外行学空分（346）一一空分基本原理（24）一一空分精馏计算（3）

Yb2021

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   基于所谓双塔流程的空气氧氩氮三元物系精馏工艺方案，就精馏组织方案而言是经隔板模型优化后的空气氧氩氮三元物系依次精馏组织方案，其上塔氩馏分引出口以上是氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，粗氩冷凝塔加上塔氩馏分引出口以下上塔部分提馏段是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，精氩塔则是氮一氩氧精馏塔近似氮氩精馏塔，其供冷供热方案则采用以精馏原料干空气为循环工质的一拖多开式热泵供冷供热方案，由于和基于新单塔流程的空气氧氩氮三元物系精馏工艺方案精馏组织方案相同而供冷供热方案不同，基于所谓双塔流程的空气氧氩氮三元物系精馏计算和基于新单塔流程的氧氩氮三元物系精馏计算既有相同的地方，也有不同的特点！
    基于双塔流程的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中的依次精馏第一精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔以所谓下塔富氧液空与返流污氮气，氮气换热过冷后节流减压空送上塔入口处为界，富氧液空入口处以上至上塔顶部为氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔的精馏段，富氧液空入口处以下至氩馏分引出口为氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔的提馏段，氮气产品是氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔的低沸点组分产品，氧氩混合组分即氩馏分（以氮气含量为工艺指标）是氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔的高沸点组分产品。其中精馏段又分为两段，富氧液空入口处至污氮气引出口之间为一段，污氮气引出口至上塔顶部为一段！提馏段则分为三段，其中氩馏分引出口至粗氩冷凝器蒸发气化富氧空气返回口之间为一段，富氧空气返回口至原料空气入口为一段，原料空气入口处至富氧液空入口处为一段！一般情况下，富氧空气和膨胀制冷空气汇合后进入上塔参与精馏，这样基于双塔流程的氧氩氮三元物系依次精馏第一精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔的提馏段就分为两段，氩馏分引出口至富氧空气，膨胀制冷空气入口处为一段，富氧空气和膨胀制冷空气入口处至富氧液空入口处为一段！下面以处理干空气50000NM3，氧气产量10000NM3为例，说明基于双塔流程的空气氧氩氮三元物系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过程。
, h* Y0 |9 [% \% C& [$ q$ L    基础数据如下，干空气组成氧含量20.7%，氩含量0.9%，氮含量78.4%，下塔压力下氧氮相变热比值为1.4，氩氮相变热比值为1.3！上塔压力下氧氮相变热比值为1.23！氧氩相变热比值为1.081！下塔压力下与压力空气组成平衡的液相组成为氧含量42%，氩含量1.8%！上塔压力下氧氮分离系数为3.7，氮氩分离系数为2.6！实际工况下假定下塔底部富氧液空中的氧含量39%，氩含量约1.8%。
; Z- |! {# v/ D: p8 [+ W# O    如果进入下塔的压力空气数量为43500NM3，则进入主冷凝器冷凝的压力氮气数量47300NM3（上升压力氮气数量48000NM3，其中700NM3去精氩塔底部压力氮气冷凝器），液氧侧蒸发气化数量为33900NM3，下塔送上塔液氮数量19800NM3，富氧液空数量23000NM3！
( m- J6 J7 a( {% V    上塔顶部上升气（氮气）数量为38200NM3，富氧液空入口处上升气数量约为36300NM3！上塔顶部回流液氮数量为19800NM3！
    基于双塔流程的氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔精馏计算中最核心的内容是富氧空气返回口至氩馏分引出口之间的提馏段的精馏计算，从而得出氩馏分中的氮气含量和下塔富氧液空在粗氩冷凝器和上塔精馏段之间的分配比例，以而为精馏段计算提供基础。
