1、第五章第五章 气体分离与纯化系统气体分离与纯化系统 本章主要介绍低温流体的分离与纯化过程。在很多场合，低温混合物的分离是最经济的方法。因此，在过去的几十年中，气体分离被广泛地发展利用。实际上商业用氧、氮、氩、氖、氪和氙都是通过空气的精馏获得的。第一节 理想的分离系统第二节 混合物的特性第三节 气体分离原理第四节 理论塔板数的计算第五节 空气分离系统第六节 氢分离系统第七节 氦分离系统第八节 气体纯化第九节 气体分离的气体方法第一节第一节 理想的分离系统理想的分离系统 理想热力过程 将气体分离看成理想的热力学可逆系统，可加深了解各种实际分离系统的运行和能量需求。我们假设存在一种半透膜，可以允许一
2、种气体通过，而阻止其它气体通过。采用这样的装置，在气体混合过程中可以获得功，而在功的作用下气体可以进行分离，而且分离过程是可逆的。分析二元气体混合物分离的理想过程：假设汽缸中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渗透而右边活塞只允许气体B渗透。左边活塞是可以让气体A自由透过，当左边活塞向右移动,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。实际上，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。热力分析：热力分析：对于可逆等温过程，分离每种气体所需的压缩功：于是分离单位质量二元混合物的理想功耗为12
3、121212()()()()()()()mAABBimAmmmABmAABBmmABAABBmmWWmWmmmmmmmmTssssmmmmhhhhmm 1212()()()imWTsshhm注意到分离所需的理想功随混合气体温度Tm 的下降而减小。我们限定Tm 是环境温度，因为若Tm高于室温，则需要附加功。由于气体分离压力一般较低，低压下气体服从理想气体定律，可以对上式进行化简：又所以11()lnlnmmmABimABmmAmBWppmmTRRmmpmp11mmAAApnpny11()lnlnmimABmABWRTyynyy对于多种气体混合物的情况：1()lnmimiimiWRTyny()()m
4、miimmmmmmWWnmFOMWWnm这里我们定义分离系统的性能指数FOMi指的是理想循环（ideal）请大家把例题5-1手算一遍，然后回答问题*练习练习第二节第二节 混合物的特性混合物的特性 吉布斯相律吉布斯相律 一个多相多元物系达到平衡时，其独立变量数或自由度数由吉布斯(Gibbs)相律来表示。Nf=Nc-Np+2，其中 Nf 系统的自由度数 Nc物系的组分数相数 Np 物系的相数 两相混合物的温度组成图：二元混合物的相平衡曲线存在三种 典型的T-x图 a)每种组分的临界压力都在图线的上 部，例如110atm N2、O2混合物 的情况b)混合物中各组分的临界压力低于系统的总压力,例如20
5、atm的N2、He混合物c)在一定的组分下，两种混合物存在共沸的情况。在这种情况下，无法将气体分离。液体共沸点摩尔分数蒸汽温度以以N2、O2混合物为例进行说明混合物为例进行说明*说明：说明：设想混合物开始时处于气体状态(1点)，冷却混合物，温度下降到上部的相分界线，该线称为露点曲线，它表示给定摩尔分数的蒸汽由于冷却开始冷凝(出现第一滴液体)。继续冷却到了下部的相分界线，该线称为泡点曲线，它表示给定摩尔分数的液体由于加热开始蒸发(出现第一个气泡)。混合物的冷凝(或蒸发)不是一个等温过程，这不同于纯流体。精馏过程的本质：精馏过程的本质：混合物在部分冷凝时，液相富集了难 挥发组分（高沸点），蒸汽富集
6、了易 挥发组分（低沸点）。精馏就是应用 这一原理而重复许多次该过程达到分 离混合物的目的。相平衡关系：相平衡关系：在稀溶液中，气体组成可用拉乌尔定律表 示：Pi 气相中i组分的分压；Pi0 混合物温 度下纯i组分的饱和蒸汽压；xi 液相中i组 分的摩尔分数。当气相混合物的性质类似于理想气体时，i 组分的分压力又Daltons定律决定：PT 系统的总压力；yi 气相中i组分的摩尔分数。对于二元混合物0iiiPP x001122TPP xP xiTiPP y平衡常数定义：平衡常数定义：iiiyKx21122111211KxKKKyKKK 可推得以下关系式：第三节第三节 气体分离原理气体分离原理p
