外行学空分（309）一一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详解

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& [0 C5 w1 L4 L      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和基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏组织工艺方案就精馏组织方案而言是完全一致的，都是经隔板模型优化后的氧氩氮三元物系一一空气依次精馏组织方案，其中氩馏分引出口以上双塔流程的上塔和新单塔流程的空分塔是依次精馏第一精馏塔一一一氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，氩馏分引出口以下双塔流程的上塔和新单塔流程的空分塔加粗氩冷凝塔是依次精馏的第二精馏塔一一氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，精氩塔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。它们之间的不同在于开式热泵供冷供热方案的不同！
7 n: a1 b1 Z& F  C2 s- ~    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采用空气，氮气，工艺氩气三开式热泵供冷供热方案，其中依次精馏第一精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔采用氮气，空气双开式热泵供冷供热工艺方案，依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩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，依次精馏第三精馏塔精氩塔氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔采用氮气，工艺氩气为循环工质的双开式热泵供冷供热方案。
6 n7 K" a9 l) D- l% Q9 _" n/ s      以处理干空气50000NM3立方米的空分装置为例，其中的空压机出口压力为4.2bar，纯化器阻力，主换热器正返流阻力按照0.1bar考虑，空气冷凝器换热温差2K，空分塔底部液氧液面压力1.2bar（空分塔阻力0.1bar，氮气，污氮气返流阻力0.1bar），适当考虑了液氧静压。如果实际工程条件进一步改进，正返流阻力，纯化器阻力及空分塔阻力，空分塔底部液氧的静压进一步降低，空气冷凝器的换热温差进一步降低，空压机出口压力相应可以进一步降低。氮压机出口压力5.4bar，压缩量22000NM3，工艺氩气压缩机出口压力2.3bar，压缩量14000-18000NM3（这样情况下，适宜深冷压缩，压缩比为2.0）！压力氮气，压力空气，压力工艺氩气冷凝器均并列设置在空分塔底部，压力氮气，压力空气，压力工艺氩气在其中冷凝供热，冷凝供热温度约为95-96K，供热量是压力空气，压力氮气，压力工艺氩气的冷凝潜热之和，液氮，液空，工艺氩液体过冷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（供冷，供冷量是液氮，液空，工艺氩液体的蒸发气化潜热）。压力氮气的压缩量根据氮气产品纯度，产品数量及液空入口处至污氮气引出口及污氮气引出口以上的理论塔板数而最终确定（制取高纯度氮气产品时，影响氮气产品纯度的主要因素是氩组分），压力空气进入空气冷凝器的数量在压力氮气压缩量确定后，根据污氮气引出口至氩馏分引出口之间的可用理论塔板数及氩馏分中的氮气含量而最后确定，工艺氩气压缩量则根据氩馏分引出口至空分塔底部之间的理论塔板数及氧气产品纯度而最后确定。
    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空压机具有三项功能，一是精馏原料空气的输送功能，二是以空气为循环工质的开式热泵供冷供热的开式热泵循环工质的复热常温压缩功能，三是以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案中循环工质复热常温压缩功能。其中第一项功能是空压机的基本必要功能！第二，第三项功能中开式热泵供冷供热，开式热泵膨胀制冷一液化的开式热泵及膨胀制冷循环工质的复热与精馏原料空气与精馏产品换热过程合并，从形式上就看不到开式热泵供冷供热及开式热泵一膨胀制冷液化循环工质复热过程。但这只是形式上的，而实质上是复热常温压缩！
$ K2 L- r+ p3 s5 A' L    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空压机出口压力空气纯化后，其中根据开式热泵供冷供热方案的不同40%-90%的经涡轮增压机增压后在主换热器换热后进入膨胀机膨胀制冷，膨胀制冷后的空气进入空分塔参与精馏。其余10%-60%的压力空气用于开式热泵供冷供热，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。涡轮增压后用于膨胀制冷的空气数量和进入设置在空分塔底部的空气冷凝器中冷凝的空气数量由开式热泵精馏工艺方案（开式热泵供冷供热方案）决定。例如以处理50000NM3的空分装置为例，当采用压力空气，压力氮气，压力工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热精馏方案，压力空气，压力氮气，压力工艺氩气冷凝器均设置在空分塔底部时，进入空分塔底部空气冷凝器的空气数量为7000-10000NM3，相应用于涡轮增压膨胀制冷的空气数量为40000-43000NM3！如果同样采用空气，氮气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热精馏方案，但压力氮气冷凝器设置在空分塔液空入口处的供冷供热精馏工艺方案，则进入设置在空分塔底部的空气数量为27000-30000NM3，相应涡轮增压后用于膨胀制冷的空气数量为20000-23000NM3！这个时候氮压机出口压力为2.1bar，氮气压缩量不变。
      以上的叙述均是从精馏原料空气的输送及开式热泵精馏供冷供热方案及实际工程条件角度考虑空压机出口压力，而任何空分装置都是以空气为循环工质的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。空气开式热泵一膨胀制冷液化部分中用于正流液化的空气压力最优工艺参数是38bar（空气临界压力。氮气临界压力45bar），和空压机出口压力差距很大！如果对此不进行调整优化，将导致空分装置中的空气开式热泵一膨胀制冷液化部分的有效能效率（即液化效率）在20%以下（而在相同设备性能参数空压机，涡轮增压机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%及实际工程条件下，工艺参数优化后的开式热泵一膨胀制冷液化效率可以达到30%-35%，两者之间的差距近一倍！）。
    为了优化空分装置中的空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案的工艺参数，提高空气开式热泵一膨胀制冷液化部分的有效能效率，必须增设空气增压机，把空压机出口纯化后的部分压力空气增压至38bar，用于与返流气换热液化（液空节流减压或经液体膨胀机减压后进入设置在空分塔底部的空气冷凝器），增压机的压缩量约是用于膨胀制冷空气数量的10%-左右（需要根据增压空气全部液化为原则精确计算）。
    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空气增压机有两项功能，一是优化空分装置中的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案的工艺参数，二是用于氧氮气的内压缩工艺方案，三是所谓高温膨胀机的膨胀制冷循环工质的压缩机，其中第一项功能是基本功能，也是必须的功能，至于第二，第三项功能则根据空分装置的产品方案而决定，在一般情况下增压机的第三项功能都是没有必要的，只有在制取高比例液体产品时才需要。
7 {6 I3 d! b0 J+ c! J9 T     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所谓全低压工艺方案也存在同样的问题即空分装置中的开式热泵一膨胀制冷液化效率低的问题，具体可以参阅前面的相关帖子一一所谓全低压工艺方案的缺陷。所以才会有采用双膨胀工艺方案时，空分装置中的气氧液化单耗核算扣除值可以低至0.65KWh每标准立方米的说法，这个扣除值实际上己经低于同样设备性能参数极限工程条件下的气氧液化功！深冷空分教科书中同时存在气氧实际液化功为1.25-1.47kWh每标准立方米液氧，及空气等温压缩至6bar，采用开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案空气液化率3%-5%的说法。两者之间差距巨大，不是设备性能参数和实际工程条件不同所能说明的，是工艺参数是否优化对开式热泵一膨胀制冷液化效率的影响，具体而言就是用于液化的正流空气压力高低所致！
, H! v9 l* \& s# u9 W" E    空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案的工艺参数优化及深冷气体实际液化功是空分原理及空分装置能耗核算的最基础问题。在这个问题上的混乱认识是造成空分装置能耗核算混乱的根本原因。
5 B, U# v% U( m% z: m, P0 D     思考题如下，环境温度298K，空压机，涡轮增压机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%，主换热器换热温差2K，主换热器正返流阻力损失0.1bar，空气等温压缩至6bar，采用开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案（即空分教科书中的空气压缩与液化那个工艺方案），空气液化率多少？液化效率多少？同样设备性能参数，同样实际工程条件，同样工艺方案，空气等温压缩至4.0bar，空气液化率多少？液化效率多少？同样设备性能参数，同样工程条件，如空气等温压缩至6bar，其中10%左右的空气增压至38bar用于正流液化，其余空气涡轮增压后用于膨胀制冷，空气液化率多少？液化效率多少？如果空气等温压缩至4.0bar，其中10%左右的压力空气增压至38bar用于正流液化，其余压力空气涡轮增压后用于膨胀制冷，空气液化率多少，液化效率多少？

