外行学空分(148)一一双塔流程的提氩(五)

, q* @6 n2 e' H2 m
    前几个帖子介绍了双塔流程以氮一氧氩空分塔配合常规精馏的粗氩精馏塔的提氩工艺方案，也简单分析了氮氩一氧空分塔配合粗氩冷凝塔的提氩工艺方案。其实空分塔和提氩流程是互相制约的，如果空分塔采用氮氩一氧空分塔，则进入下塔的空气数量必须达到空气总量的85%以上，这样就没有足够的压力空气可以用于常规精馏塔的提氩装置了，提氩只能采用粗氩冷凝塔流程。如果空分塔采用氮一氧氩空分塔，那么进入下塔的空气数量只需要达到空气总量的70%，就有足够的空气量可以用于常规精馏布局的粗氩精馏塔再沸器作为热源。之所以现在采用的是氮氩一氧空分塔配合粗氩冷凝塔的提氩流程，而没有采用氮一氧氩空分塔配合粗氩塔(常规精馏)的提氩流程，那就是一个路径依赖的问题了。粗氩冷凝塔其实就是所谓增效塔的升级版！在规整填料出现全精馏提氩成为可行之前，深冷空分双塔流程已经完成了从氮一氧氩空分塔向氮氩一氧空分塔的转变。当然这个方案也完全符合氧氮氩三元物系根据隔板塔模型得出现优化精馏组织方案，但本质上是两个精馏塔组合而成，只是大家对此完全没有认识而已。
      现在讨论一下双塔流程提氩的几个具体问题，一是粗氩冷凝塔的氩提取率和双塔流程的空分装置氩提取率。粗氩冷凝塔既然是一个和下塔一样的冷凝塔，那么粗氩冷凝塔的氩提取率就是一个非常重要的问题。对于粗氩冷凝塔而言，在最小回流比下操作，对应的是粗氩冷凝塔的最大氩提取率。
   假设进入粗氩冷凝塔的氩馏分中的氩含量10%，氧90%。氧氩相变热比值1.08，氩馏分氩含量10%，氧含量90%，对应的液相平衡组成氩6.6%，氧93.4%。计算出的最小回流液气比为1.04，最大回流液气比为1.073，最大氩提取率33%！如果在恒摩尔流假定下，氩馏分中的氩含量10%时，最小回流液气比是0.967，最大回流液气比是1！最大氩提取率也是33%！氩馏分中的氩含量一般在6%-15%之间，但由于在此氩含量范围内，氧氩分离系数皆为1.5，所以虽然随着氩馏分中的氩含量变化，计算出的最大回流液气比和最小回流液气比均随之变化，但最大氩提取率是不变的。粗氩冷凝塔的氩提取率当然比最大氩提取率小，大约在30%以下。
   空分装置的工艺氩气产量（折纯）等于进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量乘以氩馏分中的氩含量乘以粗氩冷凝塔的实际氩提取率。其中氩馏分中的氩含量由氩馏分引出口以下至上塔底部的理论塔板数，氧气产品纯度（氧气中的氩含量），氩馏分引出口以下至上塔底部的实际回流气液比决定。进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量越大，氩馏分中的氩含量越高，粗氩冷凝塔的实际氩提取率越高则工艺氩气产量越大。
    第二个具体问题是氩馏分中的氮气含量和氮阻问题的真正原因。氮阻问题是由于氩馏分中的氮气含量异常升高，导致粗氩冷凝器换热温差下降，冷凝量下降甚至完全不冷凝，从而氩馏分进入粗氩冷凝塔的数量减少甚至完全无法进入。这个大家是有共识的，但对引发氮阻问题的具体原因则莫衷一是！影响氩馏分中的氮气含量的因素有那些？搞清楚了这个问题，氮阻问题发生的具体原因也就明朗了。双塔流程的上塔氩馏分引出口以下至上塔底部是氮氩一氧提馏段，氩馏分引出口以上至富氧液空入口处是氮一氩氧提馏段。如果说氩馏分中的氩含量是由氩馏分引出口以下至上塔底部的提馏状况决定，那么氩馏分中的氮气含量就是由氩馏分引出口以上至富氧液空入口处的提馏状况决定。富氧液空中的氧含量越高（氮含量越低），氩馏分引出口以上至富氧液空入口处的理论塔板数越多，实际回流气液比越大则氩馏分中的氮气含量越低！富氧液空的组成由下塔精馏状况决定，其变化范围很小，至于理论塔板数是固定不变的，那么会引发氩馏分中的氮气含量异常大幅度升高，就只有一个因素了，那就是氮一氩氧精馏塔提馏段实际回流气液比的大幅度变化！氩馏分引出口以上至富氧液空入口处的实际回流气液比的情况是非常复杂的，一是膨胀制冷空气进入（原来富氧液空入口处以下一块理论塔板数处进入，现在一般移至富氧液空入口处以下3-4块理论塔板数处）。二是粗氩冷凝塔冷凝器蒸发的富氧空气从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处返回。三是氩馏分一部分进入粗氩冷凝塔，一部分进入提馏段作为回流气。进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量越大，则回流气数量越小！膨胀制冷空气数量和温度变化范围很小，不可能造成氩馏分中的氮气含量大幅度异常升高，这个因素可以排除！那么就只剩下氩馏分数量变化这个因素了，如果氩馏分进入粗氩冷凝塔的数量增加，则氩馏分中的氮气含量升高，如果进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量异常大幅度增加，则氩馏分中的氮气含量异常大幅度升高！而进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量是由什么因素决定的？是由粗氩冷凝塔冷凝器的冷凝量和工艺氩气产量决定的，其中起决定性作用的是粗氩冷凝器的冷凝量！而粗氩冷凝器的冷凝量是由送至粗氩冷凝器的富氧液空蒸发量决定的。现在问题就很清楚了，所谓的氮阻问题是由于粗氩冷凝器的冷凝量异常升高导致进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量异常增加，导致氩馏分中的氮气含量异常升高导致的。至于粗氩冷凝器冷凝量异常升高的原因则比较复杂，可能是粗氩冷凝塔富氧液空侧压力异常降低，导致粗氩冷凝器的换热温差升高，也可能是送至粗氩冷凝器的富氧液空数量偏大（送粗氩冷凝器的富氧液空数量增加则送至上塔的富氧液空数量相应减少）等等，当然这是稳态化运行时的分析结论，是最基本的！实际过程还需要考虑非稳态的因素。
   当然肯定会有人指出，进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量的增加并不会导致氩馏分中的氮气含量升高，因为进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量增加，则返回上塔的富氧空气数量相应增加，而且增加的数量比氩馏分进入粗氩冷凝塔的数量更大，氩馏分引出口至富氧液空入口处的回流气液比不但不会降低反而升高！氩馏分中的氮气含量不但不会降低反而进一步下降！关于这个问题，我只提请考虑一下富氧空气的组分和温度和氩馏分（也是氩馏分引出口至富氧液空入口处最主要的回流气）的区别！
   第三个具体问题是粗氩冷凝塔的理论塔板数，从前面的计算已经知道，粗氩冷凝塔的最大回流液气比仅比最小回流液气化大不到1%，在保证粗氩冷凝塔一定氩提取率的情况下，实际回流液气比仅比最小回流液气比大不到1%！在要求工艺氩气中的氧含量小于1PPm的情况下 ，需要的理论塔板数为200块左右（这个需要进行逐板计算，因为氧氩分离系数随着氩含量升高而从1.5逐步降低至1.1）。

