外行学空分（330）一一空分基本原理一一产品纯度，理论塔板数和回流比

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. X- ]+ L/ J7 m+ ?. F8 x1 I     空分基本原理的主要内容除了空气开式热泵一膨胀制冷液化部分，二元物系标准常规精馏工艺方案，双效及多效精馏工艺方案，单热泵精馏及多热泵精馏工艺方案和完全自热精馏工艺方案即彻底开式热泵精馏工艺方案，多元物系精馏分离的依次精馏及依次精馏基础上的隔板模型优化组织方案，开式热泵供冷供热方案这些空气精馏组织问题外，剩下的问题就是和所有精馏过程一样的产品纯度，理论塔板数和回流比的问题，产品纯度，理论塔板数和回流比是精馏计算的核心内容。由给定的产品纯度指标，结合可用理论塔板数，计算出二元物系或者近似二元物系精馏塔的低沸点组分产品回流比及对应的精馏段回流液气比，高沸点组分产品回流比及对应的提馏段回流气液比，再计算出需要的供冷供热量及对应的开式热泵循环工质压缩量。在讨论这些问题之前首先对几个基本概念进行一下说明。
    最简单最基础的精馏分离是二元物系的精馏分离，多元物系的精馏分离则可以而且必须分解为多个近似二元物系的精馏分离，才能保证每个组分的产品纯度和提取率。二元物系精馏分离和多元物系精馏分离具有不同的特点。所有的精馏计算都是指二元物系精馏计算和近似二元物系精馏计算。多元物系精馏计算只是几个近似二元物系精馏计算的叠加而已。具体就空气氧氮氩三元物系精馏分离而言，氧氮二元物系精馏分离是基础，而氧氩氮三元物系精馏分离，则需要分解为氮一氩氧精馏分离近似氧氮精馏分离，氮氩一氧精馏分离近似氧氩精馏分离和氮一氩氧精馏分离近似氮氩精馏分离。当然根据产品方案的不同，在完整的氧氮氩三元物系精馏方案基础上可以有各种各样的简化变种，例如如果只制取氮气产品，氧氮氩三元物系精馏分离就不需要三个近似二元物系依次精馏塔，只需要一个氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔就可以实现！如果只制取高纯度氧气产品，氮气产品且对氮提取率，氮气产品纯度没有太高的要求，那么就可以采用氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，这样就可以从精馏塔底部得到高纯度氧气产品，同时通过污氮气引出，在精馏塔顶部得到高纯度氮气产品。形式上看从三元物系一个精馏塔中得到两个高纯度组分产品，和多元物系依次精馏一个精馏塔只能得到一个高纯度产品相矛盾！其实这样的工艺方案，污氮气引出口以下是氮氩一氧精馏塔，所以可以从精馏塔底部得到高纯度氧气产品，而污氮气引出口以上是氮一氩氧精馏塔精馏段，只不过不提取氩气产品，不要求高氮气提取率，而取消了经隔板模型优化组织方案的侧塔氮一氩氧精馏塔的提馏段（蒸馏段）而已！两者之间并不矛盾。至于所谓双高纯度产品只是一个商业营销手段而已！并无任何实质意义！
    上升气和下降液，精馏塔内气体上升自下而上流动，液体下降自上而下流动，气液之间进行热质交换，上升气中的高沸点组分逐步冷凝进入下降液，上升气中的高沸点组分含量逐步降低，下降液中的低沸点组分逐步蒸发进入上升气，下降液中的低沸点组分含量逐步降低。这就是精馏的涵义，从本质上而言，精馏过程就是将多个蒸馏一冷凝过程在一个精馏塔内进行（多少块理论塔板数就是多少个蒸馏一冷凝过程）。精馏塔内的上升气体都可以泛称为上升气，精馏塔内的下降液体都可以泛称为下降液！回流气和回流液当然也是上升气和下降液，但却有特定的涵义，这是需要特别注意的，其中精馏塔精馏段下降液可称为回流液，回流液有时特指精馏塔顶部冷凝器产生用于回流的低沸点组分液体。三者之间的涵义是不同的。其中精馏塔提馏段上升气可以称为回流气，回流气有时特指精馏塔底部再沸器产生用于回流的高沸点组分气体，三者之间的涵义是不同的。当然精馏塔精馏段的上升气不能称为回流气！精馏塔提馏段的下降液不能称为回流液！这是需要特别注意的！
