外行学空分（320）一一空分基本原理一一多元物系的依次精馏和隔板模型优化

Yb2021

$ a' i2 a0 C3 J6 A; B$ b. g; {
  T' R; [' v* @8 u4 H" v, \     所有的精馏理论及计算都是建立在最简单的二元物系精馏基础上，这是一个基本常识，但并不是所有人对此都有清楚的认识！至于多元物系的精馏分离，如果需要实现多元物系中的每个组分的精馏分离并保证各组分产品纯度，那么需要分解为多个近似二元物系精馏过程，依次进行精馏分离，从每个近似二元物系精馏过程得到一个纯度合格纯度组分产品。理论上从依次精馏最后一个精馏过程（精馏塔）可以得到两个纯度合格的组分产品，但这是有前提条件的，大多数情况下都很难保证。这样n元物系至少需要n-1个近似二元物系精馏过程（精馏塔），一般而言需要n个近似二元物系精馏过程（精馏塔）才能得到所有纯度合格的组分。
     在多元物系依次精馏的基础上，还有所谓的隔板模型优化精馏组织方案，即通过统筹两个近似二元物系依次精馏精馏过程的供冷供热方案从而实现精馏能耗的最优化。其中所谓的共底隔板模型优化后的相邻依次精馏两个精馏塔成为一个主塔加一个冷凝塔（侧塔），所谓共顶隔板模型优化后的相邻依次精馏两个精馏塔成为一个主塔加一个蒸馏塔或者提馏塔（侧塔），其中共底型隔板模型精馏组织方案，冷凝塔（侧塔）加上冷凝塔上升气引出口以下主塔提馏段是相邻两个依次精馏塔后一个依次精馏塔，冷凝塔上升气引出口以上的主塔是相邻两个依次精馏塔的前一个精馏塔！共顶型隔板模型优化组织方案，蒸馏塔（侧塔）加上蒸馏塔下降液引出口以上的主塔是依次精馏相邻两个依次精馏塔的后一个依次精馏塔，蒸馏塔（侧塔）下降液引出口以下的主塔是相邻两个依次精馏塔的前一个依次精馏塔！关于依次精馏和隔板模型优化的内容可以参阅前面的帖子。后面再结合氧氩氮三元物系的精馏工艺方案具体加以说明。
2 g8 m) Y% i9 K8 \      空气一般认为是近似氧氮二元物系，氧氮组分占了空气所有组分中的99%以上！但真实空气组成中还含有1%的氩组分及其它氪氙氦氖等含量很低的稀有气体组分。对于空气精馏过程而言，将空气视为氧氮二元物系，还是氧氮氩三元物系，还是氧氮氩氪氙氦氖多元物系需要根据空气精馏产品方案（纯度指标）才能正确确定！而近似氧氮二元物系精馏过程和近似氧氮氩三元物系精馏过程及氧氮氩氪氙氦氖多元物系精馏过程的精馏组织方案是完全不同的！
4 k( s: k8 l' G: C/ f6 ~4 H      例如以空气为原料制取合格氮气产品及纯度95%以下的氧气产品（含氩4.5%左右）就可以按照氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔进行精馏方案的组织（其中氩视同为氧，精馏塔底部氧氩混合气体中氮含量指标小于0.5%，氧气纯度就可以达到95%），可以在一个精馏塔的顶部和底部分别得纯度合格的氮气产品和纯度在95%以下（含氩约4.5%，含氮0.5%以下）的氧气产品，氧氮气产品理论上的提取率理论上可以达到100%！而目前制氮空分装置采用的是冷凝塔工艺方案，氮气提取率只能达到60%-70%！当然现在空分装置制氮已经出现了双塔双冷凝及单塔双空压机（其中一个空压机实际上是深冷富氧空气压缩机）制氮工艺方案，氮提取率已经达到75%以上甚至更高，但这其实己经不是完全意义上的冷凝塔工艺方案而是冷凝塔工艺方案为主带有部分精馏塔性质的制氮工艺方案。其中双塔双冷凝工艺方案其实就是同时制取氧氮气产品的所谓双塔流程，只是出于制取高纯度氮气产品的目的进行了适宜性调整，而单塔双空压机制氮工艺方案，原料空气入口处以下至富氧空气入口处实际上是氮一氩氧提馏段段。
( m+ x4 S# k: ]# e5 \0 q$ r1 S    如果要制取纯度达99.5%以上的氧气（含氩0.5%以下），那么空气就不能视为近似氧氮二元物系进行精馏方案组织，而必须按照氮氩氧精馏塔近似氧氩精馏塔进行精馏组织，从精馏塔底部得到纯度99.5%（含氩0.5%以下）以上的氧气产品，通过污氮气的排出，从精馏塔顶部可以得到纯度合格的氮气产品，但污氮气引出口以上实际上是氮一氩氧精馏塔的精馏段，污氮气引出口以下才是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，已经不是严格意义上的氮氩一氧近似氧氩精馏过程，而是氧氮氩三元物系依次精馏经隔板模型优化后省去侧塔（氮氩混合液体提馏塔）的氮氩一氧精馏塔和不完整氮一氩氧精馏塔（缺少氮一氩氧精馏塔提馏段）。其中污氮气（在污氮气数量约为氧气产量2倍情况下，污氮气中含氩约2%）以下的主塔是近似氧氩精馏塔的氮氩一氧精馏塔，污氮气引出口以上是氮一氩氧精馏塔的精馏段。这是一个特殊的工艺方案，其精馏能耗和氧氩氮三元物系精馏工艺方案基本相当但不提取氩气产品。
     如果需要制取纯度合格的氧氩氮组分产品，那么就是三元物系精馏过程。需要根据氧氩氮三元物系进行精馏方案的组织。
( |' R' m9 l5 m9 n) w 根据空气的氧氩氮组成比例，氮气含量最高约占78%！合理的空气氧氩氮三元物系依次精馏组织方案的第一个依次精馏塔应该是氮一氩氧精馏塔近似氧氮二元物系精馏塔，从第一个依次精馏氮一氩氧近似氧氮精馏塔得到纯度合格的氮气产品及氧氩混合气体（含有少量氮）作为依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔的原料气。从依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔得到纯度合格的氧气产品和工艺方案氩气（其中氮气含量决定于依次精馏第二精馏塔原料气氧氩混合气体中的氮气含量，氧气含量是依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔的低沸点组分工艺指标）作为依次精馏第三精馏塔精氩塔（脱氮塔）氮氩一氧精馏塔近似氮一氩精馏塔的原料气，从依次精馏第三精馏塔底部得到合格的精氩产品。这是氧氩氮三元物系依次精馏的一般组织方案。这和双塔流程和新单塔流程完全无关，因为所谓双塔流程和新单塔流程其不同在于开式热泵供冷供热方案，就精馏组织方案而言都是氧氮二元物系精馏组织方案。
0 ~+ e2 y6 Z) j+ F# N6 ~+ {5 z   目前基于双塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案，其中精氩塔和以上的依次精馏第三精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔完全一致（不涉及供冷供热方案）。而依次精馏第一精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔和依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，则经过隔板模型优化而变为上塔加粗氩冷凝塔（侧塔），其中氩馏分引出口以上的上塔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上塔是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，其中粗氩冷凝塔是氮氩一氧精馏塔的精馏段，氩馏分引出口以下的上塔是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔的提馏段。
   组分沸点远低于环境温度的二元物系开式热泵精馏工艺方案，如果采用单开式热泵供冷供热方案（标准常规二元物系开式热泵供冷供热精馏工艺方案），则单开式热泵的循环量和精馏原料气中的高低沸点组分比例关系极大，一般情况下都需要采用低沸点组分和精馏原料气为循环工质的双开式热泵供冷供热方案，精馏效率才会比较高，例如氧氩氮三元物系依次精馏组织方案中，依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔的原料气中的含氧约95%含氩约4.5%，如采用单开式热泵供冷供热方案，则则依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔的单开式热泵供冷供热精馏工艺方案，低沸点组分一一工艺氩气压缩量需达到原料气数量的3.2倍，而如果原料气中的氩含达到10%，则工艺氩气压缩量可以降低至原料气数量的1.45倍！如果采用双开式热泵供冷供热方案，但由于氧氩沸点仅相差3k。在实际工程条件下（冷凝器换热温差2K）以原料气为循环工质的开式热泵供冷供热有效能效率很低！正是由于以上的原因，三元物系依次精馏组织方案发展出了隔板模型优化方案，通过统筹两个依次精馏塔的供冷供热方案，改变进入依次精馏第二精馏塔的原料气组成，降低了依次精馏第二精馏塔以低沸点组分（工艺氩气）为循环工质的单开式热泵供冷供热精馏工艺方案的开式热泵循环量，大幅度提高了精馏效率！
    精馏组织方案可以分为两个部分，一是精馏本位部分的组织方案，二是供冷供热组织方案，两者相加才是完整的精馏组织方案（工艺方案）。就精馏本体组织方案而言，是三元物系或者多元物系分解为多个近似二元物系精馏塔的顺序安排及相邻近似二元物系精馏塔的隔板模型优化组织方案。就供冷供热组织方案而言，有标准常规供冷供热方案，双效精馏及多效精馏供冷供热方案，单热泵及多热泵供冷供热方案及彻底的开式热泵供冷供热方案。对完整的精馏工艺方案的理解和把握需要分别从精馏本体组织方案和供冷供热方案两个方面进行深入分析才能实现！

