氣體的低溫分離課件

制冷與低溫技術(shù)原理

(九)多媒體教學(xué)課件李文科制作制冷與低溫技術(shù)原理

(九)多媒體教學(xué)課件1第九章氣體的低溫分離第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡第二節(jié)氣體的精餾第九章氣體的低溫分離第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡2第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡內(nèi)容提要一、氣體的組成二、空氣的二元系氣液平衡三、空氣的氧-氬-氮三元系氣液平衡第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡內(nèi)容提要3第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡

一、氣體的組成

1．氣體混合物2．空氣的組成3．天然氣的組成4．其他多組分氣體混合物第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡一、氣體的組成4第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡自然界中存在的氣體通常是氣體混合物。單一氣體的獲得通常采用從混合物中分離提取的辦法，從混合物中提取純氣體，以滿足人類對氣體的各種需求。1．氣體混合物

兩種及兩種以上的單一氣體形成氣體混合物。這一過程是自發(fā)過程，而從混合物中提取某種純氣體，或?qū)⒒旌衔镏懈鞣N組分完全分離開來，則是非自發(fā)過程，要使過程進(jìn)行必須投入一定補(bǔ)償，這就是分離功。分離的最小可能功耗應(yīng)該是通過一個(gè)可逆過程進(jìn)行，所需的最小可逆功則決定于被分離的混合物組成、溫度和壓力以及所要求產(chǎn)物的組成、溫度和壓力。在恒溫恒壓條件下將均相的理想氣第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡自然界中存在的氣5第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡體混合物分離成純氣體產(chǎn)物所需的最小功應(yīng)為(9－1)式中：Wmin—分離1mol氣體混合物所消耗的最小功；

R—混合物氣體常數(shù)；

xi—第i個(gè)組分的摩爾分?jǐn)?shù)。對于由組分A、B組成的雙組分混合物，其最小分離功為(9－2)將混合物分離成不純的氣體產(chǎn)物所耗的功要小于同條件下分離成純物質(zhì)的最小功，其耗功的計(jì)算可由式(9－2)的結(jié)果再減去不純的氣體產(chǎn)物進(jìn)一步分離成純質(zhì)氣體所耗的功，即：第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡體混合物分離成純氣體產(chǎn)物6第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡(9－3)式中：yj—不純氣體產(chǎn)物j占總氣體混合物的摩爾分?jǐn)?shù)；

xji—不純氣體產(chǎn)物j中i組分的摩爾分?jǐn)?shù)。

事實(shí)上，將混合物實(shí)現(xiàn)完全的純氣體分離是不可能的。為了實(shí)現(xiàn)可逆過程、零溫差傳熱和無密度差傳質(zhì)需要無窮大的換熱面積和無限大的傳質(zhì)空間，這種要求實(shí)際上無法做到，因此提純氣體總有一定限度。也就是說，分離后的氣體不可能達(dá)到100%的純度。第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡7第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡2．空氣的組成空氣是一種均勻的多組分混合氣體，它的主要成分是氧、氮和氬，此外還含有微量的氫及氖、氦、氙等稀有氣體。根據(jù)地區(qū)條件的不同，空氣中也會含有不定量的二氧化碳、水蒸氣以及乙炔等碳?xì)浠衔?，空氣的組成及各成分的沸點(diǎn)可參見第8章表8－2。第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡2．空氣的組成8第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡3．天然氣的組成天然氣包括油田氣和氣田氣兩種，它們是碳?xì)浠衔锛吧倭康腘2、H2、CO2等組成的混合氣體，其主要成分是以甲烷為主的烷烴。當(dāng)氣體中甲烷成分含量在90%以上時(shí)稱為貧氣或干氣，常見于氣田氣。氣體的成分含量因氣田地域不同而異，同一氣田的氣體含量也因開采時(shí)間不同而變化。表9－1列出我國部分地區(qū)油田氣及氣田氣的組成。氣田氣和油田氣可以分離出各種純組分甲烷、乙烷等，分別作為生產(chǎn)甲醇、乙烯及其他石油化工產(chǎn)品的原料，也可以從中分離出輕汽油及液化石油氣等餾分，分別用作動力燃料及民用燃料。有些地區(qū)的天然氣中氦含量較高，用以提氦比較經(jīng)濟(jì)。第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡3．天然氣的組成9第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡

4．其他多組分氣體混合物(1)焦?fàn)t氣焦?fàn)t氣是煉焦工業(yè)的副產(chǎn)品，以氫的含量為最高，其次是甲烷氣，因此利用焦?fàn)t氣進(jìn)行分離制取氫氣是目前重要的制氫來源之一。氫氣常用作生產(chǎn)合成氨的原料，焦?fàn)t氣的平均組成如表9－2所示。表9－2焦?fàn)t氣的平均組成(摩爾分?jǐn)?shù))

組成H2CH4CnHmCOO2N2CO2H2S含量(%)54～5923～281.5～3.05.5～7.00.4～0.83.5～5.01.2～2.5～1.2第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡4．其他多組分氣體混合10第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡(2)石油裂解氣石油裂解氣是將一些石油產(chǎn)品(如乙烷、丙烷、柴油、重油等)加以裂解而得到的混合氣體。石油裂解氣的組成如表9－3所示，其主要組分除烷烴外，還有大量的不飽和碳?xì)浠衔?如乙烯、丙烯等)，后者是有機(jī)合成工業(yè)的重要原料。(3)合成氨尾氣

合成氨尾氣由合成氨時(shí)不斷排放的馳放氣及液氨降壓時(shí)放出的膨脹氣組成。合成氨尾氣的組成如表9－4所示。從合成氨尾氣中不但可回收氫，還可提取氬、氪、氙等。以含氦的天然氣為原料制造合成氨時(shí)，其中氦可濃縮4～8倍，用以提取氦時(shí)具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡(2)石油裂解氣11第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡二、空氣的二元系氣液平衡

1．氣液平衡及氧、氬、氮飽和壓力和飽和溫度的關(guān)系2．氧－氮二元系的氣液平衡壓力、溫度及比焓與成分的關(guān)系第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡二、空氣的二元系氣液平衡12第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡

1．氣液平衡及氧、氬、氮飽和壓力和飽和溫度的關(guān)系在氣液平衡條件下，各相的狀態(tài)參數(shù)保持不變，它們的溫度、壓力都分別相等，這時(shí)的溫度稱飽和溫度，壓力稱飽和蒸氣壓力。純物質(zhì)在一定的壓力下對應(yīng)著惟一的飽和溫度，或在一定的溫度下對應(yīng)有惟一的飽和壓力。圖9－1示出氧、氬、氮純物質(zhì)在氣液平衡時(shí)，飽和壓力與飽和溫度之間的關(guān)系。由圖9－1可知，氧、氬、氮在同一溫度下具有不同的飽和蒸氣壓力，這是由于它們的分子結(jié)構(gòu)和分子間的引力不同所致。在同一溫度下飽和蒸氣壓力的大小，表明了液體汽化的難易程度。飽和蒸氣壓大的物質(zhì)容易由液體變?yōu)榈谝还?jié)氣體的組成及氣液相平衡1．氣液平衡及氧、氬、氮13第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡

圖9－1氧、氬、氮飽和壓力與飽和溫度的關(guān)系第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡14第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡蒸氣，反之，飽和蒸氣壓小的物質(zhì)不易由液體變?yōu)檎魵?。在相同的溫度下，氮的飽和蒸氣壓高于氧的飽和蒸氣壓。而在相同的壓力下，氮的飽和溫度低于氧。氬則介于氧、氮之間。第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡蒸氣，反之，飽和蒸氣壓小15第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡

2．氧－氮二元系的氣液平衡壓力、溫度及比焓與成分的關(guān)系

氧－氮二元系氣液平衡關(guān)系可用相平衡圖表示。對于兩組分體系，在氣－液兩相平衡時(shí)，氣相中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)與液相中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)不同。為了區(qū)別組分在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)和液相中的摩爾分?jǐn)?shù)，國際上通用的方法是：氣相用y表示，液相用x表示。相應(yīng)的氣－液相平衡圖為T－x－y圖。相平衡圖是用實(shí)驗(yàn)方法求得的溫度(T)、壓力(p)及摩爾分?jǐn)?shù)(x、y)之間的關(guān)系繪制的。(1)T－x－y圖如圖9－2所示，圖中每組曲線都是在等壓下作出的，縱坐標(biāo)表示溫度，橫坐標(biāo)表示氧的摩爾分?jǐn)?shù)(x及y)，對應(yīng)第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡2．氧－氮二元系的氣液平16第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡圖9－2氧－氮?dú)庖浩胶獾腡－x－y圖第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡17第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡于每一個(gè)壓力都有一組氣液相平衡曲線(稱魚形曲線，曲線中壓力數(shù)值的單位是105Pa)。曲線的兩端點(diǎn)的縱坐標(biāo)分別表示純氧和純氮在該壓力下的飽和溫度。由T－x－y圖可看出，氧－氮二元溶液有以下特點(diǎn)：

1)氣相中氧的摩爾分?jǐn)?shù)為30%～40%時(shí)，相平衡的氣液摩爾分?jǐn)?shù)差最大，增加或減少氣相中的含氧量時(shí)，氣液的摩爾分?jǐn)?shù)差都減小。這表明，當(dāng)氣相(或液相)中的含氧(或含氮)量愈少時(shí)愈難分離。

