外行学空分（295）一一氧氮氩三元物系精馏工艺方案详解一一第二精馏塔和第三精馏塔

Yb2021

    多元物系的精馏分离如果要实现各个组分完全精馏分离并保证每个组分的产品纯度，那么必须分解为多个的近似的二元物系精馏塔（精馏过程），n元物系至少需要n-1个近似二元物系精馏塔，一般而言需要n个精馏塔。而分解次序的不同，对多元物系精馏分离的总能耗影响极大。
1 i( m% J- C5 N" V$ G. P" H5 W& T     空气这个氧氮氩三元物系精馏分离如果要实现完全精馏分离并保证氧氮氩三个组分的产品纯度，那么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。共有两个不同的依次精馏组织方案，第一个组织方案是第一个精馏塔按照氮一氩氧精馏塔（近似氧氮精馏塔），从第一精馏塔顶部得到合格的氮气产品，从第一精馏塔底部得到合格的氩氧混合气体（以氮含量为工艺指标）。氩氧混合气体（含有少量氮气）作为精馏原料气在第二个精馏塔一一氮氩一氧精馏塔（近似氧氩精馏塔）中进行精馏分离，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的氮氩混合气体一一工艺氩气（以氧含量为工艺指标，氮气含量则由进入第二个精馏塔的氧氩混合气体即氩馏分一一第二精馏塔精馏原料气中的氮含量决定）。氮氩混合气体（含有微量的氧气）一一工艺氩气作为精馏原料气在第三个精馏塔一一氮一氩氧精馏塔（可称为脱氮塔，近似氮氩精馏塔）中进行精馏分离，从第三精馏塔底部得到合格的精氩产品，从第三精馏塔顶部排出少量的污氮气（废气），去主换热器回收冷量或对空排放。氧氮氩三元物系依次精馏组织方案的第二个精馏组织方案是第一个精馏塔按照氮氩一氧（近似氧氩精馏塔）进行精馏组织，从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一一氮一氩氧精馏塔（近似氮氩精馏塔）进行精馏分离，从第二个精馏塔顶部得到合格纯度的氮气产品，从第二个精馏塔底部得到合格的氧氩混合气体（以含氮量为工艺指标）一一工艺氩气。氧氩混合气体（含有少量氮气）一一工艺氩气作为精馏原料气在第三个精馏塔一一氮氩一氧精馏塔（可称之脱氧塔，近似氧氩精馏塔）中进行精馏分离，从第三个精馏塔顶部得到合格的精氩产品，从第三个精馏塔底部引出少量的污氧气去主换热器回收冷量或者对空排放。这是氧氮氩三元物系一一空气精馏分离的两个依次精馏组织方案，但目前实际的氧氮氩三元物系一一空气的精馏组织方案与氧氮氩三元物系一一空气精馏分离的第一个依次精馏组织方案大同小异，其中第三个精馏塔（精氩塔）和氧氮氩三元物系空气精馏分离的第一个依次精馏组织方案完全一致！但第一精馏塔和第二精馏塔却是一个主塔（上塔或者空分塔）加一个侧塔（粗氩冷凝塔），当然本质上仍然是氮一氩氧精馏塔和氮氩一氧精馏塔两个精馏塔组合而成，其中氩馏分引出口以上的上塔或者空分塔是依次精馏的第一精馏塔（氮一氩氧精馏塔，近似氧氮精馏塔），而粗氩冷凝塔加氩馏分引出口以下的上塔或者空分塔是第二精馏塔（氮氩一氧精馏塔，近似氧氩精馏塔）。这就不能不介绍一下三元物系依次精馏组织方案的改进方案一一隔板模模型理论。
2 A( x; F- y' Z0 _  v    氧氮氩三元物系中氮的沸点最低，氧的沸点最高。氩的沸点在氧氮之间，氧氮氩三元物系一一空气中氮气含量最高约占78.4%，氧气含量次之约占20.7%，氩的含量最低大约只有0.9%，氧氮氩三元物系精馏组织方案第一个精馏组织方案，第一精馏塔按照氮一氩氧进行精馏组织之所以相对于第一精馏塔按照氮氩一氧进行精馏组织的第二个精馏组织方案更加合理有利，原因在于按照这样的氧氮氩三元物系精馏组织方案，进入第二精馏塔的氩馏分数量最小，氩的富集程度高，这样可以大幅度降低氧氮氩三元物系依次精馏组织方案的第二精馏塔的精馏能耗。虽然如此，如果严格按照依次精馏组织方案，那么第二精馏塔原料气一一氩馏分中的氩含量只能达到4.5%左右。通过采用共底结构的两个氮一氩氧精馏塔和氮氩一氧精馏塔的优化组合（即所谓隔板模型理论），使氩馏分中的氩含量从4.5%提高至10%左右，这样第二精馏塔的原料气一一氩馏分数量只有原依次精馏的45%！大幅度降低第二精馏塔的精馏能耗。从而降低了氧氮氩三元物系精馏的能耗。
  W, ?6 a) e- r) K     氧氮氩三元物系一一空气的第二个依次精馏组织方案同样也可以采用隔板模型理论对第一个精馏塔和第二个精馏塔进行优化，同样是主塔加侧塔方案，不同的是主塔是氮氩一氧精馏塔，而侧塔是氮氩混合液体蒸馏塔。其中主塔氮氩混合液体引出口以下是氮氩一氧精馏塔（近似氧氩精馏塔），而氮氩混合液体引出口以上的主塔加氮氩液体蒸馏塔是氮一氩氧精馏塔！第一个精馏塔和第二个精馏塔的次序和第一个氧氮氩三元物系依次精馏组织方案正好相反。而第二个氧氮氩三元物系依次精馏组织方案的隔板模型优化方案则是共顶结构的两个精馏塔组合而成！而第一个组织方案的第三精馏塔是一个脱氮塔，而第二个组织方案的第三个精馏塔则是脱氧塔。
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Sunqh

