外行学空分（306）一一氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案详解总结（8）

Yb2021

5 l; g, y! w( y8 G- p: O+ ^     基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案当然不是双塔流程（或者双塔工艺方案）而是叁塔或者四塔工艺方案，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当然也不是单塔流程（或者单塔工艺方案）而是双塔或者叁工艺方案。两者之间的区别就在于下塔！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对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多了一个所谓的下塔而已，就精馏工艺方案而言都是一样的（供冷供热方案当然是不同的）。
    最先得到工业化运用的空分流程是古典单塔流程，从开式热泵精馏的角度而言，就是以精馏原料空气为循环工质的单开式热泵精馏工艺方案。古典单塔流程可以生产合格的氧气产品，但不能生产氮气产品，同时氧提取率也只有60%-70%！从开式热泵供冷供热的角度如何说明这个问题？如果从平铺直叙地说明，那么是很简单的，古典单塔流程的精馏塔压力接近于常压，当经主换热器换热后进入精馏塔底部空气冷凝器中的空气压力在4.-4.3bar时，精馏塔底部的冷凝器中的空气冷凝为液空，其冷凝温度大于精馏塔底部液氧蒸发气化温度加上空气冷凝器换热温差，其冷凝潜热使精馏塔底部的液氧气化，一部分作为产品氧气在主换热器换热后引出，一部分作为回流气，对下降的氧氮混合液体进行提馏！液空过冷减压后送至空分塔顶部作为回流液。与液空平衡的气相中氧含量为7%左右。当然就无法制取氮气产品且氧提取率只能达到70%！
' H4 q) `: z/ p    从精馏供冷供热角度而言，古典单塔制氧流程之所以出现此种情况，其实就是古典单塔制氧流程的以空气为循环工质的开式热泵的供冷供热方案只能提供96K的供热热源，81K的供冷冷源，其供热热源温度大于精馏塔压力（接近常压）下的液氧蒸发温度，而供冷冷源温度却等于精馏塔压力下的液空蒸发气化温度高于精馏塔压力（接近常压）下的氮气冷凝温度！无法实现空气的完全精馏分离。在环境温度以上的精馏过程，如果蒸汽冷凝温度低于高沸点组分产品的蒸发气化温度（还要加上再沸器换热温差和静压），那么就无法制取合格纯度的高沸点组分，如果冷却水的温度高于低沸点组分气体的冷凝温度（还要加上冷凝器换热温差），那么就无法制取纯度合格的低沸点组分产品，这几乎是不言自明的。以空气为循环工质的开式热泵供热温度是96K，而供冷温度81K！供热温度大于精馏塔压力下液氧蒸发气化温度加空气冷凝器换热温差，当然可以制取合格纯度的氧气产品，而供冷温度却高于精馏塔顶部的氮气冷凝温度79K！当然无法制取纯度合格的氮气产品！
7 \/ _! W  S6 J* ^    在空分技术发展初期，膨胀制冷和纯化技术还未出现，还是等温焓差和冻结法纯化，这样情况下受空气开式热泵一等温焓差制冷液化工艺方案的限制，只能是所谓的高压流程，空气需要加压到很高的压力才能实现所谓的冷量平衡（其实是液体平衡）和空气纯化及蓄冷器的自净化！高压的空气节流减压进入设置在空分塔底部的空气冷凝器（古典单塔制氧流程）！这样情况下，在古典单塔制氧工艺方案精馏塔底部冷凝器中增设塔板（冷凝器升级为下塔）把空气在下塔冷凝分离为富氧液空和液氮就非常合理了！这样以空气为循环工质的一拖二开式热泵相对于以空气为循环工质的开式热泵就能够提供两个规格的供冷方案，减压后的液氮可以提供79K的供冷冷量，而减压后的富氧液空则可以提供84K的供冷冷量，当然也就可以制取纯度合格的氮气产品，相应氧气提取率也可以达到接近100%！
8 s) [0 S) c; ~% j7 y) ?     现在空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案和吸附法纯化己经成为空分流程的标准配置，对空压机出口压力的硬约束条件已经解除！双塔流程的合理性就大有问题了！下塔是以空气为循环工质的开式热泵的一拖二转换塔，而一拖二开式热泵的供冷供热有效能效率大大低于标准常规开式热泵供冷供热有效能效率！在开式热泵循环工复热常温压缩等温效率70%的情况下，以氮气为循环工质的开式热泵供冷供热有效能效率在目前实际工程条件下为50%！而以空气为循环工质的开式热泵供冷供热有效能效率约45%，而以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热有效能效率只有35%-40%！
