气体分离和纯化系统.ppt

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1、Institute of Refrigeration and Cryogenics第四章第四章 气体分离与纯化系统气体分离与纯化系统Institute of Refrigeration and Cryogenics主要内容主要内容1.1.热力学理想分离系统热力学理想分离系统2.2.混合物的性质混合物的性质3.3.精馏分离原理精馏分离原理2Institute of Refrigeration and Cryogenics1 1、热力、热力学理想分离系统学理想分离系统半渗透膜半渗透膜：该膜仅允许一种气体自由完全：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。地通过，而其他气体无法通过。使用

2、这种装置，气体混合时就可以获得输使用这种装置，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，出功，输入同样的功就可以把他们分开，因此，该过程是个因此，该过程是个可逆过程可逆过程。3Institute of Refrigeration and CryogenicsTm pmTm pmTm pm12热力学理想分离系统模型热力学理想分离系统模型左边的活塞只允许气体左边的活塞只允许气体A通过，右边的活塞只允许通过，右边的活塞只允许气体气体B通过，通过把两个通过，通过把两个活塞移动到一起，由气体活塞移动到一起，由气体A和和B组成的混合物就可组成的混合物就可逆地被分离成纯净的气体逆地被分离成纯

3、净的气体A和气体和气体B。Institute of Refrigeration and Cryogenics过程可逆，所以为恒温（通过与外部热源热交换获得）。过程可逆，所以为恒温（通过与外部热源热交换获得）。此时所耗能量等价于把每一组分在混合气体中分压恒温此时所耗能量等价于把每一组分在混合气体中分压恒温压缩到混合物的压力所需要的压缩功之和。压缩到混合物的压力所需要的压缩功之和。温度越低，理论分离功越小。温度越低，理论分离功越小。5理论分离功理论分离功Institute of Refrigeration and Cryogenics双组分气体混合物理论功耗双组分气体混合物理论功耗Institut

4、e of Refrigeration and Cryogenics2 2、混合物、混合物的的性质性质7单组份物质以两相出现时单组份物质以两相出现时(例如液氮和气氮例如液氮和气氮)，并非所，并非所有热静力学参数都是独立的。对于一组相态，在物性有热静力学参数都是独立的。对于一组相态，在物性之间存在一个蒸气压力方程的关系式。之间存在一个蒸气压力方程的关系式。对于多于一相和超过一个组分物质，我们必须应用对于多于一相和超过一个组分物质，我们必须应用GibbsGibbs相规律相规律(1878(1878年发现年发现)来描述状态所需要独立变来描述状态所需要独立变量的数目。量的数目。T=C-P+2 T=C-P+

5、2 T:T:描述体系状态所需要独立变量的数目 C:C:存在组分数 P:P:存在的相数典型双组分温度成份图典型双组分温度成份图双组分混合物相平衡曲线：分三种情况双组分混合物相平衡曲线：分三种情况1.1.第一种典型曲线是适用于第一种典型曲线是适用于压力低于双组压力低于双组分的临界压力分的临界压力，把空气看作是氮和氧的，把空气看作是氮和氧的混合物时，压力在混合物时，压力在100-1000kPa100-1000kPa之间的之间的液空属于这种情况。液空属于这种情况。2.2.第二种情况是第二种情况是混合物中组分之一的临界混合物中组分之一的临界压力低于所作的温度压力低于所作的温度-浓度图时的压力浓度图时的压

6、力。氮氮-氦混合物压力在氦混合物压力在2MPa2MPa左右会出现这左右会出现这种类型的曲线。种类型的曲线。3.3.第三种情况表明了第三种情况表明了在一定的浓度下混合在一定的浓度下混合物会转为共沸混合物物会转为共沸混合物。这时混合物的性。这时混合物的性能与单纯组分物质完全一样。典型例子能与单纯组分物质完全一样。典型例子是在丙酮与三氯甲烷作为混合物会产生是在丙酮与三氯甲烷作为混合物会产生这种现象。用精馏原理无法把这类共沸这种现象。用精馏原理无法把这类共沸混合物分开。幸好，低温流体在分离时混合物分开。幸好，低温流体在分离时不会形成共沸混合物。不会形成共沸混合物。Institute of Refrig

