外行学空分（222）一一氩馏分中的氮气含量如何计算？（2）

Yb2021

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    前帖讨论了在粗氩冷凝塔未投运前氩馏分引出点位置气相中的氮气含量的计算，现在讨论一下双塔流程粗氩冷凝塔投入运行后，氩馏分中的氮气含量变化的规律。
5 A# C* d- o+ s+ T: l! `' c8 }   粗氩冷凝塔投运后，用下塔来的富氧液空作为粗氩冷凝塔的冷源，随着富氧液空用于粗氩冷凝器的数量增加，进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量（粗氩冷凝塔负荷）同步增加，一方面使进入氩馏分引出口以上提馏段的高能回流上升提馏气（和氩馏分组分一样）数量减少，另一方面由于送入上塔精馏段的富氧液空数量相应减少提馏负荷（下降液中的液氮量）下降，同时又增加了富氧空气这个低能位提馏气（从原理上讲就形成了双热泵提馏工艺方案），开始的时候氩馏分中的氮气含量是迅速大幅度下降的，以氩馏分引出数量10000立方米为例，回流上升气减少10000立方米氧氩气，粗氩冷凝器富氧液空用量11000-12000立方米，相应送至上塔的富氧液空减少11000-12000立方米，减少提馏负荷液氮6600-7200立方米（富氧液空|中的液氮量，折6000-6600立方米氧氩当量），富氧空气增加低能位提馏能力4400-4800立方米氧当量。但随着富氧液空用于粗氩冷凝器数量继续增大，粗氩冷凝塔进气量继续增加，氩馏分引出口以上的提馏段高能位回流上升气数量继续减少，氩馏分中的氮气含量开始上升，当富氧液空用于粗氩冷凝器数量达到一个临界值，粗氩冷凝塔进气量大到一定临界值，高能位提馏上升气数量减少到一定临界值，氩馏分中的氮气含量开始急剧上升，这就是所谓的氮阻现象了。
0 M# q7 T! U" F! \1 R     按理合理的精馏组织方案，富氧空气应该从富氧液空入口处以下3-4块理论塔板数处，气相温度和组分均与富氧空气相同的位置返回上塔参与提馏。这样实际上将氩馏分引出口以上至富氧液空入口处的氮一氩氧提馏段（粗氩冷凝塔投运后，氩馏分引出口以上的提馏段由氮氩一氧提馏段变为氮一氩氧提馏段）实际上分为了两段，一是富氧液空入口处至富氧空气返回口，二是富氧空气返回口至氩馏分引出口处。在粗氩冷凝塔未投运富氧空气未返回时，此处对应液相中的氮含量为33%，气相中的氮含量约66%（富氧空气中的含氮量60%，其余为氧氩，同时实际回流气液比比最小回流气液比大11%），随着粗氩冷凝塔投运及富氧空气返回数量的增加，此处对应液相气相中的氮含量开始下降，直至与富氧空气达到气液平衡状态，此时对应液相中的氮含量为30%（与氧氩40%，氮60%的富氧空气平衡的液相组成为氧氩29.6%，氮70.4%），此后富氧空气数量继续增加，此处对应液相中的氮含量稳定不变不再继续下降。此处液相中的氮含量变化情况，和富氧空气是从此处进入，还是从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处返回上塔或中间的任何一块理论塔板数处进入均无关系，如果富氧空气从富氧液空入口处以下1-2块理论塔板数处返回上塔参与精馏，则此处（富氧液空入口处以下3-4块理论塔板数处）对应液相中的氮含量在30%-33%之间，同时造成富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量升高。
: P* j2 j( t3 [    首先我们计算一下，富氧空气返回口以下的最小回流气液比（富氧空气从富氧液空入口处以下3块理论塔板数处返回上塔，富氧空气返回数量已经足够大），此时下降液体中的氮含量为30%，氧氩含量为70%，计算出的最小回流气液比为0.446！i
4 d3 A0 e" S) G" `; y! V# @     空气全部进入下塔的情况下，上塔氧氩回流上升气数量28500，如果粗氩冷凝塔进气量15000立方米，则进入氩馏分引出口以上提馏段的高能上升提馏气13500立方米，可以计算出富氧空气返回至氩馏分引出口实际回流气液比为0.543，实际回流气液比比最小回流气液比大22%，因为富氧空气返回口以上已经占去3块理论塔板数，计算出的氩馏分中的氮气含量在1PPm以下，比粗氩冷凝塔未投运前继续下降2个数量级。