2)壓力越低，液相線與氣相線的間距越大，即氣液相間的摩爾分?jǐn)?shù)差越大。這說明，在低壓下分離空氣比在高壓下分離容易。第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡于每一個(gè)壓力都有一組氣液18第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡

3)氣液平衡時(shí)，液相中的氧摩爾分?jǐn)?shù)大于氣相中的氧摩爾分?jǐn)?shù)，氣相中的氮摩爾分?jǐn)?shù)大于液相中的氮摩爾分?jǐn)?shù)。

4)當(dāng)壓力一定時(shí)，溶液中高沸點(diǎn)組分(氧)的摩爾分?jǐn)?shù)愈大，它的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度愈高。

表9－5表示氧－氮?dú)庖浩胶獾臏囟萒、壓力p和摩爾分?jǐn)?shù)y3、x3的關(guān)系。表中x3為液體中氮的摩爾分?jǐn)?shù)；y3為氣體中氮的摩爾分?jǐn)?shù)。

表9－6為氬－氮?dú)庖浩胶獾臏囟萒、壓力p和摩爾分?jǐn)?shù)y3、x3的關(guān)系。

表9－7為氧－氬氣液平衡的數(shù)據(jù)，表中x2為液體中氬的摩爾分?jǐn)?shù)；y2為氣體中氬的摩爾分?jǐn)?shù)。第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡3)氣液平衡時(shí)，19第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡(2)y－x圖

圖9－3所示為氧－氮二元系在不同壓力下的y－x圖，橫坐標(biāo)為溶液中氮的摩爾分?jǐn)?shù)，用x表示；縱坐標(biāo)為與液體相平衡的氣相中氮的摩爾分?jǐn)?shù)，用y表示。圖中每一條曲線表示圖示壓力下的y－x關(guān)系。在不同的壓力下有不同的平衡曲線。由圖可以看出，在不同壓力下氮的氣相及液相中的摩爾分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系。此圖可根據(jù)表9－5數(shù)據(jù)制作。

圖9－4為氧－氬二元系在p=133.3kPa下的y－x圖?？梢?，氣液平衡時(shí)y－x差值比氧氮的摩爾分?jǐn)?shù)差值小得多，所以氧氬分離較難。第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡(2)y－x圖20第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡

圖9－3氧－氮二元系的y－x圖第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡21第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡

圖9－4氧－氬二元系的y－x圖第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡22第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡對于二元溶液的比焓，前面已有介紹，即：氣態(tài)的比焓不計(jì)溶解熱，按純組分的分?jǐn)?shù)之和計(jì)算，但純組分的比焓與溶液有相同溫度和相同壓力。液態(tài)溶液的比焓，對氧、氮、氬等組分的混合物不計(jì)溶解熱，所以液態(tài)部分的等溫線(在h－x圖上)也是直線。由于壓力對液體的比焓影響小(特別當(dāng)壓力較低時(shí))，所以液相區(qū)等溫線適用于各種不同壓力。第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡對于二元溶液的比23第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡三、空氣的氧-氬-氮三元系氣液平衡三元系的氣液平衡關(guān)系，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示在相平衡圖上。相平衡圖一般有兩種表示方法：三角形摩爾分?jǐn)?shù)和直角坐標(biāo)摩爾分?jǐn)?shù)表示法。在三元系中分別以y1、y2、y3和x1、x2、x3代表氧、氬、氮?dú)庀嗉耙合嗄柗謹(jǐn)?shù)。

圖9－5是氧－氬－氮三元系的T－x圖(p=133.3kPa)，橫坐標(biāo)為液體中氧的摩爾分?jǐn)?shù)x1，縱坐標(biāo)為溫度，表示三元混合物飽和液體的摩爾分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系。

直角坐標(biāo)圖如圖9－6所示。圖的左邊為帶有等氬摩爾分?jǐn)?shù)線的氧x－y圖，右邊為帶有等氧摩爾分魏線的氬x－y圖。通過該圖可由已知的液相摩爾分?jǐn)?shù)查得平衡氣相摩爾分?jǐn)?shù)，或者根據(jù)氣相摩爾分?jǐn)?shù)查得平衡液相摩爾分?jǐn)?shù)。第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡三、空氣的氧-氬-氮三元24第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡

圖9－5氧－氬－氮三元系的T－x圖第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡圖9－5氧－氬－氮三元系的25第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡

圖9－6氧－氬－氮三元系的平衡圖(p=133.3kPa)第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡26第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡

例如，已知?dú)庀嗄柗謹(jǐn)?shù)y1=y1M，y2=y2M，壓力為133.3kPa，則在圖9－6橫坐標(biāo)上找到y(tǒng)1=y1M的讀數(shù)，由此作垂線與氬的等摩爾分?jǐn)?shù)y2=y2M相交于一點(diǎn)，由此點(diǎn)作水平線，與縱坐標(biāo)交于x1M，即為平衡液相中的氧摩爾分?jǐn)?shù)。同樣，在右圖橫坐標(biāo)上找到y(tǒng)2=y2M的讀數(shù)，由此作垂線與氧的等摩爾分?jǐn)?shù)線y1=y1M交于一點(diǎn)，由此交點(diǎn)作水平線與縱坐標(biāo)交于x2M，即為平衡液相中的氬摩爾分?jǐn)?shù)。反之，如果已知液相中摩爾分?jǐn)?shù)為x1M、x2M，亦可由該平衡圖查出與之平衡的氣相摩爾分?jǐn)?shù)。第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡例如，已知?dú)庀嗄?7第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡三元平衡氣液的比焓與二元相似，氣體和液體混合物溶解熱均忽略不計(jì)時(shí)，液體摩爾焓為

式中：

—與溶液溫度相同的純組分液體摩爾焓，J/mol；

xi—溶液中i組分摩爾分?jǐn)?shù)。氣體混合物摩爾焓為

式中：—與混合氣體相同溫度、相同壓力的純組分氣體摩爾焓，J/mol；

yi—?dú)庀嘀衖組分摩爾分?jǐn)?shù)。第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡三元平衡氣液的比28第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡例9－1

p=133.3kPa時(shí)，摩爾分?jǐn)?shù)x1=15%、x2=5O%三元混合液的飽和溫度及比焓為多少？解：根據(jù)壓力和摩爾分?jǐn)?shù)查圖9－6得飽和溫度為85K。據(jù)表9－8得85K時(shí)液體比焓為混合液比焓以上計(jì)算忽略溶解熱以及壓力對液體比焓的影響。第一節(jié)氣體的組成及氣液相平衡例9－1p=129第二節(jié)氣體的精餾內(nèi)容提要一、氣體分離的方法二、液態(tài)空氣的蒸發(fā)與空氣的冷凝三、空氣的精餾四、精餾塔五、空氣二元系精餾過程的計(jì)算六、天然氣的精餾第二節(jié)氣體的精餾內(nèi)容提要30第二節(jié)氣體的精餾氣體分離技術(shù)從本世紀(jì)初開始發(fā)展，目前已廣泛應(yīng)用，如空氣分離以制取氧、氮、氬及稀有氣體；合成氨馳放氣分離回收氫、氬及其他稀有氣體；天然氣分離提取氦氣；焦?fàn)t氣及水煤氣分離獲得氫或氫氮混合氣等?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展對氣體分離技術(shù)不斷提出新的要求，如經(jīng)濟(jì)合理地提供各種純度的氣體、綜合利用工業(yè)廢氣以及進(jìn)一步提純中間產(chǎn)品等。第二節(jié)氣體的精餾氣體分離技術(shù)從本世紀(jì)初開始發(fā)31第二節(jié)氣體的精餾一、氣體分離的方法

1．應(yīng)用第三種物質(zhì)的氣體分離法2．低溫液化分離—分凝法3．精餾分離第二節(jié)氣體的精餾一、氣體分離的方法32第二節(jié)氣體的精餾

1．應(yīng)用第三種物質(zhì)的氣體分離法應(yīng)用第三種物質(zhì)促使混合氣體分離的方法有薄膜滲透法、吸附法和吸收法。(1)薄膜滲透法

利用混合氣體中各組分對有機(jī)聚合膜的滲透性差別而使混合氣體分離的方法稱為薄膜滲透法。這種分離過程不需要發(fā)生相態(tài)的變化，不需要高溫或深冷，并且設(shè)備簡單、占地面積小、操作方便。

有機(jī)聚合膜分均相無孔膜和微孔膜。在微孔膜內(nèi)存在著固定的孔隙，氣體以流體流動的方式穿過薄膜；而在均相無孔膜中沒有固定的孔隙，但由于聚合膜的分子熱運(yùn)動第二節(jié)氣體的精餾1．應(yīng)用第三種物質(zhì)的氣體分離法33第二節(jié)氣體的精餾而產(chǎn)生了分子鏈節(jié)間的空隙，這些空隙的位置和大小不斷變化著，氣體分子以活性擴(kuò)散的方式由這個(gè)空隙跳入另一空隙逐漸滲過聚合膜。

氣體通過聚合膜的滲透過程一般可分以下三步：1)氣體以分子狀態(tài)在膜表面溶解；2)氣體分子在膜的內(nèi)部向自由能降低的方向擴(kuò)散；3)氣體分子在膜的另一表面解析或蒸發(fā)。

