外行学空分（305）一一氧氩氮三元物系一一空气精馏工艺方案详解总结（7）

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* N' X! O& W( f" e; L" e* l       空分装置都是空气开式热泵一膨胀制冷液化部分和空气开式热泵精馏部分的联合装置，气体压缩功转化为压力气体中的压力能，空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案将气体压力能转化为液化气体中的冷能，空气开式热泵精馏中气体压力能通过开式热泵转化为温差有效能，温差有效能转化为高低沸点组分的分离功。理论上气体压缩功耗可以分为空气开式热泵一膨胀制冷液化循环工质压缩功耗（包括用于液化和用于膨胀制冷循环工质的压缩功耗），空气开式热泵精馏中的开式热泵循环工质压缩功耗，精馏原料一一空气纯化及输送功耗三个部分，前帖己经总结了基于双塔流程的氧氩氮三元物系一一空气精馏工艺方案中以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，工艺参数的优化，并与基于新单塔流程的氧氩氮三元物系一一空气精馏工艺方案中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进行了比较，现在总结一下基于双塔流程的氧氩氮三元物系一一空气精馏工艺方案的依次精馏组织方案及其优化和开式热泵供冷供热精馏方案，并与基于新单塔流程的氧氩氮三元物系一一空气精馏工艺方案的依次精馏组织方案及其优化和开式热泵供冷供热方案进行比较。
     基于双塔流程的氧氩氮三元物系一一空气精馏工艺方案也是经过隔板模型优化的依次精馏组织方案，其中氩馏分引出口以上的上塔部分是氧氩氮三元物系一一空气精馏工艺方案依次精馏的第一精馏塔一一氮一氩氧精馏塔（近似氧氮精馏塔）。粗氩冷凝塔加氩馏分引出口以下的上塔部分是依次精馏工艺方案的第二精馏塔一一氮氩一氧精馏塔（近似氧氩精馏塔），而精氩塔则是依次精馏的第三精馏塔一一氮一氩氧精馏塔（近似氮氩精馏塔）。大家一定注意到在以上的基于双塔流程的氧氩氮三元物系一一空气精馏工艺方案的依次精馏优化组织方案中完全不涉及所谓双塔流程的下塔，这是因为双塔流程的下塔是开式热泵供冷供热方案的一个组成部分，而不属于氧氩氮三元物系一一空气精馏工艺方案本身。下面着重讨论一下基于双塔流程的氧氩氮三元物系一一空气精馏工艺方案中的开式热泵供冷供热方案。
; u+ @! e9 ~: {( J% f  }    基于双塔流程的氧氩氮三元物系一一空气精馏工艺方案中空压机出口的压力为5.6bar，压力空气纯化后87%-100%进入下塔，0-13%涡轮增压后在主换热器换热后膨胀制冷进入上塔参与精馏。其中进入下塔的压力空气在下塔冷凝分离为液氮（有部分压力氮气去精氩塔底部的氮气冷凝器），富氧液空，其中液氮经过冷后送至上塔顶部作为回流液，富氧液空分为两个部分，其中一部分送至上塔精馏段作为回流液，另一部分送至粗氩冷凝器，蒸发气化后的富氧空气从氩馏分引出口以上，富氧液空入口处以下的某块理论塔板数处返回上塔参与精馏（合理的富氧空气返回口在富氧液空入口处以下3-4块理论塔板数处，有关内容可以参阅前面的相关帖子）。富氧液空的蒸发气化使粗氩冷凝塔顶部的粗氩冷凝回流，粗氩冷凝塔底部的液体返回上塔参与精馏，从粗氩冷凝塔顶部引出粗氩气进入精氩塔脱氮得到精氩产品。下面以空气处理量50000NM3为例说明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供冷供热方案。
    基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案中空
