外行学空分(152）一一新单塔流程的提氩(二)

     在双塔流程的提氩讨论中，有专家提出一个问题，那就是无论是常规布局的粗氩精馏塔塔提氩流程还是开式热泵提氩流程相对于粗氩冷凝塔提氩流程都增加了一个提馏段，需要占用一定的理论塔板数(大约占用二十五块理论塔板数)，这样精馏段的理论塔板数就要相应少，这样粗氩中的氧气含量就不可能达到指标，我必须老实承认，我这个外行确实在此之前没有认真考虑过这个问题，甚至于对粗氩中氧气含量指标也是不甚了了的。至于专家提出的问题，其实并不存在，采用粗氩精馏塔流程时，提馏段需要的理论塔板数并不以减少粗氩精馏段理论塔板数为代价。这一点只要稍加思考就会明白。
   但这不妨碍我思考这个问题，为什么在保证粗氩中氧含量指标下，粗氩精馏段(粗氩冷凝塔其实是双塔流程中的下塔是一样)需要200块(已经达到工程允许极限)理论塔板数！
+ [. {; v# @1 J5 K1 z! N* j7 x. ~   表面的原因可以列出几条，一是实际回流比偏小（实际上回流液气比不但不小反而很大接近1！），二是氧氩分离系数小，而且随着氩含量的升高，氧氩分离系数迅速下降，例如含氩10%时氧氩分离系数1,5，当氩含量25%时氧氩分离系数已经下降到1,3，而在氧含量小于1%时，氧氩分离系数已经下降到1,1！
" m8 r  L7 ^) ~2 k$ G) s9 M   氧氩分离系数小且随着氩含量升高而下降这是氧氩理化特性，是无法改变的事，但回流比是可以改变的啊，回流比升高则需要的理论塔板数相应减少，这是非常容易想到的，为什么不这么做呢？这个问题才是真问题。
   无论采用粗氩冷凝塔提氩流程还是粗氩精馏塔提氩流程提高精馏段液气比都受到富氧液空数量的限制，但开式热泵精馏提氩流程则无此限制(当然也不是可以任意提高，提高回流比就是提高能耗)，应该是可以的，但是实际上是不可行的，这才是真正的问题所在！
   在给定产品纯度下，决定理论塔板数的因素实际上并不是实际液气比的大小而是实际液气比和最小回流液气比的比值大小，理论上如果在精馏过程中相对挥发度不发生变化，如果实际液气比大于最小液气比10%，高低沸点组分分离系数1.5左右，二十五块理论塔板数可以让低沸点产品中的高沸点组分含量下降一个数量级！通过计算可以发现以含氩10%的氩馏分作为精馏原料，精馏段最大液气比仅比最小液气比大不到1%左右，(最小液气比和实际液气比的定义和计算存在争议这是非常不应该的，但这是现况，无论怎么定义计算只影响数值对比值影响不大)实际液气比仅比最小液气比大0.7%，氧氩分离系数在1.1-1.5之间。粗略估算要达到粗氩气中的氧气含量低于1PPm需要的理论塔板数在200块左右。在采用单热泵工艺方案或标准常规冷凝器精馏塔工艺方案时，实际回流液气比受到最大液气比的限制，无法通过提高实际液气比的办法来减少粗氩冷凝塔或粗氩精馏塔精馏段需要的理论塔板数，这才真正的原因所在！
" m, N' U' A" k5 J9 @6 u* t    粗氩冷凝器当氩馏分中的氩含量10%，在恒摩尔流假定下计算出最小回流液气比为0.967！实际回流液气比在0.97左右，进一步提高实际回流液气比基本上没有空间，而且精馏能耗上升幅度巨大！回流液气比1对应低沸点组分产品回流比无限大！

氩馏分中氩含量一般是10%左右，这实际上是上塔与粗氩塔权衡的结果。氩馏分高有利于粗氩塔，但是上塔下部塔板数要增加；氩馏分低对上塔有利，但太低可能在粗氩塔底部产生一个最小回流比的瓶颈。

* O* c6 n3 X- s虽然在粗氩塔回流比不变时，升高氩馏分也能使粗氩塔理论板数减少，但上塔理论板数增加更多，所以如果只是为了减少粗氩塔理论板数，这样做是得不偿失的。升高氩馏分解决最小回流比瓶颈后，应该相应减小回流比，只有这样做才有意义，但这样做会引起粗氩塔理论板数增加。所以，随着氩馏分升高，粗氩塔所需理论塔板数应该相应增加才有意义。

