外行学空分(165)一一双塔流程和新单塔流程的能耗比较一一精馏部分

Yb2021

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    无论是双塔流程还是新单塔流程都是完全自热的开式热泵精馏流程，新单塔流程可以实现双塔流程的所有功能，这一点现在已经无人质疑了。新单塔流程某种程度上也可以说是古典单塔制氧流程的2.0升级版，相对于双塔流程，古典单塔制氧流程借用拳击比赛的术语只是一个轻量级拳击手！只要指出古典单塔流程无法同时制取氧气和氮气产品，氧提取率不大于70%这个事实，双塔流程和古典单塔流程在功能和能耗上的优劣也就一目了然了（其实这样的论证是不严谨的，能耗并不仅仅取决于氧提取率，这个问题在后面专门的帖子进行详细分析）。而新单塔流程则和双塔流程一样都是重量级的拳击手，不进行深入分析是无法得出两者比较的正确结论的，这本身就这是一个颠覆性的结论，当然会产生巨大的震撼。在进行双塔流程和新单塔流程比较之前，首先必须明确一个问题，所谓双塔流程和新单塔流程都有一个不言自明的前提那就是它们都是氧氮二元物系精馏精馏工艺方案！一旦引入空气的氩组分，例如制取纯度99.5%（含氩0.5%，含氮微乎其微）及制取氩气就不是氧氮二元物系的精馏工艺方案，当然也就没有什么双塔流程和新单塔流程，而只有基于双塔流程和新单塔流程氧氮氩三元物系精馏工艺方案。
8 r( Z, t8 o* A" l4 l7 C   那么双塔流程和新单塔流程如何进行能耗的比较呢？这是一个难度很大的问题，影响一个空分装置的能耗的因素有很多，一是机械(空压机，氮压机，氧氮混合气体压缩机，膨胀机，涡轮增压机的设备性能参数，还有静设备的换热温差，可用理论塔板数，正返流阻力，装置的保温状况等实际工程条件。二是空分装置的产品方案，包括氧气氮气的产品数量和纯度，液氮液氧的产品数量和纯度，产品方案不同空分装置的能耗也是不同的，同时不同的产品方案对新单塔流程和双塔流程的影响也是不同的。最后还有一个工艺方案及工艺参数的问题（这里既包括空气开式热泵精馏工艺方案也包括空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案），同一个流程下还可以有不同的工艺方案及工艺参数，而不同的工艺方案工艺参数能耗也是不同的。这就给新单塔流程和双塔流程的能耗比较带来了极大的困难，但也不是毫无办法。我试着进行双塔流程和新单塔流程的能耗比较，欢迎批评指教。
7 C# I. h2 N' s5 v6 r5 P   一个完整的空分装置包括空气开式热泵精馏和空气开式热泵一膨胀制冷液化两大部分，空气开式热泵一膨胀制冷液化有制冷液化的功耗和产品，空气开式热泵精馏有开式热泵精馏的功耗(热泵循环工质压缩的功耗)和产品，在进行新单塔流程和双塔流程的能耗比较时，需要将两个部分分开进行比较，最后再综合起来进行综合比较。
    一个完整的空分装置必须包括空气开式热泵一膨胀制冷液化模块和空气开式热泵精馏分离两个主要模块，而两个模块是结合在一起的，就象一个连体婴儿一样，但毫无疑问空气开式热泵精馏部分是空分装置的核心功能而空气开式热泵一膨胀制冷制冷液化模块是为了实现精馏部分核心功能的必要的模块！
% Q3 z- @7 ~* |' [1 ?% |- A   深冷空分的精馏是完全自热的开式热泵供冷供热精馏流程，开式热泵精馏的总效率等于开式热泵供冷供热效率和精馏效率的乘积，开式热泵的输出是基于热功转换的卡诺循环的逆循环的温差有效能（就空分装置而言，也是一种广义的冷能，是一种无冷量的冷能），其在精馏组织中表现为向精馏过程输入热量（此处冷凝器实际上是指精馏过程中再沸器），从而使低沸点组分循环工质压力气体液化，同时冷凝过程输出的热量使精馏塔底部高沸点组分液体气化作为精馏塔提馏段的提馏气即回流气，同时液化后压力循环工质液体经过冷节流减压后直接作为回流液，起到精馏塔冷凝器的作用，从精馏过程输出热量。开式热泵效率是开式热泵输出的温差有效能和热泵压缩功（复热常温压缩）的比值，而精馏过程输入的是热泵输出的温差有效能，而精馏过程的输出是气体分离功，精馏过程得到的气体分离功和热泵输入的温差有效能的比值是精馏过程的有效能效率也就是精馏效率。
