外行学空分(196)一一古典单塔流程的新观点(一)

Yb2021

/ w; n  m8 U' H1 [6 a& C+ M5 L3 x   空分教科书中提到了两个空分基本流程，一是古典单塔流程(实际上包括古典单塔制氧流程和古典单塔制氮流程，两者性质上是完全不一样的。），二是目前绝对主流的双塔流程。至于新单塔流程则末见提及，而且论证了只有双塔流程才能实现氧氮完全分离，而在单级精馏塔中无法实现氧氮完全分离！现在大家已经知道确实存在一个在单级精馏单塔中实现氧氮完全分离的空分流程即新单塔流程！其实在单级常压精馏塔中实现二元物系的完全分离是精馏技术的本义，这一点本来是不证自明的，是二元物系精馏的基本常识，而在空分教科书中却被论证为不可能，这也是让所有对精馏技术发展历史有初步了解的人大跌眼镜！其实所谓的双塔流程也是在单级常压精馏塔(上塔)中实现氧氮完全分离的，而所谓的下塔其实是以空气为循环工质的开式热泵的一拖二转换塔（冷凝塔），或者说是冷凝器的扩大版，当然要形成这样的认识，需要对目前的完全自热开式热泵精馏流程和单热泵及多热泵技术以及精馏技术的发展历史有一个初步的理解。
: `, G# J! M2 d7 ?3 I2 j   现在不讨论新单塔流程是否拥有相对于双塔流程能耗优势，今天我们讨论一下古典单塔制氧流程和双塔流程的能耗比较！
   教科书中是如何说明双塔流程的能耗优于古典单塔制氧流程的呢？很简单，古典单塔流程的空压机出口压力4.2bar，古典单塔流程的氧提取率只有60%多(在目前工程条件下仔细计算出的结果是65%-70%)双塔流程空压机出口压力5.6bar，氧提取率100%！得到结论古典单塔制氧流程的能耗高于双塔流程！粗看上去直接了当无可辩驳！但认真分析则会有新的发现，事情并没有这么简单！
   如果深冷空分流程仍然采用等温焓差制冷及冻结法纯化技术，以上的结论是成立的（但在这种情况下，古典单塔流程的空压机出口压力不可能是4.2bar，双塔流程的空压机出口压力也不可能是5.6bar，它们的压力都受冷量平衡和冻结法自净化的制约而大大高于以上的压力）！实际上在采用等温焓差和冻结法纯化技术的条件下，古典单塔制氧流程的空压机出口压力是不可能降低到4.2bar的！当然双塔流程的空压机出口压力也不可能是5.6bar(不然就不可能有全低压空分流程的讲法！)，实际上无论是古典单塔制氧流程还是双塔流程空压机出口压力都要比以上的数值高得多，由等温焓差制冷及冻结法自清除冷量平衡需要的空压机出口压力决定！当然在这样的条件下古典单塔制氧流程的空气全部进入空分塔底部的空气冷凝器而双塔流程的空气全部进入下塔！古典单塔制氧流程的单位气氧电牦是双塔流程的140%以上！古典单塔制氧流程相对于双塔流程毫无竞争力可言！
' Z, y/ s9 G6 W' g8 b$ V   但是现在膨胀机制冷及纯化器技术已经成为了空分流程的标配，古典单塔制氧流程的空压机出口压力确实可以降低到4.2bar，双塔流程的空压机出口压力也降低到了5.6bar(所谓的全低压空分流程！)，当然空压机压力既要考虑精馏部分对正流空气压力的要求，也要考虑制冷液化对正流空气压力的要求，两者的要求并不一致，这个问题后面再详细讨论。要如何比较古典单塔制氧流程和双塔流程的制氧单耗呢？事情就不是这么简单了！
$ H7 Q, H1 b9 f    一是这样情况下古典单塔制氧流程多少比例的空气可以用于膨胀机制冷？多少比例的空气进入空气冷凝器用于精馏？对应的双塔流程多少比例的空气可以用于膨胀机制冷？多少比例的空气可以进入下塔用于精馏？
   如果以空气组成氧20.7%，氮79.3%二元物系计算，氧气纯度达到99.5%，古典单塔流程进入空分塔底部冷凝器的空气比例要达到空气数量的45%左右其余55%的空气用于膨胀机制冷！双塔流程进入下塔的空气数量要达到空气数量的60%用于精馏。其余40%的空气可以用于膨胀制冷！但其中10%的空气不能进入上塔只能旁通，膨胀制冷回收冷量后放空。双塔流程的氧提取率按90%，古典单塔制氧流程的氧提取率按65%-70%计，计算出的古典单塔制氧流程的用于精馏的单位气氧单耗比双塔流程低10%！这里仅涉及制氧的精馏能耗而不包括用于制冷的能耗。也不涉及液体产品数量及能耗核算扣除的问题。

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