氣體通過聚合膜的滲透過程如圖9－7所示。氣體滲透的速率取決于擴(kuò)散過程。在穩(wěn)定的情況下，氣體擴(kuò)散服從裴克第一定律

(m3/m2·s)(9－4)第二節(jié)氣體的精餾而產(chǎn)生了分子鏈節(jié)間的空隙，這些空隙的34第二節(jié)氣體的精餾

圖9－7聚合膜中氣體滲透示意圖第二節(jié)氣體的精餾35第二節(jié)氣體的精餾式中：qd—單位時(shí)間內(nèi)，通過單位面積擴(kuò)散的氣體量；

D—擴(kuò)散系數(shù)，(m2/s)；

dξ/dx—?dú)怏w分子沿x軸方向的摩爾分?jǐn)?shù)梯度，(1/m)。如果D與摩爾分?jǐn)?shù)無關(guān)，將式(9－4)沿膜厚δ積分得(9－5)式中，ξH、ξL是氣體分子在膜的高壓和低壓兩側(cè)表面上的摩爾分?jǐn)?shù)。因氣體在聚合膜中的溶解度服從亨利定律，即氣體在膜中溶解摩爾分?jǐn)?shù)ξ，與此氣體在氣相中的分壓力p成正比，其比例系數(shù)稱溶解度S，即ξ=S

p，所以(9－6)第二節(jié)氣體的精餾式中：qd—單位時(shí)間內(nèi)，通過單位面積36第二節(jié)氣體的精餾式中，P稱為氣體滲透常數(shù)，它是擴(kuò)散系數(shù)和溶解度之積。對于一定的氣體－聚合物，P為常數(shù)，物理意義為：當(dāng)膜兩邊分壓差為1kPa時(shí)，1s鐘內(nèi)通過厚1cm、面積為1cm2的膜所滲透氣體的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積(單位為cm3)。

P表示混合氣體分離的重要特性，不同的聚合膜和不同的氣體，P值的大小不同。氣體和聚合膜一定時(shí)，P的大小可判斷氣體透過膜的難易程度。當(dāng)二元混合物滲透通過某一膜時(shí)，兩種氣體滲透常數(shù)不同，單位時(shí)間、單位面積透過量不同。反映這種差異程度的參數(shù)為分離系數(shù)。第二節(jié)氣體的精餾式中，P稱為氣體滲透常數(shù)，它是擴(kuò)散系37第二節(jié)氣體的精餾設(shè)A、B二元混合氣體在分離高壓側(cè)的摩爾分?jǐn)?shù)分別以yHA、yHB表示，低壓側(cè)已滲透氣體A、B的摩爾分?jǐn)?shù)分別以yLA、yLB表示，則分離系數(shù)

A/B為(9－7)如果A/B=1，則yLA=yHA、yLB=yHB，表示完全不能分離氣體；若A/B＞1，則yLA＞yHA、yLB＜yHB，表示A組分易滲透，而B組分難滲透；若A/B＜1，則表示A組分難滲透，而B組分易滲透。

分離系數(shù)也可通過理論計(jì)算得到，當(dāng)A、B兩組分進(jìn)行滲透分離，且經(jīng)過一定時(shí)間后，在滲過側(cè)A、B組分的摩爾分?jǐn)?shù)之比等于滲透量之比，即第二節(jié)氣體的精餾設(shè)A、B二元混合氣體在分離高38第二節(jié)氣體的精餾而原料氣摩爾分?jǐn)?shù)之比等于它的分壓之比(亨利定律)，即

則(9－8)由于供給側(cè)與透過側(cè)壓力相差很大，則(9－9)所以，滲透常數(shù)之比稱為理論分離系數(shù)。第二節(jié)氣體的精餾39第二節(jié)氣體的精餾薄膜滲透分離中的關(guān)鍵問題是膜的綜合性能。近年來，某些薄膜滲透分離過程實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，主要原因在于解決了薄膜材料和成膜方法。因此，選擇具有優(yōu)良綜合性能的薄膜是該分離技術(shù)的關(guān)鍵之一。

工業(yè)上應(yīng)用的薄膜必須具備以下要求：

1)滲透率高，以保證產(chǎn)量并減少膜面積。

2)對于所分離的組分具有高的選擇性，即分離系數(shù)要盡量大以減少滲透級數(shù)，并使流程簡化。

3)具有化學(xué)、機(jī)械和熱穩(wěn)定性，使膜長期使用，性能不變。膜對氣體的滲透性和選擇性主要體現(xiàn)在滲透常數(shù)P上，滲透常數(shù)可通過試驗(yàn)求得。例如硅橡膠對氦的滲透系數(shù)Phe=172.5×10－10，而對甲烷pCH4=442.5×10－10，理論第二節(jié)氣體的精餾薄膜滲透分離中的關(guān)鍵問題是膜40第二節(jié)氣體的精餾分離系數(shù)He/CH4=0.39。顯然，此膜不適用于從天然氣中回收氦，雖然它有較高的滲透率。而F46膜的PHe=46.5×10－10，PCH4=1.05×10－10，He/CH4=4.4，表現(xiàn)出滲透率稍低些但選擇性很高，適宜作為天然氣提氦的薄膜材料。為了使聚合膜適合氣體分離的要求，采用各種化學(xué)和物理處理方法，以提高其選擇和滲透性能。如聚乙烯膜經(jīng)Co60照射后，該膜對氦滲透率變化不大，PHe由3.2×l0－10變化到2.3×10－10，而對CH4滲透率降低很大，PCH4由1.8×10－10降至0.1×10－10，使分離系數(shù)He/CH4由照射前的1.7提高到23。再如，聚苯乙烯膜用紫外線照射后，He/CH4由50猛增至700。第二節(jié)氣體的精餾分離系數(shù)He/CH4=0.39。顯41第二節(jié)氣體的精餾

分離氣體的設(shè)備是使用帶有選擇滲透性的薄膜，借助于加壓混合氣，分離出特定的氣體組分。薄膜的形式可考慮采用平膜和很細(xì)的空心纖維膜，如圖9－8所示。圖9－8a為平膜式，內(nèi)裝有多孔的耐壓支撐物，加壓后的混合氣體從供氣口導(dǎo)入，滲過薄膜的氣體從取氣口收集，廢氣從排氣口排出。圖9－8b所示的空心纖維膜采用直徑為15～100μm的空心纖維，混合氣從供氣口導(dǎo)入加壓室，被分離的氣體組分透過空心纖維膜，經(jīng)纖維膜內(nèi)孔集于透過室中，再由取氣口收集。加壓室和透過室用隔板隔離?？招睦w維的端部嵌在隔板上，使其在上述兩室中不產(chǎn)生泄漏。隔板通常用環(huán)氧樹脂一類可塑性的樹脂加工成型。隔板成型的具體方法是：把空心纖維束嵌在樹脂里，硬化后把頂?shù)诙?jié)氣體的精餾分離氣體的設(shè)備是使用帶有選擇42第二節(jié)氣體的精餾

(a)平膜式(b)空心纖維膜式圖9－8平膜式、空心纖維膜式示意圖第二節(jié)氣體的精餾43第二節(jié)氣體的精餾端切掉。這樣在氣體透過室的一側(cè)隔板上可看到許多空心纖維的空心洞。兩種膜的比較示于表9－9。表9－9平膜與空心纖維膜的比較項(xiàng)目平膜空心纖維膜膜填充密度(m2/m3)200～40020000～60000容器結(jié)構(gòu)需要膜支撐物，設(shè)計(jì)簡單。不需要膜支撐物。壓力損失小大膜制品的缺點(diǎn)膜面易有針孔和膜面受力不均。易混入斷的纖維和不完全空心纖維。易漏氣處膜與支撐物密封處。隔板樹脂與空心纖維粘結(jié)處第二節(jié)氣體的精餾端切掉。這樣在氣體透過室的一側(cè)隔板上44第二節(jié)氣體的精餾

兩種膜的最大不同點(diǎn)是：空心纖維膜在耐壓容器中的膜面積(膜的填充密度)非常大。因此，如果膜材料相同，則空心纖維膜的容器單位體積所產(chǎn)的氣量較大，生產(chǎn)成本較低。

薄膜滲透法有一下幾方面的應(yīng)用：

1)從天然氣中提氦，是目前世界上膜分離應(yīng)用研究較多的一個(gè)領(lǐng)域。

2)分離空氣制富氧，具有裝置簡單、操作方便，只需將原料空氣增壓，不需對空氣干燥、凈化，也不需要吸附、冷凍、復(fù)熱等操作工藝等優(yōu)點(diǎn)。

3)二氧化碳－氧的分離。

4)氮－氫－氨的分離，用于合成氨馳放氣回收利用。第二節(jié)氣體的精餾兩種膜的最大不同點(diǎn)是：空心纖45第二節(jié)氣體的精餾

5)石油煉氣中氫氣的回收。

6)燃燒氣中二氧化硫的脫除，以解決空氣污染問題。(2)吸附法1)固體吸附

氣體混合物的吸附分離是依靠各組分對固體吸附的能力差異而進(jìn)行的。用來吸附被吸附組分的固體物質(zhì)稱為吸附劑，被吸附的組分稱為吸附質(zhì)，不為吸附劑吸附的氣體稱為惰性氣體。

工業(yè)吸附劑應(yīng)具有下列性質(zhì)：對吸附質(zhì)有高的吸附能力，有高的選擇性，有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，供應(yīng)量大，能多次再生，價(jià)格低廉。第二節(jié)氣體的精餾5)石油煉氣中氫氣的回收。46第二節(jié)氣體的精餾