如果尤总当年就在空分行业沉浸多年，以尤总的才智和钻劲，对空分又会提些什么独到见解呢，
/ M* q: k& X! X' K6 r" d+ J! C
打交道过不少西安交大、华中理工、浙江大学、重庆大学、北京科技大学深冷专业或动力能源专业高才人员，工艺能力造诣达到孙先生水平真的不多，但他们都会有过人之处，只是没有精力时间放在工艺技术上。

" X" k, B" y' N; U9 d6 a' N在空分行业从来不缺名校人才，只是把空分当成挣钱手段或爬升途径，缺的是象孙先生长期用心钻研在一线的孺子牛。

; O. m. e& W. E
尤总“则粗氩压缩量可以降低到空分装置的氧气产量的0.4倍”不行，两个问题，一是最小液气比问题，二是理论塔板数问题。
* B( W$ d5 Y$ ~$ T0 R. ]9 N
粗氩塔最小液气比，底部氩含量25%时，相对挥发度1.44，设平衡液相中氩含量是x，则有(0.25/x)/((1-0.25)/(1-x))=1.44，可解出x=0.188，最小液气比是(1-0.25)/(1-0.188)=0.924

氩含量越高，相对挥发度越小，粗氩塔底(含氩10%时)1.5，粗氩塔顶1.1，可参考徐文灏全精馏制氩的文章，我再发个截图。

5 e; a; X9 C5 y' n/ S' k9 ^粗氩塔液气比，以20000空分为例，粗氩气量750，当你的粗氩压缩量是氧气量0.4倍时，压缩量是20000*0.4=8000，即使回流液量就以8000计(实际会小一点，压力下降后部分液体汽化)，液气比L/V=8000/(8000+750)=0.914。你的液气比已经比最小液气比更小了，精馏没法进行。

