外行学空分（311）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（3）

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      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，是以空气为循环工质的空气开式热泵一膨胀制冷液化部分和以空气，氮气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热精馏部分的联合装置。正因为是空气开式热泵一膨胀制冷液化和空气开式热泵精馏的联合装置，它们之间是相互影响和相互制约的，主要有以下的两个问题。
$ Y; d' d; t/ ?7 J4 h      问题 一，是液体产品的比例问题。空分装置的产品方案既有气体产品纯度和数量，也有液体产品的纯度和数量。空分装置中开式热泵精馏是空分装置的核心功能，实现氧氮氩三元物系一一空气的精馏分离，而以空气为循环工质的空气开式热泵一膨胀制冷液化部分是开式热泵精馏启动和稳态化运行的必要功能，是为空气开式热泵精馏部分服务的，但是开式热泵一膨胀制冷液化是一个可以独立运行的装置又可称为液化装置，以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化装置的产品是液空即空气液化装置，以氧气，氮气，氩气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化装置的产品是液氧，液氮，液氩，则可称为氧气，氮气，氩气液化装置。但一般情况下，液氧，液氮，液氩均从空分装置中产出，这是因为空气开式热泵一膨胀制冷液化装置和空气开式热泵精馏装置有很大的联合红利。空分装置中的液体产品单耗是气体单耗加液化单耗扣除值。而气体液化单耗扣除值是相同设备性能参数下的极限液化单耗，一般而言要比在同样设备性能参数及实际工程条件下的气体实际液化单耗降低5%-10%左右！
    空分装置的产品方案中的液体产品数量比例（一般以总氧总量为100%）越高，就意味着空分装置中空气开式热泵一膨胀制冷液化部分的功耗占空分装置总功耗的比例越大！如果空分装置的全部产品都是以液体形式引出（液氧，液氩及液氮），那么这样的空分装置又被称为全液体空分装置！其中开式热泵一膨胀制冷液化的功耗是开式热泵精馏功耗的2-3倍！当然这是极端的情况，这样的空分装置实际上是开式热泵一膨胀制冷液化部分为主体的空分装置。即使是空分装置中无液体产品或仅有少量液体产品即所谓的双塔流程的全低压工艺方案，但为了保证空分装置的安全，也需从主冷凝器液氧侧连续排出占总氧产量1%-2%的液氧，加上补偿空分装置中散冷损失及主换热器冷热端换热温差形成的冷量冷能损失，空分装置中的开式热泵一膨胀制冷液化功耗也占到空分装置总功耗的15%-20%左右！
  J+ c: X) V$ U" C0 R# s1 h* C3 N    问题二， 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膨胀制冷空气数量决定于开式热泵精馏供冷供热工艺方案，而膨胀制冷空气的数量又决定了空分装置的液体产品数量比例，基于新单塔流程的氧氮氩三元物系一一空气开式热泵精馏工艺方案，综合各因素考虑，其最优化的开式热泵精馏工艺方案即以空气，氮气，工艺氩气为循环工质，压力空气，压力氮气，压力工艺氩气冷凝器设置在空分塔底部的三开式热泵供冷供热精馏工艺方案。但基于新单塔流程的氧氮氩三元物系一一空气三开式热泵供冷供热工艺方案，以干空气处理量50000标准立方米，空压机，增压机，氮压机，涡轮增压机，工艺氩气压缩机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%，纯化器阻力损失0.1bar，主换热器正返流阻力损失0.1bar，空分塔阻力损失0.1bar，主换热器冷热端换热温差2k的情况下，空压机出口压力在3.9-4.3bar，空气增压机出口压力38bar，氮压机出口压力5.4bar，工艺氩气压缩机出口压力2.3bar，空压机压缩量50000NM3，空气增压机压缩量约5000NM3，氮压机压缩量22000NM3，工艺氩气压缩量14000NM3。其中40000-43000NM3纯化器后的压力空气经涡轮增压在主换热器换热后膨胀制冷，进入设置在空分塔底部的压力空气冷凝器中的空气数量为7000-10000NM3（其中部分压力空气经增压机增压后全部液化进入压力空气冷凝器，其数量也计入进入压力空气冷凝器压力空气数量），其中约5000NM3来自增压机，其余2000-5000NM3来自纯化后未经涡轮增压在主换热器换热后的压力空气。空分装置的液体产品数量（以液氧计）占总氧产量的35%左右（空压机出口压力4.2bar，如果空压机出口压力提高，液氧产品比例将进一步提高）。如果需要提高液体产品数量比例，则不需要调整三开式热泵供冷供热方案，只需要增加空气增压机的压缩量，同时增设高温膨胀机即可（一般也是复热常温压缩，而不能和精馏原料空气和精馏产品换热过程合并了）！如果要实现较低的液体产品比例的产品方案，就必须对最优化的三开式热泵供冷供热方案进行调整，其中最大的变化是在空分塔液空入口处增加压力氮气冷凝器，用2bar的压力氮气在其中冷凝为液氮，过冷减压后送至空分塔顶部作为回流液，随着空分塔液空入口处的压力氮气冷凝器中的2.1bar压力氮气冷凝量的增加，相应减少等量在空分塔底部压力氮气（5.4bar）冷凝器的压力氮气数量，同时相应增加进入设置在空分塔底部的压力空气冷凝器中冷凝的压力空气数量，从而相应减少用于膨胀制冷的空气数量，同时减少增压机空气压缩量（以完全液化为原则）从而降低空分装置的液体产品数量，当进入设置在空分塔液空入口处2bar压力氮气冷凝器的压力氮气数量达到空分装置空气处理量的44%即22000NM3时，设置在空分塔底部的5.4bar压力氮气冷凝器可以取消，这个时候进入设置在空分塔的压力空气冷凝器中的压力空气数量达到空分装置空气处理量的60%（30000NM3，包括增压机约2000NM3，其余28000NM3是纯化器后末经涡轮增压的压力空气），空分装置空气处理量40%的压力空气即20000NM3可以涡轮增压后用于膨胀制冷，液体产品数量占总氧产量的15%左右，如果要进一步降低液体产品产量，则2bar压力氮气，和2.3bar压力工艺氩气需要改为深冷压缩。所有这些为了降低空分装置液体产品数量对开式热泵供冷供热方案的调整。由于冷凝器设置在空分塔液空入口处的以氮气为循环工质的开式热泵供冷供热方案的效率在实际工程条件下较低（受换热器换热温差及液体静压影响），从而偏离优化的三开式热泵供冷供热方案，从而增加开式热泵精馏的功耗。