3 ^9 R8 I5 N6 l2 c0 g    如果进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量为16000立方米，则进入氩馏分引出口以上的回流上升气12500立方，计算出的富氧空气返回口至氩馏分引出口之间的实际回流气液比为0.525，比最小回流比大15%，计算出氩馏分中的氮气含量在10PPm级别！如果进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量达到17000立方米，则计算出的实际回流气液比只有0.506，仅比最小回流气液比大11.3%，计算出的氩馏分中的氮气含量达到100PPm的级别。如果进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量为18000立方米，则计算出的实际回流气液比只有0.482！仅比最小回流气液比大不到8%！则氩馏分中的氮气含量将达到1000PPm以上。如果粗氩冷凝塔稍微有所增加，氮阻现象就会确定无疑地发生了。
   从以上的计算可以看出氩馏分中的氮气含量的规律，首先氩馏分中的氮气含量是由富氧液空入口处至氩馏分引出口处的提馏状况决定。其次粗氩冷凝塔投运后，氩馏分引出口处的氮含量先是大幅度下降，随着粗氩冷凝塔负荷的增加到一定值后开始升高，最后粗氩冷凝塔负荷达到一定值后急剧上升，发生氮阻问题，当然这只是稳态化分析，非稳态的情况更加复杂。以上计算假定富氧液空中的氧氩含量40%，在采用内压缩工艺方案及制取较高比例液体产品时，富氧液空中的氧氩含量比假定数低！最小回流气液比比现在计算值大，其次以上计算是建立在富氧空气从富氧液空以下3块理论塔板数处加上上塔参与提馏的计算结果，如果按照现在富氧空气从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处加入上塔参与提馏，那么富氧液空入口处以下3-4块理论塔板数以下提馏段情况发生重大的变化，由于富氧空气的冲稀作用，使富氧空气入口处（氩馏分引出口以上一块理论塔板数）至富氧液空入口处以下3-4理论塔板数处的提馏推动力（浓度差和温度差损失一半以上），提馏段塔板效率下降一半以上！实际理论塔板数由22块降低至实际上的11-13块，氩馏分中的氮气含量上升1-3个数量级（实际回流气液比和最小回流气液比化值的大小不同，氩馏分上升的幅度也不同！）氮阻问题将在更低的粗氩冷凝塔负荷下发生。如果富氧空气从富氧液空入口处以下一块理论塔板数处返回上塔参与精馏，则情况相对于从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处返回上塔的工艺方案好得多，但氩馏分中的氮气含量也比从富氧液空入口处以下3-4块理论塔板数处返回上塔参与精馏的方案要高，但高得不多，更严重的问题在于使富氧液空入口处气相中氧氩含量升高，需要增加富氧液空入口处以上至污氮气引出口之间的理论塔板数，否则将导致污氮气中的氧氩含量升高！影响空分装置的氧提取率。
   以上的计算是粗略的，但只要方法正确，进行原理性分析是能够满足要求的。
   对于富氧空气从富氧液空入口处以下3-4块理论塔板数处返回上塔参与提馏的合理工艺方案，同样理论塔板数下的氩馏分中的氮气含量计算结果和现在的实际情况（富氧空气从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处返回上塔参与提馏）差距巨大，我曾经以为计算错误，或者基础数据有偏差，经反复核算确认没有问题正确无误。真是不算不知道，一算吓一跳！魔鬼真是出在细节上！
  我们计算中假定氩馏分中的氩含量为10%，我们知道粗氩冷凝塔的实际氩提取率在26%-30%左右，而粗氩冷凝塔的负荷（进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量）对氩馏分中的氮气含量影响巨大甚至于是决定性的，那么就有了一个问题，能否通过增加氩馏分引出口以下至上塔底部的理论塔板数提高氩馏分中的氩含量，从而在保证全空分装置氩提取率的条件下，减少粗氩冷凝塔的负荷，从而降低氩馏分中的氮气含量？这确实是可行的一个比较好的优化方案，但需要详细精密计算，同时要考虑在空分塔总理论塔板数不变的情况下对空分装置氧提取率的影响。
7 D9 W) W, _) R3 W    另外如果富氧空气从富氧液空入口处以下一块理论塔板数处返回上塔参与精馏，情况又如何呢？毫无疑问情景会比富氧空气从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处返回上塔参与精馏要好得多，氩馏分中的氮气含量和富氧空气从富氧液空入口处以下3-4块理论塔板数处返回上塔参与精馏基本差不多，但由于富氧液空入口处至富氧空气返回口处之间的理论塔板数严重不足，将造成富氧液空以上对应气相中的氧氩含量升高，影响全空分装置氧提取率，或者需要增加污氮引出引出口至富氧液空入口处的理论塔板数以保证空分装置的氧提取率。