外行学空分(128)一一提氩的能耗

Yb2021

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   空气只是近似氧氮二元物系，真实的空气中除了氧氮外还含有大约1%的氩，但是我们在分析空分流程的时候，总是将空气视为氧氮二元物系，所以才会有单塔流程双塔流程的约定俗成的说法，所谓单塔流程和双塔流程本质上是氧氮二元物系精馏分离开式热泵供冷供热方案的不同，所谓单塔流程是以氮气和空气为循环工质的开式热泵供冷供热精馏工艺方案，所谓双塔流程是以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热精馏工艺方案。
      如果将空气视为氧氮氩三元物系，而要实现氧氮氩完全分离最少需要两个精馏塔（经隔板模型优化组织后的一个主塔加一个侧塔，本质上是两个共底精馏塔或共顶精馏塔）实际上需要叁个塔（加上一个精氩塔，脱氧塔或者脱氮塔），其中空分塔（上塔）顶部至氩馏分引出口的氮一氩氧精馏塔，粗氩冷凝塔顶部至空分塔底部的氮氩一氧精馏塔以及精氩塔。何来单塔流程双塔流程的说法？
   现在我们讨论一下引入氩组分后新单塔专利流程空分塔的变化情况和提氩应该如何进行及提氩的能耗。
1 c" g7 e- U$ t& M' {& f   新单塔专利流程在进行氧氮二元物系模拟计算时，空分塔设定60块理论塔板数，氮气压缩量是氧气产量3倍，氮气产量是氧气产量2倍时，在二元模拟计算时，氮气纯度99,9%（含氧0.1%），氧气纯度99,5%（含氮0.5%）当引入氩成分后，将氩视同为氧(氧氩沸点仅差3度，而氩氮沸点差10度)，进行氧氩和氮精馏分离时，精馏段最小回流液气比有所上升，提馏段最小回流气液比有所变小，但变化不大，如果在其它条件不变的情况下，空分塔底部氧气纯度可以达到氧95%，氮气0.5%，氩气4,5%！
   现在讨论一下氩组分在新单塔专利流程空分塔中的分布情况，和双塔流程的上塔有两个氩的富集区不一样（其实双塔流程上塔也只在提馏段存在一个氩富集区，而所谓上塔精馏段的氩富集区只是由于富氧液空入口引发的扰动而已），新单塔专利流程只有在空分塔提馏段有一个氩气富集区，从空分塔底部开始氩组分浓度逐步上升然后下降，到提馏段顶部空气入口降至1%左右！在不引出氩馏分，如果空分塔按照氮氩一氧进行精馏组织，则空分塔中的氩含量最高可以达到20%以上，其峰值出现在空分塔底部以上20-30块理论塔板数处，如果空分塔按照氮一氩氧进行精馏组织，那么氩组分峰值出现在空分塔底部。
# P: O3 @& t8 @6 A% |     氧氮氩三元物系的精馏分离有多种多样的工艺方案，一是三元物系标准常规依次精馏方案，空分塔按照氮一氩氧进行精馏组织，在空分塔顶部得到合格的氮气产品，在空分塔底部得到含氩4.5%，含氮0.5%，含氧95%的混合气体，此混合气体在另一个精馏塔中进行氮氩一氧精馏分离得到合格的氧气产品和粗氩产品。其二空分塔按照氮氩一氧进行精馏组织，在空分塔底部得到合格的氧气产品，在空分塔顶部得到含氩1.25%，含氮98.75%的混合气体，此混合气体再在另外一个精馏塔进行氮氩精馏分离，得到合格的氩气和氮气产品。毫无疑问第一个工艺方案优于第二个工艺方案。这是氮氩氧的沸点情况所决定的。
  j+ C' v7 ~8 V. E( S     除了标准常规依次精馏方案外，三元物系的精馏还有一个优化的组织方案即所谓的隔板塔（主塔加一个侧塔，根据三元物系的物性不同侧塔又可分为冷凝塔和蒸馏塔），按照这个优化方案，空分塔按照氮氩一氧进行精馏组织，同时在提馏段引出含氩6%-12%的富氩馏分在侧塔粗氩冷凝塔中进行精馏分离，这样可以在空分塔顶部得到合格的氮气产品，在空分塔底部得到合格的氧气产品，在粗氩冷凝塔顶部得到合格的粗氩产品，本质上是氮一氩氧精馏塔（从空分塔顶部至氩馏分引出口）和氮氩一氧精馏塔（从粗氩冷凝塔顶部至空分塔底部）经隔板模型优化组合而成。