7、冷凝和闪蒸分离冷凝和闪蒸分离p 精馏分离精馏分离冷凝和闪蒸分离冷凝和闪蒸分离 简单部分冷凝或蒸发简单部分冷凝或蒸发 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，而气相中富集了低沸点(易挥发)组分。精馏塔就是利用这一原理而重复多次以达到分离混合物的目的。应用范围：应用范围：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。应用举例：应用举例：1.N2 He混合物分离 2.N2-O2混合物的部分冷凝分离 80%摩尔分数N2和20%摩尔分数He的气体混合物在111 K时开始冷凝，当温度
8、继续下降到103 K，组分He在液相中的摩尔分数达到最大值。进一步冷却时，由于更多的N2冷凝，He的摩尔分数反而有所降低。当温度降低到80 K时，部分冷凝有可能得到He摩尔分数约为94%的气相产品，而液相产品中He摩尔分数约为0.5%。1.N2 He混合物分离混合物分离对79%摩尔分数N2与21%摩尔分数O2的气体混合物用简单的部分冷凝方法，不能像N2-He混合物那样得到有效的分离。实际上，从90 K连续冷却到78 K，冷凝了更多的N2，而在气相产品中富集的N2很少。2.N2-O2混合物的部分冷凝分离情况混合物的部分冷凝分离情况455055606570758001020304050607080
9、9010078.8K79.0K79.5K80.0K80.5K 液相中N2的摩尔分数（%）气相中N2的摩尔分数（%）81.8K81.0K压力：1atmN2占79%摩尔数闪蒸分离闪蒸分离 伴随着冷却过程的同时让带压混合物通过 一个膨胀阀膨胀，在较理想的情况下，得 到的液相中含高沸点(难挥发)组分，而气 相中富集了低沸点(易挥发)组分。平衡分析：平衡分析：由膨胀得到的液体与蒸气的量及每一相 的组成通常要经过迭代计算来求取，因 为膨胀或闪蒸温度是不知道的。假设qm,F是进入膨胀阀前的摩尔流量，qm,L 和qm,V分别表示所得的液体和蒸气的 摩尔流量。对原料气体中的i组分进行物料计算,()Fim Fim
10、 Vim Lim Fm Lim Lx qy qx qy qqx q假定一个闪蒸温度,()Fim Fim Vim Lim Fm Lim Lx qy qx qy qqx q假设分离器中达到了相平衡，则代入上式得：对于气相，各组分摩尔分数之和必须等于1，则根据分离器的能量平衡：解出：iiiyxK,1/1(1)im LiFm FiqyxqK,1/1(1)1m LiFiiim FiqyxqK,()m Fm Fm Vm Vm Lm Lm Fm Lm Vm Lm LqHqHqHqqHqH,/m Vm Fm Lm Fm Vm LHHqqHH迭代判据课本例题5-3练习练习计算步骤：计算步骤：1.在对应的压力下，
11、在泡点、露点间选择 一温度2.确定气体分数，计算是否平衡3.如果平衡则结束计算，否则按上述方法 重复计算。精馏分离概述精馏分离概述 混合物中沸点较近组分的分离,不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。板式塔的结构板式塔的结构板式精馏塔是在一直立圆柱形筒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流下来，温度较高的蒸气由塔板下方通过塔板上的小孔向
12、上流动，在塔板上液体与气体相接触，完成传热与传质过程。精馏段精馏段提馏段提馏段塔板有：塔板有：筛板 蒸气浮阀板 泡罩板 流体的流向：流体的流向：从塔的一边流向另一边，然后在下一块塔板上 反向流动；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。精馏原理：精馏原理：以N2+O2二元混合物的分离为例 参考上图，假设N2+O2二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导流管流向下一块塔板。当蒸气以气泡形式穿
13、过液层时把热量传给每块板上的液体。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，于是蒸气变成富集了氮的气体与液层相接触。液层中富集了氧的液体与蒸气接触并从一块塔板流到另一块塔板。右图表示原料进口的上部和下部各板上蒸气和液体的理想温度-组成图。随着饱和液体在塔中向下流动，其组成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，其组成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。对于一个理论板，接触的气液之间达到完全的平衡，从塔板液层离开的蒸气的温度（例如点V3)应与该塔板上液体的温度相同（点L3)
