精馏原理 精馏的组成与装置构成

1、精馏 两大组成部分: 1、精馏原理精馏原理 2、精馏的流程与装置精馏的流程与装置 空气分离的几种方法 1低温法（精馏/分凝） 压缩 膨胀 液化（深冷） 精馏 低温法的核心 ( 相同点:冷凝至液体,按各组分蒸发的温度不同将它们分离 。 不同点:精馏适用沸点相近的场合,分凝适用沸点相差较大的 场合。) 2吸附法：利用固体吸附剂（分子筛、活性炭、硅胶、铝 胶）对气体混合物中某些特定的组分吸附能力的差异 进行的一种分离方法。 3膜分离法：利用有机聚合膜对气体混合物的渗透选择性。 空气的组成： 定义为均匀的多组分气体，主要成分为氧.氮.氩.以及微量的 氢和稀有气体(氦.氖.氪.氙),同时根据地区条件包含

2、不定量的 二氧化碳.水蒸气.碳氢化合物. 空气的各组分在标准大气压下气液的转变条件: 氧气冷却到90.188k,氮气冷却到77.36k,氩气冷却到87.29k,都 会变成液体.低温精馏的基础根据各组分的沸点差将空气分离. 空气分离的基本原理: 利用低温精馏法,将空气冷凝成液体,然 后按各组分蒸发温度不同将空气分离. 部分蒸发 : 如果当液体蒸发时，把产生的蒸气连续不断地从容 器中引出，这种蒸发过程称部分蒸发 。 在蒸发的过程假定每一瞬时引出的蒸气是与该瞬间 的液体的平衡状态，那么液相的摩尔分数沿x2x3变 化；蒸气中氮组分沿y2y3变化。随着蒸发的进行， 液相中氮的摩尔分数不断地降低，最后可达

3、x6 ， 这里x6为简单蒸发过程最后一滴液体中氮的摩尔分 数。可见部分蒸发可以在液相中获得氧摩尔分数较 高的产品；但氧的摩尔分数越高，获得的液氧数量 越小，数量与质量间存在着矛盾，而且不可能同获 得高纯度的气氮。 _ _ _ . _ _ _ 66” 5 5” 3 2 1 3” 2” t (n)% 部分冷凝： 如果在空气定压冷凝过程中，将所产生的冷凝液连续 不断地 从容器中导出，这种冷凝过程称部分冷凝， 在部分冷凝过程中，第一滴冷凝液的氮摩尔分数为 x4 ，它与 被冷凝空气 y4（即 4）处于平衡状态。令空气在定 压下继续 冷凝，则气相中氮的摩尔分数沿y4y3 变化，液相中 氮的摩尔 分数沿x4

4、x3 变化，冷凝到最后时，所剩蒸气中氮的 摩尔分数 很高，但数量却很少。所以部分冷凝仅能获得数量很 少的高摩 尔分数气氮，也存在着质和量的矛盾，而且不能获得 高纯度的 液氧。 _ _ _ _ 4 4 3 3” 2 2” t (n)% 空气的精馏过程：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，但不能同时获得高纯度氧和高纯度氮。而且两个过程 的性质恰好相反：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 分蒸发不断地向外界释放蒸气，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，

5、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，则可解决部分蒸发和部分冷 凝单独进行进所不能解决的问题。 空气精馏过程中氧氮的气液转换空气精馏过程中氧氮的气液转换: 氧和氮无论在气态还是液态都能以任何比例均匀的混合在一起,在一定压力下,当氧 氮混合气体冷凝时,由于氧的冷凝温度高,氮的温度低,从而氧比较容易凝结成为液体, 在冷凝过程中蒸汽的氧含量逐渐降低,氮的含量逐渐增加,冷凝温度也随之下降,直至 气体全部冷凝为液体.在一定压力下蒸发液态空气则相反,低沸点的氮组分先蒸发,使 高沸点组分氧的含量增加,蒸发温度也随之增高. 当处在冷凝温度时的空气,穿过比它温度低的氧氮组成的液体层时,气,液

6、由于温度 差的存在,进行热交换,温度低的液体吸收热量而蒸发,其中氮组分首先蒸发,温度较 高的气体冷凝,放出冷凝热.气体冷凝时,首先冷凝氧组分.这一过程一直进行到气相 和液相温度相等为止. 这个时候,由于液相蒸发液相蒸发,氮组分减少氮组分减少,同时由于气相中的氧也进入了液相氧也进入了液相,此时液 相中的氧组分含量增加氧组分含量增加. 同样由于气相冷凝气相冷凝,使氧组分减少使氧组分减少,液相中蒸发的氮进入气相氮进入气相,此时气相中的氮组分氮组分 含量增加含量增加. 多次的部分蒸发和部分冷凝过程的结合称为精馏过程。每经过一次部分冷凝和部 分蒸发，气体中氮组分就增加，液体中氧组分也增加。这样经过多次便

7、可将空气 中氧和氮分离开。 这样多次进行下去,最后可或得足够数量的高纯度的气氮和液氧,这就是精馏空气 分离的实质. 有三个容器，其压力均为98.1kpa。在容器内盛有含氧20.9%的液空，容器和分别盛有含氧 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。 当气液温度相等时，与液体相平衡的蒸气中 含氧只有14% 。将此蒸气引到容器，由于30% 富氧 液空的饱和温度(79.6k)比容器中 的温度低，所以从容器引出的蒸气 (80.5

