外行学空分(178)一一精馏的基本计算

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     前面175帖简单介绍了精馏过程的基本术语及其定义，并指出只要深刻理解这些基本术语及其定义，再结合氧氩氮三元物系的理化数据，气液平衡数据就可以进行精馏过程的基本计算，下面以深冷空分双塔流程为例加以说明。
     首先简单介绍一下双塔流程上塔，下塔，粗氩冷凝塔的精馏组织方式。双塔流程的下塔从精馏而言，是一个氮气冷凝塔，压力空气从下塔底部进入，下塔顶部的压力氮气冷凝，一部分回流，一部分送去上塔顶部作为回流液，在下塔底部得到富氧液空送去上塔中部作为回流液。粗氩冷凝塔和下塔一样都不是完整的精馏塔而只是完整精馏塔的精馏段部分（粗氩冷凝塔和空分塔上塔氩馏分引出口以下至空分塔底部构成一个完整的氮氩一氧精馏塔）。上塔是一个完整的精馏塔，既包括精馏段也包括提馏段，还有一个侧塔粗氩冷凝塔，实际上是两个精馏塔经隔板模型优化组合而成，其中氩馏分引出口以上的上塔是气氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，粗氩冷凝塔和氩馏分引出口以下的上塔是氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，其中粗氩冷凝塔是氮氩一氧精馏塔精馏段，氩馏分引出口以下的上塔是氮氩一氧精馏塔提馏段。就精馏过程而言，上塔共有六段，一是氩馏分引出口至上塔底部，这是氮氩一氧（氩一氧）提馏分离段，二是氩馏分引出口至富氧空气返回口，中间只有一块理论塔板，这是氮一氧氩提馏分离段，三是富氧空气返回口至膨胀空气入口处，氮一氧氩提馏段。四是膨胀空气入口处至富氧液空入口处，这是氮一氧氩精馏段（也可以认为是氮一氧氩提馏段更合理一些），五是富氧液空入口处至污氮引出口，也是氮一氧氩精馏段，六是污氮引出口至上塔顶部，也是氮一氧氩精馏段。
) D; m" ]% j! E1 x! [! m8 j0 C     所谓精馏过程的基本计算，无非是以下的的几个，一是各段最小回流比的计算，包括精馏段的最小回流液气比和提馏段最小回流气液比的计算，二是产品纯度，理论塔板数和回流比三者之间关系的计算。其中最小回流液气比和最小回流气液比的计算又是最基本的计算。在计算之前，首先要明确几个问题，一是精馏计算严格意义上只是二元物系精馏过程的计算，如果是三元物系或者多元物系必须分解为多个近似二元物系精馏塔才能进行精馏计算。精馏计算中有所谓的恒摩尔流假定，极大简化了精馏计算，如果不加说明，则都是在恒摩尔流假定前提下进行计算。
# `+ |' V. P! T- Q     下面以双塔流程的下塔为例加以说明。
     首先计算双塔流程下塔的最小回流液气比，下塔压力5.2-5.3bar，进入下塔的空气既不带液也不过热，气体组成氧21%，氮79%，与其平衡的液相平衡组成是氧42%，氮58%。氧的相变热是氮的1.4倍。根据最小液气比的定义可以得到在最小回流比下，富氧液空的组成是氧42‰，氮58%，如果进入下塔的空气为1摩尔，则富氧液空的数量是1X21%/42%=0.5摩尔，其中氧0.21摩尔，氮0.29摩尔。下塔顶部回流液氮数量=0.21X1.4+0.29=0.584摩尔。下塔最小回流液气比0.584！
: v$ a# W) G5 l9 w- j  {    如果下塔压力降低至1.1-1.2bar（接近上塔压力，接近常压）那么下塔的最小液气比是多少？压力1.1-1.2bar，进入下塔空气组成依然是氧21%，氮79%，与之平衡的液相组成氧50%，氮50%，氧的相变热是氮的1.23信。根据最小液气比的定义，可以得到在最小液气比下，富氧液空组成为氧50%，氮50%，如果进入下塔的空气数量是1摩尔，则富氧液空数量是21%/50%=0.42摩尔，其中氧0.21摩尔，氮0.21摩尔。回流液氮数量=0.21+0.21x1.23=0.47摩尔。这样情况下最小回流液气比是0.47！
   同样的空气组成，随着精馏冷凝塔压力提高最小回流比大幅度上升。这就是为什么精馏过程尽可能在接近常压下进行的基本原因（出于工程上的原因，一般情况下不会选择真空下精馏，虽然从理论上说，在真空或更低压力下精馏是有利的，只有在特殊情况下才会选择真空压力下精馏。）。
     现在进行实际回流液气比，理论塔板数，产品纯度三者关系的计算。下塔氮气纯度指标99.9%，即氮气中含有0.1%的氧气。下塔最小液气比是0.584！下塔实际液气比当然大于最小液气比，如果下塔实际液气比是0.614，计算需要多少理论塔板数，氮气纯度才能达到99.9%。
