外行学空分(131)一一塔板数和回流比(二)

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- F' }, |- S$ Q0 S" Y4 s5 y    空分装置的计算涉及的问题很多，有压缩过程的计算，有换热器的计算，有蒸发器及冷凝器计算，有精馏计算，毫无疑问精馏计算是空分计算最重要的内容，而在精馏计算中，理论塔板数产品纯度及回流比三者的关系是精馏计算最核心的内容。塔板数和回流比直接决定了精馏产品的纯度，理论上理论塔板数总是越多越好！但理论塔板数受限于工程因素(精馏塔高度，塔板和填料阻力)总是有限的，而所谓的回流比则是可以调整的(但在常规精馏和单热泵精馏流程中其调整受到最小回流液气比及最小回流气液比和最大回流气液比及最大回流液气比的限制，理论上为了降低精馏过程的能耗，我们总是希望尽可能在低回流比下操作，那么最小回流比如何计算呢？这是个非常重要的问题。
    最小回流比(包括精馏段的最小回流液气比和提馏段的最小回流气液比)当然是极限的状况，其对应的塔板数是无限多及纯组分！最小回流比虽然只是理论上的极限值，但对于精馏过程的计算及操作却是头等重要的一件事，也是最简单最基本的的精馏计算，我们在讨论精馏过程的时候，核心参数是塔板数和回流比，而当我们讲到回流比的时候，往往并不是讲回流液气比，回流气液比的具体数值，而是讲实际回流气液比和气液比最小回流气液比，液气比大多少，大5%？大10%？还是大20%？为什么如此呢？这就需要讲到操作线，在精馏计算软件出现之前，在气液平衡数据图上画操作线是已知塔板数和回流气液比，回流液气比求产品纯度的方法。精馏原料的气相组成及平衡的液相组成决定了操作线的始点，理论塔板数决定操作线的折线次数，实际回流气液比和回流液气比和最小回流气液比及最小回流液气比的比值则决定了操作线折线和水平线的角度。
8 b* k: d1 y) i5 S   最小回流比的计算需要注意以下的几个问题，一是并不存在什么精馏最小回流比，而只有低沸点组分产品最小回流比及对应的精馏段最小回流液气比，高沸点组分产品最小回流比及对应的提馏段的最小回流气液比，两者需要分开计算！二是精馏塔的压力会影响气液平衡数据及高低沸点组分的相变热，从而影响最小回流比的计算结果。三是精馏原料气的组成（或精馏原料液体的组成）对最小回流比的计算结果有重大的影响。四是高低沸点组分相变热是影响最小回流比计算结果的一个重要因素。
6 D+ u8 W0 n9 m8 {   最小回流比的计算实际上是一个最简单的物料平衡和热量平衡的问题（如果恒摩尔流假定下计算，则不存在热量平衡的问题，但在高低沸点组分相变热差值较大时，误差很大！），从最小回流比的定义出发，在提馏段最小回流气液比无限理论塔板数下操作是什么情况呢？一提馏段底部回流气是纯高沸点气相纯组分，二是离开提馏段的回流上升气的组成和精馏原料气相（如液态进料，则与液态进料平衡气相）组成一致。
* }& N- C! b0 S4 |   假设高沸点组分产量为1，提馏段顶部下降液体数量为a，其中低沸点组分含量为b，在精馏塔压力下高沸点组分和低沸点组分相变热比值为C，回流上升气数量为e，则根据物料平衡可以列出以下的方程式。ab/c十a（1-b）=1+e，ab/[e-ab/c]等于精馏原料气相中的低沸点组分和高沸点组分的比值。其中b和C都是己知，求出a和e，e和a相除就是最小回流气液比。在常压下当把空气视为氧氮二元物系（氩视同为氧）时，其提馏段最小回流气液比约为0.5，其精馏段最小回流液气比约为0.45。双塔流程的下塔是一个冷凝塔（即精馏段）压力较高，其最小回流液气比0.584。
     如果在恒摩尔流假定下，精馏段最小回流液气比和提馏段最小回流气液比计算过程极为简单，精馏段最小回流液气比是进口原料气气液相平衡数据中，气相高沸点组分百分数和平衡液相中的高沸点组分百分数的比值，下塔最小回流液气比0.5左右。考虑不考虑氧氮相变热的不同，考虑不考虑热量平衡，两者计算结果差距太大！提馏段最小回流气液比是精馏原料液相中的低沸点组分含量和平衡气相中的低沸点组分含量的比值！
" P! c- W* P0 S3 b     现在讨论一下最小回流比的应用，目前双塔流程的深冷空分装置中，粗氩冷凝塔和下塔都是冷凝塔，其中下塔是空气（氮气冷凝塔）冷凝塔，粗氩冷凝塔的是氩馏分（工艺氩气冷凝塔）冷凝塔。下塔和粗氩冷凝塔都有一个问题，对于下塔来说就是送上塔的液氮最大数量，对于粗氩冷凝塔而言，粗氩冷凝塔的最大氩提取率。都需要通过最小回流液气比的计算而得出。粗氩冷凝塔通过最小回流液气比计算出的最大氩提取率（工艺氩数量占氩馏分中氩组分数量比）为33%（氩馏分中的氧含量6%-12%），当然实际的氩提取率比最大氩提取率要小，大约在30%以下！下塔最大氮提取率（送上塔液氮数量占进入下塔空气中氮组分数量的比例）约为75%！计算下塔液氮最大提取率及粗氩冷凝塔最大氩提取率还有一个简化的计算办法。那就是在恒摩尔流假定下，计算出最小回流液气比，100%减去最小回流液气比就是下塔最大氮提取率和粗氩冷凝塔最大提取率！计算结果和上面的结果一致！
/ o. [% t* @' \; ~* Y      深|冷空分教科书中既没有提供实际回流比和最小回流比的定义也没有提供实际回流比和最小回流比的计算方法和计算结果，这是非常奇怪非常不应该的，但这是无法改变的事实。
- t# q0 S  e; C" N- _" R$ q7 n     以上的情况都是针对二元物系或近似二元物系而言的，而实际的物系往往是三元甚至于是多元的，那又该怎么办呢？任何多元物系的精馏计算都必须将多元物系的精馏分解为近似二元物系的精馏才能进行精馏工艺计算。

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    最小回流比的计算是精馏计算最基本的计算，但意义极为重大，深冷空分中的单塔制氮流程的氮提取率，粗氩冷凝塔的氩提取率都需要通过最小回流液气比而求出！

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恒摩尔流假定下的精馏计算，是精馏技术人员都必须掌握的基本计算，但恒摩尔流假定的实质是精馏过程高低沸点组分1比1交换，这样精馏计算也就不存在热量平衡的问题了，极大简化了精馏计算，但在高低沸点组分相变热差距较大时，计算的误差很大，而深冷空分精馏计算就是这样的情况，例如下塔压力下，氧氮相变热比值1.3-1.4！而在上塔压力下，氧氮相变热比值为1.23！