外行学空分(130)一一再论塔板数和回流比(一)

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   深冷空分技术的核心是精馏，深冷空分精馏流程是开式热泵供冷供热精馏流程，这一点深冷空分专家们大概已经不再质疑，这是让人感到高兴的一件事。
    一个精馏过程的核心参数可以分为两类，一类是目标参数即产品数量产品纯度能耗。一类是工艺参数如精馏塔压力，空压机出口压力，氮压机出口压力，产品提取率，精馏塔阻力，总理论塔板数，各段理论塔板数及各段回流比（包括精馏段回流液气比和提馏段回流气液比）等，毫无疑问理论塔板数和回流比是精馏过程的核心工艺参数，因为理论塔板数和回流比的不同组合直接决定了产品的数量和纯度以及产品提取率，而其它工艺参数只是通过影响理论塔板数，最小回流比和实际回流比而起作用，例如精馏塔的阻力限制了可使用的理论塔板数，而精馏塔的压力则通过气液平衡数据而影响最小回流比及分离系数。
    现在我对塔板数和回流比的概念稍加解释，首先这里的塔板数指的理论塔板数，至于是板式塔还是填料塔，板式塔的塔板效率，填料塔的一米高度相当于几块理论塔板数，留待工程设计时再考虑，在精馏工艺计算中不涉及。其次回流比只是一个约定俗成的说法，一个完整的精馏塔以精馏原料入口为界分为精馏段和提馏段（这是一个最基本的划分，在实际过程中特别是采用双效精馏多效精馏及单热泵多热泵精馏技术还需要根据具体情况综合考虑）并没有所谓精馏塔回流比，而只有高沸点组分产品回流比及对应的提馏段的回流气液比和低沸点组分产品回流比及对应的精馏段的回流液气比，所讲的回流比其实就是指高沸点组分产品回流比及对应的提馏段的回流气液比和低沸点组分产品回流比及对应的精馏段的回流液气比。其中高沸点组分产品回流比和提馏段回流气液比有对应的关系（严格地说只是和精馏塔底部回流气数量存在对应的关系），低沸点组分产品回流比和精馏段回流液气比存在对应的关系（严格地说只是和精馏塔顶部回流液数量存在对应关系）。
- y3 B3 n6 t8 p# g    如果一个精馏过程精馏原料从精馏塔中部进入精馏塔，提馏段和精馏段除了顶部和底部外，中间既没有气体液体输入也没有气体液体输出，那么精馏段回流液气比就是塔顶回流液数量(摩尔数)与精馏段底部(精馏原料入口处)上升气数量(摩尔数，其数量和精馏原料气数量并不相等，这一点要加以特别注意）之比，而提馏段回流气液比是提馏段底部回流气数量(摩尔数)与提馏段顶部(精馏原料入口处)下降液数量(摩尔数（和精馏原料数量并不相等，这一点也是需要特别注意的）之比。精馏塔中既有回流液也有回流气，与之相对应的是上升气和下降液。从精馏塔冷凝器冷凝后返回精馏塔的是回流液！此回流液在精馏段下降过程中，不断吸收上升气中的高沸点组分，回流液中的低沸点组分不断挥发进入上升气。其数量及组分均在不断变化中。精馏塔底部再沸器中气化的高沸点组分气体，一部分作为产品引出，余下的部分就是回流气，回流气在提馏段上升过程中，与之接触的下降液体中的低沸点组分不断挥发进入回流气中，同时回流气中的高沸点组分也不断液化进入下降液体中，回流气的数量和组成在上升过程中不断发生变化。
    如果精馏段和提馏段中间有气体液体输入输出则回流液气比和回流气液比需要分段计算，例如双塔流程的上塔精馏段，既有污氮气的输出又有富氧液空的输入，则塔顶至污氮气出口计算出一个回流液气比，污氮气出口至富氧液空入口计算出一个回流液气比（富氧液空入口处为上塔精馏段，提馏段的分界点）而不同段的回流液气比和理论塔板数构成的回流液气比和理论塔板数的组合直接决定了低沸点产品纯度。提馏段也是同样的情况，不同段理论塔板数和回流气液比的组合决定于高沸点产品的纯度。
