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1、第5章 气体分离的原理与方法,第一节 气体的理想分离 第二节 气体分离原理第三节 空气分离系统第四节 规整填料塔第五节 气体分离的其他方法,低温过程的主要工业应用包括气体的分离与纯化。液空精馏提供主要的商业用氧、氮、氩、氖、氪和氙。当今大部分产品氦是从含氦天然气经低温分离获得的。天然气中的低沸点组分，如甲烷、乙烷、乙烯都经低温精馏达到分离与纯化。低温还可以用于从焦炉气和其他不纯氢源中分离提取产品氢。用低温分离还可从氢制取同位素氘，进而生产重水。,第一节 气体的理想分离,将气体分离看成理想的热力学可逆系统：该系统用假想的半渗透膜模型来分析气体的可逆分离和混合。分析二元气体混合物分离的理想过程如图
2、所示。,假设气缸中A和B两种气体混合物处于理想状态，内有两个无摩擦活塞， 左边活塞只允许气体A渗透，右边活塞只允许气体B渗透，要求确定可逆分离这两种气体所需的功。,半渗透膜：该膜仅允许一种气体自由完全地通过，而其他气体无法通过。使用这种装置，气体混合时就可以获得输出功，输入同样的功就可以把他们分开，因此，该过程是个可逆过程。,可逆分离所消耗的功，等于等温条件下将各组分从其在混合物中的分压压缩到混合物总压所需的功。 图示的左边活塞是可以让气体A自由透过，当左边活塞向右移动时，它仅仅将气体B从其分压压缩到混合物总压； 同样，右边活塞只压缩气体A。如果两活塞同时移动，则初始温度Tm和压力pm的混合物
3、，被分离成等温度和压力的两种纯气体。,这一分离过程的理想功为,式中，Tm为混合气体的温度(K)；脚标1和2分别表示分离前后的状态。,于是分离单位质量二元混合物的理想功耗为,第二节 气体分离原理,一、冷凝和闪蒸分离,根据混合物的性质，可以用简单的冷凝或蒸发过程达到混合物的局部分离。混合物部分冷凝时，液相中富集了高沸点(难挥发)组分，气相中富集了低沸点(易挥发)组分。部分冷凝适用于混合物各组分沸点差别较大的情况。若各组分的沸点比较接近，则采用部分冷凝的方法很难达到分离要求。例如，N2-He混合物用简单部分冷凝法很容易分离，而N2-O2混合物则很难分离。,二、精馏分离,混合物中沸点相近组分的分离，不
4、能用单一的部分冷凝或蒸发的方法，而应由精馏过程来完成。连续多次的部分蒸发或部分冷凝，称为精馏过程经过每一次部分蒸发或部分冷凝，气体中低沸点(易挥发)组分的摩尔分数就增加，而液相中高沸点(难挥发)组分的摩尔分数也增加。完成这一过程的装置即为精馏塔。精馏塔通常有板式塔和填料塔两大类。,板式精馏塔是在一直立圆柱形筒体内装有水平放置的塔板。温度较低的液体由上块塔板经降液管向下流动，温度较高的蒸气由塔板下方通过塔板上的小孔向上流动，在塔板上液体与气体相接触，完成传热与传质过程。塔板分为筛板塔、蒸气浮阀塔和泡罩塔等。,典型的孔板一般钻有1.54.0mm的小孔，板间距一般为1920mm。液体的流向有从塔的一
5、边流向另一边，然后在下一块塔板上反向流动；或从塔板的中心径向外流，然后在下一块塔板上从外侧流向中心。 塔板上的液层高度由下流的降液管部位的溢流堰来保持。降液管延伸到下一块塔板上的液体中，以确保两塔板间的密封，防止上流的蒸气旁通。,除了塔板以外，精馏塔还有原料入口，在塔底有一出口管线引出难挥发产品，而在塔顶有一出口管线引出易挥发产品。,假设N2+02二元混合物原料以饱和蒸气状态进入塔的第4块塔板。 在理想情况下，在原料入口的上块塔板上的液体(点L5)组成与原料的组成相同，但它的温度较低，因为它是泡点温度而不是露点温度。 在塔中，蒸气向上通过每块板上的液体层，液体流过每块板并通过降液管流向下一块塔
