外行学空分(112)一一一点心得(5)

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   一套完整的深冷空分装置可以分为三个主要部分，一个是空气精馏系统，包括精馏原料空气的压缩和输送，空气纯化，原料空气和产成品氧氮污氦氩气的换热，当然最重要的还有精馏塔。在深冷空分术语中精馏系统又叫做林德循环，其实就是精馏的标准配置至于循环则不知从何说起。一个是空气开式热泵一膨胀制冷液化系统，包括膨胀制冷循环工质空气的压缩及换热，当然最重要的还有膨胀机，另外还有一个大家没有注意到的以液化原料空气为循环工质的用于液化的开式热泵！只有空气开式热泵一膨胀制冷液化才是一个完整的具有特定功能的分系统，而膨胀制冷只是其中的一个组成部分。空气精馏系统和空气开式热泵一膨胀制冷液化系统深冷空分教科书中都有详细的介绍（只是其中的空气开式热泵一膨胀制冷液化部分是不全面的，只介绍了等温焓差和膨胀制冷而对于以液化原料空气为循环工质的开式热泵液化部分则基本上不涉一语）。但是完整的深冷空分装置还有一个非常重要的分系统，那就是给精馏过程供热供冷的开式热泵系统！但深冷空分教科书中无一语涉及，其实这个供冷供热开式热泵系统对于深冷空分装置是非常重要的，如果没有认识到深冷空分装置中存在一个供冷供热开式热泵系统，那么深冷空分流程中的很多问题，都很难得到合理的解释，只能达到知其然而做不到知其所以然！例如为什么深冷空分流程是一个完全自热的精馏流程？为什么深冷空分精馏塔中只有一个主冷凝器而没有一般精馏塔中的再沸器和冷凝器？为什么空气这样的氧氮二元混合物在单级精馏塔中不能实现氧氮完全分离，而只有双塔流程可以实现氧氮完全分离（这是错误的）？为什么同样是深冷条件下的精馏过程，氧氮精馏流程和粗氩塔(氧氩分离的精馏流程)精氩塔(氮氩完全分离流程)存在重大的区别？这样的区别是如何产生的？有没有可能让氧氮塔精馏流程和粗氩塔流程精氩塔流程一致起来？要正确地回答这些问题都需要认识到深冷空分装置中存在开式热泵供冷供热系统的事实，只要认识到这个事实并由此学习单热泵及多热泵技术的内容，深冷空分中的很多问题都可以迎刃而解。
   深冷空分装置中有两个开式热泵，一是为精馏过程供冷供热开式热泵，从而便深冷条件下的精馏过程得以实现的供冷供热开式热泵！二是空气开式热泵一膨胀制冷液化过程的重要组成部分的空气原料气为循环工质的开式热泵，仅仅有等温焓差膨胀机膨胀制冷是无法实现深冷气体（空气）液化的！深冷空分装置中的供冷供热开式热泵包括以下几个部分，一是热泵循环工质压缩机，古典单塔流程和双塔流程的热泵循环工质压缩机都是空压机，新单塔流程是氮气压缩机（空气，氮气双开式热泵供冷供热方案时是氮压机和空压机，当采用空气，氮气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热方案时，是空压机，氮压机和工艺氩气压缩机）。二是循环工质复热换热器，古典单塔流程和双塔流程是主换热器，新单塔流程中是氮气复热换热器，当然也可以和主换热器合并，这个换热器并不是供冷供热开式热泵的必要组成部分，它只是为了实现热泵循环工质压缩机在常温下运行而设置的，如果采用深冷压缩则这个复热换热器可以取消。三是高温高压换热器和低压低温换热器分别对应精馏塔中的再沸器和冷凝器，但由于用于精馏流程的是开式热泵而不是标准常规闭式热泵，高压高温换热器和低温低压换热器是合二而一（压力开式热泵循环工质气体冷凝器），这也是深冷空分装置中只有一个主冷凝器而没有一般精馏塔中的再沸器和冷凝器的原因。同时双塔流程的下塔其实是以精馏原料空气为循环工质的供冷供热开式热泵的一部分，它不属于精馏系统。这里先指出这个事实，下面将专门讲这个问题。四是液氮富氧液空减压阀及液氮富氧液空过冷器。
' j0 D% Y3 Q- H0 Z  w   一个完整的开式热泵供冷供热精馏流程包括精馏系统和开式热泵供冷供热系统两部分，开式热泵供冷供热系统使热量由低温向高温循环流动（从精馏塔顶部低沸点组分气体输出，使低沸点组分气体液化，输送给精馏塔底部高沸点组分液体，使之蒸发气化）的方式把温差有效能传递给精馏塔，得到开式热泵传递的温差有效能的精馏塔消耗温差有效能实现氧氮完全分离，毫无疑问供冷供热开式热泵系统的有效能效率等于精馏过程得到的温差有效能和驱动热泵循环的压缩功耗的比值。而精馏系统的有效能效能则空气分离功(氧氮气常温下的有效能之和)和热泵传递给精馏塔的温差有效能的比值。如果不考虑空气开式热泵一膨胀制冷制冷液化系统及精馏原料空气的输送能耗（包括纯化器阻力及精馏塔，主换热器正返流阻力），那么整个深冷空分装置的热泵精馏有效能效率则是开式热泵有效能效率和精馏有效能效率的乘积！空气精馏能耗就是开式热泵供冷供热能耗！

