外行学空分(132)一一塔板数和回流比(三)

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* r# k! j3 Y/ q   如果说最小回流比是精馏过程非常重要的一个工艺参数，那么最大回流比也是一个非常重要的工艺参数，什么是精馏过程的最大回流比呢？仍然需要和最小回流比一样，分为提馏段的最大回流气液比和精馏段的最大回流液气比！精馏段最大回流液气比就是无低沸点产品取出情况下的提馏段回流液气比，也可以说是全回流下的回流液气比！提馏段最大回流气液比就是无高沸点产品取出情况下的回流气液比！当然也是全回流下的回流气液比！很多人有一个误解，好象最大回流液气比和最大回流液气比就是1！其实这种情况只有在高低沸点组分相变热相等时才是如此，即所谓等摩尔流假定成立的情况下才是正确的。但实际上高沸点组分的相变热总是大于低沸点组分的相变热，因此精馏段最大回流液气化总是大于1，而提馏段最大气液比总是小于1。例如空分塔（上塔）精馏段最大回流液气比约为1.05，提馏段最大回流气液比为0.9左右。当然这都是在标准常规精馏或单热泵精馏情况下的结论，在双效精馏及多效精馏和多热泵精馏中这样的结论并不成立。在标准常规精馏过程或者标准开式热泵精馏过程中，给定理论塔板数最大回流比下所能达到的产品纯度就是给定理论塔板数情况下标准常规精馏过程及标准开式热泵精馏过程所能达到的产品纯度的极限！所以产品纯度问题大多数都是理论塔板数有限引发的问题。之所以说产品纯度问题绝大多数都是由塔板数有限引起的问题，是因为除了塔板数有限的问题外，还有二元物系和三元物系及多元物系的问题，例如深冷空分中空分塔氧纯度问题，除塔板数回流比外还有氩的问题，那是一个氧氮氩三元物系精馏分离的问题！
! a# Z7 L: U4 r( _* i   在没有采用双效精馏及多效精馏和多热泵技术的情况下，实际精馏过程（标准常规精馏过程和标准开式热泵精馏过程）的回流比当然只能在最小回流比和最大回流比之间，一般情况下实际回流液气比和实际回流气液比应该比最小回流液气比和最小回流气液比大5%-10%左右（更准确的说法是实际热泵循环工质压缩量和最小热泵循环工质压缩量），超过这个数就不是很合理了，这种情况下如果产品纯度达不到设定的要求，那么就需要考虑单热泵及多热泵技术的运用或者进行多级精馏。
6 W+ z3 {0 l4 e1 Y    我们知道深冷空分流程是完全自热的开式热泵精馏流程，这一点现在大概已经没有人质疑了！所谓双塔流程其实就是以精馏原料空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏流程，而新单塔专利流程其实就是以精馏低沸点产品氮气为循环工质的开式热泵精馏流程！新单塔专利流程可以实现氧氮二元物系完全分离是非常容易理解的，而双塔流程虽然和古典单塔流程一样，都是以空气作为开式热泵的循环工质，但是双塔流程增加了一个下塔，从而实现了空气热泵的一拖二转换，形成双开式热泵精馏工艺方案，其中一个是以氮气为循环工质的热泵和另一个以富氧空气为循环工质的热泵，当然也就可以实现同时制取氧气和氮气！
   正常情况下单级精馏塔只能实现一分为二，但空气组成是含氧20,7%，含氩0,9%，含氮78,4%，是一个近似二元物系的三元物系，当然在正常情况下不可能在一个精馏塔(空分塔)中实现氧氮氩三元物系完全分离！其中氧氮沸点相差13K，氧氩沸点相差3K！按照精馏的一般原则，氩应该视同为氧，则空分塔实际上是氧氩和氮精馏分离塔。这个时候空气组成是氧氩含量21,6%，含氮78,4%，液相平衡组成是氧氩含量55%，氮含量45%，计算出的提馏段最小回流气液是0,49，精馏段最小液气比是0,437，对于新单塔流程而言，以氮气为循环工质的开式热泵正常循环工质压缩量是氧氩产量的3倍，对应的空分塔氧氩气化量是氧氩产量的2,18倍！产品组成是氩4,5%，氧含量95,%，含氮0.5%，这就是几十年前氧气产品纯度标准及许多空分论文设定氧气纯度为95%的基本的原因。因为一旦氧气纯度大于95%，在真实空气组成下，空分塔就不是近似氧氮二元物系精馏过程，而是近似氧氩精馏过程，两者之间差距巨大！
3 N( |9 g+ G! \   很多情况下，我们把空气视为氧氮二元物系(深冷空分教科书中就是这么做的！)，这个时候空气的组成是含氧20,.7%，含氮79,3%，平衡液相组成是含氮47%，含氧53%，计算出的精馏段最小液气比是0,44，提馏段最小气液比是0,5，对应的最小氧气气化量是氧气产量的2,1倍左右，采用新单塔专利流程时氮气最小压缩量是氧气产量的3倍左右。从以上的工艺参数可以看出，氧氮二元物系完全精馏分离的工艺参数和氧氮氩三元物系完全精馏分离按照氮一氧氩进行精馏工艺组织的第一精馏塔工艺参数是基本一致的。
    在等摩尔流假定下，最大回流液气比和最大回流气液化都是1！ 至于回流比的另一个定义，即回流低沸点组分液体摩尔数量和低沸点产品取出摩尔数量的比值，在这个定义下，最大回流比是无限大！在恒摩尔流假定下计算出的最小回流液气比，最大回流液气比，最小回流气液比及最大回流气液比在高低沸点组分相变热差距较大的情况下和实际情况存在重大的差距。

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   二元物系的精馏和三元物系的精馏有着重大的差别。

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   其实在没有所谓的回流比和最小回流比（精馏段是精馏段顶部回流液数量和低沸点产品取出量的摩尔数量比值，提馏段则是提馏段底部回流气摩尔数量和高沸点产品取出摩尔数量的比值）引发混乱之前，精馏段最小回流液气比和提馏段回流气液比在恒摩尔流假定下的计算方法是非常简单的！精馏段最小回流液气比是精馏原料平衡气相中的高沸点组分百分数和平衡液相中高沸点组分百分数的比值。而提馏段最小回流气液比则是精馏原料平衡液相中的低沸点组分百分数和精馏原料平衡气相中的低沸点组分百分数的比值。