外行学空分（334）一一空分基本原理（12）一一产品纯度，理论塔板数，回流比（5）

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! @! N8 S" Y- m! w4 C. \      在讨论产品纯度，理论塔板数和回流比的问题或者说在进行精馏计算之前，首先要对几个问题有非常清楚的认识。一是 分清是组分沸点在环境温度以上的精馏过程还是组分沸点在环境温度以下的精馏过程，组分沸点在环境温度以上的精馏过程，精馏原料呈液态，精馏产品也呈液态。组分沸点在环境温度以下的精馏过程，精馏原料呈气态，精馏产品也是气态。两者之间的精馏计算有不同的特点。二是分清是二元物系或者近似二元物系精馏过程还是三元物系或者多元物系精馏过程。二元物系或者近似二元物系精馏过程是最基础的精馏计算，其中二元物系只需要一个精馏塔，就能保证高低沸点组分产品纯度和提取率，近似二元物系精馏塔也只需要一个精馏塔，但只能保证其中一个组分的产品纯度。而三元物系或者多元物系精馏过程，为了保证每个组分的产品纯度，必须分解为多个近似二元物系精馏过程（精馏塔），分别进行精馏计算，每个精馏塔只能保证一个组分产品纯度和提取率，n元物系理论塔至少需要n-1个精馏过程（精馏塔），一般需要n个精馏过程（精馏塔）才能保证每个组分产品纯度和提取率。三是必须对精馏供冷供热方案有深刻的认识。组分沸点在环境温度以上的二元物系精馏过程（精馏塔）有标准常规精馏工艺方案。双效及多效精馏工艺方案，标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案。组分沸点在环境温度以下的二元物系精馏过程（精馏塔）有以低沸点组分产品为循环工质的单开式热泵供冷供热方案，以精馏原料气为循环工质的单开式热泵供冷供热方案，以精馏原料气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热方案，以及在以上三个单开式热泵供冷供热方案基础上的多热泵供冷供热方案。四是多元物系精馏过程中，要考虑是否需要隔板模型优化组织方案。只有明确了以上的四个问题，才能进行产品纯度，理论塔板数及回流比的计算。
' \( a6 ?' m2 }) N5 _   组分沸点在环境温度以上的二元物系标准常规精馏工艺方案，理论上解决了二元物系高低沸点组分产品纯度和提取率的问题，在无限理论塔板数下，高低沸点组分产品纯度和高低沸点组分提取率都可以达到100%！但在理论塔板数有限的实际工程条件下，以下三种情况下精馏能耗很高效率很低，一是制取高纯度高低沸点组分产品时，二是精馏原料中高低沸点组分比例导致精馏塔精馏段回流液气比和提馏段回流气液比严重不协调时！三是二元物系高低沸点差距很小分离系数很小时！为了降低精馏过程能耗提高精馏过程效率又发展出了二元物系双效精馏及多效精馏和标准常规精馏基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案。其中双效精馏及多效精馏适合于精馏原料中低沸点组分比例严重偏高的二元物系精馏过程。可以有比较明显的节能（蒸汽耗）效果。标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案，全部可以解决组分沸点在环境温度以上的精馏过程能耗高效率低的问题，但同样无法运用于组分沸点远低于环境温度的空气精馏分离过程。标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案理论上非常成熟，但受限于热泵循环工质压缩机设计制造上的困难，并没有全面取代标准常规精馏工艺方案和双效精馏及多效精馏工艺方案。另外还有一个非常重要的背景是对于组分沸点在环境温度以上的二元物系精馏过程，人们对精馏装置启动方便和运行可靠性的重视更甚于精馏能耗，而在这些方面二元物系标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案相对于标准常规精馏工艺方案和双效精馏及多效精馏工艺方案并无优势！
    二元物系精馏工艺方案中的所谓标准常规精馏工艺方案，双效及多效精馏工艺方案，单热泵及多热泵精馏工艺方案，完全自热即彻底开式热泵精馏工艺方案，本质上都是精馏过程供冷供热方案的改变和优化！就精馏过程本身而言并无变化，都是在一个接近常压精馏塔中完成二元物系精馏分离过程，或者在多个接近常压近似二元物系精馏塔中实现多元物系的精馏分离，每个二元物系精馏塔或者近似二元物系精馏塔都是理论塔板数，回流比，产品纯度的问题。由二元物系的高低沸点组分产品纯度指标，结合实际可用理论塔板数，计算出精馏段和提馏段的实际回流液气比和回流气液比。由回流液气比和回流气液比计算出需要的供冷供热数量，从而确定供冷供热方案。
+ @4 m( F' W' W3 D    空气的组成是沸点远低于环境温度的氧氩氮三元物系，还有氦氖氪氙等稀有气体组分。其精馏过程是组分沸点远低于环境温度的精馏过程。空分装置是空气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。其中空气开式热泵一膨胀制冷液化部分是空气开式热泵精馏部分启动的前提条件，也是空气开式热泵精馏实现稳态化运行的必要条件，当然也可以结合开式热泵精馏过程制取液空，液氧，液氮，液氩产品。有关内容可以参阅前面的帖子。
