外行学空分（332）一一空分基本原理一一产品纯度，理论塔板数和回流比（3）

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& w+ O& ?/ z5 J5 ], C. m     组分沸点在环境温度以上的二元物系的标准常规精馏工艺方案从理论上彻底解决了组分沸点在环境温度以上的二元物系高低沸点组分的产品纯度和提取率的问题，这是蒸馏技术向精馏技术的重大升级！但是标准常规精馏工艺方案并不是能耗最低最优的精馏工艺方案，只是一个基础的二元物系精馏工艺方案。同时标准常规精馏工艺方案也无法运用于组分沸点在环境温度以下，精馏原料呈气态的二元物系气体的精馏分离。即使在二元物系组分沸点在环境温度以上，精馏原料为液态的混合液体，虽然都可以运用标准常规精馏工艺方案实现高低沸点组分的精馏分离，从理论上彻底解决了高低沸点组分产品纯度和提取率的问题，如何降低精馏能耗（蒸汽耗，更准确地说是蒸汽冷却水耗）依然是精馏工艺方案的一个重要问题，在以下三种情况下，组分沸点在环境温度以上的二元物系标准常规精馏工艺方案的能耗（蒸汽耗）是非常高的，精馏效率是很低的！一是在理论塔板数有限的情况下制取高纯度的高低沸点组分产品。二是高低沸点组分沸点差距很小，分离系数很小的情况下，三是精馏原料中的高低沸点组分比例差距很大，导致精馏段回流液气比和提馏段回流气液比严重不协调时。在这三种情况下，为了降低精馏能耗，在组分沸点在环境温度以上的二元物系标准常规精馏工艺方案的基础上发展出了二元物系双效精馏及多效精馏工艺方案及单热泵及多热泵精馏技术。其中单热泵及多热泵精馏技术相对于双效精馏及多效精馏流程更加简化，节能效果更加显著，是精馏技术又一个的重大升级（前一个重大升级是蒸馏一冷凝工艺方案向精馏工艺方案的升级），唯一的问题在于热泵循环工质压缩机设计制造上存在困难（由于循环工质气体沸点在环境温度以上，循环工质气体的冷凝造成润滑油的污染，轴承润滑成为难以解决的问题）。而所谓的双效精馏及多效精馏只是标准常规精馏工艺方案向单热泵及多热泵精馏工艺方案升级过程中的一个过渡工艺方案。只是由于热泵循环工压缩机设计制造上存在很大的困难，双效精馏及多效精馏工艺方案才没有被单热泵及多热泵精馏工艺方案完全升级代替，依然可以看到双效精馏及多效精馏的许多实际案例。但对于组分沸点在环境温度以下的精馏过程，由于热泵循环工质可以选择深冷压缩也可以选择复热常温压缩，热泵循环工质压缩机设计制造均不存在困难。而且:只有采用彻底开式热泵供冷供热的精馏工艺方案，才能实现组分沸点在环境温度以下的混合气体的精馏分离。
, ~9 a7 G4 x+ y; Z; N- B& _    所谓二元物系的双效精馏典型工艺方案简单叙述如下，二元物系精馏原料液体经泵送与从双效精馏工艺方案中的低压精馏塔顶部和底部引出的精馏低沸点组分液体产品和高沸点组分液体产品换热后呈液态从双效精馏工艺方案中的高压精馏塔中部进入参与精馏，高压精馏塔底部设置蒸汽再沸器，高压精馏塔顶部通过一个冷凝一蒸发器（高压精馏塔侧压力低沸点气相组分冷凝，低压精馏塔侧低压高沸点组分液体蒸发气化，可称为双效精馏工艺方案中的主冷凝一蒸发器）与低压精馏塔底部相连，高压精馏塔顶部的高压低沸点组分气体冷凝液化，一部分作为高压精馏塔顶部的回流液，一部分减压后送至低压精馏塔顶部作为回流液，同时低压精馏塔底部的高沸点组分液体部分蒸发气化作为低压精馏塔提馏段的回流上升气！其余末蒸发气化的高沸点组分液体引出经与泵送精馏原料液体换热后作为高沸点组分产品。在高压精馏塔底部得到高沸点组分含量比精馏原料液体中高沸点组分含量高的高低沸点组分混合液体减压送至低压精馏塔中部作为回流液（实际上是低压精馏塔的精馏原料液体，如果有部分精馏原料液体进入低压精馏塔，则是低压精馏塔精馏段回流液，双效精馏低压精馏塔以此为界以上至冷却水冷凝器是低压精馏塔精馏段，以下至双效精馏主冷凝一蒸发器是低压精馏塔提馏段），低压精馏塔顶部设置冷却水冷凝器，使低压精馏塔顶部的低沸点组分气体冷凝液化，加上由高压精馏塔送来的低沸点组分液体部分作为低压精馏塔回流液，部分引出与精馏原料液体换热后作为低沸点组分产品。
