Laymen Learn Air Separation Knowledge 9 distillation and rectification

空気深冷分離の教科書の蒸留分離の内容は何ですか？まず、液体と空気の繰り返し蒸留により、純酸素が説明されました。これは、高級アルコールや香水などの贅沢品の製造に使用された、手工業時代の高度技術である精留技術の前史に属します。純粋な酸素を得るために教科書に記載されている液体と空気の蒸留プロセスは現実には不可能であり、それは単なる想像上の思考実験です。もちろん教科書には蒸留理論の簡単な計算も載っていますが、非常に表面的で間違いも多いです。実際の還流比（精留セクションでの還流液気比と抽出セクションでの還流気液比）および最小還流比の定義と計算さえなく、それなしでは精留計算は不可能です（ソフトウェア計算を使用するかどうかは別の問題です）。これは、最先端の蒸留理論と技術はおろか、蒸留理論と実践の発展をまったく反映しておらず、雪氷圏空気分離の技術的中核における蒸留分離の位置や熱量と完全に矛盾しています。ポンプ蒸留は教科書から消え、ヒートポンプ蒸留は現代蒸留の最も重要な省エネ技術の方向性となっています。また、極低温空気分離技術におけるエネルギー節約の極めて重要性はよく理解されていますが、なぜこのようなことが起こるのでしょうか?蒸留技術は、工業時代の蒸留と凝縮分離、工業時代の従来の蒸留と複効用蒸留、複効用蒸留（周囲温度より高い沸点の蒸留プロセスにのみ適用）、現代の単熱を経験してきました。ポンプ蒸留とマルチヒートポンプ蒸留、およびヒートポンプ蒸留を開放する完全自己加熱蒸留（周囲温度以上の沸点の蒸留プロセスだけでなく、空気分離を含む周囲温度以下の沸点の蒸留プロセスにも適用可能）この蒸留技術は、標準的な従来の蒸留（単効用蒸留）、二重効用蒸留および複効用蒸留に分けられます。シングルヒートポンプ蒸留およびマルチヒートポンプ蒸留および完全自己加熱蒸留はオープンヒートポンププロセスであり、二重効用蒸留および多重効用蒸留は精留におけるシングルヒートポンプ蒸留技術およびマルチヒートポンプ蒸留技術に対応し、それらは相互に交換およびアップグレードの関係にあります。それらの違いは、二重効用および多重効用蒸留のエネルギー源が蒸気であり、異なる圧力下の 2 つの精留塔および複数の精留塔であることです。シングルヒートポンプおよびマルチヒートポンプ蒸留の主なエネルギー源は、蒸留原料の中間生成物と蒸留生成物のガス圧縮仕事（ヒートポンプ循環作動媒体圧縮仕事）であり、シングルヒートポンプおよびマルチヒートポンプ蒸留では、・ヒートポンプ蒸留は単段蒸留塔で二元系の蒸留分離を実現します！二重効用蒸留と多重効用蒸留、単一ヒートポンプ蒸留と多重ヒートポンプ蒸留は、共存するのではなく置き換えられ、アップグレードされます。蒸留理論には、いわゆる三成分および多成分分配モデルもあり、三成分系および多成分系が各成分の割合と物理的特性に従ってどのように精留組織化を実行できるかを具体的に議論します。これらは酸素、窒素、アルゴンの三成分系蒸留を分離するために必要な基礎知識ですが、空気深冷分離の教科書には載っていません。その理由と理由をどうやって知ることができるでしょうか？なんというジレンマでしょう！例えば、深冷空気分離の教科書には二塔法は複効用蒸留と書かれていますが、複効用蒸留と単効用蒸留（標準的な従来型蒸留）、複効用蒸留には水蒸気リボイラーと冷却水コンデンサー。単効用蒸留は一段の蒸留塔、複効用蒸留は圧力の異なる 2 つの蒸留塔、複効用蒸留は圧力の異なる複数の蒸留塔ですが、二成分系の完全な蒸留分離を達成できます。違いは、冷却および加熱方式の違いとエネルギー消費量の違いだけであり、一般に、複効用蒸留の蒸気消費量は単効用蒸留（標準的な従来の蒸留）の蒸気消費量よりも低く、多重効用蒸留は複効用蒸留よりも低いです (これはエネルギー消費ではなく蒸気消費であることに注意してください)。いわゆる二重塔プロセスは完全な自己加熱蒸留プロセスであり、蒸気リボイラーや冷却水凝縮器がありません。なぜ二重塔プロセスが二重効用蒸留プロセスとなり得るのでしょうか? ！リストはまだまだ続きます！極低温空気分離の教科書では、二段精留塔内でのみ酸素と窒素を完全に分離できるという結論まで実証されており、実証プロセスが論理的に不正確であることは言うまでもなく、極低温空気分離技術者やオペレーターにとって必須の内容となっている。 （実際、不完全帰納法という論理的誤りを犯しています）そして結論は修正の基本的な常識に真っ向から挑戦します！蒸留の最も基本的な内容は、単段蒸留塔で高沸点成分と低沸点成分（二成分系）を完全に蒸留分離することです。単段蒸留塔で酸素と窒素の二元系の完全な蒸留分離を実現するにはどうすればよいでしょうか?