14、。但实际上，蒸汽离开塔板时的温度往往高于液体的温度，因此就需要比理论更多的塔板数。Murphree Efficiency 指每块板上实际获得的低沸点组分气体摩尔气量变化与最大可能变化之比。101iimiiyyyy 精馏的动力：精馏的动力：由Gibbs相律，之所以能达到分离是由于从精馏塔的塔顶到塔底存在并保持温度梯度，每块板上的液体要比下一块板上的液体冷一些，冷凝器要比再沸器冷一些。在塔的底部加入热量以提供塔中所需的蒸汽流，而在塔顶移去热量以提供塔中所需向下流动的冷凝液体。第四节第四节 理论塔板数的计算理论塔板数的计算 计算方法分类：计算方法分类：1.彭琼-萨瓦里特(Ponchon-Savari
15、t)法，这种方法是精确的方法并可适用于任何场合，但需要详细的焓的数据，而这点对于混合物来说是不易做到的。2.莫凯比-西勒(McCabe-Thiele)法，其精确性不如前一种方法，但它只需要混合物的气液平衡数据即可，且适用于大多数低温应用场合。McCabe-Thiele法法 该方法实际上是y-x图解法。将精馏塔分为精馏段（进料口以上）和提馏段（进料口以下），n代表精 馏段的塔板数，m表示提馏段的塔板 数。n+1mm+1n精馏段精馏段对虚线所包围的第(n+1)块板以上的塔进行易挥发组分的物料平衡，可得：1nnVLD,m Lm Vqq11nnnnDy VxLx D对低沸点组分进行质量守恒计算：对控制
16、体运用热力学第一定律（假定与环境无热量交换，不做功，稳定状态，忽略动、势能的变化）：11nnnnDDH VhLh DQ（4.38）（4.39）（4.40）11()(/)(/)nnnDnDHhVDQDhh把4.40两边同除以顶部产品流率两边同除以顶部产品流率D，并代入，并代入得：得：1/1nnLDVD（4.41）11(/)(/)nnnDnDHhD VQDhh（4.42）1/1(/)nnnLVD V（4.43）由由4.38得到：得到：把把4.39两边同除以蒸汽相的流率：两边同除以蒸汽相的流率：11(/)(/)nnnnnDyLV xD V x（4.44）假定露点线和泡点线是水平的，即饱和蒸汽假定露点
17、线和泡点线是水平的，即饱和蒸汽和饱和液体的焓值不随混合物成分的变化而和饱和液体的焓值不随混合物成分的变化而变化（变化（M-T法的基本条件），则：法的基本条件），则：11(/)(/)nnnDnDHhD VconstQDhh1/1(/)nnnLVD Vconst 11(/)(/)nnnnnDyLV xD V x（4.44）精馏段的操作线方程：精馏段的操作线方程：斜率截距令：令：1nDxx得：得：nDyx说明精馏段的操作线经过说明精馏段的操作线经过y-x图上对角线上的图上对角线上的(xD,xD)点。该操作点。该操作线是确定的。线是确定的。提馏段提馏段第m块板以下的塔进行易挥发组分的物料平衡，可得：1
18、mmLVB,m Lm Vqq对低沸点组分进行质量守恒计算：对控制体运用热力学第一定律（假定与环境无热量交换，不做功，稳定状态，忽略动、势能的变化）：（4.45）（4.46）（4.47）11mmmmBxLy Vx B11mmmmBBhLQH Vh B11(/)(/)mmmmmByLVxB Vx对方程组进行化简和整理得提馏段操作线方程：对方程组进行化简和整理得提馏段操作线方程：（4.48）11(/)(/)mmmBmBHhB VQBhh1/1(/)mnmLVB V（4.49）（4.50）说明提馏段的操作线经过说明提馏段的操作线经过y-x图上对角线上的图上对角线上的(xB,xB)点。该操作点。该操作线
19、是确定的。线是确定的。11nmmnFVVLLn+1nm+1mVnLn+1VmLm+1FF是进入精馏塔的混合物摩尔流速定义“液体流率差”比：11()/mnqLLF则“蒸汽流率差”比：(1)nmVVq F精馏段和提馏段操作线的交点：精馏段和提馏段操作线的交点：（4.51）（4.52）（4.53）结合方程4.44和4.48得：11()(/)()/(1)nmnmDBVVLLx yx Dx Byq F又由物料平衡：FBDx Fx Bx D两条操作线交点的轨迹（进料线进料线）：11Fxqyxqq（4.54）（4.55）（4.56）说明提馏段的操作线经过说明提馏段的操作线经过y-x图上对角线上的图上对角线上
20、的(xF,xF)点。该轨迹点。该轨迹线是确定的。线是确定的。对精馏塔的进料段做能量平衡确定q：1111Fnnmmmmnnh FV HV HLhLh（4.57）已经假定蒸汽和液体的焓与组成无关，得：11nmmnHHHhhh11()()Fnmmnh FVVHLLh（4.58）由4.57整理得：结合4.52和4.53得：FHhqHh（4.59）q取值的讨论（进料的状态）：取值的讨论（进料的状态）：1q 过冷液体1q 饱和液体01q两相混合物0q 饱和蒸汽0q 过热蒸汽要使塔板数目最小，进料流应当在操作线交点要使塔板数目最小，进料流应当在操作线交点附近被引入。附近被引入。M-T法中的四线法中的四线u精
