低温精馏原理及精馏塔

哪些因素会影响塔板阻力的变化，观察 塔板阻力对操作有何实际意义？
影响塔板阻力的因素很多，包括筛孔孔径大小、塔板开孔率、 液体的密度、液体的表面张力、液层厚度、蒸气的密度和蒸 气穿过筛孔的速度等等。其中，蒸气和液体的密度以及液体 的表面张力在生产过程中变化很小。孔径大小与开孔率虽然 固定不变，但当筛孔被固体二氧化碳或硅胶粉末堵塞时，也 会发生变化，造成阻力增大。此外，液层厚度和蒸气的筛孔 速度取决于下流液体量和上升蒸气量的多少，在操作中也有 可能发生变化，从而影响塔板阻力的变化。特别是筛孔速度 对阻力的影响是成平方关系，影响较大。 所以，在实际操作中，可以通过塔内各部分阻力的变化来判 断塔内工况是否正常。如果阻力正常，说明塔内上升蒸气的 速度和下流液体的数量正常。如果阻力增高，则可能是某一 段上升蒸气量过大或塔板筛孔堵塞；如果进塔空气量、膨胀 空气量以及氧、氮、污氮取出量都正常，也即上升气量没有 变化，那就可能是某一段下流液体量大了，使塔板上液层加 厚，造成塔板阻力增加；如果阻力超过正常数值，并且产生 波动，则很可能是塔内产生了液悬；当阻力过小时，有可能 是上升蒸气量太少，蒸气无法托住塔板上的液体而产生漏液 现象。因此阻力大小往往可作为判断工况是否正常的一个重 要手段。
2)上塔底部压力和温度的确定。 上塔底部压力是指上塔最后一块塔板下面， 液氧面上压力。等于上塔顶部加上塔塔 板总阻力。 P上塔底=△P上塔板+P上塔顶 =0.015+0.12=0.135MPa 上塔底部的温度是液氧面上氧气的饱和温 度,它由氧纯度和压力决定。根据底部压 力和氧气浓度查气、液平衡图得上塔低 部温度。 T上塔顶=92.8K
上塔压力低些有什么好处
上塔的低温产品气体出塔后要通过换热器回收冷量，经 复热后再离开装置。上塔的压力需要能够克服气体在通 过换热器时的阻力。但是，要求在满足需要的情况下， 尽可能地低。这是因为： 1）在冷凝蒸发器中冷凝的液氮量不变、主冷温差不变得 情况下，如果上塔压力降低，则下塔压力相应地会自动 降低。通常，上塔压力降低0.01MPa，下塔压力可降低 0.03MPa。对于全低压制氧机，随着下塔压力降低，空 压机的排气压力也可降低，进塔空气量会增加，从而可 以增加氧产量和降低制氧机的能耗。 2)上、下塔压力降低，可改善上、下塔的精馏工况。因为 压力低时，液体中某一组分的含量与其上方处于相平衡 的蒸气中同一组分的含量的差数要大些，而压力高时此 差数会减小。气、液相浓度差越大，则氧、氮的分离效 果越好。即在塔板数不变的情况下，压力低一些，有利 于提高氧、氮的纯度。因此在操作时，要尽可能降低上 塔压力。 应指出，上塔压力降低是有限的。因为氧、氮产品的排 出压力有一定要求，在排出过程中，还要克服换热器和 管道的阻力。
下塔的物料平衡和能量平衡
V空=V液空+V液氮 V空y空=V液空x液空+V液氮x液氮 • V空h空+Q下跑冷 • =V液空h液空+V液氮h液氮+Q下主冷
上塔的物料平衡和能量平衡
V氧+V氮=V液空+V液氮= V空 V空y空=V氧y 氧+V氮y 氮 • V 氧h 氧+ V 氮 h 氮 • =V液空h液空+V液氮h液氮+Q上主冷+Q上跑冷