; t) Z$ U! c2 L( }+ ~* u* d/ ]  b再说理论塔板数，如果你的粗氩压缩量是氧气量的0.5倍，这样虽然满足最小液气比条件了，但是也不可行。我们来估计从氧含量1%(10000ppm)到1ppm所需要的理论塔板数。
9 j0 M: Y! c1 |( S3 Z) F
! M- k4 y: A4 l( o粗氩压缩量20000*0.5=10000，粗氩气量750，则L/V=10000/(10000+750)=0.93，与氧含量1%气相同一层的液相中氧含量是1%/0.93=1.075%，设与此1.075%O2液相平衡的气相中氧含量是y，则有((1-y)/(1-1.075%))/(y/1.075%)=1.1，可解出y=0.978%

即经过一块理论塔板后，气相中氧含量降低至原来的0.978%/1%=0.978倍，设需要n块理论板才能降低至1ppmO2即1%的0.0001倍，则有0.978^n=0.0001，可解出n=414块

普通空分的粗氩塔2由塔底的1%O2升至塔顶的1ppmO2大约需要120块理论塔板，已经有50多米高了，你要400多块理论塔板，有多高？要分几段？能允许这么多压降吗？
5 n3 G9 ]$ s( a
# {7 U2 V3 r9 P& W尤总搞过合成氨的，再搞空分，看起来简单。如果你只需要知道个大概，并不想探个究竟，那就简单。真要认真起来，那就并不简单了。各行各业，没有一样是简单的。

受塔高和阻力限制，粗氩塔理论塔板数至多只能有200块上下，这就要求粗氩塔任何一个截面的回流液体量都不能低于粗氩气量的28倍左右，也就是尤总的粗氩气压缩量至少要达到氧气量的1.05倍，28*750/20000=1.05，不能再少了。

减少液气比就需要增加塔板数，想来尤总应该能理解。

28倍应该是塔内上升气量，回流液量小1，27倍。一般的空分粗氩塔氩馏分量都是粗氩气量的30倍左右，外压缩流程稍大一点，内压缩流程有时小一点，少数能降到28倍左右。只要氩馏分中的氩含量不低于10%时，粗氩塔上下段已经没有明显的瓶颈，减少回流液量必定引起塔板数增多。
: F) {1 ?, x6 Y) ~
* h- j) q9 o: L8 a一般的次序是先学习，了解情况，知道有哪些困难和瓶颈后，再钻研，设法解决这些问题。尤总没有学习阶段，直接就到钻研阶段，结果只能是顾此失彼。我们看到，尤总的设想都不是改进，全部是革命性的推倒重来。如果尤总30岁前就关注空分，经过了几年的认真学习，情况可能会有所不同，毕竟一个人35岁后学习能力会明显下降。

在空分之家讨论这些没有什么问题，反正这里闲人多，弄到西安交大教授那里也未尝不可。但个人认为，把这样的东西弄到法液空或中科院院士那里去，可能就不太合适了。

再有尤总的“如果是深冷压缩，应以压缩功耗的4倍计算能耗”也是想当然。空分中设液体膨胀机时，液膨发电机每增加1kW功率，空气增压机可以同时节省5kW功率，合计是6倍关系。我大约在2004年发表过一篇这样的文章，但在此前2003年曾听林德流程专家说过这样的话，所以才有底气了。后来我听杭氧膨胀机专家说，或许比6倍更多。这是有可能的，如果发电机效率更低，或传动过程损失更大，那么倍数就会更多。

! i. B4 c  B5 P8 @/ \% X膨胀和增压可看作是互逆过程，尤总低温增压，至少应以6倍计算。空分中很少有低温增压，原因正是这一过程的效率太低。

关于先生提到的最小液气比问题，讲的当然是含氩25%液体进口至粗氩塔顶这一段的最小液气比，首先粗氩压缩量为氧气产量0,4倍时，此段的实际液气比为0,93！我想大概认为是0,4，先生为什么今这样认为呢，因为先生认为上升气的数量和氧气产量相等或略高，但这时上升气的数量其实只有氧气产量的0,43倍，实际液气比为0,4/0,43二0,93！这一点只要做一下物料平衡即可得到验证，请先生考虑一下。
   其次先生计算最小液气比的方法是错误的，实际最小液气比是0,81。另外先生提到理论塔板数问题，在给定产品纯度的条件下，不能抽象地说理论塔板数不足，因为需要的塔板数和实际回流比紧密相关，回流比越大所需要的理论塔板数越少。回流比提高10%所需要的理论塔板数可以减少1/3。
6 ^# ?( s, Y1 A   
   