目前主要使用的吸附劑有：活性炭、硅膠、活性氧化鋁、沸石分子篩，其特性見表9－10。吸附劑和吸附質(zhì)的種類不同，分子間吸引力有差別，因此吸附量可相差很多。由表9－11中可看出，臨界溫度高的氣體易被吸附，而且隨吸附時(shí)氣體溫度和壓力的變化，吸附劑的吸附量不同。2)固體床吸附劑的再生(脫附)吸附分離法能否在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)，除了決定于所選用的吸附劑是否有良好的吸附性能外，吸附劑的再生(或稱脫附)方法也是一個(gè)關(guān)鍵。它涉及能量的消耗、產(chǎn)品的純度和回收率等方面的問題。第二節(jié)氣體的精餾目前主要使用的吸附劑有：活性47第二節(jié)氣體的精餾①升溫脫附(等壓)等壓下升高吸附床溫度，進(jìn)行脫附，然后降溫冷卻重新吸附。如圖9－9所示，吸附床的操作溫度為T1，原料氣中吸附質(zhì)的分壓為p1，當(dāng)吸附床達(dá)飽和后吸附劑吸附容量為x1(圖中A點(diǎn))。假定吸附階段終了時(shí)要求吸附后氣體中吸附質(zhì)的分壓降低到p2，就必須使吸附劑吸附容量低于x2(圖中B點(diǎn))。升溫脫附后，將吸附劑從T1升溫到T4以上，吸附容量可以低于x2(圖中C點(diǎn))。再生過程中除加熱外尚需要用再生氣(不含吸附質(zhì)的氣體)帶走脫附下來的吸附質(zhì)，以免降溫后重新吸附。升溫脫附的溫度要由吸附劑可以承受的溫度以及吸附等溫線幾方面來選擇。第二節(jié)氣體的精餾①升溫脫附(等壓)48第二節(jié)氣體的精餾

圖9－9升溫脫附第二節(jié)氣體的精餾49第二節(jié)氣體的精餾脫附加熱量是主要的能耗，所需的熱量應(yīng)包括：吸附劑由吸附溫度加熱到脫附溫度所需的熱量；脫附熱(數(shù)量上等于吸附熱)；將吸附器及其保溫層加熱所需的熱量，保溫層的溫度可按升溫到脫附溫度的一半來估計(jì)；將管路、閥件加熱所需的熱量；熱損失。第二節(jié)氣體的精餾脫附加熱量是主要的能耗，所需50第二節(jié)氣體的精餾②降壓脫附(等溫)此方法是使吸附器在較高壓力下進(jìn)行吸附操作，然后降低壓力使吸附質(zhì)脫附，用部分產(chǎn)品氣作為脫附?jīng)_洗氣。如圖9－10所示，吸附床的操作溫度為T1，原料氣中吸附質(zhì)的分壓為p1，當(dāng)吸附床達(dá)飽和后吸附劑的吸附量為x1(圖中A點(diǎn))。降壓脫附沿著等溫線進(jìn)行，需使吸附質(zhì)分壓下降到p2以下(B點(diǎn)以下)，才能使吸附量低于x2。吸附過程在較高壓力下進(jìn)行，再生沖洗一般在常壓下進(jìn)行。通常把采用降壓脫附的整個(gè)吸附操作工藝稱為變壓吸附(又稱等溫吸附)。

變壓吸附具有能耗低、脫附時(shí)間短、一次能除去多種雜質(zhì)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。第二節(jié)氣體的精餾②降壓脫附(等溫)51第二節(jié)氣體的精餾

圖9－10降壓脫附第二節(jié)氣體的精餾52第二節(jié)氣體的精餾(3)吸收法用適當(dāng)?shù)囊后w溶劑來處理氣體混合物，使其中一個(gè)或幾個(gè)組分溶解于溶劑中，從而達(dá)到分離的目的。這種方法稱為吸收法。在吸收過程中，稱被溶解的氣體組分為溶質(zhì)(或吸收質(zhì))，所用的液體溶劑為吸收劑，不被溶解的氣體為惰性氣體。吸收法的基本原理是利用氣體混合物中各組分在吸收劑中溶解度不同，從而將其中溶解度大的組分分離出來。1)吸收法的基本原理①氣體在液體中的溶解度和氣體的分壓氣體與液體接觸，則氣體溶解在液體中。在氣液兩相經(jīng)過相當(dāng)長時(shí)間接觸后，達(dá)到平衡，氣體溶解過程終止。第二節(jié)氣體的精餾(3)吸收法53第二節(jié)氣體的精餾這時(shí)單位數(shù)量液體所溶解的氣體量叫平衡溶解度。它的數(shù)值通常由實(shí)驗(yàn)測定。溶于液體中的溶質(zhì)必然產(chǎn)生一定的分壓，當(dāng)溶質(zhì)產(chǎn)生的分壓與氣相中該組分的分壓相等時(shí)，氣液達(dá)到平衡，溶解過程終止。當(dāng)氣相中該組分的分壓大于其在溶液中產(chǎn)生的分壓時(shí)，則溶解過程繼續(xù)進(jìn)行。氨溶于水中時(shí)它的分壓很小，但氧溶于水中時(shí)產(chǎn)生的分壓很大，這就是通常說的氨易溶于水，氧微溶于水?？梢?，溶液中溶解氣體產(chǎn)生的分壓愈低，其溶解度愈大。氣體的平衡溶解度還受溫度的影響，溫度上升，氣體的溶解度將顯著下降，因此控制吸收操作的溫度是非常重要的。第二節(jié)氣體的精餾這時(shí)單位數(shù)量液體所溶解的氣體量叫平衡54第二節(jié)氣體的精餾②氣體吸收過程的推動力將氣液平衡時(shí)的液相摩爾分?jǐn)?shù)和氣相分壓數(shù)據(jù)標(biāo)繪于直角坐標(biāo)圖上所得的曲線稱為平衡曲線，如圖9－11中OFA所示。當(dāng)氣液兩相處于不平衡狀態(tài)，即兩相的摩爾分?jǐn)?shù)偏離平衡摩爾分?jǐn)?shù)時(shí)，才能進(jìn)行吸收(或解吸)。圖9－11中點(diǎn)E表示在吸收塔中某一截面上氣液相的實(shí)際操作情況，稱操作點(diǎn)。點(diǎn)E的液相摩爾分?jǐn)?shù)為x，氣相分壓為p；過點(diǎn)E作垂直及水平線分別與平衡曲線相交于F(x，p')和A(x'，p)點(diǎn)，則p'是與液相摩爾分?jǐn)?shù)x相平衡的氣相分壓；x'是與氣相分壓p相平衡的液相摩爾分?jǐn)?shù)。第二節(jié)氣體的精餾②氣體吸收過程的推動力55第二節(jié)氣體的精餾

圖9－11吸收過程的推動力第二節(jié)氣體的精餾56第二節(jié)氣體的精餾由于點(diǎn)E位于平衡曲線以上，且p＞p'，x＜x'，說明氣相中的組分可以被液相所吸收。這是吸收過程能夠進(jìn)行的必要條件。此時(shí)吸收塔在這一截面上以氣相分壓表示的總推動力可以用Δp=p－p'來表示。如果點(diǎn)E位于平衡曲線的下方，此時(shí)p＜p'，x＞x'，在塔中進(jìn)行的就不再是吸收，而是解吸過程了。第二節(jié)氣體的精餾由于點(diǎn)E位于平衡曲線以上，且57第二節(jié)氣體的精餾

2)吸收劑的選擇

吸收劑應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

①對于被吸收的氣體具有較大的溶解度，這樣可以減少液體用量，從而縮小設(shè)備，減小能量消耗；

②選擇性能好；

③具有蒸氣壓低、不發(fā)泡、冰點(diǎn)低的特性，使吸收劑損失較??；

④腐蝕性小，盡可能無毒，不易燃燒，粘度較低，化學(xué)穩(wěn)定性好；⑤價(jià)廉，容易得到。要找到一種吸收劑滿足上述全部要求是很困難的，因此，實(shí)際上應(yīng)根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)?shù)奈談?。第二?jié)氣體的精餾2)吸收劑的選擇58第二節(jié)氣體的精餾

2．低溫液化分離—分凝法

分凝法亦稱部分冷凝法，它是根據(jù)混合氣體中各組分冷凝溫度的不同，當(dāng)混合氣體冷卻到某一溫度后，高沸點(diǎn)組分先凝結(jié)成液體，而低沸點(diǎn)組分仍然為氣體，這時(shí)將氣體和液體分離也就將混合氣中組分分離了。(1)分凝法分凝法一般用于分離沸點(diǎn)相距較遠(yuǎn)的氣體混合物，如N2－He、N2－H2、CH4－N2、CH4－H2等。1)由空氣制取富氧空氣

分凝法可以使混合氣體中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)提高，冷凝液中難揮發(fā)組分摩爾分?jǐn)?shù)提高。用分凝法可將空氣分離為富氧空氣和氮?dú)?。如圖9－12所示，分凝器為一第二節(jié)氣體的精餾2．低溫液化分離—分凝法59第二節(jié)氣體的精餾

