外行学空分（294）一一氧氮氩三元物系精馏工艺方案的详解一一依次精馏的第一精馏塔

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9 r8 n) W" Y: d/ c8 S4 t    氧氮氩三元物系一一空气的精馏分离至少需要两个完整的精馏塔，实际上一般需要三个完整的精馏塔，这里的精馏塔都是可以实现二元物系或者近似二元物系高低沸点组分完全精馏分离并得到合格高低沸点组分产品的完整精馏塔，而不是二元物系或者近似二元物系只能得到合格的单一组分的冷凝塔（精馏）和蒸馏（提馏）塔。冷凝塔相当于完整精馏塔中的精馏段，只能得到合格的低沸点组分产品及高低沸点混合组分，蒸馏（提馏）塔相当于完整精馏塔的提馏段，只能得到合格的高沸点组分产品及高低沸点混合组分。这和二元物系的完整精馏过程（同时拥有精馏段和提馏段的完整精馏塔）是不同的，二元物系或者近似二元物系的精馏分离只需要一个完整的精馏塔，就可以同时从精馏塔底部和顶部得到合格的高低沸点组分产品。至于近似氧氮二元物系一一空气精馏分离的所谓双塔流程的下塔，并不是精馏分离意义上的完整精馏塔而是冷凝塔，从功能角度上而言是以空气为循环工质的开式热泵一拖二转换塔，是开式热泵精馏中开式热泵供冷供热方案的一个组成部分。有关的内容可以参阅前面的相关帖子。
   n元物系依次精馏，前面的每一个完整的精馏塔，只能得到一个合格的组分产品（一般而言是沸点最高或者沸点最低的那个组分，这样就可以通过理论塔板数和回流比的控制得到一个合格的组分产品），而最后一个依次精馏的精馏塔理论上则可以得到两个合格的组分产品，这样n元物系的依次精馏最少需要n-1个精馏塔。但一般情况下，最后一个精馏塔的原料气总是含有少量的倒数第二个精馏塔合格组分产品。而在最后一个依次精馏塔中可以保证得到一个合格的组分产品，但另外一个组分（沸点和倒数第二个精馏塔合格组分产品相近的组分）的产品纯度则不决定于最后一个依次精馏塔的精馏工况而决定于倒数第二个精馏塔的精馏工况，大多数情况下还需要增加一个精馏塔以提高另外一个组分的产品纯度。具体工艺方案需要综合考虑精馏能耗及产品纯度要求后做出选择，这就是n元物系依次精馏至少需要n-1个精馏塔，一般情况下需要n个精馏塔的实际含义！
& H8 _# j' G% D    环境温度以上的精馏过程，可以非常方便地利用公用工程（蒸汽，冷却水）采用标准常规精馏，双效精馏及多效精馏，以及在标准常规精馏基础上的单热泵及多热泵精馏技术组织精馏工艺方案，以上的叙述都是针对二元物系或者近似二元物系精馏而言，至于多元物系精馏则可以分解为多个近似二元物系的精馏分离。但环境温度以下的精馏过程，却有两个特殊的问题需要解决。才能进行环境温度以下的精馏过程精馏工艺方案的组织。一是环境温度以下的精馏过程，它的精馏原料常温下呈气态（例如空气），而精馏过程得以进行时前提是必须处于气液共存状态，也就是精馏过程的温度必须在高低沸点组分的沸点之间（精馏过程一般在接近常压下进行。加压精馏是特殊情况）。这就是深冷条件！所以环境温度以下的精馏过程，首先必须解决的是制冷和液化问题，从而使精馏过程在气液共存状态下进行，这就是前帖所述的以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，另外空气开式热泵精馏中的供冷供热开式热泵的启动也需要在气液共存的深冷条件下才能实现。二是环境温度以下的精馏过程无法利用一般的公用工程（蒸汽和冷却水）给精馏过程供冷供热！而只能采用以精馏原料（空气），低沸点组分（氮气，工艺氩气）及中间产物气体为循环工质的开式热泵给精馏过程供冷供热，因此环境温度以下的精馏过程只能采用开式热泵供冷供热精馏工艺方案又称为自热精馏过程。而开式热泵精馏中供冷供热的开式热泵就是人造的公用工程（其作用相当于公用工程蒸汽和冷却水，其中压力循环工质气体作用相当于蒸汽，而减压后的循环工质液体作用相当于冷却水），单开式热泵给精馏过程提供一种规格的供冷供热方案。多开式热泵给精馏过程提供多规格的供冷供热方案。当以上两个前提条件解决后，环境温度以下的精馏过程和环境温度以上的精馏过程就精馏过程本身而言，两者之间并无不同！
    空气是氧氮氩三元物系，但由于氩的含量很低，很多时候也被视为近似氧氮二元物系！而氧氮二元物系的精馏工艺方案和氧氮氩三元物系精馏工艺方案有本质上的不同，氧氮二元物系精馏分离只需要一个完整的精馏塔就可以实现精馏分离，而氧氮氩三元物系的精馏分离则至少需要两个完整的精馏塔，一般而言需要三个完整的精馏塔才能氧氮氩三元物系的完全精馏分离。