这里重要的问双塔流程的下塔究是一个初级精馏塔还是空气热泵的组成部分，是空气热泵一拖二的转换器。初彼精馏塔和热泵一拖二转换器的功能是不能兼容的，只能是其中的一个。

都是。尤总的3.6倍循环氮气量，是将空气当作氮氧二元计算的结果，3.6倍已经能满足精馏段回流比要求，如果空气中只有氮和氧两种组分，由于空气中氮比氧多几倍，只要能满足精馏段回流比要求，提馏段肯定也能满足。但空气中还有0.93%的氩，而且氩沸点与氧相当接近，氩、氧精馏分离需要更多回流液。空分上塔精馏的瓶颈恰恰在下部提馏段，这是厦门大学和尤总都没有想到的。
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1 c; O+ ^' \) r  U" D尤总的3.6倍循环氮气量，可以制取5ppmO2的纯氮气，但不能制取99.7%的工业氧气，氧纯度只能达到97%~98%左右。
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尤总的热泵制氩，氧产量比氩产量多20倍以上，虽然说只要能满足提馏段回流比要求，精馏段肯定也能满足，但精馏段回流液太多了，不可逆损失太大，能耗太高，完全没有实用价值。

目前的空分氧纯度，几乎都在99.6%~99.8%之间，极少数是95%或更低，低纯度氧气能耗低。尤总讨论空分，最好设定氧纯度99.7%左右。

不知尤总想过没有，空分产品中，氮气纯度一般是5ppmO2左右，氩是1ppmO2，但是氧气却是99.7%，氧气中还含有3000ppmAr，氧纯度与氮、氩纯度相比，相差了3个数量级，原因何在？

8 B& U9 p" V& z1 p4 Z5 b安全是一方面，99.9%以上的氧纯度有安全风险。空分精馏本身特性也是一个重要原因，空分中提高氮、氩纯度相对容易，提高氧纯度困难。

尤总的新单塔流程极限氧纯度估计

$ z6 j; G8 m/ i# _. d极限氧纯度，是指理论塔板数无穷多，塔板阻力为0时，实际是达不到的，实际氧纯度都低于极限氧纯度。

根据尤总提供的参数，主冷冷凝氮气量是氧气量的3.6倍，由主冷氧侧汽化潜热是氮侧冷凝潜热的1.39倍，计算出蒸发氧气量是3.6/1.39=2.590，其中氧产量是1，上升气是1.590

假设上塔下部气相中氮含量接近0时，氩组分含量是10%(空分提氩时，氩馏分中氩含量一般就是10%上下)，那么其中含氧90%。假设平衡液相中氩含量是x，那么氧含量是1-x
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上塔下部氩对氧的相对挥发度大约是1.5，由相对挥发度定义，(0.1/x)/(0.9/(1-x))=1.5，解出x=0.069，这是与氩含量10%气相平衡的液相氩含量，实际肯定比这更大，否则无精馏推动力了。

2.59*0.069-1.59*0.1=0.0197
/ x6 h3 U' f6 g$ t5 Y& Z; }. F1-0.0197=0.9803=98.03%
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即尤总的新单塔氧纯度理论上最多只有98.03%，还需要无穷多理论塔板且所有塔板阻力都是0，实际的氧纯度肯定低于98.03%

