩塔与上塔中部本来就是并联关系。如果要在粗氩塔得到全部的氧气和氩产品，这是有问题的。当不考虑氧和氩的潜热差异时，粗氩塔上部和下部回流液量基本相同，但空气中氧和氩的含量相差很大，氧产量比氩产量高很多，这样粗氩塔下部所需回流液就要比上部多很多，为了满足粗氩塔下部回流液量，粗氩塔上部回流液就要比实际所需多出很多，结果就会引起更多不可逆损失。

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毫无疑问10500立方米含氧95%，含氩5%的原料气在粗氩塔中进行精馏分离时，在塔板数一定的情况下，比起5000立方米含氧90%的氧含氩10%的原料气来说，粗氩液体回流量一定要大得多。但是在新单塔流程精馏塔和双塔流程上塔中要把底部的气体达到含氧99.5%，含氩0.5%的状态，在塔板数相同的情况下所需要的回流比一定要比只需要使底部气体达到含氧95%含氩5%的状况要大得多。无非需要比较两者的能耗大小而己，而要准确比较需要进行模拟运算，仅靠思辩解决不了这个问题，也没有说服力。

Yb2021

  尽可能考虑各种可行的工艺组织方案，并对各个工艺方案进行比较以确定优化的工艺组织方案，才能做到知其然也知其所以然！