    以上只是对典型的二元物系双效精馏工艺方案的描述，实际双效精馏工艺方案案例还有一些变化，主要是精馏原料液体与精馏产品换热后，分为两个部分一部分从低压精馏塔中部进入参与精馏，一部分从高压精馏塔中部进入参与精馏。但以上的典型方案对于理解什么是组分沸点在环境温度以上的二元物系双效精馏工艺方案更加典型。
1 w; K# I# r% ]" \. u& I    现在讨论一下二元物系双效精馏的产品纯度，理论塔板数和回流比的问题，分别从双效精馏的高压精馏塔和低压精馏塔进行分析讨论。
      高压精馏塔从形式上看是一个初级精馏塔，高压精馏塔最重要的工艺指标，工艺参数是高压精馏塔底部的高低沸点组分液体的组成及高压精馏塔顶部减压送低压精馏塔顶部作为回流液的低沸点组分液体纯度，其中高压精馏塔底部的高低沸点组分混合液体组成直接决定了高压精馏塔底部高低沸点组分液体的数量，高压精馏塔顶部冷凝低沸点组分液体中送低压精馏塔顶部低沸点组分回流液数量（物料平衡），也决定了高压精馏塔蒸汽再沸器的蒸汽消耗量（就是双效精馏工艺方案的蒸汽耗），高压精馏塔底部高低沸点组分含量比例是双效精馏工艺方案的核心工艺参数！另一个核心工艺参数是高压精馏塔底部的蒸汽再沸器热负荷。高压精馏塔底部高低沸点组分液体中的高沸点组分含量总是大于精馏原料液体中的高沸点含量！
) {8 H/ U9 ^5 O! K+ q3 t  a    随着高压精馏塔底部蒸汽再沸器蒸汽加入量增加，高压精馏塔底部高低沸点混合组分液体中的高沸点组分含量升高，高压精馏塔顶部双效精馏主冷凝一蒸发器冷凝的低沸点组分液体相应增加，其中一部分送低压精馏塔顶部作为回流液，一部分作为高压精馏塔顶部回流液。其中送低压精馏塔顶部低沸点组分液体数量决定于高压精馏塔底部高低沸点组分液体中的高沸点组分含量（简单的高压精馏塔物料平衡），高压精馏塔底部高低沸点混合组分液体中的高沸点组分比例升高，送低压精馏塔的低沸点组分液体数量相应增加！
     双效精馏工艺方案中，高压精馏塔底部的蒸汽再沸器的蒸汽冷凝潜热总是等于低压精馏塔精馏段上升气及提馏段回流气的冷凝潜热等于低压精馏塔顶部冷却水冷凝器的热负荷。
   双效精馏工艺方案组织的最重要的问题，一是精馏原料液体送低压精馏塔和高压精馏塔的比例。二是高压精馏塔底部高低沸点组分含量比例！通过对这两个参数的优化，使精馏过程的蒸汽耗最低。
    双效精馏工艺方案的组织，首先根据精馏原料高低沸点组分含量比例分为三种情况，一是低沸点组分含量比例大于60%的情况，二是低沸点组分含量比在40%-60%之间。三是低沸点组分含量比例小于40%的情况。其中第二种情况一般直接采用标准常规精馏工艺方案即可，采用双效精馏工艺方案节能效果不明显！第一种和第三种情况均适宜采用双效精馏工艺方案，有比较显著的节能效果（蒸汽耗）。
     第一种情况下，先假定高压精馏塔底部蒸汽再沸器的热负荷等于精馏原料液体中的低沸点组分的蒸发气化潜热，根据高压精馏塔低沸点组分液体纯度指标，高压精馏塔精馏原料入口处至高压精馏塔可用理论塔板数，计算出高压精馏塔低沸点组分液体回流液数量，送低压精馏塔低沸点组分液体数量及高压精馏塔底部高低沸点组分含量及数量。然后再根据以上的数据对低压精馏塔进行精馏计算。其中要特别注意，一是低压精馏段上升气数量等于精馏原料中的低沸点组分数量，二是低压精馏塔由高压精馏塔底部节流减压送来的高低沸点组分液体入口处对应的气相中的高沸点组分含量并不与液相组成处于气液平衡状态。其含量等于精馏原料中的高沸点组分含量除以精馏原料中的低沸点组分含量百分数。如果低压精馏塔在可用理论塔板数下，高低沸点组分产品纯度均达到指标，则说明给定的高压精馏塔底部蒸汽再沸器负荷是适宜的（这也是双效精馏工艺方案所能达到的最低蒸汽耗）。如果低压精馏塔在可用理论塔板数下，无法达到高低沸点组分产品纯度指标，则说明高压精馏塔底部蒸汽再沸器给定的热负荷偏小，应逐步增加蒸汽再沸器热负荷，寻找保证低压精馏塔高低沸点组分产品纯度指标合格的最低蒸汽再沸器热负荷。需要特别注意的是低压精馏塔精馏段上升气数量，及对应气相中的高沸点组分含量必须重新计算。
