外行学空分（342）一一空分基本原理（20）一一空分流程的组织（4）

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   空分流程的组织除了空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案工艺参数的选择和优化及空气氧氮氩三元物系依次精馏组织方案的顺序选择及隔板模型优化外，剩下的非常重要的问题就是精馏分离过程的开式热泵供冷供热方案。空气精馏分离过程是组分沸点远低于环境温度的精馏分离过程。唯一可行的精馏过程供冷供热方案是开式热泵供冷供热方案。
    对于组分沸点远低于环境温度的精馏过程，其供冷供热方案只能是开式热泵供冷供热方案，其中二元物系的精馏过程供冷供热方案是其中最基础的内容，理论上多元物系精馏过程必须分解多个近似二元物系精馏过程，每个近似二元物系精馏过程都必须相应考虑其对应的开式热泵精馏过程相同的开式热泵供冷供热方案！
$ D( v8 C' a( [* z' J& d% A     二元物系精馏过程有单开式热泵供冷供热方案和多开式热泵供冷供热方案，其中单开式热泵供冷供热方案是以二元物系中的低沸点组分为循环工质，压力循环工质冷凝器设置在精馏塔底部的开式热泵供冷供热方案即标准常规开式热泵供冷供热精馏工艺方案，多开式热泵供冷供热方案则除了标准开式热泵供冷供热精馏工艺方案外在增加以二元物系混合气体为循环工质的开式热泵供冷供热方案。完全可逆的二元物系精馏过程，必须满足三个条件。一是无限理论塔板数，以保证精馏过程每个精馏段或者提馏段都在最小回流液气比和最小回流气液比下操作。二是必须设置无多的供冷供热开式热泵，才能保证消除精馏过程的气液交换的温差和浓度差实现精馏过程的完全可逆。实际精馏过程当然不可能是完全可逆精馏过程，但通过工程条件的改进（增加理论塔板数，精馏塔阻力减少，尽可能降低冷凝器换热温差），采用多开式热泵供冷供热精馏方案，可以提高开式热泵供冷供热精馏过程有效能效率，从而降低其不可逆性，降低精馏能耗，这就是多热泵精馏技术成为精馏过程最重要节能技术方向的基本原因，相关内容可以参阅前面的单热泵及多热泵精馏的相关帖子。
/ A% n" W9 O' P' \/ Q8 @+ `6 A    对于组分沸点远低于环境温度的二元物系精馏过程，唯一可行的供冷供热方案是开式热泵供冷供热方案，一个开式热泵供冷供热方案提供一个规格的供热温度（热泵循环工质气体在热泵循环工质压缩机出口压力下对应的冷凝温度）和一个规格的供冷温度（热泵循环工质液体在精馏塔压力下对应的蒸发气化温度）！以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，是二元物系精馏过程基本的开式热泵供冷供热方案，都可以保证二元物系高低沸点组分的产品纯度和提取率，精馏过程有效能效率即所谓精馏效率（不是开式热泵精馏有效能效率，而是精馏塔有效能效率或者精馏本体部分有效能效率，开式热泵精馏有效能效率是精馏有效能效率和加权平均开式热泵供冷供热有效能效率的乘积！）在无限理论塔板数下，可以达到80%以上！只有在高低沸点组分产品纯度指标极高，理论塔板数有限，使精馏过程有效能效率大幅度降低时，才需要考虑在以低沸点组分和精馏原料组为循环工质的两个开式热泵供冷供热方案基础上，增加开式热泵的设置，采用三开式热泵以上的供冷供热方案。三元物系或者多元物系的依次精馏每个近似二元物系依次精馏塔，理论上都需要以精馏原料气和低沸点组分产品为循环工质的双开式热泵供冷供热方案，才能保证较高的精馏效率。
      正如组分沸点在环境温度以上的多元物系精馏过程只需要采用一种规格的蒸汽冷却水就可以实现所有近似二元物系精馏过程的供冷供热一样（其代价是供冷供热有效能效率降低，精馏能耗升高），组分沸点远低于环境温度的多元物系精馏过程，也可以采用单开式热泵或者双开式热泵给所有的近似二元物系精馏过程供冷供热。只是需要增加冷凝一蒸发器和蒸发一冷凝器而已，而代价是开式热泵供冷供热精馏有效能效率的降低，能耗升高！具体开式热泵供冷供热方案的设定，需要根据具体情况而定！
     一个完整的空分装置，从功能上而言，除了原料空气的纯化和空气开式热泵一膨胀制冷液化部分外，核心的部分是空气开式热泵精馏！空气开式热泵精馏又分为两个部分，一是空气精馏的本体部分，二是开式热泵供冷供热部分。就空气氧氩氮三元物系精馏而言，其中空气氧氩氮三元物系精馏本位部分，均采用经隔板模型优化后的氧氮氩三元物系依次精馏组织方案，开式热泵供冷供热方案则有单热泵及多热泵供冷供热方案和以空气为循环工质一拖二（多）开式热泵供冷供热方案的区别。