2 U& w$ L$ a/ ?" I# k. f    上塔底部液氧蒸发气化数量33900NM3，其中10050NM3折纯10000NM3作为产品氧气引出，余下23850NM3作为回流气，氩馏分引出口处回流气数量24050NN3（氧含量89.8%，氮含量0.2%，氩含量10%）！其中11000NM3进入粗氩冷凝塔，氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔底部回流气数量13050NM3！与富氧空气返回口处对应的下降液与富氧空气基本处于气液平衡状态，其中氮含量为30%，数量为25500NM3！实际回流气液比为0.51！最小回流气液比为0.46！实际回流气液比比最小回流气液比大9%！富氧液空至氩馏分引出口之间理论塔板数20-25块左右，可以保证氩馏分中的氮气含量0.2%以下！由于变化复杂，以上的数据不一定完全准确，但不会有大毛病。如果粗氩冷凝器蒸发气化的富氧空气从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处返回上塔，同样理论塔板数设置，进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量必须减少，以保证氩馏分中的氮气含量低于0.2-0.5%！
   目前双塔流程的氧氩氮三元物系依次精馏工艺方案的上塔，富氧液空入口处以下至氩馏分引出口之间的理论塔板数的25块左右！富氧空气从富氧液空入口处以下，氩馏分引出口以上返回上塔参与精馏（富氧空气曾经从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处返回上塔参与精馏，这是极端错误的，致使约25块理论塔板数实际上只相当于约15块理论塔板数，目前己经改为从富氧液空入口处以下一块理论塔板数处返回上塔参与精馏，正确的做法应该是从富氧液空入口处以下3-4块理论塔板数处返回上塔参与精馏，具体可以参阅前面的相关帖子）！在富氧空气返回口至氩馏分引出口之间理论塔板数25块左右（富氧空气和膨胀制冷空气返回口至富氧液空入口处之间理论塔板数3-4块），实际回流气液比0.5左右，比最小回流气液比大约9%！可以保证氩馏分中的氮气含量在0.2%以下，由于氮一氩氧分离系数很大，只要稍微提高实际回流气液比，在约25块理论塔板数下，可以大幅度降低氩馏分中的氮气含量！稍微降低实际回流气液比，在20块理论塔板数下，氩馏分中的氮气含量就会大幅度升高！如果富氧空气从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处返回上塔，在同样理论塔板数下，为了保证氩馏分中的氮气含量指标，进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量需要相应减少约1000NM3，才能保证氩馏分中的氮气含量指标。
    只要认识到双塔流程上塔氩馏分引出口以上是氮一氩精馏塔近似氧氮精馏塔，那么氩馏分就是氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔氧氩氮三元物系依次精馏第一精馏塔的高沸点组分精馏产品，氩馏分中的氮气含量决定于氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔提馏段的精馏工况（理论塔板数，下降液组成，实际回流气液比），其中下降液组成决定于富氧液空中的氧含量，富氧液空中的氧含量越高，富氧空气中的氧含量相应升高，富氧空气入口处对应的下降液中的氮含量越低，富氧空气至氩馏分引出口之间的氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔提馏段最小回流气液比越小！同样理论塔板数，粗氩冷凝塔负荷下（决定于粗氩冷凝器冷凝量，也同时决定了富氧空气返回口至氩馏分引出口之间的实际回流气液比！），氩馏分中的氮气含量越低！在实际操作中，在保证下塔液氮纯度达标的情况，应该尽可能降低下塔回流液气比，提高富氧液空中的氧含量！这样才有利于提高空分装置的氩提取率和氧提取率！但对氩馏分中的氮气含量指标影响最为显著直接的是进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量！如何防止氮阻问题的出现，及氮阻问题出现后应该如何处理也就一目了然了！