     无论是双塔流程的上塔还是新单塔流程的空分塔按照三元物系优化精馏组织方案，上塔和空分塔均需按照氮氩一氧进行精馏组织，同时从上塔空分塔提馏段引出富氩馏分在粗氩冷凝塔中进行精馏分离。从上塔空分塔顶部底部及粗氩冷凝塔顶部分别得到合格的氮气氧气及粗氩产品。对于双塔流程而言当上塔从按照氧氮二元物系精馏组织方案向氮氩氧三元物系精馏组织方案转变时，进入下塔的空气数量将从占空气总量的70%提高至87%！，当然这样情况下也就有富余的富氧液空可以用作粗氩冷凝器的冷源。当新单塔流程空分塔从按照氧氮二元物系精馏组织方案向氮氩氧三元物系精馏组织方案转变时，在采用单热泵工艺方案时，氮气压缩量将从氧气产量的3.1倍提高至氧气产量的4.5倍，当然这种情况下也就有富余的液氮可以用作粗氩冷凝器的冷源。当采用空气，氮气双开式热泵供冷供热精馏工艺方案时，空气热泵的循环量将从氧气产量相当的数量提高至氧气产量的2.25倍，当然这样也就有富余的液空可以作为粗氩冷凝器的冷源。
" \4 _! z; i( r. n+ z   无论是双塔流程还是新单塔流程，均可以采用以粗氩气（工艺氩气）为循环工质的开式热泵供冷供热精馏流程，对于双塔流程而言粗氩冷凝器设置在主冷凝器中，对于新单塔流程而言粗氩冷凝器设置在空分塔底部。冷凝的粗氩液体送至粗氩冷凝塔顶部作为回流液。当粗氩冷凝塔采用以粗氩为循环工质的开式热泵后，双塔流程的上塔和新单塔流程的空分塔均可以按照氮一氧氩进行精馏组织，相应双塔流程进入下塔的空气数量从占空气总量的90%-100%降低至70%！
3 }6 t  w8 L+ H- u  b6 O. {' V      无论是基于新单塔流程的氧氩氮三元物系依次精馏隔板模型优化后的精馏工艺方案还是基于双塔流程的氧氩氮三元物系依次精馏隔板模型优化后的精馏工艺方案。氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔都是依次精馏第一精馏塔，如果依次精馏第二精馏塔氮一氩氧精馏塔的精馏分离供冷供热能耗就是提氩能耗。以处理50000NM3干空气为例，如果采用经隔板模型优化后的氧氩氮三元物系依次精馏组织方案，依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔的供冷供热能耗就是提氩能耗！在目前双塔流程工艺方案下，进入下塔的空气数量需要从35000NM3增加至43500NM3，增加的8500NM3压力空气的压缩功耗就是提氩能耗约600KWh，如果双塔流程和新单塔流程的依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔均采用以粗氩气为循环工质的开式热泵供冷供热方案，则粗氩气压缩量为14000NM3！压缩功耗500KWh！理论上提氩能耗还应包括精氩塔供冷供热能耗，但那部分能耗很小！
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   关于提氩的流程，以上的叙述只是一个基本的热泵精馏流程，仍然具有很大的改进空间，如果增加一个压缩量和氧气产量相同的以25%氧气和75%氩氦为循环工质的热泵，则粗氩压缩量可以相应降低到氧气产量的10%一20%，提氩流程的热泵压缩功耗可以再降低40%，这样提氩的能耗和氧氮氩分离的能耗比氧氮完全分离高10%的结论就非常接近了。

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粗氩塔提馏段的最小气液比应该是0,67而不是0,583，相应粗氩压缩量应该增加到氧气产量的1,4倍，粗氩塔底部氧气气化量应该是氧气产量的1,2倍。

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