空分装置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（工艺参数）的液化效率是确定空分装置液体产品核算扣除值的最基础的问题。

    沸点在环境温度以下的气体液化只有三个工艺方案，一是开式热泵液化，气体压缩至一定压力（该压力下的气体冷凝温度高于环境温度即冷却水温度）用冷却水冷却液化，液化气体中的冷量来自冷却水带走的热量，冷能由压力气体的压力能转化而来。这是液化效率最高的工艺方案，其液化效率接近气体压缩的等温效率，但只适用于气体临界温度在环境温度以上的情况。

     气体液化的第二个工艺方案是开式热泵接力液化工艺方案，对于临界温度在环境温度以下的气体，无法采用开式热泵液化工艺方案，但可以采用开式热泵接力液化工艺方案，气体等温压缩至临界压力，用常压下蒸发温度低于气体临界温度的液体蒸发收热使气体液化，过冷减压后得到常压液体。蒸发气化后气体与正流压力气体换热复热至常温后，采用开式热泵液化工艺方案得到常压下的液体以此循环反复实现气体的液化。其液化效率是气体压缩等温效率的平方，一段只能两级开式热泵接力液化，三级以上的开式热泵接力液化效率就很低了，而且也非常复杂。

   双开式热泵接力液化极限效率是气体等温压缩效率的平方，叁开式热泵接力液化极限效率是气体压缩等温效率的三次方！深冷空分中气体液化无法采用开式热泵液化也无法采用开式热泵接力液化工艺方案，只能采用开式热泵一一等温焓差液化工艺方案和开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案。

关于开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数优化的问题，可以参阅266-272帖子的相关内容

   空分塔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。空分装置的工艺方案首先是开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数的优化，这是首要的问题！对开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数对液化效率的影响没有深入的认识，既无法对空分装置的能耗进行正确核算，也严重阻碍空分装置工艺方案的进一步改进和优化！

空气氧氮氩三元物系空气，氮气，工艺氩气三开式热泵供冷供热方案中，空气开式热泵的正流压力空气，既是空气
( K7 d+ O  H, ^6 [0 S开式热泵循环工质，又是空气开式热泵液化循环工质，正流压力空气有可能部分液化或者全部液化进入压力空气冷凝器，并不影响精馏，重要的是进入压力空气冷凝器的压力空气数量。其原因在于压力空气液化数量大，虽然空分塔底部供热量减少，但相应液氧引出量增大，空分塔提馏段回流气液比不变！这一点要仔细体会。
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