外行学空分(150）一一双塔流程的提氩(七)

" y8 u" e  O2 Z3 h0 z. b4 P0 n
; ?9 }' W5 W' s   我是一个空分的门外汉，对现实深冷空分中的提氩流程和氩气的技术指标不甚了了，于是乎在与专家讨论过程中发生了关公战秦琼的事，专家从现有粗氩冷凝塔流程角度不断对我的粗氩塔(包括提馏段的完整精馏塔)的氩馏分数量参数提出质疑，当然很快就消除了误会，专家最后指出采用粗氩塔提氩流程由于增加了提馏段需要占用一定的理论塔板数，这将导致精馏段理论塔板数不足，这是一个伪问题，只要稍加思考就会明白。
    现在我这个空分门外汉就对粗氩冷凝塔进行一下计算和分析，也许会有一些新鲜的认识和看法！
    粗氩冷凝塔其实和双塔流程的下塔原理一样，从这个角度来说下塔应该叫做氮气冷凝塔！空气在下塔中冷凝只能得到氮气总量的60%左右的液氮，其余氮气则在富氧液空中。粗氩冷凝塔和下塔一样进入粗氩冷凝塔的氩馏分(含氩10%)中只有部分（大约1/3）的氩产品引出，其余的氩则返回上塔，专家认为粗氩冷凝塔的氩提取率在33%左右！我现在就对粗氩冷凝塔进行一下计算，看看会有什么结果！
$ P5 K* Y) @) a, B   给定粗氩冷凝塔氩馏分处理量10000立方米，氩馏分含氩10%含氧90%(暂不考虑氮气的存在)，与其平衡的液相组成为含氧93.1%含氩6,9%！氧的相变热是氩的1,081倍。
* K, `; @9 K! ^5 u    假定粗氩冷凝回流量为X，氩气产品数量为Y！则可以列出粗氩冷凝塔最小液气比下操作的物料平衡方程式如下(这种氩的提取率是最高的。
1 K3 V2 a  @) i/ t3 Q/ z% y    10000*0,1十10000*0,9*1,081二X十Y
        1000-Y二（6,6%/93,1%）X9000
( |1 [( ?; q9 ]9 `7 u+ a! p    联解方程得Y二330，X二10400。
    粗氩冷凝塔最小液气比为1.04最大液气比为1.073！最大液气比和最小液气比相差仅3%左右，粗氩冷凝塔的氩提取率最大只有33%！粗氩冷凝塔的实际氩提取率当然低于33%，实际上在30%以下，实际回流液气比仅比最小回流液气比大0.3%左右！而要提高粗氩冷凝塔氩提取率只有两个办法，一是增加粗氩冷凝塔的理论塔板数，从而在保证工艺氩气氧含量指标的前提下，降低实际回流液气比，从而提高氩提取率，但是现在粗氩冷凝塔的理论塔板数已经达到极限，这是不可行的！二是提高氩馏分中的氩含量及进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量，这都不可能改变粗氩冷凝塔的实际氩提取率，但可以提高空分装置的氩提取率。但也非常困难，氩馏分中的氩含量决定于氧气产品纯度，氩馏分引出口至空分塔底部的实际回流气液比（决定于进入下塔的空气数量）及理论塔板数，任何改变都是非常困难代价巨大！
" [" |8 C% i! h0 c0 S7 |/ r3 o  粗氩冷凝塔的实际液气比只可能比最小液气比大0.3%！而且这要以降低氩提取率为代价！这就解释了为什么粗氩冷凝塔需要200块理论塔板数，按照以上的计算结果就可以理解为什么双塔流程的提氩，氩的提取率只能达到75%-85%%左右，为什么粗氩冷凝塔理论塔板数需要200块左右。
3 V& P6 p" `4 t. S    粗氩冷凝塔要制取含氧小于1PPM的工艺氩气，现在的工艺方案，则需要理论塔板数200块，这是氧氩理化特性所决定的，但粗氩冷凝塔只是一个冷凝塔，之所以设计操作均十分困难，那是另有原因的！