After air isothermal compression, liquid air is produced by open heat pump and expansion refrigeration liquefaction process. After air isothermal compression, liquid air can be produced by open heat pump and isothermal enthalpy difference refrigeration liquefaction process. Whether it is expansion mechanism cooling or isothermal enthalpy difference refrigeration, to get liquid air, part of the…

精製製品圧力システムに加えて、極低温空気分離装置は、コア部分を 2 つの大きな部分に分けることができ、1 つは圧縮機熱交換器と膨張機を含む冷凍、もう 1 つは空気蒸留分離です。コンプレッサー熱交換器蒸留塔。もちろん、極低温空気分離装置の冷却部分と空気整流部分は完全に結合されています。地球環境には空気を液化できる条件が存在しないため、冷凍による空気液化の実現が極低温空気分離の前提条件となっています。熱力学には 2 種類の冷凍方法があります。1 つはヒート ポンプ方法です。いわゆるヒート ポンプは、熱力学の第 2 法則を利用するものです。つまり、入力仕事を通じて周囲よりも低い温度から熱を生成します。物体の温度が環境のより高い温度に向かうにつれて、物体の温度はどんどん低くなり、空調は日常生活の例でのヒートポンプの使用であり、深冷空気蒸留分離におけるヒートポンプも非常に優れています。重要なアプリケーション。これは極低温空気分離技術コミュニティではまだ知られていないため、空気蒸留分離の際にこの点について詳しく説明します。もう 1 つの冷凍方法は、いわゆる膨張法です。これは、熱力学の第一法則を応用したもので、具体的には等温エンタルピーの差を利用して冷却を実現します。いわゆる等温エンタルピーの差は、実際には、同じ温度での空気圧力が高いほど、調理値が低くなります。たとえば、空気を非常に高圧に加圧し、その後周囲温度まで冷却すると、圧力空気の断熱膨張が起こります。外部から作動するかどうかに関係なく、膨張した空気の温度は周囲温度よりも低下し、冷却が達成されます。もちろん、断熱膨張後の空気の温度低下には限界があり、一度に空気の液化を達成することはできませんが、膨張後の低温の空気と熱交換器を介した圧力空気を熱交換に使用することができ、数回の熱交換後に空気の液化を達成することができます。

蒸留技術は、混合物中の各成分の沸点の違いを利用して混合物を分離する最も重要な技術です。各成分の沸点は異なります。気液共存状態では、低沸点成分は比較的揮発しやすいため、気相中の低沸点成分の相対割合が気相中の低沸点成分の割合よりも高くなります。液相。二成分混合物のこの特性を利用して、蒸留による二成分混合物の完全な分離を達成することができる。二成分混合物蒸留分離プロセスには、次の標準設備が含まれます。1つは、原料（二成分混合物）の蒸留輸送です。室温（周囲温度）での二成分混合物の沸点が以下の場合、二成分混合物は室温で気体輸送装置です。二成分混合物の沸点が室温より高い場合は圧縮機、室温での二成分混合物の液体輸送装置はポンプです。 2つ目は蒸留原料と蒸留分離生成物の二成分混合物の熱交換であり、この熱交換器は主熱交換器とも言えます。その主な機能は、蒸留原料と蒸留分離生成物の熱交換を介して行われる一方で、熱交換後の蒸留原料は気液共存に近い状態で精留塔の途中に送られることです。熱交換後の蒸留分離生成物の温度は保管や輸送時に常温に近くなります。もちろん、蒸留原料と蒸留分離生成物の熱交換により、蒸留分離プロセスのエネルギー消費も削減されます。 3つ目は蒸留分離プロセスの中核となる蒸留塔であり、二成分混合物の蒸留分離は蒸留塔内で実現されます。 3 つの部分から構成され、1 つは蒸留塔凝縮器の上部に設置され、冷却水を介して冷却能力を提供し、蒸留塔内の低沸点成分を凝縮して蒸留塔の還流液として液相にします。 