21、馏段操作线u提馏段操作线u进料线u平衡线（y-x线）Cryogenic system Example4.7练习练习求求McCabeMcCabeThieleThiele解的理论塔板数解的理论塔板数 平衡线平衡线:蒸汽相蒸汽相中氮的摩尔百中氮的摩尔百分比对与蒸汽分比对与蒸汽相热平衡的液相热平衡的液相中氮的摩尔相中氮的摩尔百分比百分比.McCabeThiele法的解 解题步骤解题步骤1，作出平衡线；2，画出操作线和进料线（斜率，截距）；3，在平衡线和操作线之间分别从精馏段和提馏段画水平线和垂线（阶梯）；4，通过数竖直线或三角形个数确定所需 塔板数。M-T法的补充法的补充1BM11ln(x/y)M=l
22、n(/)mmLV K当产品的纯度很高时（大于当产品的纯度很高时（大于95%），需要增加额外的塔板），需要增加额外的塔板对于塔底来说对于塔底来说对于塔顶来说对于塔顶来说NDn 1n21-yln()1-xN=ln(/)LV KyM和和xB为离开第为离开第M块塔板的蒸汽中和塔底液体中易挥发组分的摩尔分数，块塔板的蒸汽中和塔底液体中易挥发组分的摩尔分数，K1为易挥发组分在纯难挥发组分饱和温度下的平衡常数。为易挥发组分在纯难挥发组分饱和温度下的平衡常数。yN和和xD为离开第为离开第N块塔板的蒸汽中和和塔顶液体中易挥发组分的摩尔分数，块塔板的蒸汽中和和塔顶液体中易挥发组分的摩尔分数，K2为难挥发组分在纯易
23、挥发组分饱和温度下的平衡常数。为难挥发组分在纯易挥发组分饱和温度下的平衡常数。如果产品是液体则M-1如果产品是液体则N-1M-T法的补充法的补充2极限回流条件极限回流条件第一种是全回流。第一种是全回流。这时塔顶出来的全部蒸气都冷凝并作回流液，这意味着Ln+1=Vn，要求D=0，此时操作线就是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。第二种是最小回流条件。第二种是最小回流条件。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
24、无穷多的理论塔板，分离所需的制冷量也最小。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1.15到1.35倍。对于低温下的系统，该回流比例可以在1.1-1.2之间。筛板塔筛板塔 筛板塔是由多层塔板筛板塔是由多层塔板组成。组成。塔板由筛孔板、溢流装塔板由筛孔板、溢流装置组成。置组成。筛板塔的结构原理图筛板塔的结构原理图 填料塔填料塔 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。再分配器、气液进口管等组成。填料可使气液两相高度分散，扩大相间接触面积。喷淋装置可使液体均匀地喷洒在填料层上。支撑栅板支撑填料层，使蒸汽均匀地通过填料层。
25、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。填料塔填料中金属丝网鞍形和金属波纹填料已得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、到了广泛使用。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。第五节第五节 空气分离系统空气分离系统 Linde单塔系统 Linde双塔系统 Linde-Frankl系统 Heylandt系统 氩分离系统 Ne和He分离系统 Ke和Xe分离系统LindeLinde单塔系统单塔系统 图5-17若得到的是液氧产品，则换热器只需要两个流体通
26、道就可以了，液体从若得到的是液氧产品，则换热器只需要两个流体通道就可以了，液体从塔底直接引出。塔底直接引出。1902年建成Linde单塔系统氧气的沸点90.18K氮气的沸点77.35KLinde双塔系统1910年建成Linde双塔系统0.507MPa0.101MPaLinde-Frankl系统（1930年Linde公司）96%回热器回热器防闪蒸防闪蒸液化部分对应于带氨液化部分对应于带氨预冷的双压克劳特液预冷的双压克劳特液化系统化系统0.5MPa12.6MPa0.5MPa0.101MPaHeylandt系统第一级压缩第一级压缩液氮液氮和和液氧液氧产品产品0.7MPa0.7MPa0.2MPa13.
