外行学空分（213）一一关于提氩的几个问题（二）

Yb2021

9 U( }! @, \5 v/ I: t! {; I    前帖分析了目前双塔流程提氩的基本工艺方案，并初步讨论了所谓氮阻问题。下面讨论一下粗氩冷凝塔的氩提取率的问题。目前的双塔流程全空分装置的氩提取率大体上只能达到75%-90%（双塔流程标准工艺方案氩提取率偏于75%，当空气全部进入下塔的时候氩提取率偏于90%以上）。这当然和目前双塔流程的氧气纯度只能达到99.8%有关，但也有其它的原因。
   粗氩冷凝塔和古典单塔制氮流程一样，都是部分冷凝精馏塔，古典单塔制氮流程有氮气提取率的问题（一般在70%以下），粗氩冷凝塔当然也存在氩提取率的问题，但两者的情况有些不同，古典单塔制氮流程进入制氮塔的空气数量，空气组成是固定不变的，而进入粗氩冷凝塔的富氩馏分数量及组成则是变化的是可以调整的。
   正如古典单塔制氮流程一样，在最小回流液气比下操作时的氮提取率就是古典单塔制氮流程的最大氮提取率，粗氩冷凝塔在最小回流液气比下操作时的氩提取率就是粗氩冷凝塔的最大氩提取率（工艺氩气中的氩数量和进入粗氩冷凝塔的氩馏分中的氩数量的比值）。当然实际的精馏过程不可能在最小回流液气比下操作，因此粗氩冷凝塔实际的氩提取率总是小于最大氩提取率。
   要计算出粗氩冷凝塔的最大氩提取率，就必须计算出粗氩冷凝塔的最小回流液气比（不是所谓的回流比所谓的回流比是回流液摩尔数量和产品取出摩尔数量的比值），这是精馏的基本计算，但非常重要。首先假设富氩馏分中的氩含量10%，氧含量90%（暂不考虑氩馏分中的氮气含量），氧和氩的相变热比值为1.081，氩馏分（含氩10%，含氧90%）对应的液相平衡组分为含氩6.9%，含氧93.1%，可以计算出粗氩冷凝塔最小回流液气比为1.040，最大回流液气比为1.073！从而计算得出粗氩冷凝塔的最大氩提取率33%（以进入粗氩冷凝塔的氩馏分中的氩数量为分母），也就是说氩馏分中的氩最多只有33%成为工艺氩气从粗氩冷凝塔顶部引出。其余的氩又从粗氩冷凝塔底部的液体中返回上塔！当然还有更加简化的一个计算办法，根据等摩尔流假定，粗氩冷凝塔底部的液相摩尔数量等于粗氩冷凝塔顶部回流液的摩尔数量，则粗氩冷凝塔最小回流液气比是0.9/0.931=0.967！1减去最小回流液气比得到的结果是3.3%，这就是以氩馏分为基准的最大氩提取率，将此结果除以氩馏分中的氩含量10%，得到的结果是33%，这是以氩馏分中的氩含量为基准的最大氩提取率，两个方法计算的结果是一致的。
/ U; m/ a7 }4 F   当然以上的计算是在富氩馏分中的氧含量90%，氩含量10%的情况下的计算结果，实际上双塔流程的富氩馏分中的氩含量有一定的变化范围（大约在6%-12%），而且氧氩分离系数随着氩含量的升高而从1.5下降至1.1，但在氩馏分中的氩含量变化范围内，氧氩分离系数基本保持1.5不变。虽然计算出的最小回流液气比和最大回流液气比及以氩馏分数量为基准的氩提取率是随着氩馏分中的组成变化而变化，但并不影响以氩馏分中的氩含量为基准的最大氩提取率！粗氩工艺气中的氧含量指标为1PPm，粗氩冷凝塔理论塔板数200块左右。
% e; o( F" T- n- b* R8 q    以上计算出的是粗氩冷凝塔的最大氩提取率和实际氩提取率而不是全空分装置的氩提取率！全空分装置的工艺氩气产量（折纯）等于进入粗氩冷凝塔氩馏分中的氩气数量乘以粗氩冷凝塔实际氩提取率。具体而言是进入粗氩冷凝塔的氩馏分的数量乘以氩馏分中的氩含量乘以粗氩冷凝塔实际氩提取率。其中进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量决定于粗氩塔冷凝器的热负荷即决定于用于粗氩冷凝塔冷凝器作为冷源的富氧液空蒸发量。而氩馏分中的氩含量则由上塔氩馏分引出口以下的提馏段的理论塔板数，回流气液比及氧气产品纯度决定。而粗氩冷凝塔的实际氩提取率则决定于粗氩冷凝塔的实际液气比和最小回流液气比的比值。之所以双塔流程的全装置氩提取率只有75%-90%，由上述三个因素共同作用而决定。以处理50000NM3标准干空气的空分装置为例，如果43500NM3压力空气进入下塔，下塔液氮数量20000NM3，富氧液空数量23500NM3，其中8000-9000NM3富氧液空过冷后送入上塔作为回流液，其余13500-14500立方米富氧液空送至粗氩冷凝塔冷凝器作为冷源，氩馏分从上塔底部25块理论塔板数处引出进入粗氩冷凝塔，这种情况下，氩馏分中的氩含量8%-10%，氩馏分数量12500-13000NM3，可以计算得出工艺氩气产量320-390NM3，空气中的氩数量为450立方米，全空分装置的氩提取率70%-85%，之所以送粗氩冷凝塔粗氩冷凝器的富氧液空数量只能为14500-15500NM3，进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量只能达到12500-13500NM3，则是因为如果增加送粗氩冷凝塔粗氩冷凝器的富氧液空数量，就必须相应减少送上塔精馏段富氧液空数量，虽然增加了进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量，但会造成两个结果。一是氩馏分中的氮气含量升高，粗氩冷凝塔出现氮阻问题。二是上塔富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量升高，导致污氮气中的氧氩含量升高，氧提取率降低。当然如果空气全部进入下塔，富氧液空数量大幅度增加，那么用于粗氩冷凝塔冷凝器的富氧液空数量增加，进入粗氩冷凝塔的富氩馏分数量增加，这样情况下，虽然粗氩冷凝塔的氩提取率不变，但全空分装置的氩提取率可以进一步提高，但这是有限度的。实际上即使空气全部进入下塔的情况下，空分装置的氩提取率也很难超过90%！其原因在于采用以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热精馏工艺方案（双塔流程）时，富氧液空入口处对应气相中的氩含量在1%-1.2%之间，在富氧液空入口处至污氮气引出口之间理论塔板数有限的情况下，很难使污氮气中的氩含量低于0.1%！这样氧气产品中的氩数量加污氮气中的氩数量就超过了空气中氩数量的10%！