* o+ _0 G3 q5 d" X: g* [     组分沸点远低于环境温度的空气精馏分离过程和组分沸点在环境温度以上的精馏分离过程的区别在于两个方面，一是气液共存状态的创造和气液平衡问题，二是精馏过程的供冷供热方案。其中组分沸点在环境温度以上的精馏过程，精馏原料呈液态，可以通过公用工程蒸汽加热和冷却水冷却实现气液共存状态，为精馏过程启动创造条件。也可以通过蒸汽加热量和冷却水冷却量的增减实现气液平衡即所谓的热量平衡。其次组分沸点在环境温度以上的精馏过程，也可以采用公用工程蒸汽加热精馏塔底部高沸点组分液体使之蒸发气化形成回流上升气，公用工程冷却水冷却使精馏塔顶部低沸点组分气体冷凝形成回流液，从而实现精馏过程的供冷供热。用于精馏过程的蒸汽再沸器和冷却水冷凝器从精馏供冷供热角度来说，实际上构成了一个供冷供热的闭式热泵（可以视同以水蒸汽为循环工质的闭式热泵）。而组分沸点远低于环境温度的空气精馏分离过程，则必须采用空气开式热泵一膨胀制冷液化实现空气的液化，从而为空气精馏分离创造气液共存状态并实现气液平衡（冷量平衡），同时空气精馏分离过程采用的是以空气中的低沸点组分或者氧氩氮混合气体为循环工质的彻底开式热泵供冷供热方案即完全自热精馏工艺方案。
1 G4 K9 L& ^2 @, ~- _3 L  W   空气开式热泵精馏工艺方案又称为完全自热精馏工艺方案，本质上是彻底的开式热泵供冷供热精馏工艺方案，是空气精馏分离的唯一可行的精馏工艺方案！空气精馏分离实际上是世界上第一个实现彻底开式热泵精馏完全自热精馏的工业化运行案例。在时间上甚至早于组分沸点在环境温度以上的二元物系双效精馏及多效精馏和单热泵及多热泵精馏理论和实践！
    空气精馏分离的产品纯度，理论塔板数，回流比三者之间的关系和组分沸点在环境温度以上的精馏过程并无任何不同！对于氧氮二元物系精馏工艺方案，同样存在标准常规开式热泵精馏工艺方案（所谓新单塔工艺方案）和以空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏工艺方案（所谓双塔流程工艺方案，和组分沸点在环境温度以上的二元物系双效精馏工艺方案形式上非常相似，精馏计算也很相似），对于空气氧氮氩三元物系精馏工艺方案，同样必须分解为两个或者叁个近似二元物系依次精馏塔才能进行产品纯度，理论塔板数，回流比的计算。但和组分沸点在环境温度以上的精馏计算相比，空气精馏分离计算也存在一些特点。
    一，空气精馏计算中所谓的恒摩尔流假定是不成立的，当然组分沸点在环境温度以上的精馏计算中，严格来说所谓恒摩尔流假定也是不成立的！但由于高低沸点组分摩尔相变热差距不大，在恒摩尔流假定下进行精馏计算，极大简化了精馏计算过程，误差一般而言是可以接受的！但空气组分氧氮氩摩尔相变热差距很大，例如常压下氧氮摩尔相变热比值为1.23！氧氩摩尔相变热比值为1.087！压力5.6bar下，氧氮摩尔相变热比值为1.4！精馏过程高低沸点组分气液交换以摩尔相变热比值进行交换而不是以恒摩尔流假定的1比1进行交换！但在定性讨论问题时，如不加说明，一般而言都是以恒摩尔流假定成立为前提进行初步精馏计算。只有在需要精密计算时，才会考虑相变热的不同，但计算量将大幅度增加。
    二，当氧氮二元物系采用标准常规开式热泵精馏工艺方案（新单塔流程）基础上的多热泵精馏工艺方案时，如果热泵冷凝器并列设置在空分塔底部，则减压后热泵循环工质液体入口处的气相与液体中的组成处于气液平衡！当氧氮二元物系精馏工艺方案采用以空气为循环工质的的一拖二开式热泵精馏工艺方案（即所谓双塔工艺方案）时，减压后的下塔富氧液空入口处对应气相组成和富氧液空组成不相关，气相中的氧含量等于空气进入下塔的百分比乘以空气中的氧含量除以空气中的氮气含量！而上升气数量等于空气中氮气数量（与氧气产品纯度有关，严格地说等于空气中的氮气数量减去氧气产品中带走的氮气数量）！进入下塔的空气比例越大（相应用于膨胀制冷的空气比例越小），则空分塔（上塔）富氧液空入口处对应的气相中的氧含量越高，富氧液空入口处以上至污氮气引出口之间的精馏段最小回流液气比越大！这一点在空气精馏工艺方案精馏计算中要特别注意，这样的情况和组分沸点在环境温度以上的双效精馏工艺方案非常相似，但组分沸点在环境温度以上的双效精馏工艺方案，可以通过改变高压精馏塔蒸汽再沸器的蒸汽加入量，改变高压精馏塔底部高低沸点组分液体中的高沸点组分含量及高压精馏塔送至低压精馏塔高低沸点组分液体入口处的上升气数量。而以空气为循环工质的一拖二开式热泵工艺方案，下塔富氧液空中的氧含量则决定于下塔的实际理论塔板数和液氮纯度。但不可能高于下塔压力下与空气组成平衡的液相组成中的氧含量。而上塔富氧液空入口处的上升气数量总是等于空气中的氮气数量。
. U$ ]/ r. O8 p! ~( H+ n  三，空气真实组成是氧氮氩三元物系，虽然理论上可以简化为氧氮二元物系进行理论分析和精馏计算。但那是近似的，在真实空气组成下，氧气纯度只能达到95%！空气氧氮氩三元物系精馏分离，需要分解为氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔和氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔分别进行产品纯度，理论塔板数，回流比的计算。严格二元物系精馏计算和近似二元物系精馏计算存在一些需要注意的问题。例如氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，只能保证氮气产品纯度及氧氩气中的氮气含量，在氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔精馏计算时，要根据氮气产品纯度和氮气产品提取率（通过污氮气引出数量调整）及污氮气引出口以上的理论塔板数计算出液氮回流液数量（以氮气为循环工质的开式热泵循环量），再根据氧氩混合气体中的氮气含量指标及可用理论塔板数计算出需要的液空回流液数量（以空气为循环工质的开式热泵循环量）。氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔只能保证氧气产品纯度及氮氩气（工艺氩气）中的氧含量，经过隔板模型优化后，进入粗氩冷凝塔的氩馏分中的氩含量约为10%，氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔和一般精馏过程具有特殊性。经隔板模型优化后进入粗氩冷凝塔的氩馏分中的氩含量约8%-12%之间，此时氧氩分离系数约为1.5！简单计算可以得出粗氩冷凝塔的最大氩提取率为33%（工艺氩气产量和进入粗氩冷凝塔的氩馏分中的氩气数量比值），氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔随着氩含量升高，氧氩分离系数从1.5逐步降低至1.1！在氩馏分中的氩含量10%，工艺氩气中的氧气含量指标0.8-0.9PPM（精氩气中氧含量指标1PPM），粗氩冷凝塔的理论塔板数需要170-200块左右。氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔只能保证氮气纯度及氩气中的氮气含量。
7 S% [0 G# B2 ]0 x   四，无论是基于新单塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案还是基于双塔流程的氧氩氮三元物系依次均采用隔板模型优化组后的依次精馏组织方案。其中上塔（空分塔）氩馏分引出口以上是氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，氩馏分引出口以下的空分塔加粗氩冷凝塔是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔（精氩塔）是一个单独的精馏塔。基于新单塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案，采用氮气，空气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热方案。其中氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔采用空气，氮气为循环工质的双开式热泵供冷供热方案。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。氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔（精氩塔）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。基于双塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案，采用以空气为循环工质的一拖多开式热泵供冷供热方案，其中氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔采用以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热方案。粗氩冷凝塔采用富氧液空蒸发气化蒸发一冷凝器供冷方案，蒸发气化后的富氧空气返回上塔参与精馏。这样送粗氩冷凝器和上塔的富氧液空数量分配对上塔及粗氩冷凝塔精馏工况产生重大的影响。当粗氩冷凝塔投入之前，上塔富氧液空入口处对应气相中的氧含量只与空气进入下塔的数量比例相关，当粗氩冷凝塔投运后，上塔富氧液空入口处对应气相中的氧含量则与富氧液空送上塔及粗氩塔粗氩冷凝器的数量比例相关，而与富氧液空中的氧含量无关，在粗氩冷凝塔投运前，当空气进入下塔的比例为85%时，富氧液空入口处对应气相中氧含量约21%，当空气全部进入下塔时，富氧液空入口处对应气相中的氧含量约26%！富氧液空入口处以上至污氮气引出口之间的回流液气比总是小于最小回流液气比！污氮气中的氧含量较高，氧提取率低！随着粗氩冷凝塔投入运行，送粗氩冷凝器的富氧液空数量增加（相应返回上塔参与精馏的富氧空气数量相应增加），上塔富氧液空入口处对应气相中的氧含量降低，上塔富氧液空入口处以上至污氮气引出口之间的最小回流液气比降低，实际回流液气比不变，污氮气中的氧含量降低，氧提取率升高！当富氧液空送粗氩冷凝器的数量达到一定比例后，上塔富氧液空入口处对应气相中的氧含量不再降低反而上升！此时不但污氮气中的氧含量升高，氧提取率降低，一旦富氧液空送粗氩塔粗氩冷凝器的数量超过一定比例，则氩馏分中的氮气含量也会急剧上升引发粗氩冷凝塔氮阻。具体内容参阅前面的相关帖子一一如何计算氩馏分中的氮气含量及氮阻问题发生的原因！也就是采用以空气为循环工质的一拖多开式热泵供冷供热氧氩氮三元物系精馏工艺方案时，随着进入下塔的空气比例不同，都存在一个最合适的下塔富氧液空送上塔精馏段和粗氩冷凝塔顶部粗氩冷凝器的最优比例！在最优分配比例下，上塔富氧液空入口处对应的气相中的氧含量最低，氩馏分中的氮气含量最低！
   五，所谓双塔流程的氧氩氮三元物系依次精馏工艺方案中，如果不提氩但要求氧气产品纯度达到99.5%（含氩0.5%以下）以上。则氧氩氮三元物系依次精馏第一精馏塔采用氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，第二精馏塔采用氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔，经隔板模型优化后，上塔富氧液空入口处以下是氮氩一氧精馏塔，富氧液空入口处以上是氮一氩氧精馏塔，由于不提氩经隔板模优化后的氩氧蒸馏塔则省去，通过污氮气的引出，实现氮气纯度指标！这是氧氩氮三元物系依次精馏的另一个组织方案经隔板模型优化后的简化版！

