精馏塔

　　精馏过程的实质是上升蒸气和下流液体充分接触，两相间进行物质和能量的相互传递。塔坂的作用是为气液两相物流进行热量和质量传递提供场所。整个精馏过程就是通过精馏塔内每块塔板上的作用而实现的。精馏过程的计算是要决定将原料气分离为一定纯度的产品所需要的塔板数。

精馏塔板上的工作过程

    　　图9-18示出精馏塔中任意一段。来自塔板下面的蒸气经筛孔进入塔板上的液体中，与温度较低的液体直接接触，气液之间发生热质交换，一直进行到相平衡为止。这时氮含量增高后的蒸气便离开塔板续续上升到一块塔板；而氧含量增高后的液体流到下一块塔板上去。这种往下流的液体称为回流液。离开塔板Ⅰ的上升蒸气与从塔板Ⅰ往下流的液体 是接近平衡，同样 与 也是接近平衡，而在两层塔板之间的同一截面上的气、液处于不平衡状态，即1－1，2－2，3－3截面上 与 ， 与 ， 与 处于不平衡状态。

　　为了便于计算，作如下假设：
　　(1)塔板上的气相物流和液相物流达到完全平衡状态。
　　(2)氧和氮的蒸发潜热相差很小，设它们相等。
　　(3)氧和氮的混合热为零。
　　(4)精馏塔理想绝热，外界热量的影响忽略不计。
　　(5)塔内的工作压力沿塔高均一致。

　　在稳定工况下，任何塔段都应满足物料平衡和热量平衡关系。

　　今研究1－1和2－2截面间的一段，可写出下列三个方程式：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(9-19)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　(9-20)
　　　　　　　　　　　　
其中： ；

　　分别为气相氮和氧、液相氮和氧饱和比焓值。

　　消去 、 化简得
　　　　　　　　　　(9-21)
又据假设，塔板上液体的蒸发潜热不变，即
则
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(9-22)

　　因此，在精馏塔中沿塔高上升气体量和下流的回流液量都分别保持不变，即为恒值。

图9-18图9-19

　　现在讨论同一块塔板上、下两截面气液中氮的摩尔分数的变化和L、V的关系。

　　将式9-22的结果代入式9-20式得
　　　　　　　　　　　　　　
或 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(9-23)

　　如图9-19所示。式9-23表示这一块塔板上、下两截面气液中氮的摩尔分数的变化关系为一直线关系。该直线斜率 是个恒值。同理对其他塔板，也可以求得...... 。因此，所有塔板上、下气液中氮的摩尔分数关系都满足斜率为 的同一条直线方程式。该直线称精馏过程的操作线。其斜率 称气液比。

　　氮的摩尔分数为 及 的不平衡物流在塔板Ⅰ上接触，进行热质交换，达到完全平衡时，其摩尔分数为 及 ，在图中由平衡曲线上的点1*所示。

　　空气的精馏过程是在精馏塔中进行。目前我国制氧机中所用精馏塔主要是筛板塔，见图9-20。在直立圆柱形筒内装有水平放置的筛孔板，温度较低的液体由上一块塔板经溢流管流下来，温度较高的蒸气由塔板下方通过小孔往上流动，与筛孔板上液体相遇，进行热质交换，也就是进行一次部分蒸气和部分冷凝过程，气、液趋近平衡状态。连续经多块塔板后就能够完成整个精馏过程，从而得到所要求纯度的氧、氮产品。