; n) V. H" }) X! D$ e       空气氧氮氩三元物系隔板模型优化后的依次精馏分离过程供冷供热共有两个基本方案，一是以精馏原料一一空气为循环工质的一拖二（多）开式热泵供冷供热方案。二是以空气，氮气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热方案。前者其实就是目前绝对主流的所谓双塔流程工艺方案（供冷供热方案），后者是基于新单塔流程的基本开式热泵供冷供热方案。双塔流程以空气为循环工质的一拖二（多）开式热泵供冷供热方案以空气处理量50000NM3为例，具体描述如下。
  a6 A* e: G& D1 Z  x: o      50000NM3干空气经空压机两段压缩至5.6bar，纯化后其中约87%，43500NM3在主换热器与返流氧氮氩气换热后部分带液进入下塔底部，其余约13%，6500NM3压力空气涡轮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上塔（空分塔，主塔）参与精馏，膨胀机输出功用于膨胀制冷压力空气的涡轮增压。进入下塔的压力空气在下塔冷凝分离为液氮和富氧液空，其中下塔顶部压力氮气上升气数量47200NM3（不是43500NM3，下塔压力下氧氮相变热比值为1.4），约700NM3压力氮气从下塔顶部引出进入设置在精氩塔（氧氮氩依次精馏第三精馏塔，氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔）底部的压力氮气冷凝一蒸发器中冷凝为液氮并实现给精氩塔供热使精氩塔底部精氩液体蒸发气化，一部分作为精氩塔提馏段回流上升气，一部分引出复热后作为精氩气产品，压力氮气冷凝器中的液氮过冷后送至设置在精氩塔顶部的液氮蒸发一冷凝器中蒸发使精氩塔顶部的氮氩混合气体冷凝作为回流液，从而实现给精氩塔供冷（液氮之所以不直接加精氩塔顶部作为回流液，是因为精氩塔顶部是精馏部分压力最低的位置），蒸发气化后的氮气与污氮气或空分塔顶部引出氮气汇合后复热至常温，精氩塔顶部末冷凝的气相称为废气，通过废气阀就地排入大气。下塔顶部其余46500NM3压力氮气在主冷凝一蒸发器中冷凝为液氮，其冷凝潜热使空分塔（上塔，主塔）底部的液氧蒸发气化，一部分作为上升气，一部分引出复热至常温后作为产品氧气。从使实现给空分塔底部供热。冷凝的液氮46500NM3，其中约21000NM3液氮过冷后送至空分塔顶部作为回流液，从而实现给空分塔顶部供冷。其余25500NM3作为下塔顶部回流液，在下塔底部产生富氧液空21800NM3，富氧液空中含氧约38%-40%！富氧液空过冷后分为两部分，一部分约11000-12000NM3富氧液空送至粗氩冷凝塔冷凝器（蒸发一冷凝器）中蒸发气化，其蒸发潜热使粗氩冷凝塔顶部的工艺氩气冷凝作为粗氩冷凝塔回流液，从而实现给粗氩冷凝塔顶部供冷，未冷凝的工艺氩气作为精氩塔原料气引出进入精氩塔中部参与精馏。蒸发气化后的富氧空气与膨胀制冷空气汇合在空分塔富氧液空入口处以下2-3理论塔板数处进入空分塔参与精馏。另外约10000-11000NM3富氧液空送至空分塔中部分作为回流液。富氧液空送上塔中部和粗氩冷凝塔冷凝器的数量比例决定了进入粗氩冷凝塔氩馏分数量及工艺氩气引出量。送粗氩冷凝塔的富氧液空数量增加，进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量相应增加，工艺氩气引出量可以在保证工艺氩气中氧含量指标合格的情况下相应增加，但空分塔膨胀制冷空气和富氧空气入口处以下的氮一氩氧精馏塔提馏段上升气数量相应减少，回流气液比降低，氩馏分中的氮气含量升高，粗氩冷凝塔易出现氮阻问题，同时空分塔富氧液空入口处对应气相中的氧含量升高，污氮气中的氧含量升高，氧提取率降低。在以上富氧液空分配数量下，可以保证氧提取率，但氩提取率只能达到75%左右！如果空分塔总理论塔板数85块，氩馏分引出口以下至空分塔底部理论塔板数25块左右，氧气产品纯度只能达到99.5%（含氩0.5%），如果要求氧气纯度99.8%，同时保证氧提取率（接近100%），氩提取率90%以上，则需要空气全部进入下塔，这样情况下，富氧液空送粗氩冷凝塔的数量增加至15000-16000NM3，送空分塔中部的富氧液空数量为10000-11000NM3，送空分塔顶部液氮数量为23000-24000NM3！当然这样情况下，也就没有所谓的低温膨胀机了，压力空气增压机和高温膨胀机就是空分装置的必要的配备，目前所谓双塔流程越来越趋于采用空气全部进入下塔的工艺方案。以上方案由于没有设置压力空气增压机，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率较低，为了保证空分装置冷量平衡（本质上是气液平衡），一般情况下，需要提高空压机出口压力。
