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低温精馏原理及精馏塔

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。

精馏塔内的空气是怎样被分离成氧和氮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。

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。

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=△P+P上塔顶设备排氮=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。T78.16K上塔顶=

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=△P+P上塔底上塔板上塔顶=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。T92.8K上塔顶=

3）冷凝蒸发器中液氧的平均压力和平均温度的确定。l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=P+h*液氧密度液氧底上塔底液氧T液氧平均=（T+T）/2液氧面液氧底

4）下塔顶部压力和温度确定△T=T-T主冷氮冷凝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。

5）下塔底