圖9－12分凝器示意圖1—空氣入口；2—分凝器管；3—分凝器釜；4—節(jié)流閥；5—氮?dú)獬隹冢?—富氧空氣出口第二節(jié)氣體的精餾60第二節(jié)氣體的精餾殼管式的熱交換設(shè)備。令壓力為490kPa的飽和空氣由進(jìn)料口1進(jìn)入分凝器，在管內(nèi)被冷卻，冷凝的液體沿管壁流下匯集于底部釜中，一般釜液中含氧量可達(dá)30%～40%；不凝氣體則上升到分凝器頂部，可獲得摩爾分?jǐn)?shù)為90%以上的氮?dú)?。釜液?jīng)節(jié)流后進(jìn)入管間蒸發(fā)，以冷卻管內(nèi)的空氣。釜液蒸發(fā)后自上部接管6引出，即為富氧空氣。2)由空分裝置提取氖氦混合氣以600kPa壓力含有少量氖、氦的氮?dú)鉃樵蠚?，用常壓液氮作冷源，分凝器與圖9－12相似。分凝后可以得到粗氖、氦混合氣，其中氖、氦含量可達(dá)50%～60%。第二節(jié)氣體的精餾殼管式的熱交換設(shè)備。令壓力為490k61第二節(jié)氣體的精餾3)多組分混合氣的分級冷凝天然氣、石油氣、焦?fàn)t氣以及合成氨馳放氣都是多組分混合氣。實(shí)現(xiàn)它們的分離往往需要在若干個(gè)分離級中分階段進(jìn)行，在每一級中組分摩爾分?jǐn)?shù)將發(fā)生顯著變化，如圖9－13所示。多組分氣體混合物當(dāng)被冷卻到某一溫度水平時(shí)，進(jìn)入一分離器，將已冷凝組分分離出去，然后再進(jìn)入下一級冷凝器，繼續(xù)降溫并分凝。一個(gè)冷凝器和一個(gè)分離器組成一個(gè)冷凝級。從工藝的角度來考慮，冷凝級數(shù)主要是根據(jù)需回收組分的要求來確定，但同時(shí)要保證在分凝器中不會出現(xiàn)高沸點(diǎn)組分被凍結(jié)的現(xiàn)象。如采用分凝法分離合成氨馳放氣H2－N2－Ar－CH4，各組分的分凝如圖9－13所示，當(dāng)壓力為3000kPa左右，要求回收純度較高的甲烷、第二節(jié)氣體的精餾3)多組分混合氣的分級冷凝62第二節(jié)氣體的精餾

圖9－13分離級示意圖第二節(jié)氣體的精餾63第二節(jié)氣體的精餾富氬餾分及純氫時(shí)，可分三級進(jìn)行：第一級冷凝溫度控制在150K左右，分離后得到純度較高的甲烷凝液；第二級終了溫度控制在120K左右，分離后可獲得富氬凝分；第三級終了時(shí)溫度控制在63K左右，分離后可得到液氮產(chǎn)品；最后得到是較高純度的氫氣。第二節(jié)氣體的精餾富氬餾分及純氫時(shí)，可分三級進(jìn)行：第一64第二節(jié)氣體的精餾(2)分凝法的分類在分凝的過程中，按被冷凝的混合氣體和已冷凝的液體流向的異同，分為并流冷凝和逆流冷凝兩類，其示意圖如圖9－14。所謂并流冷凝，是指被冷凝氣流與不斷冷凝下來的冷凝液流向是一致的。而在逆流冷凝中被冷凝氣體由下往上流動，已冷凝液體卻是由上向下流動，兩者流向相反。兩種冷凝方式，各有特點(diǎn)：

1)從溫度分布看如果冷物流在換熱時(shí)沒有相的變化，則進(jìn)口溫度低于出口溫度，那么并流冷凝時(shí)冷凝器底部溫度較低，而頂部溫度較高；在逆流冷凝時(shí)正好相反?？梢?，單就溫度分布來看，并流冷凝的分離程度要完全一些。如果冷物流在換熱過程中有相變，其溫度幾乎不變，第二節(jié)氣體的精餾(2)分凝法的分類65第二節(jié)氣體的精餾

(a)并流冷凝(b)逆流冷凝圖9－14并流冷凝與逆流冷凝第二節(jié)氣體的精餾66第二節(jié)氣體的精餾則并流冷凝這一特點(diǎn)就不顯著了。

2)從氣液相中組分的摩爾分?jǐn)?shù)分布看在分凝過程中，使高沸點(diǎn)組分不斷轉(zhuǎn)入液相的推動力是氣相與液相中組分的摩爾分?jǐn)?shù)差。在并流冷凝時(shí)，愈接近冷凝器底部，溫度愈低，則氣相中高沸點(diǎn)組分摩爾分?jǐn)?shù)愈小，在出口處幾乎達(dá)到氣液平衡，高沸點(diǎn)組分繼續(xù)被轉(zhuǎn)入液相的推動力小了。故并流冷凝液中高沸點(diǎn)組分的摩爾分?jǐn)?shù)較小。而在逆流冷凝時(shí)，器底溫度雖較高，但與冷凝器接觸的是待分離的新鮮原料氣，盡管冷凝液中高沸點(diǎn)組分摩爾分?jǐn)?shù)高，可是氣相中高沸點(diǎn)組分摩爾分?jǐn)?shù)也高，轉(zhuǎn)入液相的推動力仍較大，最終凝液與原料氣達(dá)到氣液平衡，所以逆流冷凝液中高沸點(diǎn)組分的摩爾分?jǐn)?shù)較高。第二節(jié)氣體的精餾則并流冷凝這一特點(diǎn)就不顯著了。67第二節(jié)氣體的精餾根據(jù)以上分析，當(dāng)冷物流無相變時(shí)，以采用并流冷凝為好；如果冷物流有相變，則以采用逆流冷凝為好。第二節(jié)氣體的精餾根據(jù)以上分析，當(dāng)冷物流無相變68第二節(jié)氣體的精餾(3)多組分混合氣分凝過程的計(jì)算多組分混合氣體的冷凝液中各組分可能是互溶的，也可能是不互溶的。這里討論互溶的情況。計(jì)算的原理是多組分的氣液(物料，相)平衡關(guān)系，計(jì)算的方法是采用相平衡常數(shù)。相平衡常數(shù)為某一組分氣相摩爾分?jǐn)?shù)和液相摩爾分?jǐn)?shù)的比值，其數(shù)值通過實(shí)驗(yàn)得到。1)并流冷凝的計(jì)算因?yàn)椴⒘骼淠抢淠号c未冷凝的氣體同向流動，因此假定在冷凝器任何截面上冷凝液和氣體都處于相平衡狀態(tài)，最后引出的冷凝液與末凝氣體也成平衡關(guān)系。設(shè)有多組分原料氣100mol。并令n'a、n'b、n'c…為原料氣中各組分的物質(zhì)的量，mol；xa、xb、xc…為冷凝液中各第二節(jié)氣體的精餾(3)多組分混合氣分凝過程的計(jì)算69第二節(jié)氣體的精餾組分的摩爾分?jǐn)?shù)；ya、yb、yc…為剩余蒸氣中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)；Ka、Kb、Kc…為各組分的相平衡常數(shù)；nt為溫度為T時(shí)的冷凝液量，mol；na、nb、nc…為冷凝液中每一組分的物質(zhì)的量，mol。則總的物料平衡方程式可表示為

n'a＋n'b＋n'c＋…=∑n'=100

(9－10)冷凝液量nt為各組分凝冷量之總和，即為

na＋nb＋nc＋…=∑n=nt

(9－11)冷凝后氣相中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)是(9－l2)冷凝液中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)(9－13)第二節(jié)氣體的精餾組分的摩爾分?jǐn)?shù)；ya、yb、yc…為70第二節(jié)氣體的精餾當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，氣相與液相各組分的摩爾分?jǐn)?shù)之間有如下的關(guān)系(9－14)最后得(9－15)第二節(jié)氣體的精餾當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，氣相與液相各組分的摩爾71第二節(jié)氣體的精餾解聯(lián)立方程組(9－15)和方程(9－11)以求nt。最簡單的解法是采用試湊法。當(dāng)相平衡常數(shù)K僅與溫度、壓力有關(guān)時(shí)，問題較簡單。根據(jù)溫度、壓力確定K值后，先假設(shè)一個(gè)液化量nt，代入式(9－15)求出na，nb，nc，…，試算∑n是否等于nt。如不等則重新假設(shè)試算，直至相等為止。對于液相為非理想溶液時(shí)，平衡常數(shù)K值不僅與溫度、壓力有關(guān)，還與組成有關(guān)，此時(shí)問題就比較復(fù)雜，只能先假設(shè)系統(tǒng)組成后確定相平衡常數(shù)，再進(jìn)行試湊。第二節(jié)氣體的精餾解聯(lián)立方程組(9－15)和方72第二節(jié)氣體的精餾

2)逆流冷凝的計(jì)算設(shè)有多組分原料100mol，各組分的物質(zhì)的量為n'a、n'b、n'c…。由于冷凝液與原料氣呈平衡關(guān)系，故冷凝液組成xa、xb、xc…可通過相平衡常數(shù)求得，即xa=y'a/Ka…。通常假定最高沸點(diǎn)的組分全部冷凝，并包括在冷凝液中，則總的冷凝量為nt=na/xa=n'a/xa(9－16)冷凝液中每一組分的物質(zhì)的量為

nb=ntxb，nc=ntxc，…(9－17)末凝氣體的量等于(100－nt)。而氣相中每一組分的物質(zhì)的量等于n'b－nb，n'c－nc，…，所以(9－18)第二節(jié)氣體的精餾2)逆流冷凝的計(jì)算73第二節(jié)氣體的精餾