- }& U* ]- l- ^: R    空气开式热泵精馏的有效能效率等于开式热泵供冷供热有效能效率乘以精馏过程有效能效率，如果两者的精馏效率一致则由于以空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏有效能效率低于以氮气。空气为循环工质的双开式热泵精馏有效能效率！采用以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热方案的空气开式热泵精馏效率就低于以空气，氮气为循环工质的双开式热泵供冷供热精馏工艺方案的开式热泵精馏效率低！
6 @- ]: T$ t: |! D" P6 w- l' P    当把空气视为近似氧氮二元物系时，以处理50000立方米标准状态干空气为例，标准常规开式热泵精馏工艺方案，50000标准状态干空气压缩纯化后，经涡轮增压在主换热器换热膨胀制冷后从中部进入空分塔参与精馏，复热常温氮气30000标准立方米压缩至5.4bar的压力氮气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。过冷减压后送至空分塔顶部作为回流液。
     当将空气视为氧氮二元物系时，以空气，氮气为循环工质的双开式热泵精馏工艺方案叙述如下，标准状态干空气50000立方米压缩纯化后其中40000-43000立方米经涡轮增压后在主换热器换热膨胀制冷后进入空分塔参与精馏，其余7000-10000立方米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，过冷减压后送至空分塔精馏段作为回流液。复热常温氮气22000立方米，压缩至5.4bar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，过冷减压后送至空分塔顶部作为回流液。
    当把空气视为氧氮二元物系时，双塔流程的工艺方案叙述如下，标准状态干空气50000立方米压缩至5.6bar，纯化后其中15000立方米经涡轮增压在主换热器换热后膨胀制冷进入上塔参与精馏。其余35000立方米在主换热器换热后进入下塔，冷凝分离为液氮16000-17000立方米，过冷减压后送至上塔顶部作为回流液，富氧液空18000-19000立方米过冷减压后送上塔精馏段作为回流液。
     以上两个新单塔流程氧氮二元物系精馏工艺方案和双塔流程氧氮二元物系精馏工艺方案都能实现氧氮二元物系完全精馏分离。双塔流程氧氮二元物系精馏工艺方案，在进入下塔底部的空气数量达到30000立方米时，上塔提馏段回流气液比己经比最小回流气液比大5%-10%，上塔底部的氧气产品纯度可以达到指标，但富氧液空入口处至污氮气引出口之间的实际回流液气比小于最小回流液气比！氧提取率在90%以下！而要实现氧提取率接近100%，进入下塔的空气数量需要从30000立方米增加至35000立方米，相应减少用于膨胀制冷的空气数量。
( f/ w6 M: ^+ {7 z    两个新单塔流程氧氮二元物系精馏工艺方案的用于供冷供热的空气，氮气循环工质复热常温压缩功耗是双塔流程氧氮二元物系用于供冷供热的空气一拖二开式热泵循环工质压缩功耗的75%-80%！
  l2 S% R; M5 z: Z/ c6 L& ^    当把空气视为氧氮氩三元物系时，以上的新单塔和双塔氧氮精馏分离工艺方案就是氧氮氩三元物系精馏依次精馏的第一精馏塔，但经过隔板模型的优化，相关内容可以参阅前面的帖子。
9 E0 v: o9 W+ {7 \+ R, s5 v# ~    基于新单塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案有以下两个方案。
