外行学空分(126)一热泵精馏流程和单热泵及多热泵技术（6）

# d; P' i, W( m6 p- i9 O! w2 a
   前帖已经说过，在环境温度以上的精馏过程中只有在常规的精馏流程基础上运用单热泵及多热泵技术进行改进从而降低精馏能耗的案例，但看不到所谓自热的精馏流程即热泵精馏流程的案例！而在环境温度以下的深冷空分流程中，我们只看到以氮气和空气为循环工质的单塔或双塔完全自热精馏流程但看不到单热泵及多热泵技术的运用案例。虽然双塔流程从精馏而言可以认为是在以氮气为循环工质的单塔流程(即新单塔专利流程)基础上加一个以富氧空气为循环工质的开式热泵，但由于是以空气为循环工质的热泵通过下塔转换而形成一拖二开式热泵供冷供热的结果，不能认为是单热泵及多热泵技术运用的案例。
* M4 w- E# i! @. E5 e; B4 E   常规的精馏流程和标准开式热泵精馏流程从精馏角度来说，本质上是一样的，其区别只在于常规的精馏流程用蒸汽再沸器和冷却水冷凝器向精馏过程供给温差有效能，而热泵精馏流程则是用开式热泵向精馏过程供给温差有效能，另外一个区别在于由于采用开式热泵供冷供热而取消了常规的精馏流程的蒸汽再沸器和冷却水冷凝器。和常规的精馏流程一样标准开式热泵精馏流程也只是解决了在深冷条件下实现精馏的问题，和常规的精馏流程一样都存在精馏能耗高及制取高纯产品困难的问题。在环境温度以上的常规的精馏流程中通过采用单热泵及多热泵技术使这些难题在很大的程度上得到了解决，同样的道理同样的道理，通过在开式热泵精馏流程中运用单热泵及多热泵技术，一方面可以进一步降低热泵精馏流程的能耗，同时也可以解决制取高纯度产品困难的问题。
    空气氧氮二元物系常压精馏塔精馏段最小液气比是0,44！提馏段的最小气液是0,49！热泵循环量需同时满足精馏段最小液气比和提馏段最小气液比的要求才能实现氧氮完全分离！双塔流程当进入下塔的空气数量占空气总量60%时，上塔提馏段的实际回流气液比达到0.52左右，已经大于最小回流气液比，而上塔精馏段的实际回流液气比尚达不到最小回流液气比，当进入下塔的空气数量增加，送上塔液氮数量增加，但由于随着进入下塔的空气数量增加，上塔富氧液空入口处对应气相中的氧含量也相应升高，富氧液空处至污氮气引出口之间的实际回流液气比依然低于最小回流液气比！只有在进入下塔压力空气数量达到空压机压缩量85%以上（此时富氧液空入口处对应气相中的氧含量在21%-22%之间，富氧液空入口处至污氮气引出口之间依然达不到最小回流液气比），只有在增效塔及提氩装置投入运行后，由于富氧液空入口处对应的气相中的氧含量降低至20%左右，富氧液空入口处至污氮气引出口之间的实际回流液气比才大于最小回流液空比！新单塔流程也存在同样的问题，这是多热泵精馏的运用的只第一个重要原因。第二个原因则是制取高纯度高低沸点组分产品时，第三个原因则是进一步降低精馏塔内的气液交换浓度差和温度差，从而降低精馏过程的不可逆因素。进一步提高精馏效率。

尤总计算最小液气比、最小气液比都错了，即使空气是氮氧二元也错了。

要计算最小液气比或最小气液比，先要知道“夹点”，即平衡线与操作线的交点。尤总新单塔“夹点”在空气进口处，以空气79%N2+21%O2计，在上塔压力下，平衡液相大约是50%N2+50%O2
/ x1 c) c9 B( G$ P
塔顶氮气中氧含量是0，则上升气中氧量=回流液中氧量，所以尤总新单塔精馏段的最小液气比应该是0.21/0.5=0.42，实际液气比可以取0.45左右，1.07倍
! E: ]2 p# p) [: w3 @
0 s5 o; j; a! q: R' u" |一般双塔空分因上塔精馏段有38%液空进入，最小液气比可以比尤总的新单塔小一点，大约是0.37，实际一般是0.4左右，1.08倍

塔底氧气中氮含量是0，则尤总新单塔最小气液比是0.5/0.79=0.63，实际可以取0.68左右

( P  H3 w9 k! S; z考虑实际空气中含氩近1%，生产99.6%氧气时，可以计算出最小气液比是0.65左右，实际一般取0.7左右，1.08倍，很合适
; }( F4 N! u8 X) L; K/ j; v
所有空分进料都是含氩的实际空气，二元空气用来阐述概念是可以的，但设计计算时，必须用实际空气。
0 e" o3 {' p, D+ O8 I) s

再比如下塔，进料空气79%N2+21%O2，与之平衡的液相中氧含量40.5%，所以下塔最小回流比是0.21/0.405=0.52，实际一般是0.55左右，1.06倍，去上塔液氮量是进下塔空气量1与富氧液空量0.55之差，即去上塔液氮量=1-0.55=0.45

) N" P0 y, e& `0 d7 P+ z9 I! V下塔主要是氮和氧两种组分，氩在下塔内浓缩很少，所以下塔可以近似用氮-氧二元计算。但上塔下部是没有氮组分的，只有氩和氧两种组分，必须用氩-氧二元计算，我说的上塔下部占上塔全部填料的三分之一左右。