/ `- k" P* h/ I5 P, j8 y" Z- z9 t: ]   第三种情况，精馏原料中的高沸点组分含量60%以上！也可以按照同样的办法，通过寻优求得高压精馏塔底部蒸汽再沸器热负荷最低。
    对于组分沸点在环境温度以上的二元物系精馏过程，采用双效精馏工艺方案，总是可以降低精馏过程的蒸汽耗。但对于精馏原料中高沸点组分含量在40%-60%之间。高低沸点组分分离系数很小的二元物系精馏过程，采用双效精馏工艺方案节能效果不明显甚至于蒸汽耗更高，又大幅度提高了工程造价是得不偿失的。
    双效精馏工艺方案一般而言在以下的情况下，相对于标准常规精馏工艺方案有较大的节能效果，一是精馏原料中的高低沸点组分比例差距较大，二是高低沸点组分沸点差距较大，高低沸点组分分离系数较大！只有这两种情况同时具备，双效精馏工艺方案相对于标准常规精馏工艺方案才会有明显的节能效率。
% v# K+ R8 z2 p( t; B     深冷空分中的氧氮二元物系双塔精馏工艺方案并不是什么双效精馏工艺方案，而是以精馏原料空气为循环工质的一拖二开式热泵精馏工艺方案。它既有和双效精馏工艺方案相同的某些特点，也有极大的不同。从精馏角度而言。双效精馏工艺方案中的高压精馏塔是一个完整的精馏塔，而深冷空分双塔流程中的下塔是一个冷凝塔。二是双效精馏工艺方案中低压精馏塔精馏段上升气数量决定于高压精馏塔底部蒸汽再沸器的热负荷。而深冷空分同时制取氧氮气产品双塔流程工艺方案中的上塔精馏段上升气数量（富氧液空入口处以上的上升气摩尔数量）约等于空气中的氮气组分数量（恒摩尔流假定下，上升气和低沸点组分数量相等）。三是双效精馏工艺方案中的高压精馏塔底部高低沸点组分液体送低压精馏塔入口处对应气相中的高沸点组分含量并不与高低沸点组分液体处于气液平衡状态。深冷空分双塔流程上塔富氧液空入口处对应气相中的氧含量也不于富氧液空处于平衡状态，而是与进入下塔空气数量占空气总量的比例直接相关！
     把所谓的氧氮二元物系双塔流程工艺方案指认为是所谓的双效精馏工艺方案是对精馏技术发展史是极端无知而产生的错误认识！
' {7 [$ |0 j  b) U: q# \  s, z    以空气组成20%，氮80%，空气处理量50000NM3为例，当进入下塔空气数量占空气总量60%时（其余40%的空气直接进入上塔参与精馏），上塔富氧液空入口处对应的气相中的氧含量17.5%，上升气数量为40000NM3（恒摩尔流假定下计算，如果考虑氧氮相变热不同，则上升气数量为37000-39000NM！），在富氧液空中的氧含量40%时，上塔富氧液空入口处以上精馏段（富氧液空入口处至污氮气引出口之间）的最小回流液气比0.44！如果进入上塔的空气数量为空气总量的30%（真余10%的空气膨胀制冷后旁通）则上塔富氧液空入口处对应的气相中的氧含量约15%（与富氧液空组成平衡的气相组成），此时富氧液空入口处以上精馏段最小回流液气比约为0.375。当进入下塔的空气数量占空气总量70%时，上塔富氧液空入口处对应的气相组成中的氧含量为17.5%！富氧液空入口处以上的精馏段最小回流液气比约为0.44！当进入下塔空气数量占空气总量80%时，上塔富氧液空入口处对应气相中的氧含量20%！，上塔精馏段最小回流液气比为0.5！当空气全部进入下塔时，上塔富氧液空入口处对应气相中的氧含量为25%！上塔精馏段最小回流液气比0.625！
( q. @# _, U  y0 g* H  n      通过以上对进入下塔压力空气占空气总量不同比例下的上塔富氧液空入口处的上升气数量和上升气中的氧含量的描述，我们可以发现一个问题，那就是对于氧氮二元物系双塔流程工艺方案（或者近似氮一氩氧精馏工艺方案）而言，无论进入下塔的压力空气数量占空气总量的比例如何变化！上塔富氧液空入口处以上的实际回流液气比总是小于最小回流液气比（虽然进入下塔的压力空气数量增加，送上塔液氮数量相应增加，但上塔富氧液空入口处上升气中的氧含量相应同步升高！）！
