外行学空分（312）一一氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案详解（4）

Yb2021 · 发表于 2023-8-5 07:44:32

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本帖最后由 Yb2021 于 2023-12-29 07:02 编辑

   基于新单塔流程标准氧氮氩三元物系精馏一一空气精馏工艺方案，要实现氧氮氩三元物系的完全精馏分离并得到纯度合格纯度氧气，氮气，氩气产品，至少需要两个精馏塔，一般情况下需要三个精馏塔，从每一个精馏塔得到一个纯度合格的产品（氮气或者氧气），只要进入第二精馏塔的原料气一一氩馏分中的氮或氧含量足够低（是依次精馏第一精馏塔的工艺指标，如果依次精馏第一精馏塔是氮一氩氧精馏塔，则氩馏分是氧氩混合气体以氮气含量为工艺指标，如果依次精馏第一精馏塔是氮氩一氧精馏塔，则氩馏分是氮氩混合气液以氧含量为工艺指标），也可以在第二精馏塔得到两个合格纯度的组分产品，这样就只需要两个精馏塔。不需要依次精馏第三精馏塔脱氮塔或者脱氧塔。如果进入第二精馏塔的原料气中的氧氮含量较高（是依次精馏第一精馏塔的工艺指标），那么就需要第三个精馏塔一一脱氧塔或者脱氮塔，才能保证氩气产品的纯度。
合理有利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的第一个精馏塔是氮一氩氧精馏塔一一近似氧氮精馏塔，依次精馏第二精馏塔是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，依次精馏第三精馏塔是氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔。按照氧氮氩三元物系依次精馏隔板模型优后的方案就是空分塔氩馏分引出口以上至空分塔顶部是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空分塔（上塔）是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔。从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依次精馏第一精馏塔一一氮一氩氧精馏塔的顶部得到合格纯度的氮气产品，从依次精馏第一精馏塔一一氮一氩氧精馏塔底部（氩馏分引出口处）得到合格的氧氩混合气体（以氮气含量为工艺指标氮气含量约为0.2%-0.5%。氩含量约10%）作为第二精馏塔的原料气即氩馏分。依次精馏第二精馏塔是氮氩一氧精馏塔一一近似氧氩精馏塔，其中粗氩冷凝塔是依次精馏第二精馏塔一氮氩一氧精馏塔的精馏段，氩馏分引出口至空分塔底部是依次精馏第二精馏塔一一氮氩一氧精馏塔的提馏段。从依次精馏第二精馏塔底部（经隔板模型优化后就是空分塔底部）得到纯度合格的氧气产品（理论上以氮氩含量为工艺指标，但实际上氮含量微乎其微，事实上以氩含量为工艺指标），从依次精馏第二精馏塔顶部得到合格的工艺氩气一一氮氩混合气体（以氧含量为工艺指标，工艺氩气中的氮氩比例则则是氩馏分中的氮氩比例的2倍左右），如果第二精馏塔原料气一一氩馏分中的氮气含量较大，为了保证氩气产品的纯度（氩气中的氮气含量），就需要依次精馏的第三个精馏塔氮一氩氧精馏塔一一近似氮一氩精馏塔，又可称为脱氮塔，精氩塔。如果依次精馏第二精馏塔的原料气一一氩馏分中的氮气含量足够低（由氩馏分中的氮气含量决定），从第二精馏塔顶部得到的工艺氩气己经达到氩气产品纯度指标，则可以不需要依次精馏的第三精馏塔一一精氩塔或者脱氮塔。
   其实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依次精馏组织方案（经过隔板模型优化）的第二依次精馏塔和第三精馏塔和基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案依次精馏组织方案的第二依次精馏塔和第三精馏塔从精馏而言其理论塔板数和回流比（包括精馏段和提馏段的理论塔板数及回流液气比及回流气液比）产品纯度是完全一致的区别只在供冷供热方案的不同！其中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依次精馏第二精馏塔采用以工艺氩气为循环工质的开式热泵供冷供热方案，而依次精馏第三精馏塔则采用以氮气，工艺氩气为循环工质的双开式热泵供冷供热方案。而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依次精馏第二精馏塔采用压力氮气（冷凝温度约96k）冷凝供热，富氧液空（氧含量约40%，蒸发气化温度的84K）的蒸发气化供冷，蒸发气化后的富氧空气在富氧液空入口处以下返回上塔参与精馏！第三精馏塔则是采用以氮气为循环工质的热泵供冷供热（为了降低上塔的系统压力，在精氩塔顶部增加了一个液氮蒸发冷凝器，蒸发气化的氮气和污氮气汇合，而精氩塔顶部的氮氩混合气体又称为废气则就地排放）。
氧氮氩三元物系一一空气依次精馏工艺方案中，依次精馏工艺方案中的第一精馏塔是能耗（开式热泵供冷供热功耗）最大的精馏塔，要占到依次精馏开式热泵供冷供热功耗的60%以上！而基于新单塔流程的氧氮氩三元物系一一空气依次精馏第一精馏塔和基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气依次精馏第一精馏塔都是氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔！
基于新单塔流程的依次精馏第一精馏塔是氮一氩氧精馏塔，产品纯度工艺指标有两个，一是氮气产品纯度，二是氩馏分（依次精馏第一精馏塔的高沸点组分产品一一氧氩混合气体同时又是依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔的原料气）中的氮气含量。其中氮气产品纯度的主要影响因素是氮气压缩量（以氮气为循环工质的开式热泵偱环量即是空分塔顶部回流液氮数量），其次是氮气产品数量（根据污氮气引出量不同而变化）及污氮气中的氧氩含量，空分塔顶部至污氮气引出口之间的理论塔板数，在实际操作中，通过增加污氮气引出量可以改变污氮气引出口至空分塔顶部的实际回流液气比，（氮气压缩量操作中是无法改变的，设计时是一个决定氮气纯度的关健参数）达到改变氮气产品纯度的目标。