2つ目は精留塔の底部に設置されたリボイラーで、蒸気を介して熱を与え、精留塔底部の高沸点成分を蒸発させて蒸留ガスとして上昇させます。 3 つ目は蒸留塔本体で、中央にトレイまたはパッキンを備えた円筒形の圧力容器です。トレイとパッキンの役割は、精留塔の上下から低沸点純粋成分と高沸点純粋成分を取り出すために蒸留分離ができるように物質と熱の伝達を強化することです。蒸留は基本的な化学単位の操作であり、純粋に物理的なプロセスであり、神秘はありません。上記の説明からわかるように、リボイラー蒸気による入熱は基本的に凝縮器の冷却水によって奪われます。したがって、蒸留分離プロセスは実際には熱を消費せず、リボイラーの入力熱と凝縮器の出力熱の温度差によって生成される有効エネルギーを消費します。これがヒートポンプ技術の最も重要な基盤となります。蒸留分離プロセスで広く使用されており、蒸留分離プロセスにおける最も重要な省エネ技術となっています。蒸留分離プロセスにおけるヒートポンプ技術の最も基本的な応用は、蒸気と冷却水の代わりに密閉型ヒートポンプを使用してリボイラーを加熱し、凝縮器から熱を出力することです。この最も基本的なアプリケーションは、蒸留塔の設備や蒸留塔内のパラメーターを変更せず、依然として二成分混合物の蒸留分離プロセスにおける標準的な単塔蒸留分離プロセスです。蒸気と冷却水の代わりに密閉ヒートポンプを使用することは、蒸留分離プロセスで使用されるヒートポンプ技術の最も基本的な方法ですが、実際の蒸留分離プロセスでは一般的ではありません。その理由は次のとおりです。まず、密閉型ヒートポンプは、高沸点成分と低沸点成分の二成分混合物にのみ適しています。沸点ギャップが大きすぎない、沸点ギャップが大きすぎる、圧縮比が低い。ヒートポンプコンプレッサーの規模が大きすぎると、プロジェクトコストが大幅に上昇し、経済性が良くありません。 2つ目は、リボイラーの加熱と凝縮器からの出力熱を密閉型ヒートポンプで完全に蒸気と冷却水に置き換える方法であるが、そうすると必然的に精留系の熱バランスや冷熱バランスの問題が生じ、熱を確保するため、精留システムのバランスを考慮して、蒸気と冷却水を使用して蒸留分離を達成できる場合、最も簡単な方法は、蒸気と冷却水を使用してリボイラーと凝縮器を保持することです。この場合、完全に自己加熱する密閉型ヒートポンプの使用は必要なく、シングルヒートポンプとマルチヒートポンプ技術を使用して蒸留分離プロセスを改善するだけで済みます。第三に、蒸留分離プロセスでのオープン ヒート ポンプの使用には、クローズド ヒート ポンプに比べて大きな利点があります。第 4 に、クローズド ヒート ポンプ蒸留プロセスの使用は周囲温度付近でのみ適しており、周囲温度から離れすぎると適切なサイクル作動媒体を見つけるのが困難になります。上記の理由により、密閉型ヒートポンプは、二成分混合物の沸点が室温に近い場合にのみ広く使用されます。蒸留分離プロセスで最も広く使用されているのは、いわゆるシングル ヒート ポンプおよびマルチ ヒート ポンプ技術です。いわゆるシングル ヒート ポンプおよびマルチ ヒート ポンプ技術は、オープン ヒート ポンプです。蒸留塔の精留セクションからの混合物を、熱交換器に設置された蒸留塔の蒸留セクションで圧縮した後、ヒートポンプコンプレッサーに導きます。一方、蒸留塔に落ちる液体の混合物は、蒸留塔内の液体とそれ自体の液化は、減圧後に還流液として蒸留塔の蒸留セクションに送られます。シングルヒートポンプおよびマルチヒートポンプ技術は、従来の蒸留分離プロセスの省エネ変革だけでなく、ヒートポンプ蒸留プロセスの省エネ変革にも適しています。したがって、その使用は最も広く、最も一般的です。蒸留分離プロセスでヒートポンプ技術を使用する 3 番目の方法は、シングルヒートポンプおよびマルチヒートポンプ蒸留技術における、いわゆるオープンヒートポンプ蒸留プロセス、いわゆる自己加熱蒸留プロセスです。シングルヒートポンプとマルチヒートポンプの作動媒体は、蒸留原料と低沸点成分をヒートポンプの循環作動媒体として使用すると、蒸留プロセスの中間生成物になります。