外行学空分（344）一一空分基本原理（22）一一空分精馏计算

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$ c4 V3 |0 i  P$ {      空分装置是空气开式热泵一膨胀制冷液化（称为空气膨胀制冷一开式热泵液化也许更准确）和空气开式热泵供冷供热精馏分离的联合装置。前面空分基本原理（16-25）一一空分流程的组织（1-5）的帖子，从空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案及工艺参数的优化，空气氧氩氮三元物系依次精馏组织方案，空气氧氩氮三元物系依次精馏相邻氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔和氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔两个精馏塔隔板模型优化组织方案，以空气，氮气，工艺氩气为循环工质的三开式热泵基本供冷供热方案等方面详细讨论了空分流程的组织。现在在此基础上，进一步讨论一下基于新单塔流程的经隔板模型优化后的空气氧氩氮三元物系依次精馏工艺方案的精馏计算，并与目前基于双塔流程的经隔板模型优化后的空气氧氩氮三元物系依次精馏工艺方案精馏计算进行比较！
; @6 ^1 p: u, M0 V1 ?3 U7 e    无论是基于新单塔流程的空气氧氩氮三元物系精馏分离工艺方案还是基于所谓双塔流程的空气氧氩氮三元物系精馏分离工艺方案就精馏本体组织方案而言是完全一致的，都是空气氧氩氮三元物系经隔板模型优化后的依次精馏组织方案，其中新单塔流程空分塔和所谓双塔流程的上塔氩馏分引出口以上是依次精馏第一精馏塔一一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（新单塔流程），上塔（所谓双塔流程）是依次精馏第二精馏塔一一氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔。而精氩塔是依次精馏第三精馏塔一一氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔又可称为脱氮塔。它们之间的区别在于开式热泵供冷供热方案的不同，基于新单塔流程的空气氧氩氮三元物系精馏分离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基本供冷供热方案。而所谓的双塔流程则采用以空气为循环工质的一拖多开式热泵供冷供热方案    关于一拖多开式热泵可以参阅前面的空分基本原理一一常规热泵，开式热泵及一拖多开式热泵帖子的相关内容。
     在精馏本体组织方案和开式热泵供冷供热方案确定后，无论是基于新单塔流程还是基于双塔流程的空气氧氩氮三元物系精馏计算，共同的部分是依次精馏第一精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔的精馏计算，依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔的精馏计算，依次精馏第三精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔的精馏计算，其中依次精馏第一精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔以干空气为精馏原料气，依次精馏第二精馏塔氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔以依次精馏第一精馏塔的高沸点组分产品（经隔板模型优化后，含氩约10%的氩馏分）为精馏原料气，依次精馏第三精馏塔（精氩塔，脱氮塔）氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔以依次精馏第二精馏塔的低沸点组分产品（工艺氩气，以氧含量为工艺指标的氮氩混合气体）为精馏原料气，三个依次精馏塔的精馏计算综合起来就是空气氧氩氮三元物系经隔板模型优化后的依次精馏组织方案的精馏计算。