外行学空分(158)一一如何把粗氩塔理论塔板数控制在100块以内？(三)

Yb2021

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  g7 W; s; W+ v' T: f* _8 F  精馏过程是纯粹的物理过程，从理论上说二元物系精馏过程的产品纯度是可以无限提高的，只要理论塔板数足够这没有任何困难，但在实际的精馏实践中提高精馏产品纯度却是一个困难的问题，有人说深冷空分技术中除了高纯产品的制取和提氩外已经完全没有秘密可言！按照这种讲法，粗氩冷凝塔就是秘密的平方了。
$ P: U# W+ }  y9 J   其实二元物系的精馏过程已经完全没有秘密可言，最大的问题就是在给定产品纯度和可用理论塔板数的条件下，如何降低精馏过程的能耗！其实和搭积木确有相通之处，无非是通过热泵设置调整各段的回流比，在总理论塔板数不变的情况下（一般都是工程条件下的最大可用理论塔板数），形成最优的回流比和理论塔板数的最优组合实现精馏能耗的优化。
    前面在讨论多热泵精馏的时候，我们都是从优化精馏能耗为目的，这是基于一个前提条件，那就是在采用单热泵精馏的时候，在可用理论塔板数下是可以实现产品纯度指标的！如果我们反过来思考一下，如果我们增设热泵但不减少原热泵循环量，那么会出现什么情况？我们很容易发现，增设热泵的循环工质引出处至增设热泵液化循环工质入口处实际回流比大幅度提高而且不受最大回流比的限制，也就是说可以突破最大回流比！而增设热泵冷凝器和循环工质引出口之间实际回流比也有小幅度提高。如果保持产品纯度不变，就可以减少理论塔板数，如果保持理论塔板数不变，则可以提高产品纯度！
      前面已经计算过氩馏分中的氩含量10%（其余是氧组分）时，最大回流液气比为1.073，最小回流液气比为1.04，最大回流液气比对应零氩提取率，最小回流液气比对应最大氩提取率，所以粗氩冷凝塔的氩提取率在0-33%之间，最大值是33%，这个最大提取率并不随着氩馏分中的氩含量升高而升高是基本不变的。全空分装置的氩提取率当然比33%高得多，由进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量和粗氩冷凝塔氩提取率共用决定，是氩馏分数量乘以氩馏分中的氩含量乘以实际氩提取率。
3 t" z, e6 X% E% d     进入粗氩冷凝器的氩馏分数量一是由空分装置的负荷决定，负荷越大进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量越大！如果负荷不变，进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量则由进入下塔的空气比例决定，当进入下塔的空气数量占空气数量85%时，进入粗氩冷凝器的富氧液空数量大约是氧气产量的1.1-1.3倍，如果氩馏分中的氩含量为10%，粗氩冷凝塔实际氩提取率26%，则全空分装置的最大氩提取率不到80%，如果氩馏分中的氩含量12%，则全空分装置的最大氩提取率90%！这里氧气产品纯度和进入粗氩冷凝塔氩馏分中的氩含量之间存在负相关的关系。
! `9 I6 T/ T3 G$ s. v' I* G, t   提氩采用热泵精馏流程后，不存在富氧液空可用数量的限制，通过增加粗氩压缩冷凝量可以非常简单地把全塔理论塔板数控制在200块以内，同时提高全空分装置的氩提取率。但是要把全塔理论塔板数控制在100块以就不可能了，其原因在于当氧氩混合气体中氧气含量低于20%时，氧氩相对挥发度已经接近1,11，此种情况下最小液气比是0,9而最大液气比是1！即使在最大液气比(就是最大液气比)下操作，从含氧20%到1ppm也需要理论塔板数150块左右，而要达到实际液气比为1，粗氩冷热泵循环量已经是无限大！
