第五章气体的分离

1、第五章第五章 气体的分离气体的分离 u工业规模的气体分离技术是从20世纪初跟随着大容量空气 液化装置投入运行而发展起来的 u以从液态主气中分离氧、氮最为重要 u空气分离的副产品还有氩、氪、氙、氖和氦 u工业规模的气体分离主要依靠低温精馏、分凝分离、吸附 分离和吸收分离 u而渗透膜分离则是近来发展起来新方法，将来可能在某些 场合能得到实际应用 u低温技术在气体液化工业中是占主导地位的，而且在气体 分离和纯化过程中也后非常重要的地位 u目前大多数的商品氧和氮是用精馏的方法从液态空气中分 离而得到的，而且氩、氪、氙和氖也都是从液空中分离出 来的 u气体的分离、提取或纯化过程在物理本质上都属同一概念，

2、 即把混合物变为纯物质 u“分离”通常是把混合物中两种以上、含量相差不多的组 分分开成为产品，典型的例子有空气分离、天然气分离等； “提取”则主要表示从混合物中选取其中最有价值的组分 的操作，被提取的组分在原料气中的含量可能较高，如从 焦炉气或水煤气中提取氢和氮，也可能含量很低，如从天 然气中提取氦；“纯化”是把原料气中的少量或微量杂质 去处掉，如提供给医疗、微电子等行业使用的高纯气体部 经过不同工艺的提纯处理。 5.1 气体的分离原理 u 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 u 分凝法亦称部分冷凝法，它是根据混合气体中各组分冷凝温度的不同， 当混合气体冷却到某

3、一温度后，高沸点组分凝结成液体，而低沸点组 分仍然为气体，这时将气体和液体分离也就将混合气中组分分离 u 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 u 部分冷凝适用于混合物各组分沸点差别较大的情况 u 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 5.1.1 冷凝和闪蒸分离 当温度继续下降到103K时，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。于是， 当混合物的温度降低到80K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 80

4、摩尔分数N2和20摩尔分 数He的气体混合物在111K时开始冷 凝，然而由于两种组分的沸点差很 大，该温度下冷凝液中He的摩尔分 数只有0.6% 。 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90K连续冷 却到78K，冷凝了更多的N2，在气相产品中富集的N2很少 分凝法一般用于分离沸点相距较远的气体混合物，如N2He，N2H2， CH4N2，CH4H2等 u由空气制取富氧空气由空气制取富氧空气 分凝法可以使混合气体中易挥发组 分的摩尔分数提高，冷凝液中难挥 发组分摩尔分数提高，用分凝法可 将空气分离为富氧空气和

5、氮气 分凝器为一壳管式的热交换设备。 令压力为490kPa的饱和空气由进料 口1进入分凝器，在管内被冷却，冷 凝的液体沿管壁流下汇集于底部釜 中，一般釜液中含氧量可达 (3040)%；不凝气体则上升到分凝 器顶部可获得摩尔分数为90%以上的 氮气。釜液经节流后进入管间蒸发， 以冷却管内的空气。釜液蒸发后自 上部接管6引出，即为富氧空气 u多组分混合气的分级冷凝多组分混合气的分级冷凝 天然气、石油气、焦炉气以及合成氨驰放气都是多组分混合气。 实现它们的分离往往需要在若干个分离级中分阶段进行，在每一 级中组分摩尔分数将发生显著变化 多组分气体混合物当被冷却到某一温度水平时，进入一分离器， 将已冷凝

6、组分分离出去，然后再进入下一级冷凝器，继续降温并 分凝。一个冷凝器和一个分离器组成一个冷凝级 从工艺的角度来考虑，冷凝级数主要是根据需回收组分的要求来 确定的，但同时要保证在分凝器中不会出现高沸点组分被冻结的 现象 5.1.2 精馏原理 u 从部分蒸发和部分冷凝的特点可看出，对于N2O2混合物的部分蒸发 和部分冷凝可以获得氧和氮，但不能同时获得高纯度氧和高纯度氮 u 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；部分蒸发不断在向外界释放蒸气，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，则需要相应地补充

7、气体 u 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 单独进行所不能解决的问题 u 多次的部分蒸发和部分冷凝过程的结合称为精馏（rectification ）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。这样经过多次便可将空气中氧和氮分离开 u 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

8、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%O2 u 将此蒸气引到容器II，由于 30%O2富氧液空的和温度 （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 态时蒸气中氧的摩尔分数就变 成9%O2 u 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 u 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.