三元物系依次精馏每一个依次精馏塔的精馏计算和严格二元物系精馏计算，存在一个重大的区别，严格二元物系精馏计算中，可以同时设定精馏高低沸点组分产品纯度指标，而近似二元物系精馏计算中，我们只能设定一个产品纯度指标，对于高沸点混合组分只能设定低沸点组分含量指标，对于低沸点混合组分只能设定高沸点组分含量而无法设定其中任一组分的纯度指标，例如氮一氩氧精馏分离近似氧氮二元物系精馏分离计算中，我们只能设定氮气产品纯度指标（100%-氧氩含量百分数），而不能设定氧气产品纯度指标和氩气产品纯度指标，而只能设定氧氩混合气体中的氮气含量指标，而氧氩混合气体中的氧氩比例则等于精馏塔精馏原料气体（空气）中的氧氩含量比例！氮氩一氧精馏分离近似氧氩精馏分离计算中，我们只能设定氧气产品纯度指标（100%-氮氩含量百分数），而不能设定氮气产品纯度指标和氩气产品纯度指标，而只能设定氮氩混合气体中的氧含量指标，氮氩混合气体中的氮氩比例是由氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔的精馏原料气一一氩馏分中的氮氩比例决定。氮一氩氧精馏分离近似氮氩精馏分离计算中，只能设定氮气产品纯度指标，而不能设定氩气产品纯度指标，氧氩混合气体只能设定氮气含量指标，而氧氩比例则决定于氮一氩氧精馏分离近似氮氩精馏分离原料气中的氧氩含量比例！由于工艺氩气中的氧含量极低，氧氩混合气体纯度指标和氩纯度指标几乎完全相等，这是一个特殊情况！这就是三元物系精馏分离在一个精馏塔无法实现双高产品纯度的基本道理，而把氧氮双高产品纯度作为空分装置的一个卖点岂不可笑（说明完全没有三元物系依次精馏的概念）！
) a: R$ F! k' L5 I. \  r# L7 w1 j     在讨论空气氧氩氮三元物系精馏计算之前，首先针对空气开式热泵供冷供热精馏工艺方案的特点，对几个问题说明如下。
    一，空分装置是空气开式热泵一膨胀制冷液化和空气开式热泵供冷供热精馏分离的联合装置。在进行精馏计算时，暂不考虑精馏原料和精馏产品换热温差形成的冷量冷能损失，空分装置散冷形成的冷量冷能损失。进入精馏塔的原料气和回流液既不过热也不带液呈气液平衡状态，离开精馏塔的精馏产品同样如此！
   二，空气精馏分离中的开式热泵压力循环工质液体与返流循环工质气体在过冷换热器中换热，使压力循环工质液体节流减压前的温度和减压后的循环工质液体蒸发气化温度一致！液体节流减压气化率接近于零！这样开式热泵供冷供热数量就完全一致！开式热泵供冷供热有效能效率是最高的。实际上过冷换热器总是存在换热温差，以液氮为例，如果过冷器换热温差2k，则液氮节流减压气化率的3%，如果完全不过冷则液氮气化率约10%-15%！这就意味着要达到同样的开式热泵供冷供热量，热泵循环量需要相应增加！热泵循环工质压缩功耗相应增加，开式热泵供冷供热有效能效率降低！就象组分沸点在环境温度以上的精馏计算一样，通过产品纯度，理论塔板数，回流比的三者关系，计算出蒸汽再沸器供热量（热负荷）和冷却水冷凝器的供冷量（热负荷）。组分沸点在环境温度以下的精馏计算，通过产品纯度，理论塔板数，回流比三者的关系，计算出供冷供热开式热泵的循环工质压缩量（循环量）！
    空气氧氩氮三元物系精馏计算本质上就是在给定产品纯度指标，可用理论塔板数下，计算出各个依次精馏塔精馏段回流液气比或者各精馏段回流液气比，提馏段回流气液比或者各提馏段回流气液比，从而确定供冷数量（精馏段）和供热数量（提馏段），再确定开式热泵循环工质压缩量。
    下面首先讨论一下所谓双塔流程的下塔的精馏计算，这是基于双塔流程的氧氩氮三元物系精馏工艺方案独有而基于新单塔氧氩氮三元物系精馏工艺方案没有的精馏计算内容。
    双塔流程的下塔是以空气为循环工质的一拖多供冷供热开式热泵的转换塔！把以空气为循环工质的供冷供热开式热泵转换为一个以氮气为循环工质的供冷供热开式热泵和一个以富氧空气为循环工质的供冷供热开式热泵！就精馏计算而言是一个空气氧氩氮三元物系氮一氩氧近似氧氮冷凝塔。是精馏计算中最基础，最简单的内容！