8 [' C- v+ [& f% W7 i1 n压机出口的压力5.6bar，压力空气纯化后87%-100%即43500-50000NM3的压力空气进入下塔，这就是以空气为循环工质的一拖二开式热泵的循环工质循环量。压力空气在下塔冷凝分离为三个部分，其中液氮21000-23000NM3过冷减压后去上塔顶部或作为液氮产品引出（必须保证送上塔液氮量不小于21000-22000NM3，以保证氧提取率，即使空气全部进入下塔，液氮产品引出量或氮气内压缩量也不可能超过2500NM3），600标准立方米压力氮气去精氩塔底部的氮气冷凝器，24000-26500NM3富氧液空（氧含量约38%）分为两个部分，其中一部分约8000-10000NM3过冷器送至上塔精馏段作为回流液，其余约14000-18000NM3过冷后送至粗氩冷凝器蒸发气化使粗氩冷凝塔顶部的粗氩气冷凝作为粗氩冷凝塔回流液。蒸发气化后的富氧空气在上塔富氧液空入口处以下3-4块理论塔板数处与膨胀制冷后空气汇合后进入上塔参与精馏。
     下面从开式热泵供冷供热角度讨论一下基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案。进入下塔的压力空气（不带也不过冷，带液过热并不影响精馏过程）占空气压缩量的87%-100%即43500-50000NM3，下塔顶部在主冷凝器冷凝的氮气总量是47000-53400NM3（其中600立方米压力氮气去精氩塔底部氮气冷凝器），压力氮气冷凝温度96K，其中主冷凝器平均换热温差2K，液氧压力1.2bar，加上液氧侧静压，液氧蒸发气化温度的94k-95K！其冷凝热就是上塔底部主冷凝器的供热量，其作用相当于上塔的再沸器！液氮21000-23000NM3过冷减压后送至上塔顶部，液氮的蒸发气化潜热就是上塔顶部的供冷量，液氮蒸发气化压力约1.1bar，温度约为79K，其作用相当于上塔顶部冷凝器。富氧液空24000-26000NM3过冷减压后分别送至上塔精馏段和粗氩冷凝器，富氧液空的蒸发气化潜热就是上塔精馏段富氧液空入口处的供冷量，其供冷温度的84K，作用相当于上塔精馏段的冷凝器。至于精氩塔，600NM3压力氮气在精氩塔底部再沸器（氮气冷凝器）中冷凝，600NM3压力氮气的冷凝潜热就是精氩塔再沸器的供热量，精氩塔再沸器中冷凝的液氮过冷后送至精氩塔顶部的冷凝器中蒸发气化，液氮蒸发气化潜热就是精氩塔顶部冷凝器的供冷量。
    基于新单塔流程的氧氩氮三元物系一一空气精馏工艺方案，采用以氮气，空气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热方案。其中复热常温压缩氮气数量为22100NM3，压力5.4bar，进入空分塔底部空气冷凝器的空气数量为10000NM3，压力3.8-4.1bar（空压机出口压力减去纯化器阻力和主换热器阻力），工艺氩气复热常温压缩量（也可以采用深冷压缩）14000-18000NM3，工艺氩气复热常温压缩机出口压缩2.3bar！空分塔底部由压力氮气，压力空气，压力工艺氩气的冷凝潜热供热，其冷凝潜热之和等于基于双塔流程的氧氩氮三元物系一一空气精馏工艺方案中的主冷凝器氮气冷凝潜热。在空分塔底部压力氮气，压力空气，压力工艺氩气冷凝的液氮，液空，工艺氩气液体过冷减压后分别送至空分塔顶部，空分塔精馏段，粗氩冷凝塔顶部作为回流液，它们的蒸发气化潜热分别是空分塔顶部，空分塔精馏段，粗氩冷凝塔顶部的供冷量，供冷温度分别为79K，84K，89K！精氩塔则采用压力氮气，压力工艺氩气在精氩塔底部两个冷凝管中冷凝供热。液化后的液氮和工艺氩气液体过冷减压后在精氩塔顶部和精氩塔精馏段供冷。
! x4 s/ [0 j) U% p; _# k! U  A     基于双塔流程的氧氩氮三元物系一一空气精馏开式热泵供冷供热方案与基于新单塔流程的氧氩氮三元物系一一空气精馏三开式热泵供冷供热方案比较。
8 c9 Y: `4 s# W    一，基于双塔流程的氧氩氮三元物系一一空气精馏开式热泵供冷供热方案，上塔底部主冷凝器的供热量完全决定于进入下塔的空气数量，当进入下塔的空气数量为43500-50000NM3，下塔顶部的压力氮气冷凝数量为47000-53400NM3（压力氮气600NM3去精氩塔底部的再沸器，冷凝器），氧气产品纯度（以氩为工艺指标，氮含量微乎其微）完全决定于上塔氩馏分引出口至上塔底部之间的理论塔板数和进入下塔的空气数量。在目前实际可用理论塔板数下，即使空压机出口的空气全部进入下塔，氧气产品纯度也很难超过99.8%（含氩0.2%）。基于新单塔流程的氧氩氮三元物系一一空气精馏三开式热泵供冷供热方案，空分塔底部的供热量是压力氮气，压力空气，压力工艺氩气冷凝潜热之和。