y-x圖解法確定精餾塔板數(shù)

王炳忠，張濤

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

y-x圖解法確定精餾塔板數(shù)

王炳忠，張濤

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

低溫精餾塔塔板工作過程，精餾塔操作線方程的計算。在利用y-x圖解法做出各段的操作線，確定滿足精餾結(jié)果需求的理論精餾塔板數(shù)，根據(jù)精餾實際狀況提出針對理論精餾塔板數(shù)的修正建議。

操作線；圖解法；精餾塔板數(shù)

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代飛機(jī)的飛行高度越來越高。高空飛行會使人體的正常生理活動不能維持，且飛機(jī)發(fā)動機(jī)在空中停車需再次起動時也會因空氣稀薄無法保證開車成功。因此，現(xiàn)代飛機(jī)都設(shè)有氧氣系統(tǒng)?？諝庵醒醯某煞趾勘容^高（體積比20.93%），通過分離空氣得到氧氣有精餾、吸收、吸附和薄膜滲透等方法，航空氧氣制取廣泛采用低溫精餾的方法。

精餾過程的實質(zhì)是上升蒸汽和下流液體充分接觸，二相間進(jìn)行物質(zhì)和能量的相互傳遞。塔板的作用是為氣液二相物質(zhì)提供進(jìn)行熱量和質(zhì)量的傳遞條件。整個精餾過程通過精餾塔內(nèi)每塊塔板的作用得以實現(xiàn)。

1 精餾塔塔板工作原理

圖1所示為精餾塔中任意一段。圖中V為上升氣量；L為回流液量；y，x為蒸汽和液體中氧氮濃度；y＇為與x相平衡的蒸汽濃度；h＇，h＇＇為液、氣相焓值。來自塔板下面的蒸汽經(jīng)篩孔進(jìn)入塔板上的液體中，與溫度降低的液體直接接觸，氣液之間發(fā)生熱質(zhì)交換，一直進(jìn)行到相平衡為止。這時氮含量增濃后的蒸汽離開塔板繼續(xù)上升到上一塊塔板；而氧含量增濃后的液體流到下一塊塔板，這種往下流的液體稱為回流液。離開塔板Ⅰ的上升蒸汽V2與從塔板Ⅰ往下流的液體L1是接近平衡的，同樣，V3與L2也接近平衡，而在1-1，2-2，3-3截面上，V1與L1，V2與L2，V3與L3卻處于不平衡狀態(tài)。

為方便計算，作5個假設(shè)。①塔板上的氣相物流和液體物流達(dá)到完全平衡狀態(tài)；②氧和氮的蒸發(fā)潛熱相差很小，設(shè)它們相等；③氧和氮的混和熱為零；④精餾塔理想絕熱，外界熱量的影響忽略不計；⑤塔內(nèi)的工作壓力沿塔高均一致。

在穩(wěn)定工況下，任何塔段都應(yīng)滿足物料平衡和熱量平衡關(guān)系?，F(xiàn)研究1-1和2-2截面間的一段，可列出式（1）～式（3）的3個方程式。

圖1 精餾塔二相鄰塔板間截面圖

聯(lián)立上面3個方程式，消去V1，V2可得式（4）。

又據(jù)假設(shè)，塔板上液體的蒸發(fā)潛熱不變，即r1=r2，則有式（6）。

因此，在精餾塔中，沿塔高上升氣體量和下流的回流液量都分別保持不變。

討論同一塊塔板上、下二截面氣液濃度的變化和L，V的關(guān)系?？蓪⑹剑?）的結(jié)果代入式（2）得Vy1+Lx2=Vy2+Lx1，或為式（7）。

濃度為x2和y1的不平衡物流在塔板Ⅰ上接觸，進(jìn)行熱質(zhì)交換，達(dá)到完全平衡時，濃度如圖2平衡曲線上的點1＇＇所示。

2 理論塔板數(shù)的確定

蒸汽和液體在塔內(nèi)連續(xù)流動，每經(jīng)過一塊塔板，它們相互之間的濃度關(guān)系就由不平衡變到平衡。為求得理論塔板數(shù)，首先需根據(jù)物料衡算建立操作線方程，如果已知氣液比L/V及塔頂（或塔底）的物流濃度，則該塔段的操作線方程即可求出，操作線即代表該塔段任一截面上的氣液濃度關(guān)系。平衡氣液之間的濃度關(guān)系，可由相平衡圖查得。在計算中，每應(yīng)用一次平衡關(guān)系就代表經(jīng)過一塊塔板，故應(yīng)用平衡關(guān)系的次數(shù)即為所求的理論塔板數(shù)。