9 \. H. k3 `% o- }0 K+ E   计算的过程是这样，首先计算下塔富氧液空中的氧含量。首先计算出富氧液空数量为0.53摩尔，富氧液空中的氧含量=0.21/0.53=39.6%，这就是出下塔最后一块理论塔板的液相中的氧含量，求出与之平衡的气相中的氧含量。得到的结果是含氧19.5%，再运用物料平衡得出下塔最后一块理论塔板上升气相数量，这就是出最后一块理论塔板进倒数第二块理论塔板的上升气相组成及数量。重复以上计算过程，可以得出出第二块理论塔板的气相组成中含氧17.5%，出第二块理论塔板的液相中氧含量36.8%，反复进行直到气相中的氧含量小于0.1%！这就是逐板计算法，得到的结果是40-45块理论塔板数。从计算过程中可以知道，上升气数量逐步增加，到下塔顶部是已经达到1.084摩尔，回流液从塔顶0.614逐步减少，到最后一块理论塔板处减少至0.53摩尔。当然如果提高下塔回流液气比，同样氮气产品纯度需要的理论塔板数相应减少，但下塔送上塔的液氮数量相应减少。
   以上的计算过程中，进入下塔的空气既不过热也不带液，这当然是理想状况，实际上进入下塔的空气是带液的，一般情况下带液量为3%-5%，采用内压缩的时候，带液量更大！这种情况下下塔需要的理论塔板数基本上不变，富氧液空中的氧含量将显著降低，可以送至上塔的液氮数量相应减少。
      上塔氩馏分引出口是一个完整的氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，就精馏基本计算而言，上塔分为上塔底部氧气引出口至氩馏分引出口，这一段是氧氩提馏分离段，氩馏分引出口至富氧空气返回口，两者反相隔1块理论塔板数，富氧液空入口处至膨胀机后空气入口，空气入口至富氧液空入口，富氧液空入口至污氮气引出口，污氮气引出口至空分塔顶部。
, C" ?- B1 J+ A( I1 d0 v0 E2 G   氩馏分引出口以下是氧氩提馏分离，氩馏分含氩10%，含氧90%，与氩馏分平衡的液相组成为含氩6.6%，可以计算出最小气液比0.64（氧氩相变热比值为1.081），当进入下塔的空气数量占空气总量85%时，实际气液比0.7左右，逐板计算当氧气纯度99.5%时，需要理论塔板数25块左右。
: n" x( S8 z7 w3 I' ~$ \    上塔精馏段分为几段，需要逐段进行计算，其中污氮气引出口至上塔顶部为一段，它的理论塔板数及实际液气比决定了氮气产品纯度。现在假定污氮气中的氧含量1%，可以简单计算出此段最小液气比为0.33左右，以10000立方米氧气空分装置为例，当氮气产量为20000立方米时，实际液气比为1.05！这里有一个大家没有注意到的问题，那就是这个实际液气比大于最大液气比（全回流时液气比），其原因在于双塔流程是一个以原料空气为循环工质的一拖二热泵精馏流程，其富氧液空入口处对应气相中的氧含量与富氧液空并不处于气液平衡状态，富氧液空入口处的上升气数量等于空气中的氮气数量，富氧液空入口处对应气相中的氧含量则与进入下塔空气数量比例直接相关，当进入下塔空气数量为空气总量80%时，富氧液空入口处对应气相中的氧含量为20%-21%！富氧液空入口处至污氮气引出口之间的最小回流液气比为0.5-0.525！如果空气全部进入下塔，则富氧液空入口处对应气相中的氧含量达26%，富氧液空入口处至污氮气引出口之间的最小回流液气比为0.65！增效塔及提氩装置投入运行后，富氧液空入口处对应气相中的氧含量又会发生相应复杂的变化，这是要特别注意的！氧氮分离系数为3.1左右，氮气纯度99.9%简单逐板计算后，需要理论塔板数3-4块！也就是3-4块理论塔板数上升气中的氧含量降低一个数量级，那么氮气产品纯度能否进一步降低呢？不能！产品纯度受限于下塔送来的液氮纯度，只有提高下塔液氮纯度，才有可能进一步提高氮气产品纯度。
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解决的了新单塔流程的提氩工艺方案问题，也就解决了新单塔流程和双塔流程的能耗比较问题。

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新单塔流程和双塔流程的比较本质上是开式热泵供冷供热方案有效能效率的比较

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