氩馏分中的氮气含量由氩馏分引出口至膨胀制冷空气入口处之间的理论塔板数和进入设置在空分塔底部的压力空气冷凝器的压力空气数量和进入空分塔底部压力氮气冷凝器压力氮气数量决定，如果氩馏分引出口至膨胀制冷空气入口处的理论塔板数在20块左右，则在不改变进入设置在空分塔底部压力氮气冷凝器压力氮气数量的情况下，通过增加进入设置在空分塔底部的压力空气冷凝器的压力空气数量，可以大幅度地降低氩馏分中的氮气含量，如果氩气产品纯度要求不是特别高，则理论塔精氩塔可以取消！是否有利需要综合考虑而定。依次精馏第二精馏塔是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，氧气产品纯度（以氩含量为工艺指标，氮含量微乎其微）由空气塔氩馏分引出口至空分塔底部之间的理论塔板数（一般在25块理论塔板数）和进入设置在空分塔底部的压力工艺氩气冷凝器的压力工艺氩气数量决定，以处理干空气50000标准立方米的空分装置为例，如果工艺氩气压缩量为14000标准立方米，则氧气产品纯度可以达到99.5%，相应氩馏分中的氩含量（不是氮含量）在10%左右。如果工艺氩气压缩量18000标准立方米，则氧气产品纯度可以达到99.8%，相应氩馏分中的氩含量降低至8%左右。如果进一步增加工艺氩气压缩量，当然可以进一步提高氧气产品纯度！从粗氩冷凝塔（依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔精馏段）顶部得到的工艺氩气以氧含量为工艺指标，目前氧含量一般为1PPM，粗氩冷凝塔理论塔板数约200块。由于氧氩分离系数很小，在氧含量高时为1.5左右，随着氧含量降低，氧氩分离系数逐步降低至1.1！因此粗氩冷凝塔需要的理论塔板数很多（200块）左右。氩馏分中的氩数量的30%可以作为工艺氩气引出，即粗氩冷凝塔氩提取率只有30%左右。精氩塔又称为脱氮塔是氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔，从精氩塔底部引出的氩气产品纯度，决定于精氩塔提馏段的理论塔板数及进入设置在精氩塔底部的压力氮气冷凝器的压力氮气数量，在实际操作中增加进入设置在精氩塔底部的压力氮气冷凝器的压力氮气数量就可以提高氩气产品纯度（以氮含量为工艺指标）。
对于空气精馏开式热泵精馏而言，所谓的新单塔流程和双塔流程区别就在采用什么样的开式热泵供冷供热方案，双塔流程采用以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热方案，而新单塔流程则采用以空气，氮气为循环工质的双开式热泵供冷供热方案！以处理干空气50000标准立方米的空分装置为例，近似氧氮二元物系的双塔流程进入下塔的空气数量为35000标准立方米，压缩功耗2450kWh！而近似氧氮二元物系精馏工艺方案的新单塔流程采用空气，氮气双热泵供冷供热方案，其中进入空气冷凝器的空气数量为7000-10000标准立方米（压力3.9-4.3bar），压缩功耗420KWh-600KWh，进入压力氮气冷凝器的压力氮气（5.4bar）数量为22000标准立方米，压缩功耗为1400KWh，双热泵供冷供热功耗1800-2000KWh！同样空气氧氮二元物系精馏工艺方案，双塔流程进入下塔的压力空气数量占压缩空气总量70%！压缩功耗2450KWh！基于双塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案，进入下塔的空气数量达到空气数量的85%-90%甚至于100%！用于开式热泵供冷供热方案的热泵循环工质压缩功耗3000-3500KWh！基于新单塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案采用空气，氮气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热方案，热泵循环工质总压缩功耗为2500-2600KWh！
   另外一个重要的问题是基于双塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案和基于新单塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案虽然都是经隔板模型优化后的依次精馏组织方案。但依次精馏第一精馏塔（双塔流程的上塔氩馏分引出口以上，新单塔流程氩馏分引出口以上空分塔）氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔却有很大的不同！以处理干空气50000NM3空分装置为例，基于新单塔流程的氧氩氮三元物系依次精馏组织方案的第一精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，当采用以空气，氮气双开式热泵供冷供热方案时，如果氮气压缩量为22000NM3，进入空分塔底部压力空气冷凝器的空气数量为8000NM3，那么空分塔液空入口处上升气数量约为60000NM3，对应气相中的氧氩含量分别为7%和0.36%！对应气相中氧氩含量和谁空中的氧氩含量处于气液平衡状态。液空入口处至污氮气引出口最小回流液气比为0.33！液氮回流量为22000NM3，实际回流液气比0.36-0.37！而基于双塔流程氧氩氮三元物系精馏工艺方案的依次精馏第一精馏塔氮一氩氧精馏分离近似氧氮精馏塔。富氧液空入口处的上升气数量约为38000NM3！富氧液空入口处对应的气相中的氧含量和富氧液空组分并不处于气液平衡状态，而和进入下塔的空气数量有关，当进入下塔空气数量为42500NM3时，对应气相中的氧含量则为21.5%，氩含量1.0左右！空气全部进入下塔则富氧液空入口处对应气相中的氧含量为25%左右，氩含量刚为1.2左右。如果富氧液空中的氧含量为40%，在85%空气进入下塔的情况下，则富氧液空入口处至污氮气引出口处的最小回流液气比为0.54！在空气全部进入下塔的情况下，最小回流液气比为0.625！对此很多空分技术人员并没有清楚的认识！正是富氧液空入口处对应气相中的氧含量并不和富氧液空处于平衡状态，而是高于气液平衡对应的氩含量（大约为0.7%），基于双塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案第一精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，富氧液空入口处以上气相中的氩含量先是上升，然后再降低，出现了一个氩富集区！这在基于新单塔流程氧氩氮三元物系精馏工艺方案依次精馏第一精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔中不存在这样的情况。液空入口处以上氧氩含量均是单调降低，不存在什么氩富集区！
对此有疑问者，请认真研究一下组分沸点在环境温度以上的标准常规精馏工艺方案和双效精馏低压（常压）精馏塔的状况。