Yb2021

  理解氧氩氮三元物系的精馏基本组织方案是正确理解空气开式热泵精馏过程的基础常识是非常重要的。

Yb2021

    真实组分下的空气精馏分离和理论上的氧氮二元物系精馏分离非常接近，但和氮氩一氧精馏分离相去甚远！如果真实空气组成下，氧气产品纯度要求达到99.5%以上（含氩0.5%以下）就不是近似氧氮二元物系精馏分离过程，而是氧氮氩三元物系精馏分离，是依次精馏的氮氩氧精馏塔和氮一氩氧精馏塔经隔板模型优化组合而成。只是在不提氩的情况下省去了侧塔（氮氩混合液体提馏塔）而己！深冷空分教科书中对此也是含含糊糊，因此产生了许多的混乱。

Yb2021

隔板模型优化对空气精馏分离是一个非常重要的理论问题和实践问题。不了解隔板模型优化理论，就不能理解上塔加粗氩冷凝塔实际上是两个精馏塔组合而成，也无法理解粗氩冷凝塔氮阻问题产生的原因和解决的办法。

Yb2021

所谓的多元物系依次精馏隔板模型优化组织方案，就是通过统等依次精馏第一，第二精馏塔，从而改变进入依次精馏第二精馏塔的精馏原料气组成，从而降低依次精馏第二精馏塔的精馏能耗！

Yb2021

多元物系精馏工艺方案的所谓恩德伍德精馏工艺方案，就是一个极端的依次精馏隔板模型优化组织方案，主塔加上多个侧塔，从主塔顶部得到沸点最低的组分，从主塔底部得到沸点最高的组分（一段是水），从每一个侧塔得到一个沸点在最高最低之间的组分。实际上是多个多元物系多个近似二元物系精馏塔组合而成！

Yb2021

氧氩氮三元物系精馏工艺方案分为氧氩氮三元物系依次精馏组织方案及隔板模型优化组织方案和开式热泵供冷供热方案两个部分。