8、k)又继续冷凝，同时使容器 中的液体蒸发。当蒸气与30% 的液体达到平衡状态时 蒸气摩尔分数就变 成9% 。将此蒸气由 容器再引入容器，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% 。在 上述过程中，在气相氧组分减少的同时， 液体中氧则增加，最后气相中氮摩尔分 数由79.1%提高到93.7%，而液相中氧摩尔 分数由10%提高到40%，气体的数量虽每 次冷凝要减少一些，但同时得到从液体中 蒸发出来 的气体，故次得到平衡. 三 二 一 上述过程中:在气相的氧含量减少的同时,液体的氧含量 增加.气体的数量没有多少变化，同样液体的数量也没 有多少变化，这样多次进行下去，液相

9、中氮会更多地 蒸发到气相中，而气相中氧会更多地冷凝进入液相中， 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。 精馏塔的分类精馏塔的分类: 完成精馏的塔设备称为精馏塔。塔设备为气液两相提供充 分的接触时间、面积和空间，以达到理想的分离效果。根据 塔内气液接触部件的结构型式，可将塔设备分为两大类：板 式塔和填料塔。 板式塔：板式塔：塔内沿塔高装有若干层塔板，相邻两板有一定的间 隔距离。塔内气、液两相在塔板上互相接触，进行传热和传 质，属于逐级接触式塔设备。 填料塔：填料塔：塔内装有填料，气液两相在被润湿的填料表面进行 传热和传质，属于连续接触式塔设备。 液氮(气氮):

10、 压缩空气进入塔低 自下向上 穿过每块塔板,与塔板上的液体 接触进行热交换,塔顶得到高纯 度氮,一部分做产品引出,另一部 分做回流液,自上向下流动,与上 升蒸汽进行热交换,塔低得到富 氧液空. 单级精馏塔 高纯度的液氧: 冷凝后的压缩空气经节流阀进入精馏 塔顶部,自塔顶沿塔板下流,与上升蒸汽 在塔板上充分接触,氧含量逐步增加, 足够多的塔板,在塔低得到纯氧. 双级精馏塔双级精馏塔 加工空气冷却膨胀后送入下塔低部,做下塔上升 气体,在冷凝蒸发器中冷凝的液氮从下塔顶部下 流做回流液,下塔上升蒸汽气体温度较高,下流的 液体较高,下塔上升的气体每经过一块塔板就遇 到比它温度低的液体,气体本身温度降低,

11、并不断 有蒸汽冷凝成液体,由于氧是难挥发组分,氮是易 挥发组分,冷凝过程中,氧要比氮较多的冷凝,于是 蒸汽中的氮浓度有所提高,经过多次进行,塔顶的 氮气浓度高达99%,引至冷凝蒸发器中放出热量冷 凝成液体,一部分做下塔回流液.液体下流吸热部分 汽化,氮较多比氧蒸发出来,剩下的液体氧含量增加 这样一次次进行,下塔得到富氧液空. 液空经节流阀降压至上塔中部,与下塔精馏原理相 同氮较多的被蒸发,下流液体含氧量不断提高,上升 的蒸汽中的氮含量不断提高,从下塔上部冷凝的 99%液氮经节流送至上塔顶部做回流液,蒸汽多次 部分冷凝,回流液不断部分蒸发,氧较多的留在液相 中,氮较多的蒸发到气相中.于是上塔顶部

12、可以得到 含氮99%以上的氮气.上塔低部可以得到含氧99%以 上的液氧. 这便是精馏塔内空气分离成氧氮的过程. 全塔物料衡算全塔物料衡算 稳定连续操作的精馏塔作全塔物料衡算，并以 单位时间为基准。 总物料衡算： f=d+w (1) 易挥发组分衡算： f xf=d xd +w xw (2) 式中 f、d、w分别为原料、塔顶产品和塔底 产品 的流量，kmol/h； xf、xd、xw分别为原料、塔顶产品和塔底产 品中易挥发组分的摩尔分数。 式（1）、（2）称为全塔物料衡算式。应用全 塔物料衡算式可确定产品流量及组成。 氧的提取率: 根据塔内气液接触部件的结构型式，可将塔设备分为 两大类：板式塔和填料

13、塔。 板式塔：塔内沿塔高装有若干层塔板，相邻两板有一定 的间隔距离。塔内气、液两相在塔板上互相接触，进行 传热和传质，属于逐级接触式塔设备。 填料塔：塔内装有填料，气液两相在被润湿的填料表面 进行传热和传质，属于连续接触式塔设备。 筛板塔筛板塔:由塔体和塔板组成,而塔板又包括筛孔板,溢流斗和无孔板 筛板塔的流体动力工况筛板塔的流体动力工况: 1.不均匀鼓泡不均匀鼓泡:原因空塔速度小于一定值,塔板将出现不均匀鼓炮的工况. 表现表现:蒸汽以链状穿过液层,鼓泡范围不稳定,没有蒸汽穿过的部分 液体由于失去顶托从小孔泄露出来. 危害危害:气液两相接触面积减少,液体泄露造成纵向混合.破坏了精留的 浓度梯度.蒸汽穿过鼓泡去,气掖接触时间短,大大影响了传质. 2.正常鼓泡工况正常鼓泡工况:下层清夜鼓泡层,中层 主要传质区域为泡沫层,上层为雾沫层. 3.雾沫夹带雾沫夹带:原因是蒸汽速度进一步增大,蒸汽夹带液体至上层塔板. 危害:造成液体反混.破坏传质梯度,降