9、7%，而液体中 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，结果，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 u 液体由容器I再引入容器II，由 容器II再引入容器III的过程称 为回流，其目的是使整个部分 蒸发和部分冷凝过程持久地进 行 u 精馏是利用两种物质的沸点不同，多次的进行混合蒸气的部分冷凝和 混合液体的部分蒸发过程，来实现分离的目的 u 精馏过程的实质是：不平衡的气液两相，经过热质

10、交换，气相多次部 分冷凝和液相多次部分汽化相结合的传质传热的过程 u 实现精馏的必要条件 为了使精馏的过程能够进行，必须具备下面两 个条件： 汽液两相必须充分接触，精馏塔内装有多少层塔板（或填料）就 是提供汽液接触的条件； 汽液两相接触时，上升的高温汽相中的易挥发组份浓度要低于平 衡时的浓度，而下降的低温液相中的易挥发组份要高于平衡时的 浓度，由于汽液两相不平衡，才能发生精馏作用。 u 空气的精馏是在氧、氮混合物的气相与液相接触之间的热质交换过程 中进行的。 5.2 精馏塔 u 精馏塔通常有板式塔（tray column）和填料塔（packed column）两大 类 5.2.1 板式精馏塔

11、u 在一直立圆杆形简体内装有 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 u 塔板分为筛板塔、蒸气浮阀 塔和泡罩塔等。 u 典型的孔板一般钻有1.54.0mm的小孔，板间距一般为1920mm u 液体在塔上的流动形式有：U型流、单溢流、双溢流、阶梯流等。其 中单溢流式的特点：结构简单，流程较长液面梯度大，在塔径过大时， 液体易从塔板中间走短路，塔壁周边形成死区，致使液体分布不均， 影响塔板效率。塔板上的液层高度由下流的降液管部位的溢流斗（即 溢流堰）来保持。降液管延伸到下一

12、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 u 除了塔板以外，精馏塔还有原料入口。原料入口下方为提馏段，原料 入口上方为精馏段。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 u 假设N2O2二元混合物原料以饱 和蒸气状态进入塔的第4块塔板 u 在理想情况下，在原料入口的上 块塔板上的液体（点）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 u 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板 u 当蒸气以气泡形式穿过液层时， 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

13、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 u 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 u 塔板上的汽液两相在离开同层塔 板时，汽液两相同时达到汽液相 平衡状态，则此层塔板称为理论 塔板 u 对于一个理论塔板，接触的气 液之间达到完全的平衡，从塔板 液层离开的蒸气温度（例如 点 ），应与该塔板上液体的温 度相同（点

14、）。但实际上这两个 温度是略有差别的，这种偏差造 成的结果是需要附加塔板，以便 得到相同的分离要求。这种效率 损失情况可根据每一块塔板的莫 菲里（Murphree）效率来求取 u 塔板上汽液两相的实际分离程度 与理论分离程度之比称为塔板效 率。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 u保持塔板高效率的两个条件是 气液两相在塔板上充分接触，尽可能地接近相平衡状态； 使接触后的气液两相尽量完全分离。 u筛孔塔板的优缺点 优点：1、结构简单，制造维修方便。2、省钢材，投资少。3

15、、塔 板压力降低。4、生产能力大。5、塔板效率和泡罩塔相同 缺点：1、不适应处理较脏的物料和带有固体颗粒的物料。2、操 作弹性泡罩塔板稍低。 双级精馏塔 u 由下塔、上塔和上下塔之间 的冷凝蒸发器组成。下塔压 力高，上塔压力低。 u 压缩并冷却后的空气进入下 塔底部，自下而上地穿过每 一块塔板，至下塔上部得到 高纯度的氮气 u 下塔塔板数越多，氮气纯度 越高 u 氮气进入冷凝蒸发器管内时 由于它的温度比管外液氧温 度高，所以氮气被冷凝成液 氮。一部分作为下塔回流液， 自上而下沿塔板逐块流下， 至下塔塔釜便得到含氧3640 的富氧液空；另外一部分 聚集在液氮槽中经液氮节流 阀降压后送入上塔顶部作

