外行学空分（296）一一氧氮氩三元物系精馏工艺方案详解一一单热泵精馏及多热泵精馏

Yb2021

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     空分装置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，其中空气开式热泵一膨胀制冷液化创造维持了气液共存的深冷条件，是氧氮氩三元物系一一空气精馏过程实现的前提条件，又可以补偿精馏过程的散冷损失及主换热器冷热端换热温差造成的冷能冷量损失，同时制取液氧，液氮，液氩等液体产品。空气开式热泵精馏中的开式热泵则是实现精馏过程的供冷供热的方案，从而使深冷条件下氧氮氩三元物系一一空气的精馏过程实现大规模工业化生产。毫无疑问开式热泵一膨胀制冷液化是氧氮氩三元物系一一空气精馏的前提及稳态运行必须的，但是即使空分装置中的膨胀机出现故障，通过向空分装置输入液空或者液氮也可以维持空分装置的运行。空气开式热泵精馏中的开式热泵则为氧氮氩三元物系一一空气精馏过程提供了供冷供热方案，它们都是为氧氮氩三元物系一一空气的精馏过程服务的，氧氮氩三元物系一一空气精馏分离过程本身则是空分装置的核心。
    对于环境温度以上的精馏过程而言，当然同样存在和氧氮氩三元物系一一空气精馏过程同样的问题，一是只有在气液共存状态下精馏过程才能实现。二是精馏过程的散热损失及精馏原料和精馏产品换热存在的冷热端换热温差造成的热量损失。三是精馏过程的供冷供热方案。对于第一个问题，环境温度以上的精馏过程，精馏原料混合物呈液态，通过蒸汽加热即可实现气液共存状态。第二个问题，只要增加蒸汽加热量（或减少冷却水冷却量），就可以补偿精馏过程的散热损失及精馏原料和精馏产品换热器的冷热端换热温差造成的热量损失，从而维持精馏过程的气液平衡稳态化运行。至于精馏过程的供冷供热方案，利用公用工程蒸汽，冷却水可以非常方便地实现精馏过程中供冷供热。
    氧氮氩三元物系一一空气精馏过程在深冷条件下进行，当然无法利用公用工程蒸汽和冷却水解决以上三个问题。既无法利用公用工程蒸汽和冷却水实现精馏过程的气液共存状态并保持气液平衡稳态化运行，也无法利用公用工程蒸汽和冷却水给精馏过程供冷供热！那么氧氮氩三元物系一一空气精馏过程是如何解决以上的三个问题呢？一是利用以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化方案实现空气的气液共存状态，同时开式热泵一膨胀制冷液化的产品一一液空中的冷能冷量又可以补偿精馏过程的散冷损失和主换热器冷热端换热温差造成的冷能冷量损失。从而使氧氮氩三元物系一一空气的深冷条件下精馏过程得以实现和稳态化运行。二是利用以空气，氮气，工艺氩气及精馏中间产物为循环工质的开式热泵为精馏过程供冷供热。
2 F4 W  J2 o, e% x% L, [! U    空气开式热泵一膨胀制冷液化和空气开式热泵精馏中的开式热泵供热供冷其实就是氧氮氩三元物系一一空气精馏过程人造的公用工程。其作用是代替环境温度以上的精馏过程的蒸汽和冷却水，所以又可以称为自热精馏流程。环境温度以上的精馏过程，一般而言只提供一种规格的蒸汽和冷却水。而氧氮氩三元物系一一空气精馏过程既可以采用单热泵工艺方案（即只提供一种规格的供冷供热工艺方案），也可以采用多热泵工艺方案（即提供多种规格的供冷供热工艺方案）。不同循环工质的开式热泵，对应不同的供冷供热方案，在相同供冷供热量的情况下，其能耗是不同的。这里的能耗应该理解为广义的冷能或者温差有效能而不是冷量。
' Z0 L" ^0 t  p5 T' j, m   基于 新单塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案既可以采用以氮气为循环工质的单热泵供冷供热工艺方案。也可以采用以氮气，空气为循环工质的双热泵供冷供热工艺方案，也可以采用以空气，氮气，工艺氩气为循环工质的三热泵供冷供热工艺方案。下面以处理50000标准立方米干空气为例说明三者之间的不同。