   在目前粗氩气中的氧气含量指标为1ppm，200块理论塔板数完全可以实现。如果要求粗氩气体中的氧气含量低于1ppm，而是0,1ppm，而粗氩冷凝塔可用的理论塔板处只有200块，这种情况下应该怎么办呢？唯一的一个办法是采用多热泵技术突破最大回流比的限制，从而在有限塔板数下实现更高的产品纯度。举例如下，粗氩冷凝塔顶部回流液的粗氩液体14000立方米，粗氩产量400立方米，以含氩10%的氩馏分作为原料气，粗氩冷凝塔的理论塔板数200块，粗氩气中的氧气含量1PPM，从粗氩冷凝塔顶部氧气含量1ppm，从顶部往下10块理论塔板处的气相中氧气含量是2ppm，如果从此处引出含氧2ppm的粗氩气1000立方米压缩后在设置在粗氩冷凝器氧气含量20%处的冷凝器中进行冷凝，冷凝后的含氩2ppm的液体从粗氩冷凝塔顶部往下一块理论塔板处加入，则含氧2ppm处的上升气数量保持不变还是12400立方米，而回流液数量则提高为13000立方米，液气比突破了最大液气比(1)的限制。同样在塔顶粗氩气含氧1ppm的情况下，塔顶至氧含量2ppm处的理论塔板数可以减少至5-6块！以此重复增设热泵，从气相中氧气含量4ppm处引出1000立方米的气相经压缩后同样在设置于液体含氧20%处的冷凝器中冷凝为含氧4ppm的粗氩液体送入含氧2ppm气相引出口以下一块理论塔板数处，则在粗氩氧气含量不变的情况下，则此段需要的理论塔板数可以减少一半以上！以此类推通过增加热泵设置就可以将粗氩冷凝塔需要的理论塔板数控制在100块以内！其代价是增加了能耗，提高了工艺方案的复杂性和工程造价。
   当然以上的做法是极端的情况，只具有理论上的意义，而在实际过程中，更多的情况是在工程条件允许的理论塔板数条件下，无法达到产品纯度和产品提取率之间的平衡，例如粗氩冷凝塔工程条件允许的理论塔板数是200块，工艺氩气中的氧含量指标1PPm，较好实现了纯度（氧含量）指标和工艺氩气（折纯）提取率之间的平衡，但是当工艺氩气中的氧含量指标降低至0.1PPm时，这个时候唯一的办法是提高实际液气比，但这导致实际工艺氩气产量的大幅度下降！这当然意味着能耗的大幅度升高！其实只要是采用冷凝塔工艺方案制取低沸点产品都存在这个问题。例如采用古典单塔制氮工艺方案制取高纯度氮气产品时也是这种情况。比较好办法是采取多热泵工艺方案在保证产品纯度指标和提取率的情况下实现同样的目标，当然能耗耗会上升，但升高的幅度相对于其它工艺方案要小！
   任何一个工艺方案理论上的探讨，首先要解决的问题是能不能，只要是可行，就是一个可以比选的工艺方案！这是前提条件！其次是必要不必要，如果除此工艺方案外，没有其它的可行的工艺方案，那就是绝对必要。既可行又绝对必要那就不需要就考虑其它问题了。例如粗氩冷凝塔工艺氩气中的氧含量1PPm，如果理论塔板数100块，即使在最大回流液气比下操作（氩提取率为零）也无法实现，或者说工艺氩气中的氧含量指标1PPb，理论塔板数200块，即使在最大回流液气比下操作也无法实氧含量指标。那么多热泵工艺方案就是绝对必要了！最后一个问题是利与不利了，如果不是绝对必要有可以比选的工艺方案，那么就必须进行综合比较了！
   其实所谓的双空压机单塔制氮工艺方案就是通过增设以富氧空气为循环工质压力开式热泵，从而解决了在理论塔板数有限的限制条件下，氮气产品纯度和氮提取率之间的尖锐矛盾。可以参考一下！

