外行学空分（290）一一空气的氧氮氩三元物系精馏艺方案（十一）

Yb2021

9 v( R/ [9 K! z2 M: Y3 I
9 o( M9 g- t+ n4 ]7 Y     现在对空气的氧氮氩三元物系精馏工艺方案的内容总结如下。
     一，对于空气的精馏分离而言，首要的问题是必须明确是氧氮二元物系精馏分离或者近似氧氮二元物系精馏分离还是氧氮氩三元物系精馏分离。两者之间区别重大！氧氮二元物系精馏分离或者近似氧氮二元物系精馏分离只需要一个完整的精馏过程（精馏塔）就可以实现，而氧氮氩三元物系精馏分离至少需要两个完整的精馏塔（精馏过程）才能实现。在实际工程条件下，由于氧氮氩三元物系精馏工艺方案中的第一个精馏塔是氮一氩氧精馏塔（近似氧氮二元物系精馏分离塔），而第二个精馏塔是氮氩一氧精馏塔（近似氧氩精馏分离塔），而第一个精馏塔的高沸点组分产品是第二个精馏塔的原料气（富氩馏分，含有少量氮气的氧氩混合气体），由于第一个精馏塔的理论塔板数总是有限，进入第二制氮精馏塔的富氩馏分（氧氩混合气体）中总是含有少量的氮气，而第二个精馏塔是近似氧氩精馏塔（氮氩一氧精馏塔），氩馏分中的氮气组分完全归于工艺氩气（粗氩气）中，工艺氩气中的氮含量大约是氩馏分中的氮气含量的20倍左右，如果要求第二个精馏塔的低沸点组分产品（氮氩混合气体，工艺氩气）中的氮含量直接达到氩产品的纯度指标。那么在第一精馏塔理论塔板数有限的实际约束下，就需要通过提高实际回流比大幅度降低氩馏分中的氮气含量才能实现，综合考虑在能耗上是不利的。因此实际上还需要一个粗氩气脱氮塔一一精氩塔对工艺氩气进行精制得到合格的氩气产品。精氩塔是近似氮氩精馏塔（氮一氩氧精馏分离塔），这样氮氩氧三元物系精馏分离实际上需要三个完整的精馏塔，而氧氮二元物系精馏分离或者近似氧氮二元物系精馏分离则只需要一个完整的精馏塔！
' A: O! S5 T: g4 f    二，空气的精馏分离以提氩和不提氩可以分为两种情况，如果提氩则毫无疑问是氧氮氩三元物系精馏分离，至少需要两个精馏塔，实际上需要三个精馏塔才能实现！如果不提氩则是近似二元物系精馏分离，理论上只需要一个精馏塔就可以实现。其中制氮和制取纯度95%（含氩4.5%，含氮0.5%以下）的氧气产品，是近似氧氮二元物系精馏分离（氮一氩氧精馏塔），氮氧提取率均可以接近100%（氧氩混合气体折纯氧）！而制氮同时制取99.5%纯度（含氩0.5%以下，含氮微乎其微）则是近似氧氩二元物系精馏分离（氮氩一氧精馏塔），氧提取率可以接近100%，但氮提取率无法达到100%，需要排出污氮气才能保证氮气产品纯度合格（如果不排出含氩污氮气，则氮气产品纯度只能达到99%以下，含氩约1.2%！）。以制取氮气和纯度99.5%氧气产品的近似氧氩二元物系精馏分离（氮氩一氧精馏塔）只有采用空气，氮气，氮氩混合气体（含氩4.5%，含氮0.5%）为循环工质的三热泵工艺方案才是优化的，其中氮氩混合气体（污氮气）引出口以上是氮一氩氧精馏塔（近似氧氮精馏塔）的精馏段，而污氮气引出口以下是氮氩一氧精馏塔（近似氧氩精馏塔），本质上是氮氩氧三元物系精馏工艺方案的简化版！具体内容可以参阅前面帖子一一氧氮氩三元物系制氧工艺方案！