9 D5 ^9 Q( {$ H9 B2 v  e) f    开式热泵供冷供热的效率影响因素有热泵压缩机的效率，压力热泵循环工质气体冷凝一蒸发器传热温差，热泵循环工质的正返流阻力及是否采用液体膨胀机还是采用简单的节流阀，如果热泵压缩机等温效率70%，在采用节流阀减压的情况下，热泵效率一般在50%-60%之间。热泵循环工质压缩比越小，正返流阻力，冷凝器换热温差对热泵效率的影响越大，热泵供冷供热效率越低。
        基于双塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案，从精馏角度来说共有三个基本精馏组织方案，一是空分塔（上塔）按照氮一氧氩进行精馏组织(这是符合精馏的一般组织原则，是氧氮氩三元物系精馏工艺方案的第一个精馏塔，但在实际上却成了特例！），这样空分塔底部的只能得到氧气纯度为95%的氧氩混合物，其中含氩4,5%，含氮0,5%！这样进入下塔的空气数量是氧气产量的3,5倍(占空气压缩量的70%)，其余的空气过膨胀机进行膨胀制冷后进入上塔参与精馏，下塔液氮和富氧液空经过冷节流减压过冷后进入上塔作为回流液，其中进入上塔顶部液氮和进入上塔精馏段中部富氧液空数量分别是氧气产量的1,7倍和1,8倍。二是空分塔（上塔）按照氮氩一氧进行精馏组织，这样空分塔（上塔）底部可以得到纯度为99,5%的氧气产品，氧气产品中含氩0,5%！这样进入下塔的空气量为氧气产量的4,25倍（占压力空气总量的85%）以上，其余的空气过膨胀机进行膨胀制冷后进入上塔参与精馏，下塔节流减压过冷后进入上塔顶部的液氮和进入上塔精馏段中部的富氧液空的数量是氧气产量的2一2,1倍及2.4-2.5倍，氩由污氮气中排出。这其实是氧氮氩三元物系精馏工艺方案的依次精馏第一个精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，但是却不是优化的氧氮氩三元物系精馏的工艺方案，以上两个方案都不带提氩装置。第三个工艺方案是带提氩装置的方案，实际上是由依次精馏两个精馏塔组合而成。其中上塔氩馏分引出量以上是氮一氩氧精馏塔，粗氩冷凝塔和上塔氩馏分引出口以下是氮氩一氧精馏塔。另外从上塔提馏段引出含氩10%的富氩馏分（既是氮一氩氧精馏塔依次精馏第一精馏塔的高沸点组分产品，又是依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔的原料气！）在粗氩冷凝塔中进行冷凝分离，粗氩气再在精氩塔中进行精馏分离得到氩产品。这样进入下塔的空气量为氧气产量的4,3倍以上，送入上塔液氮仍为氧气产量的2一2,1倍，另有下塔压力氮气（约占氧气产量的5%-6火）去精氩塔作为精馏之用，下塔富氧液空数量为氧气产量的2,3一2,4倍，其中大约氧气产量1,4倍的富氧液空去粗氩冷凝器作为冷源，蒸发气化后的富氧空气返回上塔参予精馏，其余富氧液空节流减压过冷后进入上塔精馏段。与不带提氩装置的第二方案相比，进入下塔的空气量略有增加相应过膨胀机的空气量减少。
    和基于双塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案一样，基于新单塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案从精馏角度来说也有三个精馏组织方案，一是空分塔按照氮一氧氩精馏塔塔进行精馏组织，这样在空分塔底部只能得到纯度为95%的氧气（含氩4.5%，含氮0.5%）。二是空分塔按照氮氩一氧进行精馏组织，这样在空分塔底部可以得到纯度为99.5%的氧气（含氩0.5%），其余的氩则从污氮气中排出。三是氧氮氩三元物系精馏工艺方案的优化精馏组织方案，本质空分塔由依次精馏的两个精馏塔组合而成，其中氩馏分引出口以上的空分塔是氮一氩氧精馏塔，粗氩冷凝塔和氩馏分引出口以下的空分塔是氮氩一氧精馏塔！氩馏分既是氮一氩氧精馏塔的高沸点组分产品，也是氮氩一氧精馏塔的原料气！