! i( j) n) v1 O: m' h9 `    目前深冷空分双塔流程在全精馏提氩之前，是通过设置所谓的增效塔来提高双塔流程的氧提取率及氧气产品纯度。这样所谓的氧氮二元物系双塔流程工艺方案（以空气为循环工质的一拖二开式热泵供冷供热精馏工艺方案），就变成了以空气为循环工质一拖三开式热泵供冷供热氧氩氮三元物系经隔板模型优化后的依次精馏简化版！其中进入下塔的压力空气数量占空气总量的85%，从上塔底部以上引出氩馏分进入所谓的增效塔，增效塔用减压后的富氧液空蒸汽气化供冷使进入增效塔氩馏分冷凝返回上塔，增效塔中未冷凝的气相（工艺氩气但氧含量高）在主换热器换热回收冷量后放散！这样降低了氩馏分引出口处的气相中的氩含量，在进入增效塔氩馏分引出口以下回流气液比及理论塔板数不变的情况下，提高了氧气产品纯度（降低了氧气产品中的氩含量）！在增效塔蒸发气化的富氧空气与膨胀制冷空气汇合后在富氧液空入口处以下3-4块理论塔板数处返回上塔参与精馏。在用于增效塔富氧液空数量适当的情况下，上塔富氧液空入口处对应的气相中的氧氩含量从未增设增效塔之前约21.5%降低至约17.5%！使富氧液空入口处以上至污氮气引出口之间的实际回流液气比（0.5-0.54）大于最小回流液气比（从末增设增效塔前的0.55降低至约0.46），使氧气产品提取率升高至接近100%！而末增设所谓的增效塔之前，不但氧气产品纯度低，而且氧提取率也仅有95%左右！后来增效塔通过增加规整填料演变成了粗氩冷凝塔！这其实就是目前双塔流程工艺方案在提氩装置（粗氩冷凝塔）投入运行后，不但氧气产品纯度升高，而且氧提取率也会明显升高的真正原因！
   

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  关于双效精馏，在低压精馏塔理论塔板数，回流比，产品纯度的计算中，要特别注意低压精馏塔高低沸点组分液体（来自高压精馏塔底部）入口处对应的气相组成和上升气数量，其中上升气数量等于低沸点组分产品数量，对应气相的组成中的高沸点组分含量则和高低沸点组分液体的组成无关，而是精馏原料液体中高沸点组分含量和低沸点组分含量的比值，这和标准常规精馏工艺方案有根本性的不同！

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双效精馏是组分沸点在环境温度以上的二元物系精馏工艺方案的一种特殊精馏工艺方案，并不是二元物系的唯一精馏工艺方案也不是最优工艺方案！

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双效精馏工艺方案的精馏计算中，低压精馏塔精馏计算时，要特别注意高低沸点组分液体入口处对应气相中的高沸点组分含量，它并不与液相处于气液平衡状态。所谓双塔流程的上塔精馏计算时，也需要特别注意富氧液空入口处对应气相中的氧含量，它并不与富氧液空处于气液平衡状态，而是与进入下塔空气数量直接相关！不知道这一点则对双效精馏工艺方案毫无概念，对于双塔流程也是一知半解！

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增效塔的作用是什么，就是为了解决采用所谓双塔流程工艺方案时，无论进入下塔的压力空气占空气总量的比例多大，在实际工程条件下（下塔理论塔板数有限），氧气产品提取率低的问题。

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双效精馏中的高压精馏塔，本质上是利用高品位蒸汽，对精馏原料进行初步精馏，改变了进入低压精馏塔精馏原料组成（高压精馏塔底部高低沸点组分），高压精馏塔和低压精馏塔从供冷供热而言是中联关系，从精馏而言是并联关系。