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