1 i6 D1 f' _( W/ F   三，在环境温度以上的二元物系精馏过程，既可以采用标准常规精馏过程（也可以称之单效精馏），也可以采用能耗更低的双效精馏及多效精馏。所谓标准常规二元物系精馏过程，具体而言就是二元物系精馏原料混合液泵送经与精馏产品一一高低沸点组分产品换热后进入精馏塔中部，精馏塔顶部设置冷却水冷凝器，使精馏塔顶部低沸点气体组分冷凝为液体，一部分回注精馏塔作为精馏塔精馏段回流液，一部分低沸点组分液体经与精馏原料液体换热后作为低沸点组分产品。精馏塔底部设置蒸汽再沸器，通过蒸汽加热使精馏塔底部的高沸点组分液体部分蒸发气化作为精馏塔提馏段的回流气，未蒸发气化的高沸点组分液体，经与精馏原料液体换热后作为高沸点组分产品。精馏塔底部蒸汽再沸器输入的热量则被精馏塔顶部的冷却水冷凝器完全带走，精馏过程得到的实际上是低沸点组分冷凝温度和高沸点组分蒸发温度之间的温差有效能（广义的热能），蒸汽再沸器和冷却水冷凝器实际上是一个热泵。环境温度以上的精馏过程除了标准常规精馏工艺方案外，还有能耗更低的双效精馏及多效精馏，以及在常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案。但一般不采用完全自热（开式热泵）精馏工艺方案，其原因在保证精馏过程中快速启动及实现气液平衡（所谓的热量平衡）。
   在环境温度以下的二元物系精馏分离，当然不能采用标准常规工艺方案也不能采用双效精馏及多效精馏工艺方案，而只能采用完全自热的开式热泵精馏工艺方案。在完全自热开式热泵精馏工艺方案中，二元物系精馏工艺方案既可以采用以低沸点组分为循环工质的单开式热泵精馏工艺方案（标准常规开式热泵精馏工艺方案），也可以采用以低沸点组分及精馏原料气为循环工质的双热泵工艺方案（就氧氮二元物系或近似氧氮二元物系精馏分离而言，就是以氮气，空气为循环工质的双热泵工艺方案），只有在特殊情况下才会采用叁热泵及多热泵精馏工艺方案。至于三元物系或多元物系精馏分离必须分解为两个以上的近似二元物系精馏塔（精馏过程）才能实现精馏分离。而每一个近似二元物系精馏塔都需要对采用单热泵，双热泵，甚至叁热泵多热泵工艺方案进行优化选择！
    三元物系精馏分离除了常规依次精馏工艺方案外还有所谓的隔板模型的优化精馏组织工艺方案，有关这方面的内容可以参阅前面的帖子。所谓隔板模型三元物系精馏优化组织工艺方案本质上还是依次精馏工艺方案。
% I  V! }1 n5 F1 i6 v9 P+ s/ m, a   四，对于三元物系或多元物系的精馏组织而言，实际上有两个层次不同的问题，一是三元物系或多元物分解为两个或多个近似二元物系精馏塔的顺序。二是每一个近似二元物系精馏过程的开式热泵精馏工艺方案的优化（单热泵，双热泵及多热泵精馏工艺方案）。
- d$ y& \2 W. G8 }  ^! `) b: m      如果说环境温度以下的二元物系或者近似二元物系的精馏分离是一切精馏分离的基础，一般而言都是单级常压精馏塔（不排除在有利条件下采用单级加压精馏塔），以低沸点组分为循环工质的开式热泵是必须的，是实现二元物系或者近似二元物系完全精馏分离的前提！以低沸点组分和精馏原料气为循环工质的双热泵精馏则是基本的工艺方案，可以保证精馏效率在80%以上（不是开式热泵精馏总效率，而是精馏效率，开式热泵精馏总效率是加权开式热泵有效能效率和精馏效率的乘积，比精馏效率低得多！）！
    三元物系或者多元物系的精馏分离。必须分解为两个或者多个的近似二元物系精馏分离过程，而分解的次序是极端重要的问题，不同的分解方案，三元物系或者多元物系的精馏能耗差距很大！
) u( v' w4 m& i5 K& I    在开式热泵精馏中，压力气体冷凝供热的作用相当于标准常规精馏中的蒸汽，而低压液体蒸发气化吸热（供冷）其作用相当于标准常规精馏中的冷却水！在三元物系及多元物系精馏工艺方案中，很多情况下，除了第一个精馏塔采用单热泵及多热泵精馏工艺方案外，第二个精馏塔或第三个精馏塔就直接利用第一个精馏塔的压力气体及减压液体作为精馏塔的热液及冷源实现供冷供热人其作用相当于蒸汽，冷却水）按照标准常规精馏工艺方案组织精馏过程，而不单独设置开式热泵供冷供热。这当然简化了精馏过程的组织，本质上来说是精馏能耗和精馏组织简化之间的平衡和选择。