    真实的空气组成，氧气含量20.7%，氩含量0.9%，氮气含量78.4%！在下塔压力下氩氮相变热比值为1.3，氧氮相变热比值为1.4，氧氮分离系数2.6，氮氩分离系数2.0！进入下塔的压力空气既不过热也不带液。下塔是氮一氩氧冷凝分离近似氧氮冷凝塔，其中氧氩是高沸点组分，氮是低沸点组分，在进行粗略精馏计算时，氩视同为氧即按照近似氧氮冷凝分离塔！下塔压力5.3-5.4bar，与空气组成平衡的液相组成是氧氩含量43.8%（氧42%，氩1.8%），氮含量56.2%！以上的基础数据不一定完全准确，可以根据实际情况进行相应调整。
2 k( B' J5 X+ q0 D( Z, q, X) f. Q    首先在恒摩尔流假定下计算出下塔最小回流液气比，21.6%/43.8%=0.494！如果考虑氧氩氮相变热的不同，则下塔最小回流液气比为0.58，即进入下塔的压力空气1摩尔（或者NM3），下塔顶部最小回流液氮数量为0.58摩尔（NM3）才能在无限理论塔板数下，在下塔顶部得到纯氮气组分，下塔底部的富氧液空与压力空气处于气液平衡状态，富氧液空中的氧含量42%，氩含量1.8%！
    从以上计算可知，1摩尔（或者1NM3）压力空气不过热也不带液呈气液平衡状态进入下塔进行冷凝分离，则下塔最顶部的上升气数量（压力氮气）为1. 086摩尔（或者NM3），主冷凝器冷凝产生的液氮数量为1.086摩尔（或者NM3），其中最小回流液氮数量为0.58摩尔（或者NM3）！送上塔液氮最大数量为0.506摩尔（或者NM3），在最小回流液气比下，下塔底部的富氧液空数量为0.506摩尔（或者NM3），其中氧含量为42%，氩含量为1.8%，氮含量56.2%，与压力空气组成处于气液平衡状态！
) P" [4 `& Z/ C1 p  X) ^    从供冷供热开式热泵角度而言，上塔底部的供热温度是93K（上塔底部压力1.2bar下的液氧蒸发气化温度，下塔顶部5.3bar压力氮气冷凝温度为96K，两者之间的差距是主冷凝器换热温差及液氧静压产生的液氧气化温度的不同），供热量是1.086摩尔5.3bar压力氮气的冷凝潜热！上塔得到供冷量分为两个部分，一是上塔顶部供冷温度79K（上塔顶部1.1bar压力下液氮蒸发气化温度），数量为0.506摩尔液氮蒸发气化潜热，其数量等于0.506摩尔，.5.3bar压力氮气冷凝潜热！二是上塔中部供冷温度85k（上塔压力下富氧液空蒸发气化温度，其供冷量是0.494摩尔富氧液空蒸发气化潜热，其数量等于0.58摩尔5.3bar压力氮气冷凝潜热。
/ H# C9 D, _, o( \% ]1 L7 ~) g9 ?    1.086摩尔5.3bar压力氮气在压力氮气冷凝器的供热量，供热温度和1摩尔5.4bar压力空气（不过热也不带液呈平衡状态进入下塔压力空气压力，数量）进入下塔冷凝分离，下塔顶部上升压力氮气数量为1.086摩尔，压力5.3bar供热温度，供热量完全相等！1.086摩尔5.3bar压力氮气（开式热泵循环工质）复热常温压缩功耗和1摩尔5.4bar压力空气（以空气为循环工质的一拖二开式热泵循环工质）复热常温压缩功耗完全相等！前者上塔精馏过程得到的开式热泵输入温差有效能数值是[（93-79）/79.x93]x1.086摩尔5.3bar压力氮气冷凝潜热！后者上塔得到的开式热泵输出温差有效能数量是0.506x（93-79）/（93x79）+0.58x（93-85）/（93x85）摩尔5.3bar压力氮气冷凝潜热！后者以空气为循环工质的一拖二开式热泵输出的供冷供热温差有效能数量只有前者以氮气为循环工质的开式热泵输出的供冷供热温差有效能数量的75%！在实际液氮产品纯度及理论塔板数有限的条件下，下塔总是在实际回流液气比大于最小回流液气比下操作！以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热有效能效率和以氮气为循环工质的开式热泵供冷供热有效能效率的差距更大！例如如果下塔实际回流液气比比最小回流液气比大5%，则以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热有效能效率只有以氮气为循环工质的开式热泵供冷供热有效能效率的70%左右，如果下塔实际回流液气比比最小回流液气比大10%则以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热有效能效率只有以氮气为循环工质的开式热泵供冷供热有效能效率的65%左右！