精馏塔内的空气是怎样被分离成氧和来自的压缩空气经清除水分、二氧化碳，并在热交换器中被冷却及膨 胀（对中压流程）后送入下塔的下塔，作为下塔的上升气。 因为它含氧21％，在0.6MPa下，对应的饱和温度为100.05K。 在冷凝蒸发器中冷凝的液氮从下塔的顶部下流，作为回流液 体。因其含氧为0.01％～1％，在0.6Mpa下的饱和温度约为 96.3K。由此可见，精馏塔下部的上升蒸气温度高，从塔顶下 流的液体温度较低。下塔的上升气每经过一块塔板就遇到比 它温度低的液体，气体本身的温度就要降低，并不断有部分 蒸气冷凝成液体。由于氧是难挥发组分，氮是易挥发组分， 在冷凝过程中，氧要比氮较多地冷凝下来，于是剩下的蒸气 中含氮浓度就有所提高。就这样一次、一次地进行下去，到 塔顶后，蒸气中的氧绝大部分已被冷凝到液体中去了，其含 氮浓度高达99％以上。这部分氮气被引到冷凝蒸发器中，放 出热量后全部冷凝成液氮，其中一部分作为下塔回流液从上 往下流动。液体在下流的过程中，每经过一块塔板遇到下面 上升的温度较高的蒸气，吸热后有一部分液体就要气化。在 气化过程中，由于氮是易挥发组分，氧是难挥发组分，因此 氮比氧较多地蒸发出来，剩下的液体中氧纯度就有所提高。 这样一次、一次地进行下去，到达塔底就可以得到氧含量为 38％～40％的液空。因此，经过下塔的精馏，可将空气初步 分离成含氧38％～40％的液空和含氮99％以上的液氮。
调整下塔纯度是调整上塔纯度的基础
双级精馏塔分离空气是先将空气在下塔分离成富氧液空 和液氮，然后再送到上塔进一步分离成纯氧和纯氮产品。 由此可见，如果下塔提供的中间产品不合格，上塔是很 难生产出纯度和数量都合乎要求的氧、氮产品的。这是 因为在设计上塔时，是根据氧、氮产品的数量和一定的 液空和液氮量计算出上塔的回流比，再根据液空和液氮 的纯度和回流比以及一定的操作压力，确定为分离出合 格产品所需要的塔板数。对全低压流程的上塔，还需要 考虑膨胀空气的影响。也就是说，只有当液空、液氮的 数量和纯度以及膨胀空气进入上塔的状态和数量都符合 要求，并在规定的操作压力下，经过这么多块塔板的精 馏，才能获得纯度和数量都合格的产品。如果液空和液 氮的纯度和数量改变了，上塔回流比一定会发生变化， 如果还是用这么多块塔板来进行精馏，就不能得到纯度 和数量都符合要求的产品了。因此，下塔工况的调整就 成为从上塔获得合格产品的基础。
双级精馏塔内温度、压力确定
1）上塔顶部压力和温度确定 上塔顶部压力等于氮气克服流过各换热 器，阀门和管道阻力及排出时所必须的 压力之和。 P上塔顶=△P设备+P排氮 =0.015+0.105=0.12MPa 上塔顶部的温度与顶部压力和氮气浓度 有关，根据顶部压力和氮气浓度查气、 液平衡图得上塔顶部温度。 T上塔顶=78.16K
5）下塔底部压力的确定 下塔底部压力等于下塔顶部加上塔塔板总 阻力。 P下塔底=△P下塔板+P下塔顶 温度为进下塔饱和空气温度
双级精馏塔的物料平衡和能量平衡
物量平衡：即入塔的空气量等于出塔的 分离氧、氮之和。 组分平衡：空气分离后所得的各气体中 某一组分量的总和等于加工空气两种该 组分的量。 能量平衡：即进入塔内的热量（包括冷 损）总和应等于出塔产品的热量之和。
低温精馏原理及精馏塔
1.概述 1.概述
低温法空气分离步骤：首先使加 工空气液化，然后利用氧、氮等组分 的沸点差，采用精馏的方法使空气分 离获得氧气和氮气。