图9－20筛孔塔板示意图
1－溢流管； 2－筛孔板

　　空气的精馏一般分为单级精馏和双级精馏。因而有单级精馏塔和双级精馏塔。

单级精馏塔

　　单级精馏塔有两类，一类制取高纯度液氮（或气氮）；一类制取高纯度液氧（或气氧）。如图9-21所示。

　　图9-22a所示为制取高纯度液氮（或气氮）的单级精馏塔，它由塔釜、塔板及筒壳、冷凝蒸发器三部分组成。塔釜和冷凝发器之间装有节流阀。压缩空气经换热器和净化系统，进行热质交换，只要塔板数目足够多，在塔的顶部能得到高纯度气氮（纯度为99%以上）。该气氮在冷凝蒸发器内被冷却而变成液体，一部分作为液氮产品，由冷凝蒸发器引出，另一部分作为回流液，沿塔板自上而下的流动。回流液与上升的蒸气进行热质交换，最后在塔底得到含氧较多的液体，叫富氧液空，或称釜液，其含氧量约40%左右。釜液经节流阀进入冷凝蒸发器的蒸发侧（用来冷却凝侧的氮气）被加热而蒸发，变成富氧气体引出。如果需要获得气氮，则可从冷凝蒸发器顶盖下引出。

　　由于釜液与进塔的空气处于接近平衡的状态，故该塔仅能获得纯氮。

图9-21单级精馏塔

　　图9-21b 所示为制取纯氧（99%以上）的单级精馏塔，它由塔体及塔板、塔釜和釜中蛇管蒸发器组成。被冷却和净化过的压缩空气经过蛇管蒸发器时逐渐被冷凝，同时将它外面的液氧蒸发。冷凝后的压缩空气经过节流阀进入精馏塔的顶端。此时，由于节流降压，有一小部分液体气化，大部分液体自塔顶沿塔板下流，与上升的蒸气在塔板上充分接解，含氧量逐步增加。当塔内有足够多的塔板数时，在塔底可以得到纯的液氧。所得产品氧可以气态或液态引出。该塔不能获得纯氮。由于从塔顶引出的气体和节流后的液空处于接近相平衡状态，因而它的摩尔分数约为 。

　　综上所述，单级精馏分离空气是不完善的，不能同时获得纯氧和纯氮，只有在少数情况下（如仅需纯氮或富氧）使用。为了弥补单级精馏塔的不足，便产生了双级精馏塔。
    

双级精馏塔

　　(1)工作原理

　　图9-22给出双级精馏塔的示意图。双级精馏塔由下塔、上塔和上下塔之间的冷凝蒸发器组成。

图9-22双级精馏塔示意图

　　经过压缩、净化并冷却后的空气进入下塔底部自下而上的穿过每块塔板，至下塔顶部便得到一定纯度的气氮。下塔塔板数越多，气氮纯度越高。氮进入冷凝蒸发器的冷凝侧时，由于它的温度比蒸发侧液氧温度高，被液氧冷却变成液氮。一部分作为下塔回流液，沿塔板流下，至下塔塔釜便得到含氧（36~40）%的富氧液空；另一部分聚集在液氮槽中经液氮节流阀后，送入上塔顶部作上塔的回流液。

　　下塔塔釜中的液空经节流阀后送入上塔中部，沿塔板逐块流下，参加精馏过程。只要有足够多的塔板，在上塔的最下一块塔板上就可以得到纯度很高的液氧。液氧进入冷凝蒸发器的蒸发侧，被下塔的气氮加热蒸发。蒸发出来的气氧一部分作为产品引出；另一部分自下而上穿过每块塔板进行精馏。气体越往上升，其中氮的摩尔分数越高。

　　双级精馏塔可在塔顶部和底部同时获得纯氮和纯氧；也可以在冷凝蒸发器的蒸发侧和冷凝侧分别取出液氧和液氮。塔中空气的分离过程分为两级，空气首先在下塔进行第一次分离，获得液氮，同时得到富氧液空。富氧液空送往上塔进行进一步的精馏，从而获得纯氧及纯氮。上塔又分两段，一段是从液空进料口至上塔底部，是为了将液体中氮组分分离出来，提高液体中的含氧量，称为提馏段；从富氧液空进料口至上塔顶的一段称精馏段，它是用来进一步精馏上升气体，回收其中氧组分，不断提高气体中氮组分的摩尔分数。