3 h- ^! F+ M0 }! Y& r9 g    理论塔板的涵义如下，离开塔板和填料的上升气组成和离开塔板和填料的下降液组成处于气液平衡状态，则此填料段和塔板称为一块理论塔板！实际上就是一次蒸馏一冷凝过程，这里的重点是离开，离开塔板的上升气和离开塔板的下降液。所以标准常规精馏中的蒸汽再沸器和冷却水冷凝器均相当于一块理论塔板，开式热泵精馏中的冷凝一蒸发器（相当于标准常规精馏中的蒸汽再沸器）和蒸发一冷凝器（相当于标准常规精馏中的冷却水冷凝器，开式热泵精馏中一般没有蒸发一冷凝器，开式热泵循环工质液体减压直接加入精馏塔作为下降液）也是如此！明确了理论塔板数的概念，就可以根据进入理论塔板的上升气数量和组成，进入理论塔板下降液的数量和组成，根据气液平衡数据及物料平衡和热量平衡，计算出离开理论塔板的上升气数量和组成和离开理论塔板的下降液数量组成。这是精馏计算最基础最核心的内容，所有的精馏计算都是从此出发。明确了理论塔板的概念，所谓的理论塔板数也就不言自明了。要注意区分实际塔板和理论塔板之间，实际塔板数和理论塔板数之间的区别和联系。
    产品纯度的概念，对于二元物系精馏分离而言，产品纯度分为高沸点组分产品纯度和低沸点组分产品纯度。分别是高沸点组分的含量和低沸点组分的含量。对于二元物系精馏分离而言，只要理论塔板数足够多，回流比（分为高沸点组分产品回流比及对应的提馏段回流气液比和低沸点组分产品回流比及对应的精馏段回流液气比）足够大，都可以实现高低沸点组分产品的高纯度，并保证高低沸点组分产品的提取率接近100%（和高低沸点沸点组分产品纯度有关，高沸点组分产品纯度低，则低沸点组分产品提取率低，反之亦然）！但对于多元物系精馏分离的依次精馏而言，每个近似二元物系精馏塔只能得到一个高纯度的产品，另一个产品则是二元或多元组分混合物。例如氧氮二元物系精馏塔，可以同时得到高纯度的氧氮气产品，但真实空气组成的氧氮氩三元物系依次精馏氮一氩氧精馏塔近似氧氮精馏塔，只能得到高纯度氮气产品，而无法得到高纯度氧气产品（只能得到氧氩混合气体，氧氩比例决定于原料空气中的氧氩比例，氮气含量则是氮一氩氧精馏塔的高沸点组分产品（氧氩混合气体）的工艺指标。例如氮氩一氧精馏塔近似氧氩精馏塔，只能得到高纯度的氧气产品，无法得到高纯度的氮气或者氩气产品，其低沸点组分产品是氮氩混合气体（以氧含量为工艺指标，氮氩含量比例决定于氮氩一氧精馏塔原料气氩馏分中的氮氩比例）。这是二元物系精馏分离和近似二元物系精馏分离的一个根本区别，两者不能混为一谈！很多空分技术人员对此都没有清楚的认识，造成许多的混乱！
2 Q$ r0 K9 e, P     精馏过程的回流比由供冷供热方案及供冷供热数量决定，就二元物系标准常规精馏工艺方案而言，分为低沸点组分回流比和高沸点组分回流比！低沸点组分产品回流比涵义是低沸点组分回流液摩尔数量和低沸点组分产品摩尔数量（包括气体，液体产品）的比值，与低沸点组分产品回流比对应的是精馏段回流液气比，在标准常规精馏工艺方案和以低沸点组分为循环工质的单热泵精馏工艺方案下，其涵义是精馏段顶部回流液摩尔数量和精馏段底部上升气摩尔数量的比值。高沸点组分产品回流比的涵义是高沸点组分产品回流气摩尔数量和高沸点组分产品摩尔数量（包括气体和液体）的比值！对应的是提馏段回流气液比，在标准常规精馏工艺方案和以低沸点组分为循环工质的单热泵精馏工艺方案下，其涵义是提馏段底部回流液摩尔数量和提馏段顶部下降液摩尔数量的比值，不存在什么全精馏塔回流比，这需要仔细体会，以免造成混乱。