" T8 L: U1 C0 ~9 M+ ^& t7 I6 ]   在进入下塔压力空气数量一定的情况下，对于依次精馏第一精馏塔氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔而言，粗氩冷凝塔的负荷有一个最佳负荷，在此粗氩冷凝塔负荷下操作时（对应氩馏分进入粗氩冷凝塔的数量及粗氩冷凝器富氧液空蒸发量），上塔富氧液空入口处对应的气相中的氧含量与富氧液空处于接近气液平衡状态，氩馏分中的氮气含量最低！在最佳负荷以下操作时，随着粗氩冷凝塔负荷增加，富氧液空入口处对应气相中的氧含量降低，氩馏分中的氮气含量降低，在最佳粗氩冷凝塔负荷以上操作时，随着粗氩冷凝塔负荷的增加，富氧液空入口处对应的气相中的氧含量升高，氩馏分中的氮气含量升高！以进入下塔压力空气数量占空气总量87%，43500NM3为例！当粗氩冷凝塔投入运行前，上塔富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量21%-22%！当粗氩冷凝塔投入运行后，随着粗氩冷凝塔的负荷逐步增加，氩馏分中的氮气含量迅速降低，氧气产品纯度升高，同时上塔富氧液空入口处对应气相中的氧含量降低，氧提取率升高，但当进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量达到6000NM3-7000NM3，此时，上塔富氧液空入口处对应气相中的氧含量最低（约16%），氩馏分中的氮气含量也最低（甚至可以低至PPM级别），但氩提取率只有40%左右！随着粗氩冷凝塔负荷的进一步升高，上塔富氧液空入口处对应气相中的氧含量及氩馏分中的氮气含量迅速升高，粗氩冷凝塔负荷每增加1000NM3，上塔富氧液空入口处对应气相中中的氧含量升高约1%！氩馏分中的氮气含量也迅速升高。当进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量增加至10000-11000NM3时，氩馏分中的氮气含量己升高至0.2%左右，而富氧液空入口处对应气相中的氧含量也己升高至19%-20%！只要进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量再稍微增加，氩馏分中的氮气含量就会急剧升高，粗氩冷凝塔出现氮阳问题！正是由于这个原因，当进入下塔压力空气数量占空气总量85%-87%时，进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量一般只能达到10000-11000NM3（需要考虑氧提取率及所谓的氮阻问题）！氩产品提取率只能达到70%-80%！
    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工艺方案的上塔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段，分为两段其中污氮气引出口至上塔顶部为一段，富氧液空入口处至污氮气引出口为一段！
4 S5 I1 F, z/ k    氮气产品纯度由污氮气引出口至上塔顶部精馏段的精馏工况决定（理论塔板数，实际回流液气比），如果氮气产品数量为25000NM3，氮气产品纯度99.9%！则污氮气引出口至上塔顶部的上升气数量25000NM3，上塔顶部回流液氮数量为19800NM3，实际回流液气比的0.8！只需要3-5块理论塔板数氮气产品纯度就可以达到99.9%，如果理论塔板数20块左右，氮气产品纯度可以达到99.9999%！当然前提条件是下塔送上塔液氮纯度必须达到相应的纯度！
1 i( s6 R6 A, G1 g' S) n0 c' }      富氧液空入口处至污氮气引出口之间的精馏段精馏工况，决定了污氮气中的氧含量，决定了空分装置的氧气产品提取率，这是空分装置极为重要的核心指标之一！富氧液空入口处至污氮气引出口之间的精馏工艺方案，上升气数量为36000NM3（污氮气引出口处上升气数量约为38500NM3），回流污液氮数量为19800NM3，实际回流液气比为0.56！富氧液空入口处至污氮气引出口之间的精馏段，最小回流液气比则和富氧液空中的氧氩含量及对应气相中的氧氩含量直接相关！而富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量则和进入下塔压力空气占空气总量的比例及粗氩冷凝塔负荷直接相关，而和富氧液空中的氧氩含量无关！这是和一般精馏计算不同的地方！是以空气为循环工质的一拖多开式热泵供冷供热方案非常突出的特点（双效精馏低压精馏塔精馏计算也有同样的情况），对此很多空分技术人员并没有清楚的认知更谈不上深刻理解！
    富氧液空中的氧含量39%，氩含量约1.7%-1.8%！由下塔精馏工况是基本不变的！但富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量却由进入下塔压力空气比例和下塔富氧液空在粗氩冷凝器和上塔精馏段之间的分配比例直接相关，而和富氧液空中的氧氩含量无关！