7、eration and CryogenicsO2 100%N2 100%O2混合物液体（高沸点组分丰富）混合物液体（高沸点组分丰富）混合物气体（低沸点组分丰富）混合物气体（低沸点组分丰富）二元混合物二元混合物液体液体二元混合物二元混合物蒸汽蒸汽二元混合物的二元混合物的T-xT-x图图Institute of Refrigeration and CryogenicsTx01O2N2125634x1x3y4Q加热过程中二元混合物气液两相中成分变化定压下PPInstitute of Refrigeration and Cryogenics混合物混合物的温度浓度图的温度浓度图11Institute o

8、f Refrigeration and CryogenicsRAOULTRAOULT定律定律与理想溶液与理想溶液12相平衡曲线具体形式取决构成混合物分子之间的内作用力。相平衡曲线具体形式取决构成混合物分子之间的内作用力。对于分子内作用比较弱的液体混合物，如稀溶液一样，可用对于分子内作用比较弱的液体混合物，如稀溶液一样，可用著名的拉乌尔（著名的拉乌尔（RaoultRaoult）定律表式：）定律表式：:第第j j组分在液相上部气相中的分压组分在液相上部气相中的分压 :在混合物温度下第在混合物温度下第j j组分的蒸汽压组分的蒸汽压 :在液相中第在液相中第j j组分的摩尔百分数组分的摩尔百分数所有浓度

9、下都服从所有浓度下都服从RaoultRaoult定律的混合物称为理想溶液定律的混合物称为理想溶液Institute of Refrigeration and Cryogenics13若在液体混合物上部蒸汽相也可以看作理想气体，则蒸汽若在液体混合物上部蒸汽相也可以看作理想气体，则蒸汽相的分压与总压力之间关系由相的分压与总压力之间关系由Gibbs-DaltonGibbs-Dalton定律决定定律决定:蒸汽相中第蒸汽相中第j j组分的摩尔分量组分的摩尔分量 :理想气体混合物的分压之和等于总压理想气体混合物的分压之和等于总压:对于两组分混合物，对于两组分混合物，因此，服从，因此，服从Gibbs-Dal

10、tonGibbs-Dalton定律双组分混合物式定律双组分混合物式:Gibbs-DaltonGibbs-Dalton定律定律Institute of Refrigeration and Cryogenics平衡常数平衡常数14气相和液相中摩尔百分比之间的关系可以用平衡常数表达气相和液相中摩尔百分比之间的关系可以用平衡常数表达:理想气体和液体理想气体和液体的平衡常数的平衡常数:可求得液和气相中组分的摩尔百分比：可求得液和气相中组分的摩尔百分比：双组分混合物双组分混合物的液相和气相组成由每个组分的平衡常数的液相和气相组成由每个组分的平衡常数来确定来确定 ：Institute of Refriger

11、ation and Cryogenics焓浓度图焓浓度图在焓浓度图中可以看出露点线在焓浓度图中可以看出露点线(饱和蒸汽饱和蒸汽)和泡点线和泡点线(饱和液体饱和液体)随双组分混合物冷凝，混合物的随双组分混合物冷凝，混合物的温度将降低，这意味着在露点线温度将降低，这意味着在露点线和泡点线之间等温线在焓浓度和泡点线之间等温线在焓浓度图上并不是垂直线，而是有一定图上并不是垂直线，而是有一定的斜率。的斜率。15Institute of Refrigeration and Cryogenics二元组分相变过程特征二元组分相变过程特征l变温变温：对于某一成分的二元混合物，在一定压力下，：对于某一成分的二元混

12、合物，在一定压力下，开始冷凝或开始蒸发到冷凝结束或蒸发结束时温度开始冷凝或开始蒸发到冷凝结束或蒸发结束时温度是不断变化的，这点与纯组分不同。是不断变化的，这点与纯组分不同。l两相浓度分别连续变化两相浓度分别连续变化：在冷凝或蒸发过程中，液：在冷凝或蒸发过程中，液相和气相的浓度是连续变化的。相和气相的浓度是连续变化的。l通过通过部分冷凝或蒸发可以有效地分离沸点相差很大部分冷凝或蒸发可以有效地分离沸点相差很大的二元混合物的二元混合物（如氮氦混合物，氨氢混合物等）（如氮氦混合物，氨氢混合物等），但对沸点相差较小的二元混合物达不到有效地分，但对沸点相差较小的二元混合物达不到有效地分离。离。16Inst