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   空气精馏分离过程是完全自热精馏过程即彻底的开式热泵精馏工艺方案，而不是所谓的组分沸点在环境温度以上的双效精馏工艺方案，这一点是毫无争议的。

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以空气为循环工质的一拖二开式热泵空气精馏工艺方案（即所谓的双塔流程），上塔富氧液空入口处对应气相中的氧含量和富氧液空中的氧含量完全无关，而和进入下塔的空气数量即空气热泵循环量有关。空气全部进入下塔时，上塔富氧液空入口处对应气相中的氧含量约26%！当进入下塔空气数量占空气数量85%时，对应气相中的氧含量21%！富氧液空入口处以上至污氮气引出口之间的最小回流液气比分别为0.65，0.52！

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在进行精馏计算之前，首先必须对以下四个问题有非常清楚的认识。一是精馏原料呈液态还是气态，精馏原料呈液态是组分沸点在环境温度以上的精馏过程，可以采用标准常规精馏工艺方案，双效精馏及多效精馏工艺方案及标准常规精馏工艺方案基础上的单热泵及多热泵精馏工艺方案。如果精馏原料星气态则是彻底开式热泵供冷供热精馏工艺方案即完全自热精馏工艺方案。二是必须分清是二元物系精馏工艺方案，还是三元物系或者多元物系精馏工艺方案。三是单热泵供冷供热方案还是多热泵供冷供热方案还是以精馏原料气为循环工质的一拖二（多）开式热泵供冷供热方案。四是多元物系精馏工艺方案中的隔板模型优化组织方案。

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如果不对开式热泵供冷供热方案，依次精馏组织方案，隔板模型优化组织方案有深刻的理解，不会进行基本的精馏计算，而完全依靠计算软件，则底层逻辑被完全锁定而不自知！

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开式热泵精馏工艺方案又称为完全

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精馏计算的问题在精馏计算之外！