    以处理干空气50000NM3，进入下塔压力空气数量43500NM3为例！下塔液氮数量19800NM3，富氧液空数量23000！如果粗氩冷凝塔未投运前（即富氧液空全部送上塔精馏段作为回流液），则富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量在21%-22%！此时富氧液空入口处至污氮气引出口之间的最小回流液气比约为0.56！实际回流液气比0.54和最小回流液气比非常接近但小于最小回流液气比，在理论塔板数有限的情况下，空分装置氧提取率很低，大约在95%左右！如果空气全部进入下塔，则富氧液空入口处对应的气相中的氧含量25%-26%！同样实际回流液气比和最小回流液气比非常接近但小于最小回流液气比（虽然随着进入下塔压力空气数量增加，下塔送上塔液氮数量相应增加，但富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量相应升高，最小回流液气比同样相应升高），氧提取率在95%左右！
    随着粗氩冷凝塔投入运行，富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量逐步降低，但在进入下塔空气数量一定比例下，都有一个对于氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔最优的富氧液空最优分配比例（或者最优粗氩冷凝塔负荷），在此最优比例下，氩馏分中的氮气含量最低，富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量最低（接近与富氧液空平衡气相中的氧氩含量），在进入下塔空气数量43500NM3时，进入粗氩冷凝塔的氩馏分数量6000-7000NM3（对应富氧液空送粗氩冷凝器数量7000-8000NM3），空气全部进入下塔时，进入粗氩冷凝塔氩馏分数量9000-10000NM3（对应送粗氩冷凝器富氧液空数量10000-11000NM3），这样情况下，氩馏分中的氮气含量，富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量最低！空分装置氧提取率可以达到接近100%！但氩提取率只有40%-70%！
   目前双塔流程空气氧氩氮三元物系精馏工艺方案，通过富氧液空数量的分配比例，控制富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量在20%左右，以保证空分装置的氧提取率！相应氩提取率在70%-90%！其中氩提取率70%对应进入下塔压力空气数量占空气数量的85%的情况，氩提取率90%对应空气全部进入下塔的情况！
   粗氩冷凝器的蒸发气化的富氧空气应该从上塔气相组成和富氧空气相同处返回上塔参与精馏，精馏效果才是最好的，以进入下塔压力空气数量43500NM3，富氧液空中的氧含量39%为例，在粗氩冷凝塔投运前，与粗氩冷凝器蒸发气化的富氧空气组成相同的上塔气相组成在上塔富氧液空入口处以下1-2块理论塔板数处，而粗氩冷凝塔投运后则在富氧液空入口处以下3-4块理论塔板数处！如果粗氩冷凝器蒸发气化的富氧空气从富氧液空入口处以下一块理论塔板数处返回上塔参与精馏，则富氧空气返回口处对应的下降液中的氮含量将显著高于与富氧空气平衡的液相中的氮含量（约30%），会显著提高富氧空气返回口至氩馏分引出口之间的最小回流气液比！同时也会提高富氧液空入口处对应气相中的氧含量，从而使污氮气中的氧氩含量，降低氧氩提取率！如果粗氩冷凝器蒸发气化的富氧空气从氩馏分引出口以上一块理论塔板数处返回上塔参与精馏，则会严重降低富氧液空入口处至氩馏分引出口之间理论塔板数的提馏推动力！粗氩冷凝器的蒸发气化的富氧空气应该从富氧液空入口处以下3-4块理论塔板数处返回上塔参与精馏。
      进入下塔的压力空气部分带液进入下塔，将显著降低富氧液空中的氧氩含量！合理的做法应该是液化的压力空气节流减压后部分用于下塔作为回流液，部分作为上塔的回流液。这样下塔富氧液空中的氧氩含量才不会降低，大幅度提高精馏效果（目前所谓双膨胀工艺方案实际上已经逐步按此改进）！

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   对于粗氩冷凝器蒸发气化的富氧空气返回口位置及压力液化空是直接进入下塔底部还是作为下塔及上塔的回流液，对双塔流程的精馏效果都有显著的影响，这本来是精馏理论中早已解决的问题！

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   空气氧氩氮三元物系精馏计算中，如果不考氧氩氮相变热的不同对精馏计算的影响，完全按照恒摩尔流假定进行，则精馏计算根本无法进行！计算结果误差圾大毫无价值！

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  基于双塔流程经隔板模型优化后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（上塔氩馏分引出口以上）精馏计算的核心问题是确定富氧液空入口处对应气相中的氧氩含量。