第六章气体精馏原理与设备 气体分离方法: 精馏 2.分凝 3.吸收 4.吸附(PSA、VPSA) 5.膜分离 第一节主要成分间的气液平衡 氧-氮二元系气液平衡 1.氧、氮、氩饱和压力与温度的关系 2.氧-氮二元系气液平衡 a.TXY图 =const 蒸汽 露点线 流体 12 CN 08
第六章 气体精馏原理与设备 气体分离方法： 1． 精馏 2． 分凝 3． 吸收 4． 吸附（PSA、VPSA） 5． 膜分离 第一节 主要成分间的气液平衡 一、氧-氮二元系气液平衡 1． 氧、氮、氩饱和压力与温度的关系 2． 氧-氮二元系气液平衡 a.T-X-Y 图
2 图 3.TP-hx-y图 第二节空气的精馏 液空的部分蒸发和空气部分冷凝 N2(6) Nx,% 蒸友率 05冷令凝率 二、空气的精馏过程 从部分蒸发和部分冷凝的特点可看出,两种过程可以分别得到高纯度的氧和高纯度的氮,但不能同 时获得。而且两个过程恰好相反:部分蒸发需外界供给热量,部分冷凝则要向外界放出热量:部分蒸发不
2．y-x 图 3．T-P-h-x-y 图 第二节 空气的精馏 一、液空的部分蒸发和空气部分冷凝 二、空气的精馏过程 从部分蒸发和部分冷凝的特点可看出，两种过程可以分别得到高纯度的氧和高纯度的氮，但不能同 时获得。而且两个过程恰好相反：部分蒸发需外界供给热量，部分冷凝则要向外界放出热量；部分蒸发不
断地向外释放蒸气,如欲获得大量高纯度液氧,则需要相应地补充液体;而部分冷凝则是连续地放出冷凝 液,如欲获得大量高纯度气氮,则需要相应地补充气体。如果将部分冷凝和部分蒸发结合起来,则可相互 补充,并同时获得高纯度的氧和氮。 63n 1D%C2 14%02 图49液空多次蒸发和冷凝示意 图410筛扳塔示意图 连续多次的部分蒸发和部分冷凝称为精馏过程。每经过一次部 分冷凝和部分蒸发,气体中氮浓度就增加,液体中氧浓度也增加。这样经过多次便可将空气中氧和氮分开。 下面举例来说明:如图49所示,有三个容器II,Ⅲ其压力均为98.kPa在容器I内盛有含氧20.9% 的液空,容器Ⅱ和Ⅲ分别盛有含氧30%及40%的富氧液空。将空气冷却到冷凝温度(82K)并通入容器 II的液体中。由于空气的温度比含氧40%的液体的饱和温度(80.5K)高,所以空气穿过液体时得到冷却, 就发生部分冷凝;而液体被加热,就发生部分蒸发。当气液温度达到相等时,与液体相平衡的蒸气中含氧 只有14%O2。将此蒸气引到容器Ⅱ,由于30%O2富氧液空的饱和温度(79.6K)比容器ⅢI中的温度低, 所以从容器I引出的蒸气(80.5K)又继续冷凝,同时使容器I中的液体蒸发。当蒸气与30%O2的液体 达到平衡状态时蒸气浓度又继续冷凝,同时使容器Ⅱ中的液体蒸发。当蒸气与30%O2的液体达到平衡状 态时蒸气浓度就变成9%O2将此燕气由容器Ⅱ再引入容器I,再进行一次部分蒸发和部分冷凝过程,则 蒸气中氮又增加,含氧仅6.3%02在上述过程中,在气相中氧浓度减少的同时,液体中氧则增加。这样 多次进行下去,最后可获得足够数量的高纯度气氮和液氧。这就是利用精馏过程分高空气的实质 图49所示流程示意图,仅仅说明精馏过程的基本概念,实际情况要复杂些。为了使精馏过程进行得 较完善,即为了使气、液接触后接近平衡状态,就要增大气、液接触面积和精加按触时间。为此,在空分 装量中是通过专门设备精馏塔来实现空气的精馏过程。 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。如图410所示, 在宜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向上流动,与筛孔板上液体相遇,进行热质交换,也就是进行部分蒸发和部分冷凝过
断地向外释放蒸气，如欲获得大量高纯度液氧，则需要相应地补充液体；而部分冷凝则是连续地放出冷凝 液，如欲获得大量高纯度气氮，则需要相应地补充气体。如果将部分冷凝和部分蒸发结合起来，则可相互 补充，并同时获得高纯度的氧和氮。 连续多次的部分蒸发和部分冷凝称为精馏过程。每经过一次部 分冷凝和部分蒸发，气体中氮浓度就增加，液体中氧浓度也增加。这样经过多次便可将空气中氧和氮分开。 下面举例来说明：如图 4.9 所示，有三个容器 I，II，III，其压力均为 98.1kPa。在容器 I 内盛有含氧 20.9% 的液空，容器 II 和 III 分别盛有含氧 30%及 40%的富氧液空。将空气冷却到冷凝温度（82K）并通入容器 III 的液体中。由于空气的温度比含氧 40%的液体的饱和温度（80.5K）高，所以空气穿过液体时得到冷却， 就发生部分冷凝；而液体被加热，就发生部分蒸发。当气液温度达到相等时，与液体相平衡的蒸气中含氧 只有 14%O2。将此蒸气引到容器 II，由于 30%O2富氧液空的饱和温度（79.6K）比容器 III 中的温度低， 所以从容器 III 引出的蒸气（80.5K）又继续冷凝，同时使容器 II 中的液体蒸发。当蒸气与 30%O2的液体 达到平衡状态时蒸气浓度又继续冷凝，同时使容器 II 中的液体蒸发。当蒸气与 30%O2的液体达到平衡状 态时蒸气浓度就变成 9%O2。