6、板。 当蒸气以气泡形式穿过液层时，把热量传给每块坂上的液体。,传热的结果使得液层中少量的易挥发组分蒸发，而蒸气中相应的少量难挥发组分冷凝，于是蒸气变成富氮气体与液层相接触。液层中富氧液体与蒸气接触，并从一块塔板流到另一块塔板。,随着饱和液体在塔中向下流动,其摩尔分数沿着泡点线向左移动(点L4、L3、L2等)；随着蒸气在塔中向上流动，其摩尔分数沿着露点线向右移动(点V3、V4、V5等)。这样，用足够的塔板就可以把两种组分分离，获得很纯的产品。,一般说来，对于给定的塔板，应求出这类塔板在给定操作条件下的总效率，然后将计算得到的理论塔板数除以总塔板效率，就可以求得达到规定分离要求所需要的实际塔板数。
7、,三、图解法求二元混合物分离的理论塔板数,确定二元混合物分离所需要的理论塔板数有两种基本的方法：即彭琼-萨瓦里特法和莫凯比-西勒法。前一种方法是精确的方法可适用于任何场合，但需要详细的比焓数据。后一种方法精确性不如前一种，但它只需要混合物的气一液平衡数据即可，且适用于大多数低温应用场合。,(一)莫凯比-西勒法(简称M-T法),图示精馏塔中的精馏段(进料口以上)与提馏段(进料口以下)的示意图。,1精馏段 当原料在塔的底部加入时，即为塔的精馏段。 为便于讨论，假设原料以饱和蒸气状态和流量为qm,Fkmol/h进塔，产品是饱和液体，流量分别为qm,D和qm,Bkmol/h。 塔顶冷凝器得到的饱和液体
8、的组成为xD。,对图中点划线所包围的第n+1块板以上的塔，进行易挥发组分的物料衡算，可得,移项后得,该式即为精馏段的操作线方程，其斜率为qm,Lqm,V，与y轴的交点为(qm,Dqm,V)xD。通常将qm,Lqm,V看作内回流比。当以饱和蒸气为原料时，qm,L=qm,B和qm,V=qm,F，如果qm,B和qm,F已知，则比值qm,Lqm,V 很容易求出。 qm,Lqm,V比值还可以由回流比R=qm,Lqm,D来求取，因为,因此若R给定，则操作线的斜率qm,Lqm,V就可以直接求得。注意到y-x图上的对角线yD=xD，此即为操作线的端部位置。,2提馏段 当原料是从塔的顶部进入时，它就成为如图所示
9、的提馏段。如果仍假设为恒质量流速，则提馏段的推导与精馏段相似，分析中假定原料是以饱和液体、(而不是精馏段的饱和蒸气)状态进入塔中。,对图中包围在点划线内的m+1塔板以下的塔进行易挥发组分的物料衡算，可得,该式为提馏塔的操作线方程，其斜率为qm,L/qm,V，与y轴的交点为-(qm,Bqm,V)xB。假设离开再沸器的蒸气摩尔分数yB为已知，则操作线与y-x图上对角线的交点yB=xB。,3精馏塔精馏段与提馏段构成一个完整的精馏塔，这样可在塔顶和塔底分别提取产品。图示给出了这种塔在莫凯比-西勒法图上的操作线。精馏塔的操作情况与上述精馏段与提馏段相似，但是进料状态是在变化的，因为原料可以是过冷液体、饱
10、和液体、饱和蒸气和液体的混合物、饱和蒸气或过热蒸气。现定义为进料板原料中含有饱和液体的摩尔分数，它反映了进料条件。,由完整精馏塔进料板的气-液物料平衡，可以得到,这些平衡式表明了进料条件对操作线斜率的影响。两条操作线的交点可以由物料平衡并结合上述方程，得,4极限回流条件,在精馏中存在两种极限回流条件：一种是全回流，这时塔顶出来的全部蒸气被冷凝作为回流液，这意味着qm,L=qm,V，操作线就是y-x图对角线。,在全回流条件下，该塔采用最少的理论塔板数达到所需的分离要求，但其能量消耗也最大。另一种是最小回流条件。若塔的回流量减少，为了达到所需的分离度，就要求更多的理论塔板数，因为这时的操作线移向平
11、衡线。当操作线和进料线与平衡线相交时，塔处于最小回流条件，这时对于给定的分离度，就要求无穷多的理论塔板，分离所需的制冷量也最小。,显然，必须选用两种极限回流条件之间的折中回流比。对于所需制冷量，全回流要消耗太多的能量成本，而最小回流条件则需要太多的分离单元(塔板)。,化工中应用的典型精馏塔最佳回流比，一般为最小回流比的1.151.35倍。低温分离系统的最佳回流比常常取最小回流比的1.051.15倍，因为低温装置要求增加制冷成本。,(二)彭琼-萨瓦里特法(简称P-S法)P-S法和M-T法的主要差别，在于P-S法假定全塔的蒸气和液体的流速不是恒定不变的，因此P-S法是较为通用和正确的方法。,该法基