其中压力氮气，压力空气的数量由氩馏分引出口以上的空分塔（氮一氩氧精馏塔，氧氩氮三元物系一一空气精馏工艺方案的第一精馏塔根据氧氮提取率，氮气产品纯度，氩馏分中的氮气含量决定），而氧气产品纯度，工艺氩气中的氧含量则由压力工艺氩气压缩量，冷凝量决定。在目前可用的氩馏分引出口至空分塔底部之间理论塔板数下，如果压力工艺氩气数量在14000NM3，则可以保证氧气产品纯度达到99.5%以上，并保证工艺氩气中的氧含量指标及氩提取率在90%以上（粗氩冷凝塔理论塔板数200）。如果压力工艺氩气在18000NM3，则可以保证氧气产品纯度达到99.8%以上甚至更高！
0 W* ?! V6 k. ~: g- L+ H( X; T. X    二，基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案中的上塔氩馏分引出口以上和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中的氩馏分引出口以上的空分塔都是氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案的第一精馏塔一一氮一氩氧精馏塔。对于基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案而言，氮气产品纯度受限于下塔送上塔液氮的纯度，而下塔送上塔的液氮数量则决定了空分装置的氧提取率，液氮数量决定了富氧液空入口处以上至污氮气引出口之间的实际回流液气比，从而决定了污氮气中的氧含量。而富氧液空送上塔精馏段和粗氩冷凝器的数量比倒，则决定了氩馏分中的氮气含量（氮气含量是第一精馏塔氮一氩氧精馏塔高沸点组分的工艺指标。又是第二精馏塔氮氩一氧精馏塔的原料气工艺指标。），富氧液空分配比例如何影响氩馏分中的氮气含量可以参阅前面如何计算氩馏分中的氮气含量的相关帖子。对于基于新单塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案而言，第一精馏塔氮一氩氧精馏塔依然是空气，氮气双开式热泵工艺方案，只不过经过隔板模型优化底部回流气中的氩含量从4.5%提高至10%左右而已。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。氮气产品纯度决定于空分塔底部的压力氮气压缩量，冷凝量及送空分塔顶部的回流液氮数量，通过提高压力氮气数量，液氮数量，提高空分塔顶部至污氮气引出口之间的理论塔板数，空分塔顶部至液空入口处之间的理论塔板数，增加污氮气引出量都可以达到提高氮气产品纯度的目标。氧提取率则决定于空分塔顶部回流液氮数量，污氮气引出口至液空入口处之间的理论塔板数及污氮气引出量。至于氩馏分中的氮气含量则决定于空气，氮氩冷凝器的总冷凝量，一般而言通过提高进入空分塔底部空气冷凝器中的空气数量就可以降低氩馏分中的氮气含量。
   三，基于新单塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案中的第二精馏塔氮氩一氧精馏塔采用以工艺氩气为循环工质的单开式热泵供冷供热方案，但与未经隔板模型优化的标准常规依次精馏组织方案相比工艺氩气压缩量从32000立方米降低至14000-18000立方米。
     四，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中的精氩塔采用氮气，工艺氩气双开式热泵精馏工艺方案。从而与基于双塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案相比大幅度降低压力氮气用量，同时也省去了精氩塔顶部的液氮蒸发冷凝器，精氩塔顶部的废气也不需要对空排放（精氩塔顶部不再是氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案中压力最低的位置）。
     

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   供冷供热方案的优化是精馏能牦的非常重要的方面，不同规格的热量，冷量有效能是差别很大的。