3．精餾分離氣體混合物冷凝為液體后成為均勻的溶液，雖然各組分均能揮發(fā)，但有的組分易揮發(fā)，有的組分難揮發(fā)。在溶液部分汽化時(shí)，氣相中含有的易揮發(fā)組分將比液相中多，使原來的混合液達(dá)到某種程度的分離；當(dāng)混合氣體部分冷凝時(shí)，凝液中所含的難揮組分將比氣相中為多，也能達(dá)到一定程度的分離。雖然這種分離是不完全的，與所要求的純度相差很多，但總可利用上述方法反復(fù)進(jìn)行，使之逐步達(dá)到所要求的純度。這種分離氣體的方法稱為精餾。工業(yè)中用精餾方法分離液體混合物的應(yīng)用很廣泛，如石油煉制中將原油分為汽油、煤油、柴油等一系列產(chǎn)品，氨水溶液分離，氫和重氫分離，氧和氮分離等。精餾方法第二節(jié)氣體的精餾3．精餾分離74第二節(jié)氣體的精餾特別適宜于被分離組分沸點(diǎn)相近的情況，因?yàn)橛眠@種分離方法通常是大規(guī)模生產(chǎn)中最經(jīng)濟(jì)的。第二節(jié)氣體的精餾特別適宜于被分離組分沸點(diǎn)相近的情況，75第二節(jié)氣體的精餾二、液態(tài)空氣的蒸發(fā)與空氣的冷凝

1．簡單蒸發(fā)與冷凝2．部分蒸發(fā)和冷凝3．多次部分蒸發(fā)與多次部分冷凝第二節(jié)氣體的精餾二、液態(tài)空氣的蒸發(fā)與空氣的冷凝76第二節(jié)氣體的精餾

1．簡單蒸發(fā)與冷凝

將液態(tài)空氣(簡稱液空)置于密閉的容器內(nèi)，使它在定壓下加熱蒸發(fā)，且不引出蒸氣，使器內(nèi)的氣、液經(jīng)常處于平衡狀態(tài)，這種蒸發(fā)過程稱為簡單蒸發(fā)。如圖9－15所示，當(dāng)對過冷狀態(tài)點(diǎn)1的液空進(jìn)行等壓加熱時(shí)，其溫度升高，液空組分不變。當(dāng)溫度升高到T2時(shí)，液空成為飽和液體狀態(tài)，如圖中2'點(diǎn)。若繼續(xù)加熱，液空便開始汽化，產(chǎn)生的第一個(gè)氣泡中氮的摩爾分?jǐn)?shù)為y"2(若在98.1kPa下蒸發(fā)，y"2≈94%)，液相氮的摩爾分?jǐn)?shù)為x'2，氣、液處于平衡狀態(tài)。在相平衡條件下，低沸點(diǎn)物質(zhì)在氣相中的含量高于液相中的含量，因此第一個(gè)氣泡中氮?dú)獾哪柗謹(jǐn)?shù)最高。第二節(jié)氣體的精餾1．簡單蒸發(fā)與冷凝77第二節(jié)氣體的精餾

圖9－15液空的簡單蒸發(fā)和空氣的簡單冷凝第二節(jié)氣體的精餾78第二節(jié)氣體的精餾

圖9－15液空的簡單蒸發(fā)和空氣的簡單冷凝第二節(jié)氣體的精餾79第二節(jié)氣體的精餾進(jìn)一步加熱時(shí)，液空繼續(xù)蒸發(fā)，產(chǎn)生的氣泡中氮的摩爾分?jǐn)?shù)會越來越低，而液相中氧的摩爾分?jǐn)?shù)越來越高。如果液空是在98.1kPa下蒸發(fā)，則最后一滴液體中，氧的組成x'5≈52.8%。空氣的冷凝過程是沿蒸發(fā)過程相反方向進(jìn)行的。若將空氣置于一密閉容器中，使其在定壓下冷卻液化，氣、液處于平衡狀態(tài)且不引出冷凝液，這種過程稱為簡單冷凝。由圖9－15可見，簡單冷凝第一滴冷凝液中含氧量最高，僅52.8%，最后所剩的微量末凝氣中氮含量最高，也只有94%。所以，用簡單蒸發(fā)和冷凝不可能得到較高摩爾分?jǐn)?shù)的氧、氮產(chǎn)品，而且分離過程也不可能連續(xù)進(jìn)行。第二節(jié)氣體的精餾進(jìn)一步加熱時(shí)，液空繼續(xù)蒸發(fā)，產(chǎn)生的氣80第二節(jié)氣體的精餾

2．部分蒸發(fā)和冷凝

如果當(dāng)液體蒸發(fā)時(shí)，把產(chǎn)生的蒸氣連續(xù)不斷地從容器中引出，這種蒸發(fā)過程稱部分蒸發(fā)，如圖9－16a所示。在蒸發(fā)過程中假定每一瞬時(shí)引出的蒸氣與該瞬間的液體處于平衡狀態(tài)，那么液相的摩爾分?jǐn)?shù)沿x'2，x'3，…變化；蒸氣中氮組分沿y"2，y"3，…變化。隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，液相中氮的摩爾分?jǐn)?shù)不斷降低，最后可達(dá)x'5，x'4為簡單蒸發(fā)過程最后一滴液體中氮的摩爾分?jǐn)?shù)?？梢姴糠终舭l(fā)比簡單蒸發(fā)在液相中獲得氧摩爾分?jǐn)?shù)較高；但氧的摩爾分?jǐn)?shù)越高，獲得的液氧數(shù)量越少，數(shù)量與質(zhì)量間存在著矛盾，而且不可能同時(shí)獲得高純度的氣氮，如圖9－16b所示。第二節(jié)氣體的精餾2．部分蒸發(fā)和冷凝81第二節(jié)氣體的精餾

圖9－16a、b液空的部分蒸發(fā)和空氣的部分冷凝第二節(jié)氣體的精餾82第二節(jié)氣體的精餾

如果在空氣定壓冷凝過程中將所產(chǎn)生的冷凝液連續(xù)不斷地從容器中導(dǎo)出，這種冷凝過程稱部分冷凝，如圖9－16c所示。在部分冷凝過程中，第一滴冷凝液的氮摩爾分?jǐn)?shù)為x'4，它與被冷凝空氣y"4(即點(diǎn)4")處于平衡狀態(tài)。令空氣在定壓下繼續(xù)冷凝，則氣相中氮的摩爾分?jǐn)?shù)沿y"4，y"3，…變化，液相中氮的摩爾分?jǐn)?shù)沿x'4，x'3，…變化，冷凝到最后時(shí)所剩蒸氣中氮的摩爾分?jǐn)?shù)很高，但數(shù)量卻很少。所以，部分冷凝僅能獲得數(shù)量很少的高摩爾分?jǐn)?shù)氣氮，也存在著質(zhì)和量的矛盾，而且不能獲得高純度的液氧，如圖9－16d所示。第二節(jié)氣體的精餾如果在空氣定壓冷凝過程中將所83第二節(jié)氣體的精餾

圖9－16c、d液空的部分蒸發(fā)和空氣的部分冷凝第二節(jié)氣體的精餾84第二節(jié)氣體的精餾

3．多次部分蒸發(fā)與多次部分冷凝

從部分蒸發(fā)和部分冷凝的特點(diǎn)可看出，兩種過程可以分別得到高純度的氧和高純度的氮，但不能同時(shí)獲得高純度氧和高純度氮。而且兩個(gè)過程的性質(zhì)恰好相反：部分蒸發(fā)需外界供給熱量，部分冷凝則要向外界放出熱量；部分蒸發(fā)不斷在向外界釋放蒸氣，如欲獲得大量高純度液氧，則需要相應(yīng)地補(bǔ)充液體。而部分冷凝則是連續(xù)地放出冷凝液，如欲獲得大量高純度氣氮，則需要相應(yīng)地補(bǔ)充氣體。如果將部分冷凝和部分蒸發(fā)結(jié)合起來，則可解決部分蒸發(fā)和部分冷凝單獨(dú)進(jìn)行所不能解決的問題。第二節(jié)氣體的精餾3．多次部分蒸發(fā)與多次部分冷凝85第二節(jié)氣體的精餾

多次的部分蒸發(fā)和部分冷凝過程的結(jié)合稱為精餾過程。每經(jīng)過一次部分冷凝和部分蒸發(fā)，氣體中氮組分就增加，液體中氧組分也增加。這樣經(jīng)過多次便可將空氣中氧和氮分離開。下面舉例說明：如圖9－17所示，有三個(gè)容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，其壓力均為98.1kPa。在容器Ⅰ內(nèi)盛有含氧20.9%的液空，容器Ⅱ和Ⅲ分別盛有含氧30%及40%的富氧液空，將空氣冷卻到冷凝溫度(82K)并通入容器Ⅲ的液體中。由于空氣的溫度比含氧40%的液體的飽和溫度(80.5K)高，所以空氣穿過液體時(shí)得到冷卻，就發(fā)生部分冷凝；而液體被加熱，就發(fā)生部分蒸發(fā)。當(dāng)氣液溫度相等時(shí)，與液體相平衡的蒸氣中含氧只有14%。將此蒸氣引到容器Ⅱ，由于含氧30%富氧液空的溫度(79.6K)比容器Ⅲ中的溫度低，所以從容器Ⅲ引出的蒸氣(80.5K)又繼續(xù)冷凝，同時(shí)使容器Ⅱ第二節(jié)氣體的精餾多次的部分蒸發(fā)和部分冷凝過程86第二節(jié)氣體的精餾