0 j4 g6 e4 s! R; }& M9 y
! T5 A7 {- K/ K- ~说的是氩25%以上段。我是假定你的氩提取率与普通空分一样，即20000空分生产750氩产品或粗氩气，粗氩气与氧气量之比是750/20000=0.0375
3 @. w9 C! b/ E; M: [5 N4 W" n2 I
对于氩25%以上段的所有相同层，都有上升气量=回流液量+粗氩气量，你如果上升气量0.43，回流液量0.4(我已经给你算多了，因为氧潜热比氩大)，那么粗氩气量只有0.3，相当于20000空分粗氩气量只有0.03*20000=600，氩产量比普通空分少多了，是不是这样？

粗氩塔最小液气比0.81？真是不知从何而来？据此可以反算出相对挥发度，气相25%Ar+75%O2，平衡液相含氧75%/0.81=92.6%，含氩7.4%，氩-氧相对挥发度=（25%/7.4%）/（75%/92.6%）=4.17

. F$ v9 E% m7 [9 L" ]/ |0 ?标准大气压力即1atm绝压时，氮-氧二元组分在气相氮含量25%时，相对挥发度是4.13，尤总用的是表压为0时的氮-氧汽液平衡？

# s  o+ B2 P$ z7 I2 B6 d" f粗氩塔关键组分是氩和氧，氮很少，可以忽略氮，应该用氩和氧的汽液平衡，氩-氧相对挥发度小于1.5，氩含量越高，相对挥发度越小，氩含量99%以上时，相对挥发度在1.11~1.12之间。

如果是液相含氩25%以上段，那么最小液气比会减小一点，我用软件计算是0.901(压力1.3atm)，可以满足最小液气比条件了，但是塔板数仍是问题。你的气相25%氩抽出位置与液相25%氩进塔不是在同一层，后者位置更高，应该以液相25%氩计算，对应气相氩含量32.4%。
1 D2 f8 A1 g# `9 l
普通空分1%氧到1ppm氧所需理论塔板数估计。氩馏分量是粗氩气量30倍，相当于液气比是29/30=0.967，相对挥发度1.11~1.12，平均按1.115计。
. j8 i) {# Z1 T' E+ A$ P
. Z; T( r  }( K+ x' O5 l/ u气相含氩0.99，氧0.01，那么液相含氧0.01/0.967=0.0103，液相含氩0.9897，设与此液相平衡的气相中氧含量是x，则有((1-x)/0.9897)/(x/0.0103)=1.115，解出x=0.00925，一块理论塔板降低到原来的0.00925/0.01=0.925倍，

7 k# h- F; ?0 W7 X4 B4 C) N8 s设需要n块理论塔板降低到1%的0.0001倍即1ppm，则有0.925^n=0.0001，n=log(0.0001)/log(0.925)=118块，与实际120块左右正好相符。

; i9 |9 e' c3 d' X尤总提出新方法，应该自己证明其可行，而不是要别人来证明其不可行。

首先我感到非常欣慰，我们的分岐大大缩小了！我们的分岐现在集中提氩塔板数是否足够的问题，这已经进入细节问题了，我非常理解先生的担心，即粗氩塔提氩流程相对于目前的粗氩冷凝塔由于增加了提馏段需要占用一定的塔板数，在总理论塔板数受到工程条件限制的情况下，精馏段的塔板数可能不足。这个问题以后我们再讨论。
    其次我计算的最小液气比0,81是按照25%含氩液桕平衡气相氩含量42,5%计算的，先生指出平衡气相含氩32,4%，这个肯定是我错了，先生是正确的，我用先生的平衡数据重新算了一下最小液气比是0,9和先生用软件计算出的结果基本一致。
% @) c% S% u0 _2 j+ \   关于氩气产量，我是按照氧气产量的0,4%设定的。先生认为上升气二回流比十氩气产量，这个等式是不成立的，正如先生所讲氧氩潜热不同，氧的潜热是氩的1,08倍，那么一个氧分子溶入液相相应就会有1,08个氩进入气相，所以上升气在上升过程中摩尔数和体积是增大的！0,4回流液，0,04氩产量，对应的上升气数量在0,42以下，对应的实际液气比是0,95！以上回复供先生参考。
5 W/ [+ D1 F# p& I" g& A* M