      空气氧氮氩三元物系精馏工艺方案的第二个供冷供热方案是以空气，氮气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热方案。50000NM3干空气经空压机两段压缩至4.2bar，纯化后其中5000NM3进一步增压至38bar，在主换热器换热后液化经液体膨胀机膨胀减压（会有少量液空气化）进入设置在空分塔底部的压力空气冷凝一蒸发器中完全冷凝为液空，过冷后送至空分塔中部作为回流液。其余压力空气45000NM3涡轮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。膨胀机输出功用于膨胀制冷压力空气的涡轮增压，从空分塔顶部引出氮气45000NM3，与液空，液空换热使液氮，液空过冷后进入主换热器复热至常温后，其中20000NM3作为产品氮气，25000NM3经氮压机两段压缩至5.4bar，在主换热器换热后，其中100NM3压力氮气引出进入设置在精氩塔底部的冷凝一蒸发器（再沸器）中冷凝为液氮，过冷后送至精氩塔顶部作为回流液。其余24900NM3进入设置在空分塔底部的压力氮气冷凝器中冷凝为液氮，过冷后送至空分塔顶部作为回流液。从粗氩冷凝塔顶部引工艺氩气14000-18000NM3在主换热器复热至常温后压缩至2.3bar（工艺氩气适宜采用深冷压缩，这样一方面可以减少主换热器换热面积，同时可以降低压缩比至2左右），在主换热器换热后进入设置在空分塔底部的压力工艺氩气冷凝器中冷凝为工艺氩气液体，过冷后送至精氩冷凝塔顶部作为回流液。另外从压力工艺氩气冷凝器前引出压力工艺氩气约450NM3进入设置在精氩塔底部的压力工艺氩气冷凝器中冷凝为液氮和工艺氩气液体，过冷后送至精氩塔顶部及中部作为回流液。从空分塔底部引出纯度为99.5%-99.8%的液氧约4000NM3，氧气约6000NM3在主换热器复热至常温后作为产品氧气！从空分塔底部以上25块理论塔板数处引出氩馏分（含氮0.2%-0.5%，含氩约10%，其余为氧组分）14000-18000NM3进入粗氩冷凝塔。从空分塔精馏段引出污氮气约19200NM3与液氮，液空换热并液氮，液空过冷后在主换热器换热复热至常温后，作为纯化器再生气和空冷塔之用。从精氩塔底部引出精氩400NM3左右在主换热器复热至常温后作为精氩产品。在氩馏分引出口以下至空分塔底部之间理论塔板数25块左右时，氧气纯度99.8%对应工艺氩气压缩量18000NM3，氧气纯度99.5%时对应工艺氩气压缩量14000NM3！
" C+ h. q% b( A6 w  S# g   以上两个氧氮氩三元物系经隔板模型优化后的依次精馏工艺方案的供冷供热方案的第一个以空气为循环工质的一拖多开式热泵供冷供热方案其实就是目前基于所谓双塔流程的氧氩氮三元物系经隔板模型优化后的依次精馏方案的供冷供热方案。而第二个供冷供热方案则是基于新单塔流程的空气，氮气，工艺氩气三开式热泵供冷供热方案！前者开式热泵供冷供热热泵循环工质（空气）总压缩功耗3000-35000KWh！后者三开式热泵循环工质总压缩功耗2400-2600KWh！后者的热泵循环工质总压缩功耗是前者的70%-80%左右其中压力空气增压机压缩功耗属空气于开式热泵一膨胀制冷液化功耗不属于开式热泵供冷供热循环工质压缩功耗。
" C+ ~% v- A/ J) J    以上两个不同氧氩氮三元物系精馏由于供冷供热方案的不同，依次精馏第一精馏塔氮一氥氧精馏塔工况有很大的不同，其中采用以空气为循环工质一拖二（多）开式热泵供冷供热方案时，氮一氩氧精馏塔富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量和富氧液空中的氧氩含量并不处于气液平衡状态，而决定于进入下塔的空气数量及下塔富氧液空送上塔精馏段和粗氩冷凝器数量分配，当进入下塔的空气数量为43500NM3时，氧含量为20%-21%，氩含量约为1%！当空气全部进入下塔时，相应氧含量21%-22%，氩含量1%-1.2%！根据富氧液空在上塔精馏段和粗氩冷凝器之间的分配比例不同而不同！同时采用以空气为循环工质一拖二（多）开式热泵供冷供热方案时，富氧液空入口处的上升气数量约为39000NM3，富氧液空入口处以上的最小回流液气比为0.52-0.54！而采用空气，氮气双开式热泵供冷供热方案时，上升气数量约为63000NM3！但是液空入口处对应的氧氩含量和液空中的氧氩含量处于气液平衡状态，氧含量的7%，氩含量约0.35%！液空入口处以上的精馏段最小回流液气比为0.33-0.35！
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    基于新单塔流程的氧氮氩三元物系依次精馏组织方案和基于所谓双塔流程的氧氮氩三元物系依次精馏组织方案是完全一致的，它们之间的区别在于供冷供热方案的不同。基于新单塔流程的氧氮氩三元物系精馏工艺方案采用以空气，氮气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵供冷供热方案，基于双塔流程的氧氮氩三元物系依次精馏工艺方案采用的是以空气为循环工质的一拖多开式热泵供冷供热方案。