16、为 上塔的回流液 u 在下塔塔釜中的液空经节流 阀降压后送入上塔中部，由 上往下沿塔板逐块流下，与 上升的蒸气接触，每经过一 块塔板要蒸发掉部分氮，同 时得到从气体中冷凝下来的 氧，只要塔板数足够多，可 在上塔的最后一块塔板上得 到纯液氧 u 液氧流入冷凝蒸发器管间蒸 发，蒸发出来的气氧一部分 作为产品引出去；另一部分 气氧由下往上和塔板上的液 体接触。由于气体温度较高， 所以气、液接触后使气体中 氧冷凝到液体中去，而液体 蒸发出来的氮掺入到气体中。 气体越往上升，其中氮纯度 愈高 u 与单塔不同，双塔引入了液 氮回流以获取高纯度氮。在 液空进料口以上，气体中还 含有很多氧，如果就这样把 气体

17、放出去，氧损失很大， 因此利用下塔高浓度的液氮 作为上塔顶部的回流液，使 液空进料口以上的气体继续 精馏，这样从上塔顶部引出 的气体中氧含量就很少，得 到了高纯度的氮，同时，氧 产量也提高了 u 可以看出，在双级精馏塔中 空气的分离过程分为两个步 骤，空气首先在下塔进行初 步分离，制得液态氮和富氧 液空；富氧液空再送往上塔 进行最后精馏，得到纯氧。 上塔上部的回流液就是下塔 送来的液氮，因此可得纯氮 u 冷凝蒸发器的作用：冷凝蒸发器是联结上、下塔的纽带。它利用上塔 液氧或富氧液体与下塔顶气氮换热，使气氮液化作为回流，液空或液 氧蒸发参加上塔精馏。双级塔主冷凝蒸发器温差的大小受氧氮的纯度 和上下

18、塔压力变化的影响 u 对于氧、氮二元精馏塔，以液空进口为界限，将上塔分为精馏段和提 馏段 u 精馏过程中，空气是在下塔被初步分离成氮和富氧液空的，所以说下 塔精馏工况的好坏，直接影响到上塔精馏工况。下塔的操作要点在于 控制液氮节流阀的开度。在塔板数不变的情况下，降低上塔压力则有 利于提高氧、氮纯度 5.2.2 填料塔 u 规整填料由厚约0.22mm的金属波 纹板组成，一块块排列起来的金 属波纹板，低温液体在每一片填 料表面上都形成一层液膜，与上 升的蒸气相接触，进行传质传热 u 规整填料的金属比表面积约是筛 板的30倍，液氧持留量仅为筛板 的3540% u 因为精馏塔截面积比筛板塔小1/3，填

19、料垂直排列，不存在水平方向浓 度梯度的问题，只要液体分布均匀，精馏效率较高，压力降较小，气 体穿过填料液膜的压差比穿过筛板液层的压差要小得多，约只有50Pa u 上塔底部压力的下降，必然可导致下塔压力降低，进而主空压机的出 口压力相应降低，使整个空分装置的能耗降低。同时，规整填料液体 的滞留量小，因此，对负荷变化的应变能力较强 u 规整填料精馏塔一般分为35段填料层，每段之间有液体收集器和再 分布器，传统筛板塔的板间距为110160mm，而规整填料的等板高 度为250300mm，因此填料塔的高度会增加。 u 在塔内件中，液体分布器性能的好坏，对精馏工况的建立至关重要， 是填料层良好完成热质交换

20、的基础 5.3 空气分离系统 u 最简单的空气分离系统之一 是林德单塔系统 u 压缩进入压缩机的空气，吸 附压缩空气中的水气从二氧 化碳，高压空气进入换热器 冷却 5.3.1 林德单塔系统 u 假如所需产品是氧气，则换 热器是如图所示三通道热交 换器，冷的氧气用来冷却进 入的高压空气；若所需产品 是液氧，则需从流程图上去 掉氧气的返回线，这时换热 器变成了简单的二通道热交 换器，液氧从塔的底部的沸 腾器引出 u 预冷后高压空气被沸腾器内 的液体进一步冷却，至部分 冷凝。这个过程有两个目的： 使高压空气更冷，可以得 到更大的液化率；充分利 用这部分热量以使沸腾器内 的液体气化，给精馏塔提供 向上