27、7MPa氩分离系统氩分离系统成份成份体积百分比体积百分比重量百分比重量百分比氮氮78.08475.521氧氧20.94623.139氩氩0.93412.288二氧化碳二氧化碳0.0330.050稀有气体稀有气体0.0030.002稀有气体稀有气体容积容积ppm重量重量ppm氖氖18.1812.67氦氦5.240.724氪氪1.140.295氢氢0.500.035氙氙0.0860.390 大气中不仅仅是氧和氮的混合物，而是大气中不仅仅是氧和氮的混合物，而是9种气体所组种气体所组成的混合物。稀有气体主要是体积比为成的混合物。稀有气体主要是体积比为0.930.93的氩的氩。氩气的沸点氩气的沸点87.
28、28K介于氧和氮之间，介于氧和氮之间，空空气进入塔后，经过精气进入塔后，经过精馏，将在上塔中间某馏，将在上塔中间某些部位形成氩的富集些部位形成氩的富集区。区。氩气广泛用于氩弧氩气广泛用于氩弧焊保护气和充填白炽焊保护气和充填白炽灯内。灯内。表表3.5干燥空气的组成干燥空气的组成 粗氩子系统粗氩子系统 双塔空分系统在工业上用于氩纯化的子系统有两种在工业上用于氩纯化的子系统有两种:低温精馏除氮和低温吸附除氧而得到纯氩低温精馏除氮和低温吸附除氧而得到纯氩图图3.60 氩纯化子系统氩纯化子系统1 0.5MPaNe分离系统分离系统Ne沸点沸点27.09K是这个温度区间是这个温度区间的良好的制冷剂的良好的制
29、冷剂双塔空分系统(1)(1)粗氖子系统粗氖子系统:获得粗氖的气体混合获得粗氖的气体混合物，其组成为物，其组成为:46%:46%氖、氖、19%19%氦、氦、33%33%氮和氮和2%2%的的氢。氢。(2)(2)纯化子系统纯化子系统 把粗氖氦混合气送入纯化子系统，然后加氧在触把粗氖氦混合气送入纯化子系统，然后加氧在触媒炉内氢气与氧气燃烧形成水蒸汽。接下来粗氖氦气媒炉内氢气与氧气燃烧形成水蒸汽。接下来粗氖氦气进入冷却器，水蒸汽被冷凝，在干燥器内被吸附掉。进入冷却器，水蒸汽被冷凝，在干燥器内被吸附掉。氖纯化子系统氖纯化子系统 氢气沸点氢气沸点20.39KKrypton和和Xenon分离系统分离系统氪气，
30、体积含量为氪气，体积含量为1.010-4%，沸点为沸点为119.79K。氙气，体积含量为氙气，体积含量为8.010-6%，沸点为沸点为165.02K 惰性气体中最为重要的气体，广泛用于电真空及电光源、医疗、电真空、激光。除氧除CH蒸发冷凝第六节第六节 氢分离系统氢分离系统 Linde-Bronn氢回收 法液空的氢分离 氢与氘的分离氢分离系统氢分离系统 从混合气中分离氢的低温系统，主要用来从焦炉从混合气中分离氢的低温系统，主要用来从焦炉煤气或富氢的副产品气中分离氢。煤气或富氢的副产品气中分离氢。工业氢原料气之工业氢原料气之一是一是焦炉煤气焦炉煤气，一种，一种由氢、氮、氧由氢、氮、氧 、一、一氧化
31、碳、二氧化碳、氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷和其它一甲烷、乙烷和其它一些碳氢化合物所组成，些碳氢化合物所组成，因为氢的沸点与其它因为氢的沸点与其它组份相差非常大，所组份相差非常大，所以从混合物中分离氢以从混合物中分离氢用不着精馏塔，采用用不着精馏塔，采用简单的冷凝蒸发过简单的冷凝蒸发过程就可以满足分离的程就可以满足分离的要求。要求。组成物组成物大气下沸点大气下沸点（K K）体积百分比体积百分比（%）H H2 220.320.346.546.5N N2 277.477.413.113.1COCO81.681.66.36.3O O2 290.290.21.01.0COCO2 2194.7194.73