Sunqh

- e) `8 \' R: @9 Q! u+ m4 S尤总未免短笛无腔了，塔顶回流液中氧含量(900*1+1000*2)/1900=1.53ppm，1.53ppm的回流液怎么可能得到1ppm的粗氩气？与1.53ppm液相平衡的气相中氧含量是1.53/1.11=1.38ppm，实际应该比这更高。

/ J( d+ n" a: h如果有流量1000，氧含量2ppm的液体到塔顶回流，在粗氩气冷凝量900时，粗氩气中氧含量最低x，则有(900x+1000*2)/1900/1.11=x，解出x=1.65ppm，这是理论塔板数无穷大时的极限，实际肯定比这更高。
# H- Q0 B- \' {9 Y  l! n; S
4块理论塔板怎么可能从2ppmO2降至1ppm？至少需要log(2)/log(1.11)=6.64块，还必须是全回流，实际肯定比这更多。
/ m, B4 }4 f8 C/ K. y2 H
从来就不是什么争论，从来都是尤总自说自话，我纠错。尤总并不是对空分有兴趣，并不是想学空分，尤总只是想要推销他的空分专利。请注意，是推销，不是推广。已经有了，让它更多，才叫推广；还没有一例，只能说是推销。尤总自己也承认他的单塔热泵专利流程比常规双塔流程能耗高15%，落后这么多，还自信能推销出去，愚公移山的革命精神。

Yb2021

请先生认真看一下帖子再发表高见！

Sunqh

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! u7 s8 V* }* S" L我16日没有看到你17日的改动，请谅解。

/ n9 ^' C9 H- L1 M+ r你的粗氩塔最上面2ppm到1ppm这一段所需理论塔板数估算。粗氩气量按400算，回流液量7000+1000=8000，粗氩气中氧含量就算你是1ppm。实际你用2ppm液体与1ppm混合后，平衡气相中氧含量已经高于1 ppm，这是个倒行逆施的糟糕方法。
# x: n& y" U# ^5 A) J4 s' h
从2ppm往上算，设同一层液相中氧含量x，则有8400*2=8000x+400，解出x=2.05，与之平衡的气相中氧含量是2.05/1.11=1.85，也就是一块理论塔板后，气相中氧含量降低到原来的1.85/2=0.925倍。

7 o7 C7 ]& f& O: d2 X2 Q! B设从2ppm到1ppm需要的理论塔板数是n，则有2*0.925^n=1，解出n=8.9块，怎么可能4块就行了？尤总用的是那门子算法？

Yb2021

请先生再次认真复查一下，从含氧2ppm到1ppm段，上升气数量是7400不是8000！液气比是1,06！从2ppm到1ppm每块理论塔板氧含量为前一块塔板的0,85而不是0,925！请先生复查一下，至于什么倒行逆施我就不多说了，请先生自己再思考一下。

Sunqh

我是按照全部1ppm回流液计算的。

你将流量7000、氧含量1ppm液体与流量1000、2ppm液体混合，混合液中氧含量(7000*1+1000*2)/8000=1.125，与之平衡的气相中氧含量是1.125/1.11=1.014，实际气相中氧含量肯定比这更高，怎么可能得到1ppm粗氩气？你将理论塔板数无穷大时才能达到的1.014后面的0.014舍去了？这里是不能舍去的，因为这里有个循环迭加的作用。粗氩气中氧含量升高，则混合液中氧含量又升高，粗氩气氧含量再升高……
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Sunqh

你的发明只有被杭氧川空开空认可才有用，来空分之家的，主要是空分用户的技术人员，我们至多只能替你作个证：这种单塔热泵空分流程是原福建三明化工厂的尤总发明的。

Sunqh

按你的条件计算，设与气相2ppm同一层中液相中氧含量是x，则有7400*2+7000*1+1000*2=8000x+7400*1，解出x=2.05，与上面结果一样，还是8.9块。尤总是不是把1000*2丢了？

Sunqh

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尤总1ppm液体与2ppm液体混合的粗氩塔与常规粗氩塔比较，尤总塔顶回流液7000*1+1000*2，常规粗氩塔是8000*1，逐层塔板法计算结果见图
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* U4 p9 U3 l( H. _  U. M/ w' ^图中尤总的粗氩塔劣势明显，9块理论塔板后才1.26，常规粗氩塔是8块就行了。1ppm液与2ppm液混合是大忌。

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Sunqh

尤总粗氩气7000+1000*2ppm的方法不能生产1ppm粗氩气，逐层塔板法计算结果见图。从2ppm往上理论塔板数，尤总的4块理论塔板时，粗氩气中氧含量是1.46ppm；20块理论塔板时，粗氩气中氧含量1.083ppm
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