外行学空分（221）一一如何计算氩馏分中的氮气含量？

Yb2021

/ I- A( m$ D7 P+ A# D; _# n
     氮阻问题是一个非常令人困感的问题，一方面在稳态运行的时候，有时候氩馏分中的氮气含量很低（有人宣称可以达到PPm级别，这种情况下甚至于都可以取消精氩塔了），但是却无法防止粗氩冷凝塔氮阻问题的发生，而氮阻问题的出现，其根本的原因在于进入粗氩冷凝塔的氩馏分中的氮含量异常升高，导致粗氩冷凝塔顶部工艺氩气中的氮气含量相应升高（工艺氩气中的氮含量一般是氩馏分中的氮含量的20倍），粗氩冷凝器换热温差降低，影响粗氩冷凝器的正常工作，导致粗氩冷凝器冷凝量减少甚至完全不冷凝，从而导致粗氩冷凝塔压差减少甚至完全丧失，同时进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量大幅度减少甚至氩馏分完全无法进入粗氩冷凝塔。这是一个极为矛盾的现象。关健的问题在于没有搞清楚氩馏分中的氮气含量的变化规律及影响因素。
. c: K# k6 n. `; w2 V0 r$ g     氩馏分中的氩含量是由氩馏分引出口以下至空分塔底部提馏段的理论塔板数，回流气液比及氧气纯度决定的（氧气纯度越低氩含量越高，当氧气纯度大于95%时，影响氧气纯度的就是氩含量，这个时候氧气中的氮含量已经非常低了），氩馏分中的氩含量正常情况下在6%-12%范围。
! `- B8 ]  Y: `, Z   氩馏分中的氮气含量影响因素又是什么呢？其变化规律又是怎样，决定氩馏分中的氮含量的关健影响因素是什么？这是一个需要认真探讨的问题，要搞清楚这个问题，首先必须明确上塔加粗氩冷凝塔实际上是由两个精馏塔组合而成，其中氩馏分引出口以上是氮一氩氧精馏塔，粗氩冷凝塔加氩馏分引出口以下的上塔部分是氮氩一氧精馏塔。
  现在分析一下粗氩冷凝塔未投入运行之前和运行之后两种情况，为了简化假定空气全部进入下塔。
: O2 S( [, P5 X! P/ U6 G2 a+ `   粗氩冷凝塔未投入运行前，上塔富氧液空入口处以下至是上塔底部是氮氩一氧提馏段。富氧液空入口处至氩馏分引出位置以上当然也是氮一氩氧提馏段，但计算氩馏分引出口位置（或者上塔底部氧气产品中的氮含量）的氮气含量，必须按照氮一氩氧提馏进行精馏计算，这一点非常重要，否则计算将无法进行。前提条件假定如下，一，空分装置氧气产量10000立方米/小时（折纯），富氧液空中的氮含量60%，其余为氧氩，与富氧液空平衡气相中氮气含量85%，氧氩15%，氧氮相变热比值1.23，氧氩相变热比值1.081，氧氩和氮相变热比值取1.22，富氧液空入口至氩馏分引出口位置理论塔板数25块。空气全部进入下塔，上塔底部液氧气化量38500立方米（主冷凝器液氧气化量受是否采用内压缩工艺方案及液体产品数量的影响是变化的，但回流上升气数量不变，不影响计算）。其中回流气28500立方米（这个只和进入下塔的空气比例有关，是否带液及带液量均不影响回流气数量）。
0 [' A4 T8 c3 b1 f6 |   首先计算富氧液空入口处至氩馏分引出口处最小回流气液比。根据最小气液比的定义，设富氧液空下降液摩尔数量为Y，回流上升气摩尔数量为X，则根据物料平衡列出方程式，0.6Y/1.22+0.4Y=10000+X根据最小回流气液比的定义，离开富氧液空处的气相氮一氩氧含量和富氧液空平衡气相含量一致，列出方程式，0.6Y/（X-0.6Y/1.22）=85/15联解方程式得出Y=34000，X=20200。最小回流气液比0.594，空气全部进入下塔时，实际回流气液比0.66！实际回流气液比比最小回流气液比大11.1%！在粗氩冷凝塔未投入运行前，氩馏分中的氮气含量为富氧液空中的氮含量60%/（1+.11.1%x3.7）的n次方，其中n为此段理论塔板数，3.2为氮一氩氧分离系数。 这个计算公式是比较可靠的产品纯度，理论塔板数，实际回流气比三者关系的计算公式，其实就是气液平衡图上画操作线的方法公式化即所谓的操作线方程式，粗略计算分析判断其精确度已经足够！
   从以上的公式可以看出，氩馏分中的氮气含量和富氧液空中的氮气含量是同比例变化关系，理论塔板数是次方关系，而实际回流气液比和最小回流气液比的比值则极端重要，小幅度变化都可能造成计算结果的数量级变化！从以上的计算公式简单计算可以得出，当空气全部进入下塔，富氧液空和氩馏分引出口之间设置25块理论塔板数，氩馏分中的氮气含量在100PPm级别。如果理论塔板数增加至35块，则氩馏分中的氮气含量降低至1PPm，下降2-3个数量级！
8 ]& L+ S8 D3 U# T. m    至于空气不是全部进入下塔的情况，由于膨胀制冷空气的存在，计算的过程更加复杂，但也可以按照同样的方法进行计算。
+ U$ n4 X% _8 [" i  r7 B   富氧液空中的氮含量变化（氧氩含量变化）对氩馏分中的氮气含量的影响，比公式上看起来的要大得多，因为它会影响最小回流气液比的结果，让最小回流气液比变化，实际回流气液比和最小回流气液比的比值发生变化，当富氧液空中的氮气含量升高（富氧液空纯度降低），则最小回流气液气相应变大，实际回流气液比不变时，实际回流气液比和最小回流气液比的比值变小！当然相对于理论塔板数和实际回流气液比和最小回流气液比比值的影响还是要小，是一个值得重视的因素。但在实际操作过程中其变化幅度较小。
    其实上塔加粗氩冷凝塔由两个精馏塔组合而成，其中氩馏分引出口以上的上塔是氮一氩氧精馏塔，粗氩冷凝塔加氩馏分引出口以下的上塔是氮氩一氧精馏塔，气氩馏分既是氮一氩氧精馏塔的高沸点组分产品，又是氮氩一氧精馏塔的原料气，认识到这个情况，氩馏分中的氮气含量的影响因素也就一目了然了！