) k7 a5 W  N; g
2 }1 x6 ]+ D( q% h8 g我没有说你的粗氩塔增加提馏段导致精馏段塔板数不足，现很多粗氩塔分2段，其中1塔“吊在半空中”，如果塔底位置下移，那就能增加塔板数。我是说粗氩塔“精馏段”理论塔板数一般被限定在180~200块内，是指1塔“吊在半空中”这种情况，另外用富氧液空作塔顶冷源时，液空输送高度和温度等受到限制。你要增加提馏段，而且用热泵方法，那就没有富氧液空温度限制了，塔板数可以增加，但一般仍只能以2段为限，否则还要增加液体输送泵，使流程复杂。主要问题还是你的热泵效率太低，你的粗氩气冷凝温差的有效能损失占比很大。每个热泵都要配一台液体输送泵，流程复杂，可靠性差，冷损大。而且你减小粗氩塔塔径就要增加塔高，粗氩塔填料体积(塔体截面积*塔高)是很难减少的。你只要考虑一下从1%到1ppm需要多少塔板数就行了。
+ W% ?$ }: l- A; K$ B/ f# ?: x
0 s8 W. \- r- T# F你将粗氩塔类比于下塔，这很好，确实如此，下塔氮气有个最大提取率，60%多一点；粗氩塔本身的提取率是33%左右，不是你说的22.4%。你的方程组，第一个能看出来，第二个就不知是什么了，你解方程肯定错了，第一个方程左边是10729，右边x+y是10003，两边怎么可能相等？我早跟你说过了，你将液气比定义为塔顶液/塔底气很不方便，计算时容易出错。
8 w; ^+ U9 O5 n# Q8 [
粗氩气中氧含量1 ppm与氮无关，有些空分没有单独的精氩塔，除氮在上塔完成，氩馏分中的氮含量低于1ppm，粗氩塔(超级氩塔)上部直接得到氩产品。

氩馏分量10000，其中含氩10%，平衡液相中氩含量是6.9%，设最小回流比时氩产量是x，则有
3 r# d+ c: `. ^0 X2 B7 ~6 d& x10000*0.1=x+(10000-x)*0.069
解出x=333
- s! w/ H0 {% s  m  U7 K( J提取率33.3%

谢谢先生的指正，老眼昏花出了一些差错，我已经重新编辑了一下，先生可以看一下。关于第二个方程式我解释一下，第一个方程式是根据上升气右上升过程中发生氧氩气液交换，但其交换不是一比一而是根据相变热的比值进行交换而列出的物料平衡方程式。第二个方程式同样是根据回流液(液氩)在下降过程中发生氧氩交换而到出的物料平衡方程式！
    关于液气比应该如何定义正如先生所言末偿不可，明确定义可以了，这种思辩性问题还是存而不论吧。
    关于提氩需要多少理论塔板数，不能抽象地说从含氧量1%至1pm需要多少塔板数，而要结合实际液气比和最小液气比的比值来谈需要的理论塔板数，如果实际液气比仅比最小液气比大2%左右确实需要150口人理论塔板数以上，但如果实际液气比比最小液气比大5%以上，则仅需要理论塔板数不到80块！如何提高实际液气比和最小液气比的比值前帖已经说明先生可以看一下，欢迎批评指正！
   先生计算氩提取率的方法是正确的，帖子中计算的是含氩10%的氩馏分粗氩冷凝塔中的最大氩提取率，计算出的结果是40%，这里有一个问题是怎么与气相平衡的液相氩含量一样，这意味着粗氩冷凝塔在最小液气比下操作，问题出在那里？是气液平衡数据有误差还是其它什么问题？还需要再思考一下。

不好意思又出了一个差错最大氩提取率不是40%而是33,3%！

我的方法直接得到333，你绕了几个弯还是333，哪个方法更好呢？

目前空分中的做法可以看作是“有什么用什么”，田里出产什么就吃什么，南方人吃米饭，北方人吃面食，因地制宜。尤总的想法是“需要什么就提供什么”，想吃什么就买什么，虽也是一种思维，但可能随性了一点，要说到效率，可能还是第一种方法高一些。
, u7 g5 b. T. t' v
2 d+ k% G7 z% b粗氩从1%O2到1ppmO2，基本上说的是粗氩塔2，压力等一定时，粗氩塔2所需理论塔板数仅取决于回流比(或液气比)，与粗氩塔1的最小回流比无关。

0 g9 @- q  S7 l* f! c5 Y# F目前全低压流程空分中，最缺回流液的是上塔95%O2到粗氩塔85%O2的这一小段，如果在这一段加个小热泵，增加此段回流液量，有可能提高氩提取率。但代价是什么？一方面低温增压本身效率很低，冷损大，冷凝器温差损失大，另一方面还要增加液体输送泵，流程复杂，又增加冷损。全低压流程本来冷量就不足，增加冷损后，只得再加膨胀量，这样一来就很有可能得不偿失了。
5 Y: F9 q% ]* W( k
# D' L' R5 A" d7 t0 [现在的空分是“充分利用空气能提供的回流液”，全低压流程上塔下部回流液不足，那就接受82%氩提取率的事实，不一定非得如内压缩流程那样弄到92%氩提取率。