　　冷凝蒸发器是连接上下塔使二者进行热量交换的设备，对下塔是冷凝器；对上塔是蒸发器。

　　(2)双级精馏塔的物料和热量的衡算

　　①精馏塔各主要点工作参数的确定

　　在图9-22所示的双级精馏塔中，一般上塔压力为（130~150）kPa，下塔压力为（500~600）kPa。上、下塔顶部、底部的工作参数可通过计算及查相平衡图而求得。

　　1)上塔顶部的压力 及温度

　　
式中 ----- 产品氮气输出的压力要求稍高于大气的压力，一般取103kPa；
　　 ----- 产品流动阻力（包括换热器、管道、阀门等）。温度 决定于 及排出氮气的摩尔分数，由相平衡图查得。

　　2)上塔底部的压力 及温度

　　
式中 ----- 上塔阻力，一般取10~15kPa。

　　温度 可由 及液氧的纯度决定。

　　3)液氧的平均温度

　　冷凝蒸发器底部液氧的压力为

式中 h ----- 冷凝蒸发器中液氧液柱的高度，m；
―― ----- 液氧的密度， 。

　　根据 及液氧的纯度可确定液氧底部温度 ，则
　　　　　　　　　　　　　　

　　4)冷凝蒸发器中氮的冷凝温度
　　　　　　　　　　　　　　
其中 是冷凝蒸发器的传热温差，在设计中选定。 如果定得偏小，则导致冷凝蒸发器传热面积过大，如取得偏大，则造成下塔工作压力太高。一般对于中压空分装置取 ，对全低压空分装置取 。

　　5)下塔顶部的压力

　　根据冷凝蒸发器氮的冷凝温度、查相平衡图可得下塔顶部压力 。

　　6)下塔底部压力 及温度
　　　　　　　　　　　　　　　
式中 ----- 下塔阻力，一般取10kPa。

　　根据 及富氧液空的摩尔分数可确定温度 。

　　②精馏塔的物料衡算

　　精馏塔于稳定工况时，单位时间进入塔内的物质数量和能量应分别等于流出的物质数量和能量，即应保持物料平衡和热量平衡。根据物料平衡和热量平衡可求出塔内物流数量和产品纯度，空气进塔状态及冷凝蒸发器热负荷等参数。物料平衡包括总物料平衡和各组分平衡：
　　总物料平衡：空气在精馏塔内分离所得各产品数量的总和应等于加工空气量。
　　各组分平衡：空气在精馏塔中分离所得各产品中某一组分量的总和应等于加工空气中该组分的量。

　　用 分别代表加工空气、氧产品和氮产品的流量， ，用 分别代表空气、氧、氮产品中氮摩尔分数，则根据物料平衡得。
　　　　　　　　　　　　　　　(9－24)
解上式得
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(9－25)

　　由上式可看出，由于 为给定值，氧、氮产量决定于 及 。在空分装置的操作中，若氮的纯度愈高，表明精馏过程进行得愈完善，氧产量愈大；若氮纯度保持不变，降低氧产量，则氧纯度会提高。

　　式(9－25)也可写成
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(9－26)

　　如果已知氧产量，可用上式确定加工空气量。

　　为了评价精馏过程的完善程度，引入氧的提取率 为一概念，它以氧产品中的含氧量与加工空气中的含氧量之比来表示
　　　　　　　　　　　　　　　
式中 代表氧气及空气中的氧摩尔分数。

图9-23

　　图9－23给出氧、氮纯度和生产氧气所消耗的空气量之间的关系。

　　③精馏塔的热量衡算

　　通过热量衡算可决定进塔的空气状态及冷凝蒸发器的热负荷。

　　令分别代表进塔空气，氮产品及氧产品的比焓值 ， 代表跑冷损失 ，按热量平衡得
　　　　　　　　　　
即　　　　　　　　　　　　　　　　(9－27)