同样方法可以计算出，如果要达到99.6%氧纯度，主冷冷凝氮气量至少要达到氧气量的4.3倍，还是要无穷多理论板和所有塔板阻力都是0
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实际生产中，可能4.5倍冷凝氮气量就差不多了，4.5/4.3=1.05，实际主冷负荷是最小理论负荷的1.05倍，已经接近极限了
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  先生的计算是正确的！确实3,6倍的氮气压缩量确实是氧氮二元物系精馏的计算结果，它当然是大于最小回流比，其产品设定是氦气含量99,9%，氧气99,5%，理论塔板数大约40块，氮气产量是氧气产量的2倍当把空气作为氧氮氩三元物系时，如果保持上述氮气压缩量及塔板数的时候，氧气的纯度将低于95%，而要达到氧气纯度95%，氮气压缩量需提高5%达到氧气产量的3,8倍，我想先生是会认可以上的数据的，然后把纯度95%的氧氩及少量氮气混合物引入粗氩塔进行氧氩精馏分离，至于氧氩分离流程前帖已经有详细说明，先生可以参考一下！氧氩精馏分离的能耗是多少？大约是空气氧氮分离的5%，这时氧气纯度可以达到99,5%以上，当然还可以更高，其间的能耗区别是很小的，不知我的回答先生是否满意？在与先生讨论时，我已经多次说明，不宜在氧氮精馏塔讨论氧氩分离问题，先生似乎总是不理解，我也很无奈。

氮氩氧三元系统理论最小分离功是氮氧二元系统的1.1倍，加上氩氧精馏分离困难，效率更低，实际三元分离功耗比二元分离功耗多15%以上。
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# ?8 z  h0 C* C你那个热泵制氩制纯氧方案，能耗更是高30%左右，完全没有实现可能性。

1 U; y4 L! d6 c我在网上查过，一般的精馏塔有效能效率也就20%左右，比空分精馏塔效率差多了。空分下塔用筛板时，有效能效率70%左右，上塔低一些。下塔如果用填料塔，又抽污液氮和进贫液空，效率可达85%，可谓相当高了。上塔与下塔的效率单位相同，只能加权平均，不能相乘，如空压机的第一级和第二级。空分精馏塔整体效率50%左右也不仅仅只有上下塔，还包括了主冷、粗氩塔、粗氩冷凝器、过冷器等损失，其中主冷的温差损失就要比下塔大。

- g* ?4 U& O) E4 v8 e# S. }分级供热，或所谓的多热泵方法，确实可以减少精馏塔部分的损失，但是建立多热泵方法的本身是有损耗的，结果往往是得不偿失。
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以我看来，尤总提出的两个方法，一是氮气循环给主冷供热和提供回流液，二是热泵制氩和制纯氧，都不具可行性，不可能有人会这么做。

0 k7 G% d4 V6 k/ I+ |尤总在空分上的一时挫折不能怪法液空、杭氧、川空或开空，更不能怪清华女同学或中科院院士或西安交大的空分权威，是从一开始“灵机一动”单塔制氧的时候就注定了的。
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9 Z1 i2 p. x. I3 o2 I5 x尤总考虑问题比较多比较深刻，但学得可能还是少了点，理解就更说不上了。尤总接触空分的时候，头上已经有中科大化工系毕业、合成氨和煤制气专家、厦大兼职教授、总工程师等光环，终不肯以小学生的态度从头学起。
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+ n& f- p! G3 J/ o4 ?! q我举两个例子。一是李化治《制氧技术》上说进上塔膨胀空气量占比20%~25%(《制氧技术》第2版343页)，但实际全低压流程制氩时，进上塔膨胀空气量只有11%左右，相差如此之大，如何理解？

二是曾有西安交大化工系教授写文章说，粗氩塔回流液体送至上塔氩馏分抽口以上第4块塔板上最好，但杭氧编写的《新编制氧工问答》上却说粗氩塔回流液送至氩馏分抽口同一层或抽口以下1至2层最好，如何理解？实际都是同一层。