' h8 B' _' R8 o1 r2 g目前空分多数粗氩塔1都是“吊在半空中”，是为了让粗氩塔1回流液能自流到上塔，如果降低粗氩塔1塔底位置，那就能增加塔板数，但要增加液体输送泵，林德有不少空分粗氩塔2和粗氩塔1底部都设了液体输送泵，这样冷箱高度可以降一些。

0 i' z! n4 j- `8 W0 G2 D  g# ~
" }- A& s' T( B7 k8 U+ M6 y7 ^, [粗氩塔2从1%O2到1ppmO2所需理论塔板数与氩馏分量倍数的关系如下：
氩馏分量倍数        理论塔板数       
8 g2 G# K/ u8 \. r. P! p% \1000                86
100                94
' a* X+ d" ]) r9 x4 V50                105
* Q9 Q( i: b6 l, y40                112
30                125
* y. [1 b% Q7 Q0 ~' ~  z1 U9 s25                138
20                163
, K1 P  |8 |* v3 z, a6 i15                238
, V! G0 P' I: W1 t4 q1 B( t10                3924
( m; o4 q5 T$ o3 C/ U4 [+ t下塔富氧液空能到达的高度，与125块理论板的粗氩塔2高度接近，所以一般空分氩馏分量都是在粗氩气量的30倍左右。但为了避免粗氩塔1最小回流比的限制，要求氩馏分中的氩含量不低于10%，太高也没多大用，最多12%足矣。

先生完全没有理解在粗氩精馏塔中增加一个以含氩25%的氩馏分作为循环工质的热泵的意义，先生把它当做了分级精馏提高氩产品纯度的办法，完全不是这个意思。
   首先含氩25%的氩馏分和从空分塔引出口富氩馏分无关，其次其压缩后的冷凝器和粗氩冷凝器一样并列设置在粗氩精馏塔的底部！其作用是降低含氩25%液体进口处至粗氩精馏塔塔顶这一段的精馏段最小液气比，按照先生的液气比定义这一段的最小液气比是0,9！按照我的理解的液气比定义这一段的最小液气比是0,957！当粗氩冷凝液达到粗氩产品产量的十倍，这一精馏段的实际液气比已经达到最小液气比，当粗氩冷凝液回流量二十倍时，这一段的实际液气比已经比最小液气比大5%左右！
    由于增加了一个以含氩25%的氩馏分为循环工质的小热泵，实际上把原来的精馏段分为了三段，一段是含氩25%液体进口至塔顶，一段是含氩25%液体进口至含氩25%氩馏分引出口，一段是含氩25%氩馏分引出口至含氩10%的氩馏分进口(从空分塔来)。三段有不同的液气比，只要小热泵的循环量合适，下面两段的实际液气比都可以大于最小液气比5%！

   先生列举了含氧1%至1ppm的氩馏分和粗氩冷凝量的信数和理论塔板数的关系，我相信先生的数据是准确的，它既是粗氩冷凝塔的实际运行数据也是以含氩99%含氧1%的氩馏分作为精馏原料进行精馏分离的精馏段计算结果。
    先生的意思无非是难道从含氩32,4%含氧67,6%的气相精馏至含氧1ppm的氩产品所需要的理论塔板数会比从含氩99%含氧1%的气相精馏至含氧1ppm的氩产品所需要的理论塔板数还少吗？我要告诉先生这是可能的。
    另外先生讨论理论塔板数问题时，应该采用实际液气比和最小液气比这样的指标，因为它们是和理论塔板数直接对应的，而其它的指标和理论塔板数的关系是间接的。

$ [, l5 J( x% b# ?( X
你说的我知道，解决粗氩塔最小回流比瓶颈。但理论塔板数取决于全塔，而不是仅仅取决于某处瓶颈。在氩馏分中氩含量很低时，这样做是有用的。但是在氩馏分中氩含量超过10%(最多12%)后，可以认为粗氩塔从90%O2到1ppmO2各处已经没有明显的瓶颈，你再减小最小回流比是没用的。

从90%O2到75%O2所需理论塔板数很少，只有屈指可数的几块；从90%O2到1%O2所需理论塔板数，大约是1%O2到1ppmO2的一半。所以计算出1%O2到1ppmO2所需理论板数后，再乘以1.5，差不多就是粗氩塔全塔理论塔板数了。