　　上式中 已由物料衡算求得，又氮、氧出塔皆为饱和蒸气，故 可查相平衡图得到， 根据经验取值，于是进塔空气的状态即可确定。

　　对上下塔还可分别进行热量衡算。

图9-24

　　1)下塔衡算 图9－24a所示为下塔物流示意图
以 分别代表液空，液氮的流量。 分别代表液空及液氮的氮摩尔分数。则根据物料平衡得
　　　　　　　　　　　

　　解上式得
　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(9－28)

　　根据下塔热量平衡得
　　　　　　　　　　　　　　(9－29)
式中 ----- 下塔的跑冷损失，
―― ----- 冷凝蒸发器的热负荷，

　　若 ，则式9－29可写成
　　　　　　　　　　　　　　　　(9－30)
式中 按每立方标米加工空气计的冷凝蒸发器热负荷。

　　 可由式9－28计算，可由相平衡查得。

　　2)上塔衡算 图9－25b所示为上塔物流示意图。根据上塔热量平衡得
　　　　　　　　　(9－31)
式中 ----- 上塔的跑冷损失，
―― ----- 冷凝蒸发器的热负荷，

　　若 ，则式9-31可改为
　　　　　　　　　　(9－32)

　　由式9－32计算所得 和由式9-30计算所得 相比较，一般允许相差3％，表明塔的物料衡算和热量衡算基本正确，否则需重新计算。

　　(3)全低压空分装置的双级精馏塔

　　随着工业的发展，以空气分离产品的质量和数量提出了不同的要求。为了适应生产上不同类型的需要，就出现了各种型式的全低压空分装置的双级精馏塔。

图9-25图9-26

　　图9－25所示为全低压空分装置的双级精馏塔的示意图。全低压流程中的空气压力和下塔压力相同，约为 (500~600)kPa。装置运转时的冷量损失主要靠一部分压缩空气在透平膨胀机中膨胀产生冷量来补偿。膨胀后的压力为 (138~140)kPa，低于下塔压力，这部分膨胀空气无法再进入下塔。如果不使其参加精馏，则氧的损失太大，很不经济。因而从全低压流程的经济性来考虑，希望膨胀后的低压气流能参加精馏。它的压力在上塔工况范围之内，故有可能进入上塔；同时上塔实际的气液比较精馏所需的气液比大，即上塔的精馏有潜力。1932年拉赫曼发现了这一规律，并提出利用上塔精馏潜力的措施，可将适量（约占空气量的20%~25%）的膨胀空气直接送入上塔进行精馏。这称为拉赫曼原理，如图9-25a所示。它的特点是：80%左右加工空气进下塔精馏，而20%左右加工空气经膨胀后直接进入上塔。随着化肥工业的发展，不仅需要纯氧，而且需要 的纯氮。为了提取纯氮，可在上塔顶部设置辅塔，用来进一步精馏一部分气氮，以便在上塔顶部得到纯氮。

　　另一种利用上塔精馏潜力的措施是从下塔顶部或冷凝蒸发器顶盖下抽出氮气，复热后进入透平膨胀机，经膨胀并回收其冷量后，作为产品输出或者放空，如图9－25b所示。由于从下塔引出氮气，使得冷凝蒸发器的冷凝量减少，因而送入上塔的液体馏分量也减少，上塔精馏段的气液比也就减少，精馏潜力同样得到利用。

　　以上两种方法都是为了减少上塔液体馏分使精馏塔内气液间的温差减小，从而减少不可逆损失。图9－26表示出一般双级精馏塔和减少上塔液体馏分后气液间温差和液相中氮摩尔分数的关系。从图可能看出，在一般双级精馏塔中气液间温差较大，这是由于上塔液体馏分较多而引起的，采用"空气膨胀"和"氮气膨胀"后温差减小，而"空气膨胀"又比"氮气膨胀"的温差更小些。

　　如果空分塔制取双高纯度产品，如图9－25a所示，气氮分纯氮及污氮，则以分别表示纯氮及污氮的体积流量；以分别表示纯氮及污氮中的氮摩尔分数。为了便于计算，引入一个纯氮及污氮的平均摩尔分数
　　　　　　　　
即 　　　　　　　　　　　　　(9－33)