* e$ X6 W' @( m0 P. I     精馏过程是一个等焓过程，用于精馏过程的供冷供热量总是相等的（实际过程中，两者之间存在一定的差额用于补偿散冷散热损失，换热复热温差损失及气液平衡），但由于二元物系中的高低沸点组分含量及相变热并不相等，低沸点组分产品回流比和高沸点组分产品回流比也是不相等的！在精馏计算中，高沸点组分产品回流比必须转化为提馏段回流气液比，低沸点组分产品回流比必须转化为精馏段回流液气比！精馏计算才易于理解和进行。要非常注意区分高沸点组分产品回流比和提馏段回流气液比，低沸点组分产品回流比和精馏段回流液气比之间的联系和不同，两者不能混为一谈。在恒摩尔流假定下，由高沸点组分产品回流比e，可以计算出提馏段回流气液比e/（e+1）！由低沸点组分产品回流比e，可以计算出精馏段回流液气比e/（e+1）！在恒摩尔流假定不成立及多热泵精馏工艺方案（也包括组分沸点在环境温度以上的双效精馏及多效精馏工艺方案和组分沸点在环境温度以下的以精馏原料气为循环工质的一拖二开式热泵精馏工艺方案）的情况下，按照以上计算公式计算出的结果实际上只是精馏塔精馏段最顶部理论塔板的回流液气比和精馏塔提馏段最底理论塔板的回流气液比，而不是精馏段回流液气比和提馏段回流气液比，这一点需要细心体会。
     精馏段的回流液气比和提馏段的回流气液比的概念可大可小。可以是整个精馏段的回流液气比，整个提馏段的回流气液比，也可以是几块理论塔板的回流液气比和回流气液比，当然也可以是单块理论塔板的回流液气比和回流气液比！其涵义都是进入精馏段，提馏段，几块理论塔板，单块理论塔板的气液相摩尔数量之比值！这里的重点是无论回流气液比还是回流液气比都不是同平面气液比或者液气比！在恒摩尔流假定成立的情况下，它们数值都是相等的，但是在恒摩尔流假定不成立的情况下却有重大的区别！而在精确精馏计算中恒摩尔流假定事实上是不成立的！以标准常规精馏工艺方案为例，精馏段回流液气比是精馏塔顶部的低沸点组分回流液摩尔数量和精馏段底部（精馏原料入口处）的上升气摩尔数量的比值，其前提条件是精馏段除了顶底之外均无气液进出。只有标准常规精馏工艺方案或者对应于标准常规精馏工艺方案的以二元物系低沸点组分为循环工质的单开式热泵精馏工艺方案才符合以上的条件。而双效精馏及多效精馏，单热泵精馏及多热泵精馏均不一定符合以上的条件，需要分段计算。几块理论塔板的回流液气比是几块理论塔板顶部回流液摩尔数量和几块理论塔板底部上升气摩尔数量的比值。单块理论塔板回流液气比是单块理论塔板顶部回流液摩尔数量（即进入单块理论塔板的下降液，回流液摩尔数量）和单块理论塔板底部上升气摩尔数量（即进入单块理论塔板上升气摩尔数量）之比值。这一点需要仔细体会。
9 b. t0 W1 n3 ~/ _    所谓恒摩尔流假定，其具体涵义是精馏塔的高低沸点组分交换是等摩尔交换！其结果就是以精馏塔原料气进入精馏塔处为界，精馏段和提馏段的上升气摩尔数和下降液摩尔数恒等不变（前提条件是精馏段和提馏段除了顶底之外都不存在气液进出的情况）！这是一个近似的假定，在高低沸点组分相变热相等或者接近时可以成立，如果高低沸点组分相变热差距很大则是不成立的！在空分精馏中，作为定性分析是可以的，定量计算则误差太大！例如在常压下氧氮相变热的比值是1.23！一个氧分子冷凝将使1.23个氮分子蒸发气化才能实现热量平衡。在5bar压力下，氧氮相变热比值是1.4！一个氧分子冷凝将使1.4个氮分子蒸发气化！在恒摩尔流假定不成立的情况下，精馏计算只能逐板计算。当然也就不存在什么操作线方程式了，因为操作线方程式成立的前提条件之一是恒摩尔流假定。