将此蒸气由容器 II 再引入容器 I，再进行一次部分蒸发和部分冷凝过程，则 蒸气中氮又增加，含氧仅 6.3%O2。在上述过程中，在气相中氧浓度减少的同时，液体中氧则增加。这样 多次进行下去，最后可获得足够数量的高纯度气氮和液氧。这就是利用精馏过程分离空气的实质。 图 4.9 所示流程示意图，仅仅说明精馏过程的基本概念，实际情况要复杂些。为了使精馏过程进行得 较完善，即为了使气、液接触后接近平衡状态，就要增大气、液接触面积和精加接触时间。为此，在空分 装置中是通过专门设备精馏塔来实现空气的精馏过程。 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。如图 4.10 所示， 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向上流动，与筛孔板上液体相遇，进行热质交换，也就是进行部分蒸发和部分冷凝过 图 4.9 液空多次蒸发和冷凝示意 图 图 4.10 筛扳塔示意图
程。连续经多块塔板后就能够完成精馏过程,从而得到所要求纯度的氧、氮产品。 三、精馏塔 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。如图6-8所示,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向上流动, 与筛孔板上液体相遇,进行热质交换,也就是进行部分蒸发 和部分冷凝过程。连续经多块塔板后就能够完成精馏过程, 从而得到所要求纯度的氧、氮产品 空气的精馏一般分为单级精馏和双级精馏,因而有单级精 馏塔和双级精馏塔 (一)单级精馏塔 氮气 氮气, 富氧空气 空气 空气
程。连续经多块塔板后就能够完成精馏过程，从而得到所要求纯度的氧、氮产品。 三、精馏塔 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。如图 6-8 所示，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向上流动， 与筛孔板上液体相遇，进行热质交换，也就是进行部分蒸发 和部分冷凝过程。连续经多块塔板后就能够完成精馏过程， 从而得到所要求纯度的氧、氮产品。 空气的精馏一般分为单级精馏和双级精馏，因而有单级精 馏塔和双级精馏塔。 （一）单级精馏塔
单级精馏塔有两类:一类是制取高纯度液氮(或气氮); 类是制取高纯度液氧(或气氧)。如图6-9所示。 图a所示为制取高塔度液氧(或气氮)的单级精馏塔, 由塔釜、塔板及筒壳、冷凝蒸发器三部分组成。压缩空气经 换热器和净化系统除去杂质并冷却后进入塔的底部,并自下 而上的穿过每块塔板,与塔板上的液体接触,进行热质交换。 只要塔板数目足够多,在塔的顶部能得到高纯度气氮(纯度 为99%以上)。该气氮在冷凝蒸发器内被冷却而变成液体, 部分作为液氮产品,由冷凝蒸发器引出;另一部分作为回 流液,沿塔板自上而下的流动。回流液与上升的蒸气进行热 质交换,最后在塔底得到含氧较多的液体,叫富氧液空,或 称釜液,其含氧量约40%左右。釜液经节流阀进入冷凝蒸发 器的蒸发侧(用来冷却冷凝侧的氮气)被加热而蒸发,变成 富氧空气引出。如果需要获得气氮,则可从冷凝蒸发器顶盖 下引出。 图b所示为制取纯氧(99%以上)的单级精馏塔,它由塔 体及塔板、塔釜和釜中蛇管蒸发器组成。被冷却和净化过的 压缩空气经过蛇管蒸发器时逐渐被冷凝,同时将它外面的液 氧蒸发。冷凝后的压缩空气经过节流阀进入精馏塔的顶端。 此时,由于节流降压,有一小部分液体气化,大部分液体自 塔顶沿塔板下流,与上升的蒸气在塔板上充分接触,含氧量 逐步增加。当塔内有足够多的塔板数时,有塔底可以得到纯
单级精馏塔有两类：一类是制取高纯度液氮（或气氮）； 一类是制取高纯度液氧（或气氧）。如图 6-9 所示。 图 a 所示为制取高塔度液氧（或气氮）的单级精馏塔，它 由塔釜、塔板及筒壳、冷凝蒸发器三部分组成。压缩空气经 换热器和净化系统除去杂质并冷却后进入塔的底部，并自下 而上的穿过每块塔板，与塔板上的液体接触，进行热质交换。 只要塔板数目足够多，在塔的顶部能得到高纯度气氮（纯度 为 99%以上）。该气氮在冷凝蒸发器内被冷却而变成液体， 一部分作为液氮产品，由冷凝蒸发器引出；另一部分作为回 流液，沿塔板自上而下的流动。回流液与上升的蒸气进行热 质交换，最后在塔底得到含氧较多的液体，叫富氧液空，或 称釜液，其含氧量约 40%左右。釜液经节流阀进入冷凝蒸发 器的蒸发侧（用来冷却冷凝侧的氮气）被加热而蒸发，变成 富氧空气引出。如果需要获得气氮，则可从冷凝蒸发器顶盖 下引出。 图 b 所示为制取纯氧（99%以上）的单级精馏塔，它由塔 体及塔板、塔釜和釜中蛇管蒸发器组成。被冷却和净化过的 压缩空气经过蛇管蒸发器时逐渐被冷凝，同时将它外面的液 氧蒸发。冷凝后的压缩空气经过节流阀进入精馏塔的顶端。 此时，由于节流降压，有一小部分液体气化，大部分液体自 塔顶沿塔板下流，与上升的蒸气在塔板上充分接触，含氧量 逐步增加。当塔内有足够多的塔板数时，有塔底可以得到纯