外行学空分（217）一一关于古典单塔制氮流程（一）

Yb2021

    前面几个帖子讨论了建立在新单塔流程基础上制氮工艺方案并与古典单塔制氮流程进行了初步的比较。现在进一步讨论一下建立在古典单塔制氮流程基础上的另外两个制氮工艺方案。
   古典单塔制氮流程和双塔流程的下塔及粗氩冷凝塔一样都是冷凝塔即在一个冷凝器中增设塔板填料进行精馏分离，制氮塔和双塔流程的下塔一样都是氮气冷凝精馏塔（冷凝原料气是空气），粗氩冷凝塔是工艺氩气冷凝精馏塔（冷凝原料气为上塔提馏段引出的富氩馏分）。作为冷凝塔工艺方案最重要的指标是低沸点组分的提取率和低沸点组分的产品纯度，最重要的工艺参数是理论塔板数和回流液气比。产品纯度，理论塔板数，实际回流液气比三个参数中只有两个自由度，给定产品纯度，理论塔板数则实际回流液气比也就确定了，相应低沸点组分产品提取率也就确定了！
   古典单塔制氮流程由于制氮塔压力在3bar左右（空压机出口压力4bar-6bar，少部分压力空气在主换热器与返流气换热液化后节流减压进入制氮塔，大部分压力空气经涡轮增压后在主换热器与返流气换热后膨胀制冷进入制氮塔），一般情况下只能采用板式塔，其理论塔板数大约在45块，通过制氮塔压力下的空气气液相平衡数据，氧氮相变热的比值，可以计算出制氮塔（氮气冷凝塔）的最小回流液气比为0.56（己经考虑氧氩氮相交热不同，恒摩尔流假定下为0.49）左右，对应最大氮提取率67%。在氮气产品纯度3N，制氮塔理论塔板数45块的情况下，实际回流液气比比最小|回流液气比大5%左右为0.59，则实际氮提取率62%。另外为了实现冷量平衡及制取液氮产品，压力空气必须部分带液进入制氮塔，这必然导致富氧液空中的氧含量降低，氮气提取率进一步降低，实际上氮提取率在55%-60%左右。如果氮气产品纯度要求达到5N，则实际回流液气比必须比最小回流液气比大10%左右，则氮气提取率将降低至50%-55%！当然这样的制氮装置操作上是非常简单的。
% }/ V9 k. X6 W+ v5 O# a1 s   但标准古典单塔制氮工艺方案存在以下的重大缺陷，一是空气开式热泵一膨胀制冷液化部分的效率很低，二是采用冷凝塔制氮工艺方案，氮气产品提取率很低，三是无法采用内压缩工艺方案，四是由于采用冷凝塔制氮工艺方案，制氮塔只能采用板式塔，一般情况下无法采用规整填料，可用理论塔板数少，不利于制取高纯度氮气产品。五，制氮塔压力高，氮一氩氧分离系数小。
: l8 Y6 J  @+ l) h: G/ q" e   古典单塔制氮流程的标准工艺方案，不适合采用内压缩工艺方案，也不利于制取高纯度氮气产品及获得较高的氮气提取率。如果希望制取高纯度氮气产品，同时获得较高的氮气提取率（高提取率一般意味低产品能耗），又希望氮气产品有较高的压力（可以省去外压缩），那么就需要对古典单塔制氮工艺方案进行大幅度的调整。于是乎就有了双塔双冷凝制氮工艺方案及双空压机单塔制氮工艺方案。其中双塔双冷凝制氮工艺方案其实就是双塔流程同时制取氧氮气产品工艺方案，只是由于产品方案（制氮）的不同，而进行了适宜性调整而已！而双空压机制氮工艺方案（其中一个是富氧空气压缩机），其实己经接近于新单塔流程。其间的区别仅仅在新单塔流程工艺方案采用常压精馏塔，而双空压机制氮工艺方案采用加压精馏塔工艺方案，同时采用以空气为循环工质和以富氧空气为循环工质的双开式热泵供冷供热方案而己！