" }% |  l, ?0 |& h# g5 K6 y我计算过，10%氩馏分时粗氩塔最佳理论塔板数是185块左右，11%时是194块，12%对应203块。这里的“最佳塔板数”是指生产单位氩产量所需粗氩塔填料体积最小。如果粗氩塔理论塔板数被限定在200块内，我认为氩馏分超过12%没有意义。

% i4 Y! d' Q8 F' k! i5 G# b如果氩馏分低于10%，最小回流比成为瓶颈时，你在粗氩塔底部加一个热泵才是有用的。氩馏分10%以上后，最小回流比已经不是瓶颈，粗氩塔底部加热泵就基本没用了，因为这时的理论塔板数才是瓶颈。
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, F: U% o9 j+ v  L. w6 [; g+ X$ j此外，空分上塔和下塔用液气比L/V概念比较方便，但讨论粗氩塔时，我认为还是用化工中的回流比L/D概念更好，用L/D，30或29，很直观；用L/V，只是在0.96到0.97之间变化，回流比L/D变化很大了，L/V看上去变化还是很小。粗氩塔的L/V只适合玩玩数字游戏，没什么意义。
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2002或2003年，有一位杭氧专家写了文章，想了一个方法要降低粗氩塔回流比，但他的文章没能在《深冷技术》发表，只是发表在某次的“技术交流会论文集”上，可能有别的杭氧专家不同意他的观点。后来我写了文章指出他这种设想不能成立，见《深冷技术》2004年某期。

& [4 [" P) d+ ^" m9 N上塔氩馏分抽口以下段理论塔板数是30块或更多，不是只有15块，尤总在哪里看来的15块？这段除氩的塔板数占到上塔全部塔板数的40%以上，我们的空分设计是39块理论板，占上塔一半了。

粗氩塔回流比L/D=30时，相当于液气比L/V=30/31=0.9677

L/D=20时，L/V=20/21=0.9524
/ r) d0 ?! t1 C. V2 r" b1 t
9 G" H/ u$ R/ _7 _L/D=10时，L/V=10/11=0.9091

. K7 `, x9 z) G  y: [普通空分是L/D=30左右，如果L/D=10还能生产，这就是粗氩塔负荷降至原来的三分之一还能生产，而且氩产量不减少了。粗氩塔很大，跟上塔差不多，如果粗氩塔塔径存在大幅缩小的可能性，那就意味着粗氩塔的投资成本能大幅降低了。有这样的好事，大家早就做了，不会等到尤总现在才提出来。可惜这种方法根本是行不通的。

学习一下。

由于对氧氩精馏分离特性的认识不足，帖子里的内容和观点实际上存在严重的错′误。现在的双塔流程空分塔按照氮氩一氧进行精馏组织，配套粗氩冷凝塔提氩流程。粗氩冷凝塔悬挂在半空中。当双塔流程提氩釆用常规精馏塔或开式热泵精馏塔提氩流程时，精馏段和粗氩冷凝塔位置相同高庋相同，可用的理论塔板数也相同，而在精馏段以下至地面之间足粗氩精馏塔的提馏段和冷凝器，可以布置50-60块理论塔板数！所以专家提出的问题是不存在的。
   另外帖子中提到的通过降低最小液气从而拉大实际液气比和最小液气比比值的方法降低精馏段需要的理论塔板数基本上也不可行。其原因在于氧氩分离系数随着氩纯度的提而迅速下降至1,1，从而形成精馏瓶颈区。
. M2 P* [% B( ]8 _   理论塔板数和产品纯度及回流比是有两个自由度的三个工艺参数，无法降低精馏段需要的理论塔板数就意味着在现在可用理论塔板数的情况下无法进一步降低粗氩中的氧含量。那么有没有降低精馏段需要的理论塔板数的办法呢？或者说有没有办法进一步降低粗氩中的氧含量呢？办法是有的，就是釆用多热泵精馏技术，突破最大回流比的限制！可以参阅如何把粗氩精馏塔精馏段需要的理论塔板数控制在100块以内的帖子。帖子的内容只是反映了我对这个问题的初步思考，不可能非常严谨也没有进行优化，如果有什么疑问欢迎提出我们互相交流共同进步。