n元物系至少需要n-1个精馏塔，空分下塔是个辅助塔，而精氩塔也不是必不可少的，Praxair很多空分没有单独的精氩塔。

- S- H/ o( ~5 S/ b) B. o5 h. n尤氏单塔仅从得到氧气和氮气产品方面来说是行得通的，但是设备投资和能耗上都不利，所以实际上不可能有这种空分流程。

Sunqh

n元物系至少需要n-1个精馏塔，但并不表明用n-1个精馏塔就是最好，空分中的下塔和精氩塔都是为了提高装置效率而设置的。Praxair有些空分为了简化流程取消了精氩塔，但目前主流空分提氩流程中仍有精氩塔。

Sunqh

空分主塔按氮—氩氧精馏是正道和高效的，按氮氩—氧精馏是低效的而且难以得到氩产品。

# Y, a2 }% L( k. l4 r判断空分主塔是按氮—氩氧还是氮氩—氧精馏，看进上塔馏分液空和空气中的大部分氩是往上还是往下。对于不提氩流程，如果氧气纯度是99.6%，另0.4%是氩，则往下的氩占比是0.21*0.004/0.0093=9%，其余91%的氩都是往上进入污氮气纯氮气中，所以不提氩流程的主塔是按氮氩—氧精馏，这种流程不能得到氩产品，而且氧提取率较低。

对于提氩流程，如果氩提取率80%，氧纯度99.6%，则往下的氩占比是：80%+9%=89%，只有11%进入污氮和纯氮气中，所以提氩流程是按氮—氩氧精馏，这种流程不仅能得到氩产品，而且氧提取率接近100%
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2 g6 |2 U5 Z' `3 g有些不提氩流程，加一个增效粗氩塔，将主塔由氮氩—氧精馏改氮—氩氧精馏，氧提取率提高5%

4 \4 \$ x& E1 }. M, d# z. d+ Z  Z主塔按氮—氩氧精馏是正道，氩和氧的沸点很接近，在主塔很难将两者分离，氮—氩氧精馏较容易。

Yb2021

  请先生认真看清楚再发表高论，按照先王的讲法上塔按照氮一氩氧精馏塔才是正道，上塔氩馏分引出口以上确实是氮一氩氧精馏塔，上塔氩馏分引出口以下是什么？也是氮一氩氧精馏塔？还是氮氩一氧精馏塔的提馏段？粗氩冷凝塔（氮氩一氧精馏塔精馏段）加氩馏分引出口以下的上塔（氮氩一氧精馏塔提馏段）构成一个完整的氮氩一氧精馏塔！这已经是两个精馏塔了，加上下塔按照先生的说法是辅助精馏塔（实际上是一个冷凝塔，不是完整精馏塔）己经是三个精馏塔了！再加上精氩塔就是四个精馏塔了，何来双塔之说？