   回流比和塔板数是一对组合，它们共同决定了精馏效果和产品纯度！例如精馏段回流液气比和塔板数决定了低沸点产品的纯度，而提馏段的回流气液比和塔板数决定了高沸点产品的纯度。如果以数学公式表示回流比和塔板数及产品纯度三者之间的关系，那么精馏原料入口处上升气中的高沸点组分含量为a，a除以[1+（L/L。-1）XC]的n次方就是第n块理论塔板数处气相中的高沸点组分含量，其中a是精馏原料气相中的高沸点组分摩尔百分数，L是精馏段实际回流液气比，L。是精馏段最小回流液气比，C是高低沸点组分分离系数，n是精馏段理论塔板数。对于提馏段而言，只要把以上计算式中的a由原料气中的高沸点组分含量改为与原料气平衡的液相组成中的低沸点组分含量，实际回流液气比和最小回流气液比改为实际回流气液比和最小回流气液比即可进行提馏段的精馏计算，只在高低沸点组分产品纯度较低时才比较准确。当然这样的计算结果只是一个粗略的结果，误差较大，更精确的计算应该采用逐板计算，同时有一个隐涵的前提条件那就是高低沸点组分的相对挥发度不变，更精确的结果应通过在气液平衡数据图上画操作线（其实也是有误差的，因为没有考虑高低沸点组分相变热不同，不是等量交换即所谓等摩尔流假定）或进行逐板计算或用计算软件模拟计算而得到，如果高低沸点组分的相对挥发度不发生变化，其结果是较为可靠的，定性讨论或初步定量计算已经足够。从中也可以看出回流比的定义和实际液气比最小液气比实际气液比和最小气液比定义和计算结果的极端重要性。另外空气真实组成是氧氮氩三元物系，三元物系空分塔在空分塔精馏工艺计算时，首先要明确空分塔是按照氮氩一氧还是按照氮一氩氧进行精馏组织的，不明确这个是无法进行空分塔的精馏工艺计算的，而深冷空分教科书对此不涉一言！可以说深冷空分教科书中关于精馏工艺部分的内容是存在严重缺陷的！
4 t: ?+ I) U, x) N; M    同时深冷空分教科书中并没有对回流比给出一个明确的定义，必然引发了混乱和争议，这是非常不应该的。现在有了空分计算软件，进行精馏计算当然不存在任何问题，但要做到知其然进而知其所以然就难上加难了，同时对于精馏过程的问题也就很难进行分析思考了。
! Q# d, W/ n; D9 R% u2 u     另外对所谓的恒摩尔流（等摩尔流）假定多说几句，目前可见的精馏计算公式都是建立在恒摩尔流假定的基础上。所谓恒摩尔流假定的真正涵义是精馏过程中气相中的高沸点组分冷凝进入液相中的数量和液相中的低沸点组分蒸发进入气相的数量恒等，交换比例是1比1！恒摩尔流假定极大简化了精馏计算过程，使精馏计算中只涉及物料平衡和分离系数而完全不涉及热量平衡！即使在逐板计算中，也是建立在恒摩尔流假定基础上。如果高沸点组分的冷凝蒸发潜热差距较大，则计算结果误差就会很大。
! q  ~' L: k# c5 @: p, S    恒摩尔流假定对回流液气比和回流气液比的计算结果产生较大的影响，在恒摩尔流假定下，无论是将回流液气比理解为同平面的液气比还是顶部回流液摩尔数和底部上升气摩尔数的比值，都是完全一致的。但在实际情况下却会出现重大的差异。以下塔为例，进入下塔的空气组成氧的为21%，与之平衡的液相组成中的氧含量为42%，压力空气既不过冷也不过热（压力下的露点温度）进入下塔的数量为1摩尔，如果在恒摩尔流假定下计算最小回流液气比，最小回流比，最小同平面液气比，则无论是同平面液气比还是以回流液气比（精馏段顶部回流液摩尔数和精馏段底部上升气摩尔数之比）都是0.5！低沸点组分产品回流比（精馏段顶部回流液摩尔数和氮组分取出摩尔数之比）是1！而考虑在下塔压力情况下氧氮相变热的不同（在5-6bar压力下，氧氮相变热比值为1.3-1.4之间取1.4），计算出的结果低沸点组分产品最小回流比1.168！最小回流液气比0.584！精馏段底部同平面最小回流液气比0.5！精馏段顶部同平面最小回流液气比是0.54！
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  理论塔板数，回流比，产品纯度是精馏过程的三个核心工艺参数。深刻理解理论塔板数和回流比的概念及它们和产品纯度之间的关系，是进行精馏计算和操作，分析精馏问题的基础，基础不牢地动山摇！

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在恒摩尔流假定下进行各理论塔板数处气液相组成的计算是精馏计算的基本内容，但要掌握这部分内容并不容易！必须对回流比，回流液气比，回流气液比的概念有深刻的理解，也需要对所谓恒摩尔流假定的实质及对精馏计算带来的简化和误差有所理解。

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  首先要明确精馏计算中的回流比分为精馏段回流液气比和提馏段回流气液比。其次要注意目前所有的精馏计算都是建立在恒摩尔流假定的基础上，在高低沸点组分相变热差距较大时误差很大。