! Q/ F! K9 o: M( a9 W7 f( j     下塔是冷凝塔相当于氮一氩氧精馏塔精馏段，空气中的氧氩比例的为23比1！下塔压力下氧氮分离系数的为2.6！氮氩分离系数约为2！在下塔冷凝分离过程中，随着理论塔板数的增加（空气进入下塔处的为零号理论塔板）上升气中氧氩含量降低，而氮气含量升高！但由氧氮分离系数大于氮氩分离系数上升气中的氧含量降低迅速快，而氩含量降低速度慢！下塔底部零号理论塔板数处上升气中的氧氩比例约为23比1，而20块理论塔板数处，上升气中的氧氩比例则己经变为接近1比1！40块理论塔板数后氧氩比例交为1比100！当然以上只是约数，实际上升气中的氧氩比例变化除了和理论塔板数有关外，还和实际回流液气比有关！但可以看出指数关系的可怕之处！
+ ?! j  C# Y5 _7 W   随着下塔液氮纯度指标（液氮纯度对应的气氮纯度是双塔流程氮气产品纯度的上限！）的升高，下塔需要的理论塔板数增加，实际回流液气比升高，下塔冷凝分离越来越从氮一氩氧冷凝分离近似氧氮冷凝分离向氮一氩氧冷凝分离近似氮氩冷凝分离演变！在液氮纯度99.9%（3N）下，氮一氩氧冷凝分离近于氧氦冷凝分离！如果液氮纯度99.9999%以上，则更接近于近似氮氩冷凝分离！下塔实际回流液气比比最小回流液气比大5%的情况下，下塔只要30-40块理论塔板数左右，液氮纯度可以达到99.9%！但如果液氮纯度达到99.9999%，则实际回流液气比要大于最小回流液气比10%-15%之间，理论塔板数40-45块之间！和氧氮二元物系冷凝分离或者近似氧氮二元物系冷凝分离计算的理论塔板数和实际回流液气比大很多！总而言之如果需要精密计算理论塔板数，产品纯度和回流比三者之间的关系，需要进行逐板计算，才能得到较为准确的结果，计算工作量非常大，还需回归，内插等！
- q" |5 A0 [5 j8 Q    当然现在有精馏计算软件后，就非常简单了！
      基于双塔流程（以空气为循环工质的一拖多开式热泵供冷供热方案）的氧氩氮三元物系经隔板模型优化后的依次精馏工艺方案，氮气产品纯度的上限受限于下塔液氮纯度。下塔液氮产品纯度指标越高，在下塔理论塔板数既定的情况下（不多于45块理论塔板数），实际回流液气比越大，下塔底部富氧液空中的氧含量越低，上塔富氧液空入口处至污氮气引出口之间的最小回流液气比越大而送上塔顶部的液氮数量越小！具体情况将在后面关于氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔精馏计算时再全面讨论！
     在氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔精馏计算中，氮组分对精馏计算影响较小，完全可以按照氧氩精馏塔进行计算。在氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔精馏计算中，氧组分对精馏计算影响较小，完全可以按此氮氩精馏塔进行精馏计算！只有在氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔精馏计算中，氩组分对精馏计算影响较大，这是需要特别注意的！

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精馏计算本质上就是在精馏组织方案（依次精馏及隔板模型）确定后，在给定产品纯度指标及可用理论塔板数下，计算出实际回流液气比和回流气液比及对应的高沸点组分回流比及低沸点组分回流比，从而确定精馏过程的供冷（冷却水冷凝器热负荷），供热（蒸汽再沸器热负荷）！空气精馏过程采用开式热泵供冷供热方案，通过精馏计算从而确定开式热泵循环量。

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空分精馏计算和组分沸点在环境温度以上的精馏计算并无本质不同，其区别仅仅在于组分沸点在环境温度以上的精馏计算，由回流比而得出蒸汽再沸器热负荷，蒸汽用量，冷却冷凝器热负荷，冷却水用量！而空分精馏计算出回流比后则确定开式热泵循环工质压缩量。