外行学空分（293）一一氧氮氩三元物系精馏工艺方案的详解一一氮压机

Yb2021

: o8 T) k% _. j. A1 H/ J    任何空分装置都是空气开式热泵精馏和空气开式热泵一膨胀制冷液化的联合装置，其中空气开式热泵精馏是空分装置的核心部分（其中精馏本身又是核心中的核心，而开式热泵精馏中的开式热泵是精馏过程的供冷供热方案）。前面的帖子详解了以空气为循环工质的空气开式热泵一膨胀制冷液化的优化工艺方案一一空压机加增压机工艺方案。这就为远低于环境温度（深冷条件下）的氧氮氩三元物系精馏创造了必要的前提条件。但氧氮氩三元物系一一空气精馏组织（包括依次精馏工艺方案和供冷供热方案）的问题并没有解决。
    环境温度以上的精馏过程，可以采用由公用工程提供的蒸汽和冷却水来实现精馏过程中供冷供热进行精馏工艺方案的组织。但一般情况下，都只用一种规格的蒸汽和冷却水，其原因在于精馏过程只是更大的生产装置的一个组成部分，其能耗往往只占大生产装置总能耗（总成本）的很小比例，精馏工艺方案考虑的重点在于精馏产品纯度及精馏过程的可靠性和简便！不可能为了实现精馏过程的降耗而专门提供各种规格的蒸汽和冷却水从而实现精馏过程能耗的降低（不同规格的蒸汽，冷却水的有效能，制备的功耗成本是不同的）。如果有必要降低环境温度以上的精馏过程的能耗，也可以采用双效精馏及多效精馏和单热泵及多热泵技术进行改进。而双效精馏及多效精馏本质上是蒸汽的双效及多效利用。而单热泵及多热泵本质上是人造的特定规格的公用工程（供冷供热），实际上起到了多种规格公用工程（蒸汽和冷却水）相同的作用，当然都可以降低环境温度以上的精馏过程的能耗。与采用多种规格的公用工程（蒸汽，冷却水）相比更为简便。
       组分沸点远低于环境温度以下的氧氮氩三元物系一一空气精馏过程，唯一可行的是开式热泵供冷供热精馏工艺方案（理论上以空气，氮气及氩气为循环工质的闭式热泵精馏也是可行的，但热泵供冷供热效率低于采用同样循环工质的开式热泵供冷供热效率，也可以理解为同样供冷供热方案开式热泵的功耗低于闭式热泵），而开式热泵供冷供热精馏中的以精馏低沸点组分，中间产物及精馏原料气为循环工质的开式热泵本质上就是为深冷条件下的精馏过程提供人造的公用工程（其作用相当于公用工程蒸汽，冷却水），用于精馏过程供热（加热，输入热量使高沸点纯组分或者高低沸点组分液体蒸发气化）的加压循环工质气体，其作用等于环境温度以上的精馏过程由公用工程提供的蒸汽。用于精馏过程供冷（冷却，输出热量使低沸点组分或者高低沸点组分气体冷凝液化）的低压循环工质液体蒸发气化，其作用相当于环境温度以上的精馏过程来自公用工程的冷却水。从而使远低于环境温度的氧氮氩三元物系一一空气的精馏过程变得实际可行。以空气为循环工质的空气开式热泵一膨胀制冷液化为氧氮氩三元物系一一空气的精馏过程创造了必要的前提条件（空气的液化，创造并维持气液共存状态），而以低沸点组分，精馏中间产物及精馏原料气（空气）为循环工质的开式热泵则为氧氮氩三元物系一一空气的精馏过程提供人造的公用工程（供冷供热方案）从而使远低于环境温度（深冷条件下）的精馏过程变得实际可行。空气开式热泵一一膨胀制冷液化和空气开式热泵精馏中的开式热泵供冷供热是氧氮氩三元物系一一空气精馏分离过程的充分必要条件，缺一不可！可以认为是远低于环境温度的氧氮氩三元物系一一空气精馏过程的两个公用工程制备系统。所以深冷空分精馏又被称为自热精馏过程，实质上就是开式热泵供冷供热精馏工艺方案！