32、.23.2CHCH4 4111.7111.726.226.2C C2 2H H6 6184.5184.51.01.0碳氢化碳氢化合物合物2.62.6其它其它0.10.1典型的焦炉煤气组成及组成物的沸点典型的焦炉煤气组成及组成物的沸点 林德布卢尔氢分离系统林德布卢尔氢分离系统 先除去水蒸气，苯等75%-25%H2-N2法液空公法液空公司司对于氢分对于氢分离系统加以离系统加以改进，该系改进，该系统有别于林统有别于林德布卢尔德布卢尔系统。其不系统。其不需要附加液需要附加液氮，而氮，而采用采用膨胀机来制膨胀机来制冷。冷。图图3.653.65氢分离系统氢分离系统 法液空的氢分离系统法液空的氢分离系统 2
33、.5MPa氢与氘的分离氢与氘的分离3%95%D2沸点沸点,23.65K 氘是稳定同位素氘是稳定同位素氚是不稳定同位素氚是不稳定同位素第七节第七节 氦分离系统氦分离系统 从天然气中回收氦从天然气中回收氦 氦同位素分离氦同位素分离氦分离系统氦分离系统目前工业上从天然气中提取氦的主要方法有三种目前工业上从天然气中提取氦的主要方法有三种 冷凝法冷凝法:将天然气逐级冷却，使各种烃类分凝，得将天然气逐级冷却，使各种烃类分凝，得到浓缩氦。用冷凝法可获得浓度为到浓缩氦。用冷凝法可获得浓度为50509090的粗氦。的粗氦。膜分离法膜分离法:利用各种气体对有机薄膜透气性能上的利用各种气体对有机薄膜透气性能上的差异
34、，使氦从天然气中分离出来。差异，使氦从天然气中分离出来。扩散法扩散法:利用氦所具有的高热扩散性使天然气中的利用氦所具有的高热扩散性使天然气中的氦浓缩，所用的扩散元件为石英玻璃毛细管。氦浓缩，所用的扩散元件为石英玻璃毛细管。天然气分离氦系统，和从焦炉煤气中分离氢一样，天然气分离氦系统，和从焦炉煤气中分离氢一样，天然气中的主要成份与氦气的沸点相差非常大，不需天然气中的主要成份与氦气的沸点相差非常大，不需要精馏塔，只需采用简单的冷凝要精馏塔，只需采用简单的冷凝蒸发器来分离就足蒸发器来分离就足够了。够了。天然气分离氦系统天然气分离氦系统 60%He40%N2128K98.5%He1.5%N299.99
35、5%He氦同位素分离氦同位素分离氦气中3H含量110-7-10-6精馏法第八节第八节 气体纯化气体纯化u冷冻纯化u物理吸附u化学纯化冷冻纯化它是较为简单的方法。利用冷凝和冻结法清除过程气流中的水分，二氧化碳和其它的污染物。可用蓄冷器或可逆换热器，气流周期性地正反流过，从而再气化和清除固体沉积物。假如杂志冷凝成液体，则可在换热器底部以重力方式除掉。物理吸附物理吸附涉及吸引和滞留一层或多层气体分子在固体表面上。这种技术在清除气体杂质处于它们的冷凝温度时有重要的应用。诸如硅胶、铝胶、活性炭和合成分子筛等材料广泛地用作吸附剂。化学纯化用胺以及相似的纯化过程是基于溶液的活性组分与杂志之间发生化学反应已达
36、到清除杂志的目的。第九节第九节 气体分离的其它方法气体分离的其它方法u吸附法u吸收法u薄膜渗透法吸附法气体混合物的吸附分离是依靠固体吸附剂对各组分吸附能力的差异而进行的。当需要将混合物中某组分摩尔分数降低到10-6乃至10-9级时，吸附法比常规方法更为有效和经济。吸附法在气体分离中通常用来去除气体中的微量杂质，以提高气体的纯度。u吸附分离的基本原理吸附分离的基本原理当气体与固体接触时，在固体表面或内部将会发生容纳气体的现象，称为固体对气体的吸附吸附。吸附现象也能在固体和液体之间发生，已被吸附的原子或分子返回到气相或液相中，称为解吸或脱附。两相界面处，被吸附的物质称为吸附质；而起吸附作用的物质称