求理論塔板數(shù)的方法有逐板計算法、圖解法（h-x圖、y-x圖）等。y-x圖圖解法作圖方法較簡單，且對精餾過程的反映比較直觀，這里主要用y-x圖，說明二元系精餾過程的計算。

2.1 下塔板數(shù)

取下塔任一截面至塔底的部分為物料衡算系統(tǒng)，如圖3所示，物料平衡方程式

圖2 精餾塔截面物流濃度變化

圖3 精餾塔下塔

若是干飽和空氣進(jìn)塔，則L=LK，V=VK。由式（8）可得下塔操作線方程（9）及操作線的截距（10）（即x=0時）。

2.2 上塔板數(shù)

以液空進(jìn)料口為界分為精餾段和提餾段。

（1）精餾段。取上塔精餾段任意截面（Ⅰ-Ⅰ）至塔頂?shù)牟糠譃槲锪虾馑阆到y(tǒng)，如圖4a所示，得組分平衡方程式（11）。

圖4 精餾塔上塔精餾段和提餾段

設(shè)液氮節(jié)流后氣化率為α，根據(jù)式（6）則LI=（1-α）LN2，VI= VN2-αLN2，代入式（11）得精餾段操作線方程式（12）。

（2）提餾段。取上塔提餾段任意截面（Ⅱ-Ⅱ）至冷凝蒸發(fā)器的部分為物料衡算系統(tǒng)，如圖4c所示，得組分平衡方程式（13）。

設(shè)液空節(jié)流后氣化率為αk，根據(jù)式（6）則VⅡ=V2-αLN2-αKLK，LⅡ=（1-αK）LK，代入式（13）得提餾段操作線方程式（14）。

從圖4b看出，提餾段操作線的斜率與精餾段不同，即二者的氣液比不同。二段雖在同一塔中，但由于在塔中部有液空進(jìn)料，從而使二段的L和V值發(fā)生了變化。所以對一個精餾塔，如果有物料加入或取出時，精餾塔應(yīng)按物料加入或取出的位置分為若干段進(jìn)行計算，每段的L/V不同，則其操作線也不同。

3 結(jié)論

綜上所述，用y-x圖圖解法確定理論塔板數(shù)的步驟是：①根據(jù)工作壓力確定氧-氮二元系在y-x圖上的平衡曲線，并作對角線；②在y-x圖上做出相應(yīng)塔段的操作線；③在平衡曲線和操作線之間作階梯線段，各塔段形成的三角形數(shù)目便代表該段的理論塔板數(shù)。

由于精餾塔操作線方程在計算過程為簡化模型進(jìn)行了條件約束，空氣在本確定方法中采用是氧-氮二元系模型，并且精餾塔外部操作條件都存在多元不確定性，所以利用y-x圖解法確定的各段的理論塔板數(shù)需要進(jìn)行相應(yīng)的修訂，建議在理論塔板數(shù)基礎(chǔ)上增加2～3塊塔板進(jìn)行修正，以提高精餾效果。

［1］張祉祐，石秉三.低溫技術(shù)原理與裝置[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［2］謝立軍，陳友龍.航空四站制氣工程基礎(chǔ)[M].海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)出版社，2009.

［3］王炳忠.航空制氧制氮離設(shè)備[M].青島：海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)出版社，2015.

［4］楊中書，殷合香，王炳忠.KL-15A型航空制氧制氮車[M].北京：海潮出版社，2010.

〔編輯 李波〕

TQ028.1+3

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.54