' B0 g% R  `8 C0 K    操作线方程式同样分为提馏段操作线方程式和精馏段操作线方程式。其中精馏段操作线方程式是在第n块理论塔板至塔顶冷凝器之间进行高沸点组分物料衡算，从而得出进入n块理论塔板数的上升气组成和离开n块理论塔板的下降液组成之间的关系方程式。然后根据离开n块理论塔板和离开n块理论塔板的上升气（就是进入n+1理论塔板的上升气）的气液平衡数据，得出离开n块理论塔板的上升气组成。提馏段操作线方程式则是第n块理论塔板和精馏塔底部再沸器之间进行低沸点组分物料衡算。这里的重点是精馏段和提馏段操作线方程式是不同的，不存在什么精馏塔操作线方程式。其中精馏段操作线方程式是对高沸点组分进行物料衡算，提馏段操作线方程式是对低沸点组分进行物料衡算，这些都需要仔细体会它们之间的区别。以上的叙述都是针对标准常规精馏工艺方案而言，如果是双效精馏及多效精馏或者单热泵及多热泵精馏工艺方案，则必须分段进行计算，不同段的操作线方程式是不同的。
& V" t8 ~7 e3 |3 S( F& l    在二元物系精馏分离和近似二元物系精馏分离中产品纯度，理论塔板数，回流比三个变量中只有两个自由度！所谓的精馏计算无非产品纯度，回流比给定的情况下计算需要的理论塔板数，或者回流比，理论塔板数给定的情况下计算产品纯度。

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以上的内容是精馏的基础知识，需要认真体会。

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  低沸点组分产品回流比及对应的精馏段回流液气比，高沸点组分产品回流比及对应的提馏段回流气液比，恒摩尔流假定及其涵义，理论塔板的涵义，精馏段操作线方程式及提馏段操作线方程式。这些都是精馏的基本概念，只有正确掌握这些基本概念，定义，才会进行正确的精馏计算。

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以上都是关于精馏计算的基本常识，只有对此有深刻理解，才能正确地进行基本的精馏计算。

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   在空分精馏计算中，由于氧氩氮组分相变热差距很大，恒摩尔流假定是不成立的。

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感谢群主分享，非常有用，谢谢

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关于精馏计算的核心概念是理论塔板的定义，所有的精馏计算都是以此作为基础和出发点。

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精馏过程是纯粹的物理过程，其计算无非是热量平衡，物料平衡和挥发度。没有任何的神秘之处，但计算工作量非常大，为了简化计算就必须引入假定，例如恒摩尔流假定等，又会带来计算误差。现在有了计算软件后计算工作一般都由计算软件进行，但对基本概念还是要仔细体会。