   从热泵设置供热供冷角度来说，基于新单塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案则有单热泵，双热泵，叁热泵等不同的设置方案。其中第一个精馏组织方案采用氮气单热泵设置方案时，氮气压缩量为氧气产量的3倍，氮气复热常温压缩机的出口压力为5.4bar，在空分塔底部只能得到纯度为95%的氧气（含氩4.5%，含氮0.5%）。当采用空气氮气双热泵设置方案时，空压机出口压力为4.2bar，空气热泵循环量和氧气产量一样，其余空气经涡轮增压后膨胀制冷后进入空分塔参与精馏。氮气压缩机出口压力为5.4bar，氮气压缩机的压缩量为氧气产量的2.1-2.2倍，同样在空分塔底部得到纯度为95%的氧气（含氩4.5%，含氮0.5%）。第二个精馏组织方案，空分塔按照氮氩一氧进行精馏组织，当采用单热泵设置方案时，氮气压缩机出口压力为5.4bar，氮气压缩量为氧气产量的4.7倍。这样在空分塔底部得到纯度为99.5%的氧气（含氩0.5%），其余氩从污氮气中排出。当采用空气氮气双热泵方案时，空压机出口压力4.2bar，空气热泵循环量为氧气产量的2.2-2.3倍，氮气热泵循环量为氧气产量的2.1-2.2倍，同样在空分塔底部得到纯度99.5%含氩0.5%的氧气，氩从污氮气中排出。还有一个空气，氮气，氧氩混合气体（含氩10%，含氮0.5%）三热泵工艺方案，其中空气热泵循环泵是氧气产量的0.8-1倍！氮气热泵循环量是氧气产量的2.1-2.2倍，氧氩混合气体为循环工质的热泵循环量为氧气产量的1.4倍，氧氩混合气体的压缩比是1.6！这样空分塔以氧氩混合气体热泵循环工质液体进入空分塔位置为界，以上是氮一氩氧精馏塔，以下是氮氩一氧提馏段！第三个精馏组织方案时，从空分塔提馏段引出含氩10%的富氩馏分在粗氩冷凝塔中进行氧氩精馏分离，这样在空分塔底部得到纯度为99.5%的氧气（含氩0.5%），从粗氩冷凝塔顶部得到合格的粗氩气。当采用单热泵设置时，氮气压缩量为氧气产量的4.7倍，氮气压缩机出口压力5.4bar，其中氧气产量1.7倍的液氮作为粗氩冷凝器的冷源，气化后的氮气与空分塔顶部的氮气汇合后引出空分装置。当采用空气氮气双热泵设置时，空压机出口压力为4.2bar，空气热泵循环量为氧气产量的2.2-2.3倍，氮气压缩机出口压力5.4bar，压缩量为氧气产量的2.1-2.2倍。其中氧气产量1.3-1.5倍的液空作为粗氩冷凝器的冷源，粗氩冷凝器中气化的空气与膨胀制冷后空气汇合进入空分塔参与精馏。当采用空气氮气粗氩气三热泵方案时，空压机出口压力为4.2bar，空气热泵循环量和氧气产量一样，氮气压缩机出口压力5.4bar，压缩量为氧气产量的2.2倍，粗氩气压缩机出口压力为2.3bar，压缩量为氧气产量的1.4倍，粗氩液体直接进入粗氩冷凝塔顶部作为回流液。
. t# K5 F$ M$ [3 _7 j! S! P* d: h. a   从精馏角度而言，基于双塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案中的上塔和基于新单塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案的空分塔并无实质的不同。从热泵角度而言，基于双塔流程氧氮氩三元物系精馏工艺方案是以空气为循环工质的一拖三开式热泵（氧氮二元物系精馏工艺方案中是一拖二开式热泵），开式热泵效率确定无疑低于新单塔流程，而基于新单塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案只要采用双热泵或叁热泵精馏方案，其中近似氧氮二元物系精馏时（制取纯度95%以下的氧气），采用空气，氮气双热泵工艺方案，制取纯度99.5%以上氧气纯度产品及制取氩气时采用空气，氮气，工艺氩气（氧氩混合气体）三热泵工艺方案。则精馏效率可以等于或高于基于双塔流程氧氮氩三元物系精馏工艺方案，热泵精馏总效率确定无疑高于双塔流程。
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