実現可能な3つのオープンヒートポンプ蒸留プロセス。そのうち2つのオープンヒートポンプ蒸留プロセスは、精留原料を循環作動媒体として、それぞれ単一の純成分を製造するオープンヒートポンプ蒸留単塔プロセスとオープンヒートポンプ蒸留プロセスです。 2つの成分の完全な分離を実現できるポンプ蒸留2塔プロセス。循環作動媒体の低沸点純粋組成を使用する別のオープンヒートポンプ精留単塔プロセス。もちろん、オープンヒートポンプ蒸留プロセスは無制限ではありません。通常の状況下では、二成分混合物の沸点が室温以下である場合にのみ適していますが、この場合に限り、蒸留混合物と低沸点蒸留純粋成分は室温で気体となり、室温での圧縮に適しています。第二に、この場合、ヒートポンプの使用に加えて、蒸留分離の工業的操作を達成する実現可能な方法はありません。これは、ある程度涼山です。オープンヒートポンプ蒸留プロセスにおける非常に重要な問題は、冷却能力のバランスをどのように達成するかです。これは実際に極低温空気分離の場合に当てはまります。

熱の定義は明確かつ正確ですが、冷たさの概念には正確な定義がありません。これは、いわゆる寒さのバランス（本質的には熱のバランス）の計算には影響しませんが、残念なことに、寒さの概念は間違いなく熱に対応する概念であり、反対の概念であるはずです。これらの相対的に相反する特性を反映できていない場合、それは完璧であるとは言えません。高温と低温は熱平衡の過程における分子運動の表現であり、絶対零度では分子はエンタルピーゼロで完全に静止し、熱伝達は起こりません。この理解に基づくと、物体が熱いか冷たいかは、そのエンタルピー値がゼロを超えるかどうかによって決まります。したがって、いわゆる低温バランスが実際には熱バランスである理由が説明されます。熱は相対エンタルピーとしても定義できますが、基準点の選択の点で絶対エンタルピーとは異なります。絶対エンタルピーは絶対零度を基準点として使用しますが、相対エンタルピーは理論的には任意の温度を基準点として使用できます。通常は周囲温度を基準点として使用します。周囲温度より高い物体は、熱獲得を示す正の相対エンタルピー値により熱いとみなされ、周囲温度より低い物体は、熱損失を示す負のエンタルピー値により冷たいと見なされます。この理解に基づいて、冷却能力について明確な定義を与えることができます。冷却能力とは、物体の温度を周囲温度以下から周囲温度まで上昇させるのに必要な熱量を指し、その物体が持つ「冷たさ」の量を表します。したがって、極低温空気分離の教科書で環境と冷却能力の定義を最初に説明しないと、冷却量のバランスに関連する概念を理解するのは困難かつ抽象的になります。

化学および化学工学の知識を持つ化学技術者にとって、空気分離技術を学ぶ上で最も困難な点は、冷蔵能力、冷蔵能力のバランス、および冷凍を理解することにあります。熱は化学熱力学の基本概念であり、熱平衡は熱力学を理解するために習得しなければならない重要な知識です。しかし、極低温空気分離の教科書には正確な定義がないようなので、冷気量の概念を理解するのは難しいことがわかります。私は低温能力の概念を完全に理解できなかったため、この障害が極低温空気分離の理解の進歩を妨げました。その結果、私は極低温空気分離の教科書と動力計算で冷気能力のバランスを繰り返し勉強することから始めなければなりませんでした。しかし、冷蔵能力自体についての言及や説明はまだ見つかりませんでした。代わりに、仕事計算に関連する加算、減算、乗算、除算などのさまざまな数学演算とともにエンタルピー値のみが提供されました。突然、このいわゆる「冷気容量バランス」が、その特殊な形式ではあるものの、実際には熱バランスを指していることに気づきました。何が特別なのでしょうか？そうですね、その存在には液体の生産が必要です。液体の出力がなければ、システムのバランスが崩れると、冷却能力 (つまり、冷却能力) の供給を維持できなくなります。この認識により、冷却能力のバランスをとることによって平衡を達成する（つまり、十分な液体出力を維持する）という文脈内では、「冷却量」を直接参照または追跡することはできないという理解が得られました。今後、「低温量」の正確な定義をどのようにして提供できるのかという疑問が生じます。