外行学空分(69)一一回流比和塔板数(一)

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% X9 T# q. v7 o. L3 f( Y. w4 A   从理论上说，任何二元物系运用精馏的方法都可以在单级精馏塔中实现完全分离，而且高低沸点组分产品的提取率都可以达到接近100%，这其实是二元物系精馏的涵义！而精馏能够实现的前提是二元物系在一定的温度压力下可以处于气液共存的状态（所以远低于环境温度以下的精馏过程，开式热泵一膨胀制冷液化过程成了精馏装置的必要组成部分），从精馏过程而言，只要回流比大于最小回流比（分为低沸点组分回流比及对应的精馏段的回流液气比和高沸点组分回流比及对应提馏段的回流气液比！），有足够的理论塔板数，产品的纯度是不受限制的，也就是说可以无限地提高，可是在工程实例中我们却发现制取高纯产品的难度是很大的，能耗很高效率很低，其最重要的原因在于理论塔板数受工程条件的限制总是有限的，只能在有限理论塔板数的情况下，通过提高精馏段实际回流液气比达到提高低沸点组产品纯度的目标，通过提高提馏段回流气液比达到提高高沸点组分产品纯度的目标！而在标准常规精馏和单热泵供冷供热精馏工艺方案，实际回流液气比（精馏段）和实际回流气液比（提馏段）则受到最大回流液气比和最大回流气液比（均为1）的限制，当接近最大回流液气比和最大回流气液比时，蒸汽消耗量和热泵循环量则大幅度升高，精馏有效能效率迅速大幅度下降，精馏能耗迅速大幅度升高。
   有专家说深冷空分中，氧气的纯度从95%（含氩4.5%，含氮0.5%）提高到99.5%（含氩0.5%）以上，能耗提高20%以上，这应该是正确的，是目前深冷空分的现状！但并不严密，这是这是如何造成的呢？95%的氧气的有效能和99.5%的氧气有效能差距是很小的，为什么精馏能耗的差距如此之大，这才是一个值得思考的问题。
   任何精馏过程首先要解决的问题是精馏组织的问题，在环境温度以上的精馏过程，可以选择标准常规精馏组织方案，双效精馏及多效精馏组织方案，标准常规精馏基础上的单热泵及多热泵技术精馏组织方案。而环境温度以下的精馏过程则只能采用完全自热精馏过程即彻底的开式热泵精馏，当然也有单热泵及多热泵供冷供热精馏组织方案及以精馏原料为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热方案的不同！
    精馏组织方案确定后，回流比和理论塔板数就成为精馏工艺方案的最重要的问题。
+ o: t. v9 n2 Y  \' u( \    在精馏理论和实饯中回流比和塔板数是一对永恒的矛盾，所谓的精馏设计最主要的问题就是如何处理这对矛盾。回流比基本上确定了精馏的能耗，同时也确定了精馏塔再沸器和冷凝器的热负荷及开式热泵精馏中的热泵循环量，或者更准确地说，标准常规精馏中的再沸器和冷凝器热负荷及开式热泵循环量决定了精馏过程的回流比。所以精馏理论和实践中回流比和热负荷某种程度上就是一回事，但是一般情况下只讨论回流比而不讨论什么热负荷，塔板数从理论上说当然是越多越好，最多的塔板数对应最小的回流比，也就意谓着最小的精馏能耗，但是精馏塔板数却不是无限制的，它受限工程造价和塔板阻力(塔板阻力会影响精馏能耗)总是有限的，精馏能耗的问题很多都是精馏塔板数有限这个事实引起的，所以塔板数的合理分配就成为了精馏设计中一个非常重要的问题。归根到底所谓精馏设计其实就是在给定产品纯度和提取率总塔板数的条件下对回流比塔板数分配进行优化从而达到能耗和工程造价的综合最优。
   这里必须特别指出，所谓的精馏塔回流比只是一个约定俗成的说法，精馏塔的回流比实际上分为高沸点组分回流比及提馏段的回流气液比和低沸点组分回流比及对应的精馏段的回流液气比。当然也就有提馏段的最小回流气液比和精馏段的最小回流液气比。提馏段的回流气液比和提馏段的理论塔板数决定了高沸点产品的纯度，精馏段的回流液气比和精馏段的理论塔板数决定了低沸点产品纯度。
/ X- H) \$ K  G  @" |. R   以上的描述都是按照标准常规精馏过程或者标准开式热泵精馏工艺方案，实际的精馏过程要复杂得多，无论是提馏段还是精馏段都可能分为几段而不是一段！但以上的描述是最基本的。

有两方面原因，一是0.78+0.01+0.21三元系统的单位最小分离功本来就比0.78+0.22二元系统大8%左右，生产95%纯度的氧气实际上是将空气中的氩当作是氧，将空气当作0.78+0.22二元系统了；二是空分中氩和氧的挥发度很接近，氩-氧精馏分离只能以很低的效率进行。
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常温精馏中使用的热泵方法很难在空分低温精馏中使用，因为无论你是常温压缩还是低温压缩，都有问题。低温压缩有效能效率非常低，常温压缩需要先换热升温，压缩后还要再降温，换热损失大，设备投资也大。再有热泵方法使用时，至少有一头是要换热的，在低温下换热温差也是个问题。
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以粗氩塔精馏为例，20000空分，粗氩塔回流液量22000Nm3/h，粗氩塔顶压力1.2bara，规整填料塔，塔底氧气压力1.35bara。要能蒸发塔底氧气，且有2K温差，粗氩气压力需升高至2.1bara，如果采用常温增压方法，升温和降温过程的阻力损失都是0.1bar，可以计算出热泵压缩机功率是700kW出头。
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正常空分是利用上塔中部的多余回流液来完成粗氩塔精馏分离，是没有这台热泵压缩机的，你放着上塔中部现成的多余回流液不用，而是增加这台热泵压缩机，一年电耗成本就超过350万元，你怎样补偿这个损失？还有设备投资、可靠性等。
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低温下换热，2K温差的损失也相当大，你的热泵压缩机提供的有效能中，有超过30%就消耗在这2K温差上。
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要将一辆汽车由A地送到B地，最有效的方法是将这辆汽车直接由A地开到B地，也就是目前主流的空气热泵双塔流程。而不是用另一辆汽车载着这辆汽车由A地到B地，如有些人提出的循环氮气热泵流程。

  回流比和理论塔板数是精馏理论最基本最核心的概念，在这些基本核心概念上出现任何的混乱后果都是极其严重的。