圖9－17液空多次蒸發(fā)和冷凝的示意圖第二節(jié)氣體的精餾87第二節(jié)氣體的精餾

中的液體蒸發(fā)。當(dāng)蒸氣與含氧30%的液體達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，蒸氣中氧的摩爾分?jǐn)?shù)就變成含氧9%。將此蒸氣由容器Ⅱ再引入容器Ⅰ，再進(jìn)行一次部分蒸發(fā)和部分冷凝過程，則蒸氣中氮又增加，含氧僅6.3%。在上述過程中，在氣相氧組分減少的同時(shí)，液體中氧則增加，最后氣相中氮的摩爾分?jǐn)?shù)由79.1%提高到93.7%，而液體中氧的摩爾分?jǐn)?shù)由10%提高到40%，氣體的數(shù)量雖每次冷凝要減少一些，但同時(shí)得到從液體中蒸發(fā)出來的氣體，結(jié)果氣體的數(shù)量沒有多少變化，同樣液體的數(shù)量也沒有多少變化。這樣多次進(jìn)行下去，液相中氮會更多地蒸發(fā)到氣相中，而氣相中氧會更多地冷凝進(jìn)入液相中，最后可獲得足夠數(shù)量的高純度氣氮和液氧。這就是利用精餾過程分離空氣的實(shí)質(zhì)。第二節(jié)氣體的精餾中的液體蒸發(fā)。當(dāng)蒸氣與含氧30%的液88第二節(jié)氣體的精餾

三、空氣的精餾

1．空氣的液化2．空氣的二元精餾3．空氣的三元及多元精餾第二節(jié)氣體的精餾三、空氣的精餾89第二節(jié)氣體的精餾1．空氣的液化由于空氣精餾的特殊性，空氣液化循環(huán)需要適應(yīng)精餾的下列要求：

(1)要求壓縮的空氣經(jīng)冷卻后能全部送入精餾設(shè)備，以獲得最多的分離產(chǎn)品量；

(2)經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后的空氣壓力和經(jīng)膨脹機(jī)膨脹后的壓力要適合于精餾的壓力(根據(jù)精餾的需要而確定)；

(3)液化循環(huán)的液化系數(shù)及制冷量要根據(jù)精餾的要求而確定；

(4)液化循環(huán)需要滿足分離設(shè)備啟動階段和正常運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。第二節(jié)氣體的精餾1．空氣的液化90第二節(jié)氣體的精餾2．空氣的二元精餾空氣是多組分氣體混合物，但氧和氮的摩爾分?jǐn)?shù)超過99%，為使精餾分離簡化，常把空氣當(dāng)作二元混合物，這時(shí)的精餾稱為二元精餾?？諝庵醒醯哪柗?jǐn)?shù)為20.9%，其余氣體合并于氮中，故氮的摩爾分?jǐn)?shù)為79.1%，二元精餾是多元精餾的基礎(chǔ)。二元精餾經(jīng)過一定假設(shè)后使精餾中復(fù)雜問題得到簡化。由于只有二個(gè)組分，所以空氣經(jīng)分離后，在精餾設(shè)備頂部分離得到低沸點(diǎn)組分的氮，而底部獲得高沸點(diǎn)組分的氧。第二節(jié)氣體的精餾2．空氣的二元精餾91第二節(jié)氣體的精餾3．空氣的三元及多元精餾空氣中氬的容積百分?jǐn)?shù)為0.93%，氬的沸點(diǎn)又介于氧、氮之間(壓力為101.3kPa時(shí)，TO2=90.18K，TAr=87.29K，TN2=77.35K)，故氬對精餾過程的影響較大，特別在制取高純度氧、氮產(chǎn)品時(shí)，必須考慮氬的影響。一般在較精確的計(jì)算中，將空氣看作氧－氬－氮三元混合物，其摩爾分?jǐn)?shù)為氧20.95%、氬0.93%、氮78.12%。三元精餾比二元精餾復(fù)雜得多，首先，按三元系計(jì)算時(shí)，必須了解氧－氬－氮三元混合物的氣液平衡關(guān)系。根據(jù)相律可知，由三種互相溶解的組分所組成的溶液，在兩相狀態(tài)時(shí)具有三個(gè)自由度，所以確定三元系的氣液平衡狀態(tài)時(shí)必須給定三個(gè)獨(dú)立參數(shù)。在二元系中，當(dāng)溫度、壓力第二節(jié)氣體的精餾3．空氣的三元及多元精餾92第二節(jié)氣體的精餾已知時(shí)，氣液平衡摩爾分?jǐn)?shù)即能確定。而在三元系統(tǒng)中，除給定溫度、壓力外，需再給出一個(gè)組分的摩爾分?jǐn)?shù)(氣相或液相)，平衡狀態(tài)才能確定。

其次，分離的次序多，因每次分離只能得到一個(gè)純組分，故有先分離氮還是先分離氧兩種方案選擇。當(dāng)空氣當(dāng)作多元組分時(shí)，分離更復(fù)雜，平衡關(guān)系更難確定。分離空氣的步驟是：

(1)先分出三相點(diǎn)高的組分，如水分、二氧化碳；(2)分離出有害的組分，如碳?xì)浠衔铮?3)分離出沸點(diǎn)很低的組分，如氖、氦、氫；(4)很難分離的組分如氪、氙放在最后分離。第二節(jié)氣體的精餾已知時(shí)，氣液平衡摩爾分?jǐn)?shù)即能確定。而93第二節(jié)氣體的精餾所以，在精餾設(shè)備中空氣有五個(gè)組分氮、氬、氧、氪、氙，由于氪、氙沸點(diǎn)高(比氧的沸點(diǎn)高)，以及含量極少，只有百萬分之一，而氬和氧的沸點(diǎn)相差不大(與氮和氬的沸點(diǎn)差別相比較)，所以分離次序應(yīng)先分離氮，再分離氬，隨后進(jìn)行氧與氪、氙分離，最后是氪與氙分離。第二節(jié)氣體的精餾所以，在精餾設(shè)備中空氣有五個(gè)94第二節(jié)氣體的精餾

四、精餾塔

1．精餾塔板上的工作過程2．單級精餾塔3．雙級精餾塔4．填料塔第二節(jié)氣體的精餾四、精餾塔95第二節(jié)氣體的精餾精餾過程的實(shí)質(zhì)是上升蒸氣和下流液體充分接觸，兩相間進(jìn)行物質(zhì)和能量的相互傳遞。塔板的作用是為氣液兩相物流進(jìn)行熱量和質(zhì)量傳遞提供場所。整個(gè)精餾過程就是通過精餾塔內(nèi)每塊塔板上的作用而實(shí)現(xiàn)的。精餾過程的計(jì)算是要決定將原料氣分離為一定純度的產(chǎn)品所需要的塔板數(shù)。第二節(jié)氣體的精餾精餾過程的實(shí)質(zhì)是上升蒸氣和下96第二節(jié)氣體的精餾1．精餾塔板上的工作過程圖9－18示出精餾塔中任意一段。來自塔板下面的蒸氣經(jīng)篩孔進(jìn)入塔板上的液體中，與溫度較低的液體直接接觸，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(shí)氮含量增高后的蒸氣便離開塔板繼續(xù)上升到上一塊塔板；而氧含量增高后的液體流到下一塊塔板上去，這種往下流的液體稱為回流液。離開塔板Ⅰ的上升蒸氣V2與從塔板Ⅰ往下流的液體L1是接近平衡的。同樣，V3與L2也是接近平衡的。而在兩層塔板之間的同一截面上的氣、液處于不平衡狀態(tài)，即1－1、2－2、3－3截面上V1與L1、V2與L2、V3與L3，處于不平衡狀態(tài)。第二節(jié)氣體的精餾1．精餾塔板上的工作過程97第二節(jié)氣體的精餾

圖9－18兩相鄰塔板間的截面圖V—上升氣體物質(zhì)的量；L—回流液體物質(zhì)的量；x—液體中氮的摩爾分?jǐn)?shù)；y—與液體處于平衡狀態(tài)的蒸氣中氮的摩爾分?jǐn)?shù)；h'—液體的比焓值；h"—蒸氣的比焓值；r—蒸發(fā)潛熱。第二節(jié)氣體的精餾98第二節(jié)氣體的精餾

為了便于計(jì)算，作如下假設(shè)：

(1)塔板上的氣相物流和液相物流達(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)氧和氮的混合熱為零；

(4)精餾塔理想絕熱，外界熱量的影響忽略不計(jì)；

(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。今研究1－1和2－2截面間的一段，可寫出下列三個(gè)方程式(注：式中L、V的單位均為mol，下同)：

V1＋L2=V2＋L1

(9－19)

V1y1＋L2x2=V2y2＋L1x1(9－20)第二節(jié)氣體的精餾為了便于計(jì)算，作如下假設(shè)：99第二節(jié)氣體的精餾

V1h"1＋L2h'2=V2h"2＋L1h'1

式中，h"=h"N2y＋h"O2(1－y)；h'=h'N2x＋h'O2(1－x)；h"N2、h"O2、h'N2、h'O2分別為氣相氮和氧、液相氮和氧的飽和比焓值。