37、为吸附剂。u物理吸附，化学吸附物理吸附，化学吸附 由于吸附质与吸附剂之间吸附力的不同，吸附可以分为物理吸附和化学吸附两类。物理吸附是气体分子靠分子间作用力（范德华力）吸附在固体吸附剂上，被吸附分子和表面的化学性质都保持不变。化学吸附的作用力与化合物中原子之间的作用力相似，吸附后气体分子与固体表面原子之间形成吸附化学键。u吸附剂的种类与特点吸附剂的种类与特点工业吸附剂应具备下列性质：（1）对吸附质有高的吸附能力；（2）具有高的选择性；（3）能再生和多次使用；（4）有足够的机械强度；（5）化学性质稳定；（6）供应量大，价格便宜。但具体的吸附剂满足上述要求的程度各有不同，例如某些吸附剂适宜于吸附有机
38、物质，另一些则适于吸附极性分子。u目前使用的主要有以下几种吸附剂目前使用的主要有以下几种吸附剂：（1）活性炭 活性炭对有机化合物具有选择性吸附。（2）硅胶 硅胶吸附水蒸气的能力特别强，且具有较高的化学稳定性和热稳定性。缺点是遇水后易崩裂。（3）活性氧化铝 化学性质稳定，机械强度较高。（4）沸石分子筛 人工合成的无机吸附剂，是铝、硅酸盐类的化合物。极强的吸附选择性和较大的吸附能力。u吸附过程的特性吸附过程的特性 吸附平衡吸附平衡 在一定温度和压力下，当脱附速度和吸附速度相等时，便达到了吸附平衡。在平衡条件下吸附物质的多少用吸附量表示。静态吸附容量和动态吸附容量静态吸附容量和动态吸附容量 在某一温
39、度下当气相吸附质的初摩尔分数达到静态平衡摩尔分数时的吸附量，称为静态吸附容量。当吸附器后刚出现吸附质时，吸附器内单位质量吸附剂的平均吸附量称为动态吸附容量。由于吸附剂在实际应用中多是在动态情况，所以动态吸附量较为实用。吸附热吸附热 流体分子被吸附到吸附剂表面时所放出的热量称为吸附热。u固定床吸附剂的再生固定床吸附剂的再生 升温脱附（加热再生）升温脱附（加热再生）升温脱附是最早使用的再生方法，具有残余吸附组分少、操作稳定和从常压到高压都适用等优点。由于固体吸附剂的热容量大，传热系数低，升温和降温均需较长时间，故循环周期长，操作比较麻烦。它主要用于含吸附质较少的气体净化过程。降压脱附（无热再生）降
40、压脱附（无热再生）变压吸附具有能耗低、循环周期短、处理气量大（几十到几万m3/h）、生产过程自动化程度高、一次能去除多种杂质、能获得高纯度气体等优点。近年来，随着变压吸附工艺的不断改进，使纯度和回收率得到很大提高，在工业上获得广泛应用。吸收法吸收法u吸收法的特点和应用吸收法的特点和应用 用适当的液体溶剂来处理气体混合物，使其中一个或几个组分溶解于溶剂中，从而达到分离的目的，这种方法称为吸吸收法收法。吸收法是利用气体混合物中组分在吸收剂中的溶解度的不同，从而将其中溶解度大的组分分离出来。u吸收操作在气体分离方面吸收操作在气体分离方面的作用可分为两的作用可分为两个方面：个方面：将多组分气体混合物进
41、行分离将多组分气体混合物进行分离，以获取有用产品。例如用甲烷洗涤氨池放气，可得到甲烷副产品，并为后续工艺过程提氩、提氦去除了高沸点组分，达到合成氨池放气综合利用的目的。在低温液化或低温分离中，用吸收法去除杂质气体，在低温液化或低温分离中，用吸收法去除杂质气体，以达到净化的目的以达到净化的目的。例如在小型制氧机中用碱液洗涤空气，以吸收其中的二氧化碳。比较项目比较项目吸吸 收收精精 馏馏分离对象气体混合物液体混合物（用精馏法分离气体混合物时必须先液化）分离根据气体混合物的各组分在吸收剂中的溶解度不同液体混合物各组分沸点的不同，即相对挥发度不同基本过程气体在液体中的溶解 由气相到液相的单向传质同时发