Sunqh

上塔主体是氮—氧精馏分离，氩只是附带；粗氩塔主体是氩—氧精馏分离，氮是附带。从功能上来说，上塔氩馏分抽口以下和粗氩塔组成了一个完整的氩—氧精馏塔。如果上塔仅由氩馏分抽口以上段组成，氩馏分抽口以下部分置于粗氩1塔之下，从功能上来说完全可行，之所以氩馏分抽口以下不是置于粗氩1塔之下，主要是粗氩塔太高，为了使几个塔高相差不太大。
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$ F8 R( x3 C( H: X9 Y" F尤总发文可以简洁些，没内容还那么多文字，谁还认真看？

Sunqh

! h; p1 {7 g6 D3 ?" b9 s; U0 U如果有空分精馏所需冷热源，空分氮氩氧三元精馏最少只需一个主塔和一个氩塔就行了，3元物系精馏分离最少2个塔。空分下塔的一个重要功能是给主塔提供冷热源，另完成了部分精馏分离；精氩塔也只是为了提高效率，并非必不可少。
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/ U3 E& T. [5 X5 k) K6 G利用空分下塔给主塔提供冷热源，效率（提供冷热源+精馏分离）高于氮气热泵方法。
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4 W) P/ w# C9 ~4 J2 s) h  ~下塔完成了部分精馏分离，下塔将1份空气分离为0.45份液氮+0.55份富氧液空，但好像尤总并不理解下塔的精馏分离作用。你可以这样设想，上塔顶部用一个传热温差为0的虚拟换热器，液氮不进入上塔，在与上塔顶部相同压力的条件下，0.45份的液氮蒸发的同时冷凝0.45份上塔氮气作为回流液，那么这个上塔就只是分离了0.55份富氧液空，这与液氮直接进上塔对精馏的作用相同。

8 g2 ~8 Z4 b- Q. C- a尤氏单塔需要分离1份空气，当然精馏分离负担重，需要的回流液更多。

Yb2021

   双塔流程的上塔加粗氩冷凝塔或者新单塔流程的空分塔加粗氩冷凝塔实际回流是由两个精馏过程组合而成，其中上塔或者空分塔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或者空分塔是氮氩一氧精馏塔。这就是氧氮氩三元物系一一空气精馏分离至少需要两个完整的精馏塔的两个完整的精馏塔！看来在这个问题上，如果我没有理解错误的话，我们的认识是一致了！

Yb2021

    n元物系的完全精馏分离，至少需要n-1个精馏塔，一般情况下需要n个精馏塔，这是因为多元物系精馏时，每一个精馏塔只能得到一个合格纯度的组分，但最后一个精馏塔情况则有所不同，有可能同时得到两个合格纯度的组分产品！这就是至少需要n-1个精馏塔的原因，但也有可能只能得到一个合格纯度的组分，这样情况下就需要一个精馏塔对纯度不合格的组分进行提纯，加上这个精馏塔就不是n-1个精馏塔而是n个精馏塔了！以氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案而言，第一个精馏塔氮一氩氧精馏塔（近似氧氮精馏塔）及第二个精馏塔氮氩一氧精馏塔都是必须的，而第三个精馏过程即精氩塔则不是必须的，而是需要根据氩组分的产品纯度指标，根据是否有利而决定。

Yb2021

   先生终于认识到双塔流程的下塔最主要的作用是给上塔供冷供热！这其实就是开式热泵精馏！先生也已经承认新单塔流程可以实现氧氮氩三元物系一一空气的精馏分离。至于先生提出的工程造价和能耗问题，我建议先生多一点耐心认真看清楚之后再发表高见！
   至于先生所讲的新单塔流程每单位空气需要的回流液数量比双塔流程大，这不知先生的讲法从何而来？两者回流液的数量（大体相当于精馏过程的供冷量，也可以认为是开式热泵循环量）是基本相同的，不同的是产生回流液的开式热泵循环工质压缩功耗是不同的！