消去V1、V2化簡得(9－21)

又假設(shè)，塔板上液體的蒸發(fā)潛熱不變，即r1=r2，則(9－22)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，為恒值。第二節(jié)氣體的精餾V1h"1＋100第二節(jié)氣體的精餾

現(xiàn)在討論同一塊塔板上、下兩截面氣液中氮的摩爾分?jǐn)?shù)的變化與L、V的關(guān)系。將式(9－22)的結(jié)果代入式(9－20)得V

y1＋L

x2=V

y2＋L

x1

即y2－y1=(L/V)(x2－x1)

或

(操作線方程)(9－23)

如圖9－19所示，式(9－23)表示這一塊塔板上、下兩截面氣液中氮的摩爾分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系為一直線關(guān)系。該直線的斜率tanα=L/V為恒定值。同理，對其他塔板也可以求得L/V=(y3－y2)/(x3－x2)，L/V=(y4－y3)/(x4－x3)，…。因此，所有塔板上、下氣液中氮的摩爾分?jǐn)?shù)關(guān)系都滿足斜率為L/V的同一條直線方程式。該直線稱為精餾過程的操作線，其斜率L/V稱為液氣比。第二節(jié)氣體的精餾現(xiàn)在討論同一塊塔板上、下兩截面氣液中101第二節(jié)氣體的精餾氮的摩爾分?jǐn)?shù)為x2及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(shí)，其摩爾分?jǐn)?shù)為x1及y2，在圖中由平衡曲線上的點(diǎn)1'表示?？諝獾木s過程是在精餾塔中進(jìn)行的。目前，我國制氧機(jī)中所用精餾塔主要是篩板塔，如圖9－20所示。在直立圓柱形筒內(nèi)裝有水平放置的篩孔板，溫度較低的液體由上一塊塔板經(jīng)溢流管流下來，溫度較高的蒸氣由塔板下方通過小孔往上流動，在篩孔板上與液體相遇，進(jìn)行熱質(zhì)交換，也就是進(jìn)行一次部分蒸發(fā)和部分冷凝過程，氣、液趨近平衡狀態(tài)。連續(xù)經(jīng)多塊塔板后就能夠完成整個(gè)精餾過程，從而得到所要求純度的氧、氮產(chǎn)品。第二節(jié)氣體的精餾氮的摩爾分?jǐn)?shù)為x2及y1的不102第二節(jié)氣體的精餾

圖9－19塔截面上物流摩爾分?jǐn)?shù)變化第二節(jié)氣體的精餾103第二節(jié)氣體的精餾

圖9－20篩孔塔板示意圖第二節(jié)氣體的精餾104第二節(jié)氣體的精餾空氣的精餾一般分為單級精餾和雙級精餾，因而有單級精餾塔和雙級精餾塔。第二節(jié)氣體的精餾空氣的精餾一般分為單級精餾和105第二節(jié)氣體的精餾2．單級精餾塔

單級精餾塔有兩類：一類制取高純度液氮(或氣氮)，一類制取高純度液氧(或氣氧)，如圖9－21所示。圖9－21a所示為制取高純度液氮(或氣氮)的單級精餾塔，它由塔釜、塔板及筒體、冷凝蒸發(fā)器三部分組成。塔釜和冷凝蒸發(fā)器之間裝有節(jié)流閥。壓縮空氣經(jīng)換熱器和凈化系統(tǒng)，進(jìn)行熱質(zhì)交換，只要塔板數(shù)目足夠多，在塔的頂部就能得到高純度氣氮(純度為99%以上)。該氣氮在冷凝蒸發(fā)器內(nèi)被冷卻而變成液體，一部分作為液氮產(chǎn)品，由冷凝蒸發(fā)器引出；另一部分作為回流液，沿塔板自上而下的流動?；亓饕号c上升的蒸氣進(jìn)行熱質(zhì)交換，最后在塔底得到含氧較多的液體，叫富氧液空，或稱釜液，含氧量約40%第二節(jié)氣體的精餾2．單級精餾塔106第二節(jié)氣體的精餾

(a)制取高純氮(b)制取高純氧圖9－21單級精餾塔示意圖第二節(jié)氣體的精餾圖9－21單級精餾塔示意圖107第二節(jié)氣體的精餾左右。釜液經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)(用來冷卻冷凝側(cè)的氮?dú)?被加熱而蒸發(fā)，變成富氧氣體引出。如果需要獲得氣氮，則可從冷凝蒸發(fā)器頂蓋下引出。由于釜液與進(jìn)塔的空氣處于接近平衡的狀態(tài)，故該塔僅能獲得純氮。

圖9－21b所示為制取純氧(99%以上)的單級精餾塔，它由塔體及塔板、塔釜和釜中蛇形管冷凝蒸發(fā)器組成。被冷卻和凈化過的壓縮空氣經(jīng)過蛇管蒸發(fā)器時(shí)逐漸被冷凝，同時(shí)將它外面的液氧蒸發(fā)。冷凝后的壓縮空氣經(jīng)過節(jié)流閥進(jìn)入精餾塔的頂端。此時(shí)，由于節(jié)流降壓，有一小部分液體汽化，大部分液體自塔頂沿塔板下流，與上升的蒸氣在塔板上充分接觸，含氧量逐步增加。當(dāng)塔內(nèi)有足夠多的塔板第二節(jié)氣體的精餾左右。釜液經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器的蒸108第二節(jié)氣體的精餾數(shù)時(shí)，在塔底可以得到純的液氧。所得產(chǎn)品氧可以氣態(tài)或液態(tài)引出。該塔不能獲得純氮。由于從塔頂引出的氣體和節(jié)流后的液空處于接近相平衡狀態(tài)，因而氮的摩爾分?jǐn)?shù)約為93%。綜上所述，單級精餾分離空氣是不完善的，不能同時(shí)獲得純氧和純氮，只有在少數(shù)情況(如僅需純氮或富氧)下使用。為了彌補(bǔ)單級精餾的不足，便產(chǎn)生了雙級精餾塔。第二節(jié)氣體的精餾數(shù)時(shí)，在塔底可以得到純的液氧。所得產(chǎn)109第二節(jié)氣體的精餾3．雙級精餾塔(1)工作原理

圖9－22給出雙級精餾塔的示意圖，雙級精餾塔由下塔、上塔和上下塔之間的冷凝蒸發(fā)器組成。經(jīng)過壓縮、凈化并冷卻后的空氣進(jìn)入下塔底部自下而上地穿過每塊塔板，至下塔頂部便得到一定純度的氣氮。下塔塔板數(shù)越多，氣氮純度越高。氮進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器的冷凝側(cè)時(shí)，由于它的溫度比蒸發(fā)側(cè)液氧溫度高，被液氧冷卻變成液氮。一部分作為下塔回流液，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經(jīng)液氮節(jié)流閥后，送入上塔頂部作上塔的回流液。第二節(jié)氣體的精餾3．雙級精餾塔110第二節(jié)氣體的精餾圖9－22雙級精餾塔示意圖第二節(jié)氣體的精餾111第二節(jié)氣體的精餾下塔塔釜中液空經(jīng)節(jié)流閥后送入上塔中部，沿塔板逐塊流下，參加精餾過程。只要有足夠多的塔板，在上塔的最下一塊塔板上就可以得到純度很高的液氧。液氧進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)，被下塔的氣氮加熱蒸發(fā)。蒸發(fā)出來的氣氧一部分作為產(chǎn)品引出，另一部分自下而上穿過每塊塔板進(jìn)行精餾。氣體越往上升，其中氮的摩爾分?jǐn)?shù)越高。第二節(jié)氣體的精餾下塔塔釜中液空經(jīng)節(jié)流閥后送入112第二節(jié)氣體的精餾雙級精餾可在上塔頂部和底部同時(shí)獲得純氮和純氧，也可以在冷凝蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)分別取出液氧和液氮。塔中空氣的分離過程分為兩級，空氣首先在下塔進(jìn)行第一次分離，獲得液氮，同時(shí)得到富氧液空。富氧液空送往上塔進(jìn)行進(jìn)一步的精餾，從而獲得純氧及純氮。上塔又分兩段，一段是從液空進(jìn)料口至上塔底部，是為了將液體中氮組分分離出來，提高液體中的含氧量，稱為提餾段；另一段是從富氧液空進(jìn)料口至上塔頂，是用來進(jìn)一步精餾上升氣體，回收其中氧組分，不斷提高氣體中氮組分的摩爾分?jǐn)?shù)稱為精餾段。冷凝蒸發(fā)器是連接上下塔使二者進(jìn)行熱量交換，對下塔是冷凝器，對上塔是蒸發(fā)器。第二節(jié)氣體的精餾雙級精餾可在上塔頂部和底部同113第二節(jié)氣體的精餾(2)雙級精餾塔的物料和熱量衡算1)精餾塔各主要點(diǎn)工作參數(shù)的確定在圖9－22所示的雙級精餾塔中，一般上塔壓力為130～150kPa，下塔壓力為500～600kPa。上、下塔頂部、底部的工作參數(shù)可通過計(jì)算及查相平衡圖而求得。①上塔頂部的壓力p1及溫度T1

p1=p0＋Δp1

式中：p0—產(chǎn)品氮?dú)廨敵龅膲毫?，要求稍高于大氣的壓力，一般?03kPa；

Δp1—產(chǎn)品流動阻力(包括換熱器、管道、