Yb2021 · 发表于 2023-8-7 17:22:16

无论是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还是基于双塔流程的氧氮氩三元物系一一空气精馏工艺方案就精馏组织方案而言，都是经过隔板模型优化后的依次精馏组织方，其中第一精馏塔是氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，第二精馏塔是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，第三精馏塔是氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔。

Sunqh · 发表于 2023-8-10 08:27:32

本帖最后由 Sunqh 于 2023-8-10 12:03 编辑

"而近似氧氮二元物系的新单塔流程采用空气，氮气双热泵供冷供热方案，其中进入空气冷凝器的空气数量为7000-10000标准立方米（压力3.9-4.3bar），压缩功耗420KWh-600KWh，进入压力氮气冷凝器的压力氮气（5.4bar）数量为22000标准立方米，"
——————来自尤总帖子

你的空气冷凝压力可以与厦大报告中的空气冷凝压力比较一下，厦大报告中氮气冷凝压力5.4bar与你的相同，但厦大报告中空气冷凝压力是4.8bar，你怎么变成3.9-4.3bar了？

再有流量，厦大报告中循环氮气流量22500，而且他的氮气纯度只有0.22%O2，实际上还是污氮气，还要进一步提纯。目前的产品氮气纯度都需要<5ppmO2左右，即产品氮气纯度0.0005%O2，相差了440倍。你要氮气纯度满足<5ppmO2要求，还需要增大液气比，即增大循环氮气量，怎么你反而减少循环氮气量？

空气冷凝量，厦大报告中是9500，你改到7000-10000也是张口就来的吧？

Sunqh · 发表于 2023-8-10 08:37:22

基本上来说，压缩机越小，等温效率越低。我们的200000Nm3/h空压机，等温效率72%；一段100000二段60000的空气增压机，效率70%；30000氮压机，效率65%，都是德国SIEMENS产品，可以认为都是当前世界先进水平。

厦大报告中的22500氮压机等温效率76%，这个氮压机不知哪里有？22500*101.3*300/273.15*ln(5.5/1.08)/3600/1487.1=76.1%

Sunqh · 发表于 2023-8-10 08:44:14

所以空分中应当尽可能将气体压缩过程合并，而不是分开，尤总并不知道这个原则。

尤总的心态非常强大，大家都以为丢人现眼的事，尤总却泰然处之

Sunqh · 发表于 2023-8-10 10:36:01

“以处理干空气50000标准立方米的空分装置为例，近似氧氮二元物系的双塔流程进入下塔的空气数量为35000标准立方米，压缩功耗2450kWh！而近似氧氮二元物系的新单塔流程采用空气，氮气双热泵供冷供热方案，其中进入空气冷凝器的空气数量为7000-10000标准立方米（压力3.9-4.3bar），压缩功耗420KWh-600KWh，进入压力氮气冷凝器的压力氮气（5.4bar）数量为22000标准立方米，”
——————来自尤总帖子

以上双塔流程的上塔底部上升气量是：35000/1.3-10000=16923
尤氏单塔底部上升气量是： 22000/1.39+10000/1.3-10000=13520
13520/16923=0.799

氧产量相同情况下，尤氏单塔上升气量只有双塔流程的80%，氧纯度怎么还能相同？