1 I/ D& \: v! O' O# W6 I  m7 R    氧氮氩三元物系（空气）中氮气含量最多，而沸点最低，氧的含量次之而沸点最高，氩的含量最少沸点在氧氮之间。氧氮氩三元物系（空气）精馏工艺方案按照依次精馏的次序不同共有两个精馏组织方案，其中第一方案，第一精馏塔是氮一氩氧精馏塔（近似氧氮精馏塔），从第一精馏塔顶部得到合格的氮气产品（以氧氩含量为工艺指标），从第一精馏塔底部得到合格的氧氩混合气体（以氮气含量为工艺指标）。氧氩混合气体（含有少量氮气）作为精馏原料气在第二精馏塔中进行氮氩一氧精馏分离（近似氧一氩精馏塔），从第二精馏塔底部得到合格的氧气产品（以氩含量为工艺指标，氮含量微乎其微），从第二精馏塔顶部得到合格氮氩混合气体（工艺氩气，以含氧量为工艺指标）。氮氩混合气体一一工艺氩气作为精馏原料气在第三个精馏塔中进行氮一氩氧精馏塔（近似氮一氩精馏塔又可称为脱氮塔），在第三个精馏塔底部得到合格的氩气产品（即精氩产品，以氮含量为工艺指标），从第三个精馏塔顶部引出少量污氮气（又称为废气），氧氮氩三元物系一一空气精馏分离的第二个精馏组织方案，第一精馏塔是氮氩一氧精馏塔（近似氧氩精馏塔），在第一个精馏塔底部得到合格的氧气产品（以氩含量为工艺指标，氮含量微乎其微），从第一个精馏塔顶部得到合格的氮氩混合气体（以氧含量为工艺指标），氮氩混合气体（含有少量的氧气）作为精馏原料气在第二个精馏塔中进行氮一氩氧（近似氮一氩精馏塔）精馏分离，从第二精馏塔顶部得到合格的氮气产品（以氩含量为工艺指标，氧含量微乎其微），从第二精馏塔底部得到合格氧氩混合气体（工艺氩气，以氮含量为工艺指标），氧氩混合气体（工艺氩气）作为精馏原料气在第三个精馏塔进行氮氩一氧精馏分离（近似氧氩精馏塔可称为脱氧塔），从第三个精馏塔顶部得到合格的氩产品（即精氩产品，以氧含量为工艺指标），从第三精馏塔底部引出少量的污氧气（废气）。
& i) m5 f! H+ C0 S- ?4 X   目前基于双塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案，是按照氧氮氩三元物系一一空气精馏分离的第一个精馏组织方案进行精馏组织的，其中上塔氩馏分引出口以上是氧氮氩三元物系一一空气精馏组织方案中的第一精馏塔（氮一氩氧精馏塔，近似氧氮精馏塔），上塔氩馏分引出口以下加上粗氩冷凝塔是氧氮氩三元物系一一空气精馏组织方案中的第二精馏塔（氮氩一氧精馏塔，近似氧氩精馏塔），而精氩塔（脱氮塔）则是氮一氩氧精馏塔（近似氮一氩精馏塔）则是氧氮氩三元物系一般空气精馏分离组织方案中的第三个精馏塔！这个依次精馏工艺方案并不是完全的氧氮氩三元物系依次精馏的第一个组织方案，而是在氧氮氩三元物系一一空气依次精馏第一个组织方案基础上采用隔板模型优化后的依次精馏组织方案。关于隔板模型将在后面进行讨论，也可以参阅前面的相关帖子。
& t9 G7 g0 v- f7 d# s2 \+ m# Y    毫无疑问氧氮氩三元物系一一空气精馏组织方案按照第一个精馏组织方案是合理和有利的，但也不排除在特定情况下（例如不提氩，但氧气产品纯度要求达到99.5%以上，其中含氩低于0.5%以下，同时制取合格的氮气产品），这样情况下，氧氮氩三元物系一一空气精馏组织方案第一精馏塔（空分塔或者上塔，这种情况下，也不需要第二精馏塔和第三精馏塔）按照氮氩一氧进行精馏组织，从精馏塔底部得到合格的氧气产品（含氩0.5%以下，含氮微乎其微），通过相当数量污氮气的引出，在第一精馏塔（空分塔或上塔）顶部得到合格氮气产品。这其实是氧氮氩三元物系精馏分离第二组织方案的简化版，其中上塔富氧液空入口处以下是氮氩一氧精馏塔（近似氧氩精馏塔），富氧液空入口处以上是氮一氩氧精馏塔（近似氧氮精馏塔）的精馏段！由于不提氩，和目前上塔加粗氩冷凝塔对应的氮一氩氧精馏塔的提馏段（氮一氩氧蒸馏塔）也就省去了！这是一个特殊的情况！
     三元物系依次精馏的隔板模型优化是三元物系依次精馏的一个非常重要的问题。不理解隔板模型优化理论就很难理解氧氮氩三元物系精馏过程，从而产生许多混乱的认识，给设计和实际操作带来困难，例如所谓的氮阻问题！
. z+ e. a3 i, Y7 @1 J, n6 k! q    空气氧氩氮三元物系依次精馏第一精馏组织方案的依次精馏第一精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，是相对于目前标准制氮工艺方案，双塔双冷凝制氮工艺方案，单塔双空气制氮工艺方案更加合理有利的制氮工艺方案。主要的优势有以下的几个方面，一是可以方便地运用氮气内压缩工艺方案，从而便制氮塔压力接近常压。可以使用规整填料大幅度增加制氮塔理论塔板数，有利于制取高纯度氮气产品。二是可以采用优化的空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数，大幅度提高空气开式热泵一膨胀制冷液化效率。以而降低制氮能耗。三是大幅度提高氮气产品提取率（95%以上！

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认识到氧氮氩三元物系一一空气精馏过程至少需要两个完整的精馏塔才能实现，这是三元物系精馏的基本常识，认识到三元物系依次精馏工艺方案可以采用隔板模型优化为主塔加侧塔（实际上是两个精馏塔组合而成）则是更深的精馏理论知识，两者对于氧氮氩三元物系一一空气精馏过程的理解都是非常重要的。