+ P" b& G8 L7 O, a; ^# j    空气等温压缩至3.9-4.3bar，纯化后其中25000立方米经涡轮增压后在主换热器换热膨胀制冷后进入空分塔参与精馏，另外25000立方米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，液空过冷减压后分为两个部分，其中7000-10000立方米送至空分塔精馏段作为回流液，15000-18000立方米送至粗氩塔粗氩冷凝器作为冷源，液空的蒸发潜热使粗氩冷凝塔顶部作为粗氩气冷凝回流。在粗氩冷凝器气化的空气和膨胀制冷后的空气汇合后进入空分塔参与精馏，返流复热后的氮气22000立方米，等温压缩至5.4bar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，液氮过冷减压后送至空分塔顶部作为回流液。
; J- {1 \; `+ N' ?! M! Q. B0 D4 E& Q    基于新单塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏的另一个工艺方案是空气，氮气，工艺氩气三开式热泵工艺方案。空气等温压缩至3.9-4.3bar，纯化后其中40000-43000立方米涡轮增压后进入主换热器换热后膨胀制冷进入空分塔参与精馏。另外未经涡轮增压的7000-10000立方米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，液空过冷减压后送至空分塔精馏段作为回流液。返流复热氮气22000立方米等温压缩至5.4bar，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，液氮过冷减压后送至空分塔顶部作为回流液。从粗氩冷凝塔顶部引出粗氩气14000立方米返流复热后等温压缩至2.3bar，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液体，过冷减压后送至粗氩冷凝塔顶部作为回流液。
    基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案，空气等温压缩至5.6bar，纯化后其中5000立方米涡轮增压后在主换热器换热后进入膨胀机膨胀制冷后进入上塔参与精馏。其余45000立方米在主换热器换热后节流减压进入下塔，进入下塔的空气冷凝分离为22000NM3液氮及23000NM3富氧液空。其中液氮过冷减压后送至空分塔顶部作为回流液，富氧液空10000NM3过冷减压后送至上塔精馏段作为回流液，13000NM3过冷减压后送至粗氩冷凝塔顶部的粗氩冷凝器，在粗氩冷凝器中蒸发气化的富氧空气从上塔富氧液空入口处以下，氩馏分引出口以上返回上塔参与精馏。
+ X! X6 o! `; @% O3 v" I$ w    以上氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案均不涉及空气增压机和精氩塔，相关的内容可以参阅前面的帖子。从精馏结果而言基于新单塔流程的两个工艺方案和基于双塔流程的工艺方案都是一致的，它们之间的区别在于开式热泵供冷供热方案的不同。从开式热泵供冷供热功耗（开式热泵循环工质复热常温压缩功耗）而言，如果基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案供冷供热功耗为1！则基于新单塔流程的空气，氮气双开式热泵供冷供热方案供冷供热功耗为0.8！基于新单塔流程的氮氩，空气，工艺氩气三开式热泵供冷供热方案的供冷供热功耗为0.7！
   如果基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案空压机出口压力5.6bar，空气全部进入下塔，那么相应基于新单塔流程的空气，氮气双开式热泵工艺方案中进入空分塔塔底部空气冷凝器中的空气数量相应从25000立方米增加至30000NM3，相应减少膨胀制冷空气数量。基于新单塔流程的空气，氮气，工艺氩气三开式热泵工艺方案中的工艺氩气压缩量从14000NM3相应增加至18000-20000NM3。那么三者之间的供冷供热功耗为1比0.8比0.7！

Yb2021

   所谓双塔流程和新单塔流程只是氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案的第一个依次精馏精馏塔，只是由于采用隔板模型对依次精馏工艺方案进行优化，对于不了解依次精馏隔板模型优化组织方案的人而言，产生了混乱的认识理解而已。