12、于全塔流体混合物的焓值，用摩尔焓-摩尔分数图确定分离过程所需的理论塔板数。所用单位可以是摩尔分数或质量分数，其计算结果还是一致的。P-S法中使用的作图工具是杠杆原理。,四、混合物分离的数值计算,前面描述的是二元系统的精馏过程，如涉及到多元系统，则这种计算既令人厌烦也耗费时间。高速计算机的出现，使得多元混合物分离技术的数值化计算成为可能。,气体分离问题的数值计算，一般都是由给定原料和操作条件(进料质量流量、温度和压力、所需塔顶与塔底产品组成等)去求合适的回流比和理论塔板数。通常，这种计算按假定可分为两大类，一类是假设塔顶和塔底的组成随不同回流比的分布情况和进料板的位置，从塔顶到进料板和从塔底到进
13、料板逐板计算，直到组成的摩尔分数与进料板位置相匹配为止。,另一类是假设回流比、塔板数和全塔的温度分布，用所给原料组成对浓缩段和提馏段分别进行逐板计算。若达不到收敛值，则调整塔板数和回流比，重新进行计算，直到收敛。,有时对于一种给定的分离目标需要进行的是快速的初步估计，这时不需要用烦琐的图解法逐板计算，可以采用已开发的多组分分离计算程序包，也可以利用以下介绍的计算全回流条件下最小塔板数的芬斯克公式，求最小塔板数的恩德渥德法以及根据这两种方法求理论塔板的吉利兰图。,第三节 空气分离系统,一、林德(Linde)单塔系统,最简单的空气分离系统是运行于1902年的林德单塔系统，如图所示。,空气经压缩并除
14、去其中的水蒸气和二氧化碳后，流经换热器得到预冷。若生产的是气氧产品，则该换热器是如图所示三通道型的，这时回流的氧气用于冷却进来的空气；若生产的是液氧产品，则该换热器是简单的二通道型，因为这时液氧直接从塔底(塔釜)取出，不对系统提供任何冷量。,预冷后的空气，在塔釜中与液体交换能量后得到进一步冷却，发生部分冷凝。这有两个目的： 进料空气得到进一步冷却，以提高液体产率； 提供热量，使得塔釜中的部分液体气化，以提供塔中上流的蒸气，而不需要从环境获得热量。,然后空气通过一个节流阀，膨胀到塔的操作压力，形成一部分液体，这部分液体作为塔的回流液，当液体往下流经各塔板时，与上升蒸气发生热质交换，其中氧的含量不
15、断增加。当液体到达塔釜后，一部分被进料空气气化，作为上升的蒸气流经各塔板，氮含量逐步增加；,另一部分液体作为产品排放到液氧贮槽中，或气体产品氧取出。若需要的产品是气氧，则进料空气只需被压缩到36MPa即可。然而，若最后产品是液氧，则需将进料空气压缩到20MPa左右。塔本身内部的压降大约是130200kPa。,二、林德双塔系统,林德单塔空气分离系统有两个不足之处： 只能获得纯氧产品； 随污氮流失的氧气量较多。开始时空气中含有21氧与79的氮，则污氮中大约含有6的氧。在空气分离的早期，氮气是作为废气排放到大气中的。而当今液氮已经成为一种重要的低温流体，人们希望在获得氧气的同时，也能生产出一定纯度的
16、氮。,1910年提出的林德双塔系统解决了这些问题。林德双塔系统的流程见图。,它由上下两个塔组成，下塔的操作压力为0.50.6MPa，而上塔的操作压力约为0.1MPa。这个压力差，提供了位于上下两塔之间的冷凝蒸发器操作所需的温度差。,0.507MPa压力下纯氮的沸点94.2K，高于纯氧在0.1013MPa下的沸点(90.2K)。因此，下塔顶部氮冷凝所需的冷量，就由上塔蒸发侧液氧的气化来提供。当然，如果要得到的是液氧产品，流程中的换热器就成为二通道型的换热器，也没有氧气产品气流了。,在林德双塔系统中，原料空气是在上塔的中部送入塔中，而不是上塔顶部。部分液氮产品节流到上塔的操作压力，并送入上塔塔顶作为回流液。从再沸器出来的富氧液空，经节流作为原料送入上塔中部。按所用塔板数的多少，可得到不同纯度的产品。当希望得到纯度较高的氧氮产品时，必须考虑存在于空气中的氩气(0.934)，即把空气看作三元系统，将氩气从上塔的某个部位排放出来。,