42、生气化和冷凝的双向传质塔中气、液相的热状态气相温度高于饱和温度（过热蒸气）；液相温度低于饱和温度（过冷液体）气、液相均处于饱和状态进料情况气相进料，由塔底进入，塔不分段一般为液相或气液相混合物进料，多数从塔的中部进料，全塔分精馏段和提馏段操作温度全塔温度变化较小全塔温度变化较大，塔底温度高，塔顶温度低u吸收法的基本原理吸收法的基本原理 气体与对它有吸附作用的液体接触时便会溶解于液体中。在给定的条件下，达到溶解平衡时溶解的气体量称为平衡溶解度平衡溶解度。气体的平衡溶解度随气体的压力而变，压力越高，则其值越大。气体的平衡溶解度还受温度的影响，温度上升，气体的溶解度将显著下降，因此控制吸收操作的温度
43、是非常重要的。u气体吸收过程的推动力：气体吸收过程的推动力：当气液两相处于不平衡状态，即两相的摩尔分数处于不平衡状态，即两相的摩尔分数偏离平衡摩尔分数时，才能进行吸收（或解吸）。pp*,xx*,气相中的组分可以被液相所吸收；px*,在塔中进行的就不再是吸收，而是解吸过程了。以气相分压表示总推动力，p=p-p*以液相摩尔分数表示总推动力x=x*-xu吸收过程的速率吸收过程的速率：所谓吸收速率，就是单位时间内经两相间单位接触面积吸收的组分量。吸收速率高，吸收设备的生产强度就大，一定的吸收量可在较小的设备中完成。反之，吸收速率低，就要用大的设备。AANnKA()AVNK A pp()ALNK A x
44、x吸收速率两种不同形式的吸收速率方程式：传质过程，费克定律u吸收过程的计算吸收过程的计算 （1）吸收塔的物料衡算 在m-m截面与塔底之间作溶质的物料 衡算，得 （2）吸收剂的比用量或液气比qmL/qmV的 选择 在实际操作中常取吸收剂的用量qmLpr =(1.12)qmLmin。最小吸收剂用量qmLmin 的简单求法是图解法，即根据极限情况 下的操作线DF的斜率qmLmin/qmV来确定。,.,11,()m Lm Lm Vm Vqqyxyxqq本内容仅作了解本内容仅作了解薄膜渗透法薄膜渗透法u利用有机聚合膜的渗透选择性，从流体混合物中使特定组分分离的方法，称为薄膜渗透法。u优点优点：这种分离过
45、程不需要发生相变，不需要高温或低温，并且有设备简单、占地面积小、操作方便等优点。u国内外应用：国内外应用：（1）从天然气或含氦气体中回收氦；（2）氧-氮气体分离，浓缩空气中的氧；（3）二氧化碳-氧的分离，用于宇宙航行中 氧气的回收净化；（4）氮-氢-氨的分离，用于合成氨池放气的 回收利用；（5）石油炼气中氢气的回收；（6）燃烧气中二氧化硫的脱除，以解决空 气污染问题。u薄膜渗透分离气体的原理薄膜渗透分离气体的原理通过通过均相无孔膜均相无孔膜的渗透机理的渗透机理 一般认为气体通过聚合膜的渗透过程分以下三步：（1）气体以分子状态在膜表面溶解；（2）气体分子在膜的内部向自由能降低的方向扩散；（3）气
46、体分子在膜的另一表面解析或蒸发。通过通过微孔膜微孔膜的渗透机理的渗透机理 在通过微孔膜的渗透情况下，气体是通过自由孔隙空间，也可能是气体分子以单分子层或多分子层吸附在孔隙壁上，气体就在这种分子层上进行传递。u 工业上应用的薄膜应具备以下要求：（1）渗透率高，保证产量并减少膜面积；（2）对于所分离的组分具有高的选择性，即分离因子分离因子要尽量大，以减少渗透级 数，并使流程简化。分离因子是二种 气体薄膜渗透系数之比，如对组分A、B而言，分离因子A-B=pA/pB。（3）具有化学、机械和热稳定性，使膜长 期使用而性能不变。膜对气体的渗透 性和选择性主要体现在渗透系数P上，渗透系数可通过实验求得。分离气体的设备分离气体的设备