  首先向先生认个错，我计算出的空分塔精馏段最小液气比的数据确实出了差错，错误的原因在于我错误引用了双塔流程的实际运行数据进行了错误的推算，而完全没有考虑富氧液空实际上上塔精馏段回流液的一部分，还是老老实实用最笨办法来计算空分塔精馏最小液气比！计算方法如下，设回流液数量为x，精馏段底部上升气数量为Y，空气气相组成氧20,8%，氮气79,2%，平衡液相组成氧53%，氮47%！从回流液列方程如下，0,208Y/(x一0,208YⅩ1,23)=53/47，解得x/y二0,44！对应最小回流液数量是氧气产量的2,2倍，新单塔专利流程的回流液数量比最小数量大1,5倍。
   先生的最小回流比计算方法完全不靠谱，最小回流比的计算包括三个因素，一是空气的组成，二是空气组成下的气液相平衡数据，三是氧氮气化液化潜热数据！先生先是用氧氮相对挥发度计算最小回流比，完全不考虑空气组成和气化液化潜热，现在又用什么夹点50对50，请先生思考一下。

  空分塔是氧氮二元物系精馏塔，计算最小回流比只能用二元物系气液相平衡数据来进行，当采用氧氮氩三元真实组成时，计算回流比的时候，只能将气液相平衡数据作一个处理，那将氩成分归于氧进行计算，即将空分塔视为氧加氩和氮气精馏塔，当然氧氩和氮的相对挥发度有所不同，气化液化潜热也有区别，所以计算是有误差的，但误差不会大。这也是为什么三元计算时，氧气纯度只腕设定在95%的原因。正如空分塔中氩被视为氧一样，粗氩塔计算回流比的时候氩是被视为氮气的。这一点请先生深思。

空气组成79%N2+21%O2，上塔压力下平衡液相组成50%N2+50%O2，怎么没有？有了平衡数据就能计算出最小液气比或气液比，不需要潜热数据，计算主冷热负荷时才需要潜热数据。

尤总的平衡液相53%O2可能从李化治《制氧技术》上看来的，但书上明确了是在“一个绝对大气压力下”，即1.0atm时，实际上塔或单塔压力1.3atm左右，压力越高，平衡液相中氧含量越低，1.3atm时平衡液相中氧含量50%多一点，小于50.5%，四舍五入，说是50%N2+50%O2是可以的。

以下塔最小液气比的计算为例，空气组成79%N2+21%O2，压力5.5atm时，平衡液相组成大约是59.5%N2+40.5%O2，要求下塔顶氮气和液氮中氧含量都是0，假定下塔理论塔板数无穷多且阻力都是0

当下塔全回流时，即L/V=1时，塔顶氮气和液氮中氧含量都是0，这时塔底液相中氧含量与空气中相同，即液相组成也是79%N2+21%O2

当下塔L/V=0.8时，塔顶氮气和液氮中氧含量都是0，由氧组分的物料平衡，塔底液相中氧含量是0.21/0.8=26.25%

当下塔L/V=0.6时，塔顶氮气和液氮中氧含量都是0，由氧组分的物料平衡，塔底液相中氧含量是0.21/0.6=35%

显然，下塔L/V越小，则富氧液空中的氧含量越高，但有限制，也就是平衡液相中氧含量40.5%，无法被超越
6 U* t0 T- p8 X# @. Z8 m
# c" ^3 ?: H. z7 M/ Y: N当下塔L/V=0.21/0.405时，塔顶氮气和液氮中氧含量都是0，由氧组分的物料平衡，塔底液相中氧含量是0.21/(0.21/0.405)=40.5%

& z( d- @8 p8 n5 W/ D3 q% D当下塔L/V<0.21/0.405时，塔底液相中氧含量仍然是0.21/(0.21/0.405)=40.5%，由氧组分的物料平衡，塔顶氮气和液氮中的氧含量开始升高
' Y7 j7 R; v3 h  U: D( M
所以下塔最小液气比就是0.21/0.405=0.518519，实际液气比一般取0.55左右，即最小液气比的1.06倍。

! v6 h. j3 m4 u& H0 y$ H尤总的新单塔精馏段上升气量比双塔流程大很多，如果空气量是1，氮气循环量是氧气量0.21的3.6倍即0.21*3.6=0.756，那么尤总新单塔进料量是1+0.756=1.756，进料=出料，空气+液氮=氮气+氧气，所以新单塔顶部氮气量应该是1.756-0.21=1.546，几乎是双塔流程0.79的2倍，照尤总计算的液气比0.44，回流液量是1.546*0.44=0.68，是氧气量0.21的0.68/0.21=3.24倍，怎么是氧气量的2.2倍了？
$ t/ m& c. W4 F9 m, ^* j4 f

先说一下塔回流比问题，下塔最小回流比是0,58，其对应的富氧液空中氧含量40,5%，当富氧液空氧含量38%时，下塔回流比为0,64，比最小回流比大10%！先生可以用主冷凝器热负荷复核一下是我的回流比数据正确还是先回流比的数据正确。

  我很高兴，先生也开始使用气液比液气比来分析精馏过程了。而在此之前先生不是这样的，先生用的是氧气气化量和氧气产量倍数。我们现在的分岐在于如何计算最小气液比最小液气比，我的观点很明确，精馏过程氧氮并不是1

  空分塔精馏段上升气数量约等于液氮数量加空气中的氮气数量，实际数量比此数略小。毫无疑问新单塔专利流程和双塔流程相比，精馏段上升气数量大，以时产10000立方米氧气为例，氮气压缩量为33000立方米，精馏段上升气数量为71500立方米，实际回流比为0,47。