致知忠行

参考，学习一下

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   供冷供热方案是精馏组织的核心问题，精馏技术的发展历程本质上就是供冷供热方案改进的过程，由标准常规精馏工艺方案而双效精馏及多效精馏再进一步发展到单热泵及多热泵精馏工艺方案直至完全开式热泵精馏工艺方案，供冷供热方案和精馏过程需要的供冷供热更加匹配，从而降低精馏过程能的的目的。

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基于新单塔流程的氧氮氩三元物系依次精馏组织方案当然也可以采用以氮气为循环工质的一拖多开式热泵供冷供热方案，但氮气压缩量需要达到48000-55000NM3！其中压力氮气500NM3用作精氩塔供冷供热，其余47500-54500NM3压力氮气在设置在空分塔底部的压力氮气冷凝器中冷凝为液氮，其中30000NM3液氮过冷后送至空分塔顶部作为回流液。其余14500-24500NM3过冷后送至粗氩冷凝器中蒸发气化，实现给粗氩冷凝塔供冷。氮气压缩功耗3000-3500KWh！大大高于空气，氮气，工艺氩气三开式热泵供冷供热方案的热泵循环工质压缩功耗！

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基于新单塔流程的氧氮氩三元物系依次精馏空气，氮气，工艺氩气三开式热泵供冷供热方案和基于双塔流程的氧氮氩三元物系依次精馏以空气为循环工质的一拖二（多）开式热泵供冷供热方案的供冷供热热泵循环工质压缩功耗以空气处理量50000NM3为例，在气体产品纯度，数量相同的情况下，降低约1000kWh！

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完全可逆的开式热泵精馏工艺方案需满足两个个条件，一是极限工程条件，二是无限多开式热泵供冷供热以保证供冷供热和精馏过程完全匹配。在实际工程条件下，合理地增加开式热泵供冷供热设置，可以提高供冷供热方案和精馏过程的匹配程度，从而提高精馏效率，降低精馏过程不可逆性，但往往意味加友平均开式热泵供冷供热有效能效率的降低，具体设置多少个开式热泵需要根据实际工程条件，产品纯度指标，工艺方案简化综合考虑。

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在精馏组织方案确定后，开式热泵供冷供热方案就是开式热泵精馏能效率的决定性因素。

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新人学习中

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精馏能耗本质上就是精馏过程供冷供热能耗，例如组分沸点在环境温度以上的精馏过程，一般以蒸汽耗表示精馏过程能耗。深冷空分精馏过程唯一可行的是开式热泵供冷供热方案，深冷空分精馏能耗当然的供冷供热开式热泵循环工质压缩功耗！