  `6 b% H2 a6 ^1 C; V. c" @       基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案从精馏开式热泵供冷供热角度而言有两个方案，一是空气处理量的90%压力空气进入下塔的，空气处理量10%的压力空气涡轮增压机用于膨胀制冷，二是空气处理量的100%压力空气进入下塔的工艺方案。其中第一个方案，为了实现所谓的冷量平衡实际上是液体平衡，需要提高空压机出口压力。第二个方案则需要设置增压机和所谓高温膨胀机。以上两个方案从膨胀制冷角度而言都是单膨胀方案，区别在第一方案是所谓的低温膨胀机，第二方案是所谓的高温膨胀机，此外还有和第一方案接近的所谓双膨胀工艺方案（区别在不提高空压机出口压力，而增加增压机和高温膨胀机）。
   以干空气处理量50000NM3为例，如果空压机，氮压机，工艺氩气压缩机，空气增压机等温效率70%，则5.6bar压力空气的压缩功耗0.07KWh每标准立方米，4.2bar压力空气的压缩功耗0.06kWh每标准立方米，5.4bar压力氮气压缩功耗0.063KWh每标准立方米，2.0bar压力氮气的压缩功耗0.026KWh每标准立方米，2.3bar压力工艺氩气压缩功耗0.035KWh每标准立方米，空气增压机压缩功耗0.09KWh每标准立方米。则基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏第一个方案用于开式热泵精馏的功耗3150KWh，第二个方案用于开式热泵精馏的功耗是3500KWh！
    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的第一个方案对应的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是进入设置空分塔底部压力空气，压力氮气，压力工艺氩气压缩量分别为7000-10000NM3，压力氮气22000NM3，压力工艺氩气压缩量14000-18000NM3。用于开式热泵精馏的压缩功耗为2400-2600KWh！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第二方案对应的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压力空气压缩量7000-10000NM3，压力氮气压缩量22000NM3，压力工艺氩气压缩量18000NM3。用于开式热泵精馏的压缩功耗2600-2700KWh！用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开式热泵供冷供热功耗是对应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开式热泵供冷供热功耗的75%-80%！
     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除了以氮气，空气，工艺氩气为三开式热泵供冷供热方案外，还有简化的以空气，氮气双开式热泵供冷供热方案，其中与基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏第一方案对应方案参数如下，5.4bar压力氮气数量22000标准立方米进入设置在空分塔底部的氮气冷凝器冷凝为液氮，过冷减压后送至空分塔底部作为回流液，进入设置在空分塔底部的空气冷凝器中的压力空气数量23000-25000立方米，其中7000-10000立方米冷凝为液空后过冷减压后进入空分塔精馏段作为回流液，16000-18000立方米过冷减压后送至粗氩冷凝器蒸发气化，使粗氩冷凝塔顶部的工艺氩气液化作为回流液。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第二方案对应的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为，5.4bar压力氮气22000立方米在设置在空分塔底部的压力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。4.0-4.3bar压力空气27000-30000立方米在设置在空分塔底部的压力空气冷凝器中冷凝为液空，过冷减压后其中7000-10000立方米送至空分塔精馏段作为回流液，其余17000-23000立方米送至粗氩冷凝器蒸发气化使粗氩冷凝塔顶部的工艺氩气液化作为回流液。蒸发气化后的空气和膨胀制冷空气汇合点进入空分塔参与精馏。其中第一个方案用于开式热泵供冷供热的压力空气，压力氮气压缩功耗2800-2900KWh，第二个方案用于开式热泵供冷供热的压力空气，压力氮气压缩功耗3100-3200KWh，是对应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90%左右！
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空分装置的液体产品数量的大小（以总氧为100%），决定了空分装置中开式热泵一膨胀制冷液化部分和开式热泵精馏部分的功耗比例！也会对开式热泵精馏的工艺方案产生影响。

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空分装置的开式热泵一膨胀制冷液化效率和用于液化正流空气压力关系极大，没有配备压力空气增压机的空分装置，开式热泵一膨胀制冷液化效率很低，无论是基于双塔流程还是基于新单塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案都存在这个问题，由此造成空分装置能耗核算的混乱，相关内容可以参阅新单塔流程的改进，标准双塔流程和缺陷及空分装置能耗核算相关帖子。