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先生提出的其它问题以后再向先生请教，我还是先就提氩问题向先生请教，因为先生所有立论的基础都是建立在含氧95%氩5%的气体在提氩装置中分离为氧气纯度99,5%及合格氩气产品时需要消耗空分总能耗32%的基础上，如果先生的这个结论出现重大的误差，则先生的所有议论都变得无意义了。
% c* W$ i: \$ T3 S3 f    首先我需要承认一个小错误，我曾经认为提氩流程只需要消耗空分能耗的5%，应该修正为7一8%！理由就不展开了。
   先生的热泵制氩流程我已经学习过了，和我设想的提氩流程基本一致，只有先生认热泵制氩塔需要分为两段，这是没有必要的，因为回流液是泵送至塔顶而不是自流到塔顶的，但这个对能耗没有影响，就不多说了。
   先生只计算了氩气压缩机的功耗，没有冷损的问题，这个只是粗略计算不是精确计算，但足够精确了。影响氩气压缩机功耗最大的影响因素是氩气压缩量，先生是如何确定氩气压缩量的呢？先生的表述是这样的，虽然原料气的氩含量只有5%，但氩塔底的气化量不能低于氧气产量的3,2倍，再考虑氩气和氧气冷凝热的差别，得到氩气压缩量是氧气产量的3,5倍！毫无疑问先生没有进行提氩精馏流程的模拟计算。
/ I1 l& z+ ?4 F9 U! @( W: G  我一直很困惑先生是如何确定3,2这个数据，想了好久才恍然大悟，原来先生这个数据来自新单塔专利流程的塔底氧气气化量和氧气产量的比值，我曾经说新单塔专利流程氧氮二元分离时，在40块理论塔板，氮气产量是氧气产量的二倍的情况下，氧气纯度99,5%，氮气纯度99,9%时，氮气的压缩量是氧气产量的3,8倍，塔底的氧气气化量当然是氧气产量的3,2倍了！
   先生大概认为氧气纯度是由氧气氧气气化量和氧气产量的比值决定的！先生的这种认识是严重错误的，决定氧气纯度的因素是提馏段的塔板数和提馏段的气液比，塔板数越多气液比越大则氧气纯度越高，其中气液比是指提馏段顶部的下降液体数量和塔底上升气数量之比，提馏段顶部即是空气入口处！而上升气数量则是氧气气化量减去氧气产量！
   新单塔专利流程的提馏段气液比大约在σ,6左右，双塔流程的上塔提馏段气液比在0,7左右，而提馏段最小气液比是0,4左右，无论是新单塔专利流程还是双塔流程的上塔提馏段的实际气液比都比最小气液比大很多！
   现在回过头来讲讲热泵提氩流程，热泵提氩提馏段最小气液比是多少呢？0,05！当氩气压缩量达到氧气产量的1,2倍时，提馏段的气液比已经达到0,01！是最小气液比的2倍！不是高20%，而是2倍！如果氩气压缩量是氧气产量的3,5倍，气液比将达到近0,7，是最小气液比的13倍，这可能吗？请先生先确认一下这个数据，因为先生的这个数据比合理的数据大了三倍！如果先生错了，则热泵提氩的能耗不是先生所讲的32%而是10%，这就很接近于我所讲7一8%了。
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最小气液比即最大液气比。在氩馏分进口即提馏段顶部，设气相组分是5%Ar+95%O2，液相组分是xAr+(1-x)O2，回流比是R(回流液量R，上升气量1)，氧气产品组分0.4%Ar+99.6%O2，则氧气产量是R-1，而氩组分的物料平衡式是0.05+(R-1)*0.004=Rx

在提馏段顶部，氩氧相对挥发度1.5，即气液平衡时，(0.05/x)/(0.95/(1-x))=1.5，解出x=0.034，气液平衡时提馏段回流比最大，将x=0.034代入上式，解出R=1.539，这是最大液气比，相当于最小气液比1/R=0.65

你的新单塔气液比0.6落在最小气液比0.65之下了，0.7差不多，1.08倍。

你的“提馏段最小气液比是0,4左右”无依据，据此可推算出相对挥发度是2.3，这个比氩-氧相对挥发度大，又比氮-氧相对挥发度小，就不知是什么了。

主冷蒸发量至少是氧气量的3.2倍不是来自于你的新单塔，是根据氩-氧相对挥发度推算出来的，说的还是氧纯度相对较低的全低压外压缩流程，生产99.6%氧气时，氧气纯度更高时，需要的倍数更多，目前多数在3.5倍左右。