　　由物料平衡 　　　　　
即得 　　　　　　　　　　　　　　　　　　(9－34)

　　在计算 或 时，可将式9-24和9-25中 用氮气平均摩尔分数 代替。

填料塔

　　填料塔的工作特点：

　　填料塔整体结构见图，它是由塔体、填料、喷淋装置、支撑栅板、再分配器、气液进出口管等组成。填料是使气液两相高度分散，扩大相间接触面积；喷淋装置是使液体均匀分散喷洒在填料层中；支撑栅板是支撑填料层，并使蒸气均匀通过填料层；再分配器的作用是使液体能够均交地润湿。所以为了创造气液接触的良好条件，在塔体中一定高度上设置再分配器，使液体集中进行再分配，以保证均匀喷洒。

图9-27填料塔结构示意图

　　气液两相在填料塔内逆向流动接触，填料上的液膜表面是气液两相的主要传质面，因此选择适宜的填料材料和表面性质，使填料表面易被液体润湿，可使用较少的液体而获得较大的润湿表面，相反填料的材料和表面性质选择不当，液体将不成膜而呈细流下降，使气液接触面积大为减少。

　　对填料的基本要求是：
　　①有较大比表面积及有良好的润湿性能及有利于液体均匀分布的形状。　　②要有较大的空隙率，当填料空隙率较大时，气液通过能力大，气体流　　　动阻力小。
　　③从经济、实用及可靠方面要求单位体积填料轻、价格低、有足够的机　　　械强度，对气液两相介质有良好的化学稳定性等。

　　填料塔填料除最早使用的拉西环（铜或陶瓷制的圆环）现在仍然使用外，各种新型高效的填料不断出现，金属丝网鞍形填料和金属波纹填料已经得到广泛使用。它们有比表面积大，传质效果好，阻力小，密度小，金属消耗少等优点。

　　规整填料：

　　新型规整填料主要开发于60年代初期，用金属网压制成波形，然后裁成片状，各板高度相同但长短不等，波纹与水平方向呈60°倾角，相邻两板反向叠靠，使其波纹倾斜方向互相交叉，搭配排列而成圆饼状。填料盘直径一般较塔内径小1~2mm，在整装入塔时，填料盘叠放于塔内相邻上下两盘，波纹片排列方向互成90角，波纹的峰高6.3mm，波距10.2mm比表面积 水力直径7.5mm空隙率90%重度 （不锈钢材料）网波填料片上开有4.5mm的小孔，呈正三角排列，孔间矩10mm、开孔率约为18.4%。

　　金属网波填料具有以下主要优点：

　　气液接触好，传质效率高。由于流体通道对塔轴心有一定倾斜角度，使流体流动成Z字形，增强对流体的扰动。而且在丝网的毛细作用下，填料表面均匀形成一层很薄的液膜，即使少量液体也能良好分布到整个塔截面，从而使气液两相得到很充分的横向混合。

　　空隙率大，压降小，等板高度可低于0.1m相当于一块理论塔板的填料层压降仅有（50~70）pa。

　　特别适用于难分离物系，高纯度产品的精馏和低压降的精馏。

　　这种填料的缺点是造价高，易堵塞，怕腐蚀，一般要求工作流体清洁，进料装过滤器，通常只能用化学清洗，不能机械清洗。

　　由于金属网波填料成本高,故后期开发金属波纹板填料，用金属薄片在上面开孔或开槽然后轧制成波纹填料，同金属网波填料一样组织成填料块。

　　波纹填料属于整砌填料，因结构紧凑，具有较大的比表面积和空隙率、流体阻力小，空塔气速可提高，因上、下两块填料的板片相互垂直，使上升气体不断改变方向，下流的液体也不断重新分布，故其效率提高，但价格较金属网波便宜。