% n6 _+ ]: r+ ^$ z    氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案前面已经详细叙述过了，不再重复！当采用以氮气为循环工质的单热泵供冷供热方案时，氮压机两段压缩出口压力5.4bar，氮气压缩量（开式热泵循环量）为47000NM3，在主换热器换热后其中46400NM3进入设置在空分塔底部的氮气冷凝器中冷凝为液氮，经过冷后，30000NM3液氮送至空分塔顶部作为回流液。16400NM3液氮送至粗氩冷凝器，蒸发气化后的氮气与空分塔顶部的氮气汇合，600NM3压力氮气在主换热器换热后送至精氩塔底部的再沸器中冷凝为液氮，液氮过冷后送至精氩塔顶部的液氮蒸发器中蒸发气化，蒸发气化的氮气与空分塔顶部的氮气汇合。当采用以氮气，空气为循环工质的双热泵供冷供热方案时，氮压机出口压力5.4bar，压缩量22600NM3，其中22000NM3在主换热器换热后进入设置在空分塔底部的氮气冷凝器中冷凝为液氮，过冷后送至空分塔顶部作为回流液。空压机出口压力3.9-4.3bar，其中22500NM3在主换热器换热后进入设置在空分塔底部的空气冷凝器中冷凝为液空。其中液空8000NM3送至空分塔精馏段中部作为回流液。14500NM3液空过冷后送至粗氩冷凝器，蒸发气化的空气与膨胀制冷空气汇合后进入空分塔参与精馏，600NM3压力氮气送至精氩塔底部的再沸器中冷凝为液氮，液氮过冷后送至精氩塔顶部的蒸发冷凝器中蒸发气化为氮气，与空分塔顶部的氮气汇合。当采用空气，氮气，工艺氩气三热泵供冷供热方案时，氮压机出口压力5.4bar，压缩量22100NM3，在主换热器换热后进入设置在空分塔底部的氮气冷凝器中冷凝为液氮。空压机出口压力3.9-4.3bar，其中8000NM3在主换热器换热后进入设置在空分塔底部的空气冷凝器中冷凝为液空。工艺氩气压缩机出口压力2.3bar，压缩量14000NM3，在主换热器换热后进入设置在空分塔底部的工艺氩气冷凝器中冷凝为工艺氩气液体。液氮22000NM3经过冷后送至空分塔顶部作为回流液。液空8000NM3过冷后送至空分塔精馏段作为回流液。工艺氩气液体13600NM3过冷后送至粗氩冷凝塔顶部作为回流液，主换热器换热后的压力工艺氩气400NM3进入设置在精氩塔底部的工艺氩气冷凝器中冷凝水工艺氩气液体。压力氮气100NM3进入设置在精氩塔底部的氮气冷凝器中冷凝为液氮。工艺氩气液体送至精氩塔中部作为回流液，液氮送至精氩塔顶部作为回流液。
" D  q8 B! P4 e. T' u2 X    无论是采用单热泵供冷供热方案还是采用双热泵供热供冷方案，三热泵供冷供热方案都可以实现氧氮氩三元物系一一空气的精馏分离，就精馏本身而言都是完全相同的。单热泵精馏的氮气冷凝器热负荷等于双热泵精馏的氮气冷凝器加空气冷凝器的热负荷等于三热泵精馏的氮气冷凝器加空气冷凝器加工艺氩气冷凝器热负荷。但三者之间用于开式热泵精馏的开式热泵循环工质压缩功耗是不一样的。
( a4 s9 C% f) Y! X! E1 V5 h/ Q    与基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案相比，基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案的主冷凝器热负荷等于基于新单塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案的单热泵工艺方案的氮气冷凝器热负荷，等于双热泵工艺方案的氮气冷凝器加空气冷凝器热负荷，等于三热泵工艺方案的空气冷凝器加氮气冷凝器加工艺氩气冷凝器热负荷！回流液的总蒸发量（热负荷）当然也是相等的。
; W1 n: }2 H, H* x8 [! U    以处理干空气50000NM3为例，基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案进入下塔的空气数量43500-NM3，基于新单塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案单热泵工艺方案氮气冷凝器的氮气冷凝量47000NM3（不是43500NM3而是43500的1.08倍47000NM3），双热泵工艺方案压力氮气，压力空气总冷凝潜热，三开式热泵压力空气，压力氮气，压力工艺氩气总冷凝潜热也是相等的！
3 J; A4 @7 P! Q+ y   如果假定5.6bar压力空气压缩功耗0.07kWh/NM3，4.3bar压力空气压缩功耗0.06KWh/NM3，5.4bar压力氮气压缩功耗0.063KWh/NN3，2.3bar压力工艺氩气压缩功耗0.04KWh/NM3则基于双塔流程的氧氩氮三元物系经隔板模型优化后的依次精馏组织方案，用于供冷供热开式热泵循环工质压缩功耗3100KWh，基于新单塔流程的氧氩氮三元物系经隔板模型优化后的依次精馏组织方案的单开式热泵供冷供热方案，双开式热泵供冷供热方案，三开式热泵供冷供热方案的热泵循环工质压缩功耗分别为2960KWh，2900KWh，2600kWh！