对两种沸点不同的物质（例如氧与氮）组成 的混合液体，在吸收热量而部分蒸发时，易挥发 组分氮将较多地蒸发；而混合蒸气在放出热量而 部分冷凝时，难挥发组分氧将较多地冷凝。如果 将温度较高的饱和蒸气与温度较低的饱和液体接 触，则蒸气将放出热量给饱和液体。蒸气放出热 量将部分冷凝，液体将吸收热量而部分蒸发。蒸 气在部分冷凝时，由于氧冷凝得较多，所以蒸气 中的低沸点组分（氮）的浓度有所提高。如果进 行了一次部分蒸发和部分冷凝后，氮浓度较高的 蒸气及氧浓度较高的液体，再分别与温度不同的 液体及蒸气进行接触，再次发生部分冷凝及部分 蒸发，使得蒸气中的氮浓度及液体中的氧浓度将 进一步提高，这样的过程进行多次，蒸气中的氮 浓度越来越高，液体中的氧浓度越来越高，最终 达到氧、氮的分离。这个过程就叫精馏。
3）冷凝蒸发器中液氧的平均压力和平均 温度的确定。 冷凝蒸发器液氧面上的压力即为上塔底 部压力。液氧底部压力等于液氧面上的 压力加上液氧柱产生静压。 P液氧底=P上塔底+ h液氧*液氧密度 T液氧平均= （ T液氧面+ T液氧底）/2
4）下塔顶部压力和温度确定 △ T主冷= T氮冷凝- T液氧平均 下塔顶部压力和氮气浓度及氮冷凝温度有 关，根据冷凝温度和氮气浓度查气、液 平衡图得下塔顶部压力。
然后将液空经节流降压后送到上塔中部，作为进一步 精馏的原料。与下塔精馏的原理相同，液体下流时， 经多次部分蒸发，氮较多地蒸发出来，于是下流液体 中的含氧浓度不断提升，达到上塔底部可得到含氧 99.2％～99.6％的液氧。从液空进料口至上塔底部塔 板上的精馏是提高难挥发组分的浓度，叫提馏段。这 部分液氧在冷凝蒸发器中吸热而蒸发成气氧，在 0.14Mpa下它的温度为93.7K左右。一部分气氧作为 产品引出，大部分作为上塔的上升气。在上升过程中， 部分蒸气冷凝，蒸气中的氮含量不断增加。由于上塔 中部液空入口处的上升气中还有较多的氧组分，如果 将它放掉，氧的损失太大，所以应再进行精馏。从冷 凝蒸发器中引出部分含氮99%以上的液氮节流后送至 上塔顶部，作为回流液，蒸气再进行多次部分冷凝， 同时回流液多次部分蒸发。其中氧较多地留在液相里， 氮较多地蒸发到气相中，到了上塔顶，便可得到含氮 99%以上的氮气。从液氮进料口到液空进料口是为了 进一步提高蒸气中低沸点组分（氮）的浓度，叫精馏 段。如果需要纯氮产品还需要再次精馏，才能得到含 氮99.99%的纯氮产品。这就是精馏塔内将空气分离 成氧、氮的过程。
为什么全低压空分设备能将膨胀空 气直接送入上塔
全低压空分设备的冷量大部分靠膨胀机产生，而全低压空分 设备的工作压力即为下塔的工作压力，为0.55～0.65MPa。 该压力的气体在膨胀机膨胀制冷后，压力为0.13MPa左右， 已不可能像中压流程那样送入下塔参与精馏。如果膨胀后的 空气只在热交换器内回收冷量，不参加精馏，则这部分加工 空气中的氧、氮就不能提取，必将影响到氧、氮的产量和提 取率。 由于在全低压空分设备的上塔其精馏段的回流比大于最小回 流比较多，就有可能利用多余回流液的精馏潜力。因此可将 膨胀后的空气直接送入上塔参与精馏，来回收膨胀空气中的 氧、氮，以提高氧的提取率。 由于全低压空分设备将膨胀空气直接送入上塔，因此制冷量 的变化将引起膨胀量的变化，必然要影响上塔的精馏。制冷 与精馏的紧密联系是全低压空分设备的最大特点。
进上塔的膨胀空气量受什么条件限制