13、itute of Refrigeration and Cryogenics3 3、精馏、精馏原理原理精馏原理：混合物部分冷凝或部分蒸发时时，液精馏原理：混合物部分冷凝或部分蒸发时时，液体中高沸点组份浓度增大，而气相中低沸点组份体中高沸点组份浓度增大，而气相中低沸点组份浓度增大。浓度增大。精馏就是以精馏就是以部分蒸发和部分冷凝部分蒸发和部分冷凝用用逆流方式逆流方式进行进行多次分离多次分离的过程。通过使用大量塔板，能够获得的过程。通过使用大量塔板，能够获得相当纯的单组分。相当纯的单组分。17Institute of Refrigeration and Cryogenics18精馏塔精馏塔以空气精馏

14、分离为例以空气精馏分离为例温度较高的蒸汽由塔板下方通过小孔温度较高的蒸汽由塔板下方通过小孔向上流动，而温度较低的液体由上塔向上流动，而温度较低的液体由上塔板经溢流装置流到下塔板，与通过小板经溢流装置流到下塔板，与通过小孔流动的蒸汽进行热质交换。孔流动的蒸汽进行热质交换。当蒸汽泡通过液体层时，较高温度的当蒸汽泡通过液体层时，较高温度的蒸汽把热量传给液体。气泡内的高沸蒸汽把热量传给液体。气泡内的高沸点组分氧被冷凝，而液体内的低沸点点组分氧被冷凝，而液体内的低沸点组分氮被蒸发。上行气泡富集氮，下组分氮被蒸发。上行气泡富集氮，下行液体富集氧。行液体富集氧。在塔底，必须加入热量为供料口下的在塔底，必须加

15、入热量为供料口下的塔板提供蒸汽；在塔顶，必须移去一塔板提供蒸汽；在塔顶，必须移去一些热量来为供料口上的塔板提供液体。些热量来为供料口上的塔板提供液体。LN2LO2Institute of Refrigeration and Cryogenics19精馏过程中温度浓度图精馏过程中温度浓度图 气泡通过塔板时热质交换情况气泡通过塔板时热质交换情况 精馏过程精馏过程Institute of Refrigeration and Cryogenics在理想或理论塔板上，离开液体的蒸在理想或理论塔板上，离开液体的蒸汽与塔板上的液体处于同一温度。在汽与塔板上的液体处于同一温度。在实际的精馏塔中，蒸汽不可能达到

16、液实际的精馏塔中，蒸汽不可能达到液体的温度才离开塔板。体的温度才离开塔板。塔板效率塔板效率：塔板上的浓度变化与平衡：塔板上的浓度变化与平衡时应达到的浓度变化之比。时应达到的浓度变化之比。提高塔板效率的因素：小气泡；长接提高塔板效率的因素：小气泡；长接触时间；大的总质交换系数。触时间；大的总质交换系数。20塔板效率塔板效率xD=0.98xB=0.05(xD,xD)(xB,xB)xnXn+1Xn-1Xn-2ynyn-1yn-2x1X3Y0=xBy1x2X4X5Y2y3y4Institute of Refrigeration and Cryogenics所需理论塔板数的说明所需理论塔板数的说明Ins

17、titute of Refrigeration and Cryogenics精馏塔结构形式精馏塔结构形式Institute of Refrigeration and Cryogenics精馏塔精馏塔的类型和的类型和结构结构筛板塔筛板塔筛板塔是由塔板组成筛板塔是由塔板组成塔板由筛孔板、溢流装置组成塔板由筛孔板、溢流装置组成24Institute of Refrigeration and Cryogenics精馏塔的类型和结构精馏塔的类型和结构泡泡罩塔罩塔l在塔板上按等边三角形排列许多在塔板上按等边三角形排列许多泡罩泡罩。泡罩边沿有齿缝，浸没。泡罩边沿有齿缝，浸没在液体中在液体中l塔板上液层高度由