    新单塔流程的核心是以氧氮氩三元物系一一空气中的低沸点组分（氮气）为循环工质的开式热泵供冷供热方案，就精馏本身而言和环境温度以上的标准常规精馏工艺方案完全一致，只不过以以氮气为循环工质的开式热泵一一人造的公用工程代替了环境温度以上的精馏过程的公用工程一一蒸汽冷却水给精馏过程供冷供热而已！氮压机则是以氮气为循环工质的开式热泵复热常温压缩机！以氮气为循环工质的开式热泵为氧氮氩三元物系一一空气的精馏过程提供了一个规格的供冷供热的人造公用工程（供热温度是压力氮气的冷凝温度约95K，供冷温度为液氮蒸发气化温度约78K），用于精馏过程高沸点组分液体（液氧，液氩）加热气化的压力氮气，及为低沸点组分气体（氮气，工艺氩气）冷却冷凝的低压液氮！用压力氮气和低压液氮作为供热供冷的公用工程，除了可以用于氧氮氩三元物系一一空气依次精馏的第一精馏塔近似氧氮精馏分离外，同样也可以用于第二精馏塔近似氧氩精馏分离及依次精馏第三个精馏塔近似氮氩精馏分离。就象环境温度以上的精馏过程只需要一种规格的公用工程（蒸汽，冷却水）可以用于多个精馏过程一样！
3 M: t0 M6 H; c6 A   和环境温度以上的精馏过程不一样的是对于氧氮氩三元物系一一空气的精馏过程而言，精馏过程的能耗是氧氮氩三元物系一一空气精馏分离的唯一的成本（空气是不需要支付成本的），氧氮氩三元物系一一空气精馏过程的能耗重要性是环境温度以上的精馏过程完全不能相比的！如果只采用一种规格的公用工程（即单开式热泵精馏）组织精馏过程，那么这种规格的公用工程必须满足所有精馏过程对公用工程（供冷供热）的要求！而不同的精馏过程对公用工程（供冷供热）的要求是不一样的！而不同规格的公用工程（供冷供热）在同样供冷供热量的情况下，其能耗成本是不同的，而且在深冷条件下差距很大！因此对于氧氮氩三元物系一一空气的精馏能耗精益求精而言，就不能仅仅采用以氮气为循环工质的单开式热泵精馏工艺方案，不同的精馏过程同样提供一种规格的人造公用工程，而必须采用多开式热泵，提供不同的供冷供热方案（不同规格的公用工程，多热泵精馏工艺方案），从而在不同精馏过程供冷供热量相同的情况下，降低开式热泵循环工质压缩的总功耗！这其实就是多热泵精馏工艺方案的必要性。而设置几个开式热泵，则需要根据实际工程条件（主要是冷凝器换热温差）精馏能耗和供冷供热方案简化之间权衡利弊后再做出选择。
    氧氮氩三元物系精馏工艺方案的基本优化工艺方案是以空气（原料气），氮气（低沸点组分），及工艺氩气（氧氩混合气体，依次精馏第二精馏塔的低沸点组分产品）为循环工质的三热泵供冷供热精馏工艺方案，就是在实际工程条件下权衡能耗水平和工艺方案简化之间权衡之后的基本优化精馏组织方案，根据不同的情况可以减少或增加开式热泵的设置，从而达到能耗水平和开式热泵精馏工艺方案简化之间的平衡。
    空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案为空分装置创造维持气液共存的深冷条件，开式热泵精馏中的开式热泵又为深冷条件下的精馏过程提供可行的供冷供热工艺方案，在这两个充分必要条件具备后，氧氮氩三元物系一一空气精馏组织就和环境温度以上的精馏组织完全一致，并没有任何特殊之处！
    开式热泵供冷供热方案的供冷温度是由开式热泵循环工质的组分决定的，在空气精馏过程中，以氮气为循环工质的开式热泵供冷供热方案是实现空气完全精馏分离的必要前提条件，因为只有以氮气为循环工质的开式热泵供冷供热方案，才能实现空气精馏过程中的供冷温度低于氮气冷凝温度，才能制取高纯度氮气产品。

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开式热泵精馏中的开式热泵是深冷条件下精馏过程的供冷供热工艺方案，由于氧氮氩三元物系一一空气精馏过程的能耗水平的极端重要性，氧氮氩三元物系一一空气精馏过程不能只采用单开式热泵精馏（也是可行的），也必须采用多热泵精馏工艺方案，具体的开式热泵精馏工艺方案必须综合考虑实际工程条件，能耗水平，工艺方案的简化而决定。