18、塔板上液层高度由溢流堰溢流堰保证上升蒸汽通过保证上升蒸汽通过泡罩齿缝泡罩齿缝形成喷形成喷射穿过液层时，一部分蒸汽穿过射穿过液层时，一部分蒸汽穿过液层鼓泡液层鼓泡，形成，形成泡沫泡沫，并使液，并使液体分散成体分散成液滴和雾沫液滴和雾沫l另一部分蒸汽夹带着泡沫，液滴和雾沫上升到另一部分蒸汽夹带着泡沫，液滴和雾沫上升到塔板上的空间塔板上的空间。在这个空间里进行两相的接触，这是在这个空间里进行两相的接触，这是热质交换的主要区域热质交换的主要区域25Institute of Refrigeration and Cryogenicsl优点优点操作十分稳定，即使气体负荷发生较大变动，对操作也影响操作十分稳定

19、，即使气体负荷发生较大变动，对操作也影响不大不大 泡罩塔拦液量大，特别适用于从塔板上抽出或加入液体泡罩塔拦液量大，特别适用于从塔板上抽出或加入液体 泡罩塔板上蒸汽流道大，因此不易被固体颗粒堵塞泡罩塔板上蒸汽流道大，因此不易被固体颗粒堵塞 对塔板水平度要求一不象筛板塔那么严格。对塔板水平度要求一不象筛板塔那么严格。l缺点缺点结构复杂，耗材大，造价高，流阻大，在设计工况下塔板效结构复杂，耗材大，造价高，流阻大，在设计工况下塔板效率不如筛板塔。率不如筛板塔。l泡罩塔板在目前空分装置中主要用在以下两种情况泡罩塔板在目前空分装置中主要用在以下两种情况:下塔最下面一块塔板，不易被二氧化碳颗粒堵塞。下塔最下

20、面一块塔板，不易被二氧化碳颗粒堵塞。负荷变化大，这时采用筛孔塔板和泡罩塔板相间的混合结构负荷变化大，这时采用筛孔塔板和泡罩塔板相间的混合结构方案。方案。26泡泡罩罩塔特点塔特点Institute of Refrigeration and Cryogenics在浮阀塔内每层板上除有溢流斗外，尚在板上开有许多大孔，每个在浮阀塔内每层板上除有溢流斗外，尚在板上开有许多大孔，每个孔中装一个可活动的阀。特点孔中装一个可活动的阀。特点:l可以在一定范围内自由升降可以在一定范围内自由升降l可以自动调节蒸汽通路的面积，以适应蒸汽量的变化可以自动调节蒸汽通路的面积，以适应蒸汽量的变化l没有蒸汽通过时，浮阀下落盖

21、住阀孔没有蒸汽通过时，浮阀下落盖住阀孔l变产量时塔板效率不会有很大降低变产量时塔板效率不会有很大降低27a)a)型结构简单制造方便省材料；型结构简单制造方便省材料；b)b)型阀孔为文丘里型，阻力小，型阀孔为文丘里型，阻力小，适用于减压系统；适用于减压系统；c)c)型操作弹性范围大，适用于中型实验装置。型操作弹性范围大，适用于中型实验装置。精馏塔的类型和结构精馏塔的类型和结构浮阀塔浮阀塔Institute of Refrigeration and Cryogenics填料塔由塔体、填料、喷淋装置、支撑栅板、填料塔由塔体、填料、喷淋装置、支撑栅板、再分配器、气液进口管等组成。特点再分配器、气液进口

22、管等组成。特点l填料可使气液两相高度分散，填料可使气液两相高度分散，扩大相间接触面积扩大相间接触面积l喷淋装置可使液体均匀地喷洒在填料层上喷淋装置可使液体均匀地喷洒在填料层上l支撑栅板支撑填料层，使蒸汽均匀地通过填料层支撑栅板支撑填料层，使蒸汽均匀地通过填料层l再分配器使液体能够均匀地润湿所有填料，可避再分配器使液体能够均匀地润湿所有填料，可避免液体沿筒壳流动而使中间填料得不到润湿免液体沿筒壳流动而使中间填料得不到润湿填料塔填料中金属丝网鞍形和金属波纹填料已得到填料塔填料中金属丝网鞍形和金属波纹填料已得到了广泛使用。它们具有比表面积大、传质效果好、了广泛使用。它们具有比表面积大、传质效果好、阻力小、密度小、金属耗量少等优点。阻力小、密度小、金属耗量少等优点。28精馏塔的类型和结构精馏塔的类型和结构填料塔填料塔