21、的蒸气流，而不需加入 环境温度下的热量，白白损 失掉低温下的制冷量 u 接着高压两相流在节流阀内 节流膨胀到塔的压力，形成 低压两相混合物，引入塔顶 作为塔内的回流液，如前面 所说的那样，塔内液体往下 流时氧富集，而蒸气往上流 时氮富集。到达塔底的部分 液体又被进来的冷的高压空 气加热而沸腾，沸腾的蒸气 向上流动，在塔板上与下来 的液体进行热质交换 u 部分液体引出储存于低温容器内 或一部分氧气引出经三通道换热 器回收冷量后作为产品气体。塔 顶的气体通过三通道换热器（若 需液体产品时，为二通道换热器） 冷却高压空气。 u 可以看出林德单塔分离系统采用 的是基本的林德-汉普逊液化系统， 用精馏塔

22、代替了储液器，当然也 可以用其他液化系统来为塔内提 供液体。当需氧气时，仅需把空 气压缩到36MPa；而当需液氧时， 必须把空气压缩到20MPa才能有 效地操作，塔内压力通常为 130200kPa 5.3.2 林德双塔系统 u 林德的单塔系统有两大缺 点：仅能得到纯氧产品， 污氮放空浪费了大量的氧； 第二大缺点是严重降低了 经济指标 u 低温工程师受油田气分离 的启发，1910年考尔和林 德解决了这一问题 u 采用两个精馏塔，并把一 个放在另一个顶上。下塔 操作压力为500600kPa， 而上塔操作压力约为 100kPa。在507kPa，氮的 沸点为94.2K，比l01.3kPa 的氧的沸点9

23、0.2K高，因此， 下塔氮气液化作为下塔回 流液可以通过上塔氧的沸 腾来实现，同时上塔沸腾 氧蒸气作为上塔的上升蒸 气。下塔产生多余的液氮 节流到上塔顶部作上塔顶 部回流液 u 林德双塔系统除精馏塔不一样外，其余与单塔一样 u 压缩空气，吸附掉高压空气中水蒸气及二氧化碳，高压空气通过换热 器而冷却，再通过下塔底部的沸腾器进一步冷却。沸腾器内沸腾蒸气 可为下塔提供上升蒸气，冷却的高压空气在节流阀内节流膨胀产生的 气液混合物进入下塔的中部，其中液体与塔板向下流动的液体合并， 而蒸气与塔内上升蒸气合并。下塔上升蒸气在到达顶部冷凝蒸发器内 冷凝侧而被上塔液氧冷凝，一部分冷凝液作为下塔的回流液，一部分

24、的液氮可以作为产品氮取出（当需要液氮产品时），剩余的液氮节流 到上塔压力，而作为上塔的回流液参与上塔的精馏过程。下塔沸腾器 内富氧液空通过节流阀膨胀至上塔压力，引入上塔中部，液空一部分 经过节流阀膨胀闪蒸为蒸气，蒸气进入上升蒸气中而逐步富集氮，液 体向下流动而富集氧。从上塔的沸腾器中可以取出纯氧气和液氧作为 产品。只要使用足够多的塔板数，便可以得到很纯的单组分或很纯的 两个单组分 u 当需要高纯氮和氧产品时，空气必须看作三组分：氧、氮和0.934%氩 5.3.3 林德-富兰克系统 u 1930年，钢铁和化学工业需要大量的氧和氮。为了满足这一需求， Linde公司开发了自己的空气分离系统 u 由

25、于该系统利用了富兰克的回热器专利，因此称作林德-富兰克系统 u 由于采用了氨预冷和膨胀机，该系统的能耗降低到只有林德双塔系统 的一半左右 u 该系统的液化部分对应于带氨预冷的双压克劳特液化系统 u 过滤后的空气，在一 台回转式压缩机中压 缩到约0.55kPa u 约96%总量的压缩空 气进入两对蓄冷器中， 在此，空气得到冷却 并清除其中的水蒸气 和二氧化碳，其冷量 由从精馏塔来的回流 氧气和氮气提供。 u 其余4%压缩空气经洗 涤塔并除去二氧化碳。 这股空气进一步压缩 到12.6MPa，然后在一 系列换热器中得到冷 却 u 冷空气经节流阀节流 膨胀，再与蓄冷器来 的空气混合。混合气 被送入下塔

26、的再沸器， 此处的操作压力约为 0.5MPa u 基本上纯的液氮从下 塔的上部取出，流经 过冷器并节流到 0.101MPa，然后送入 上塔的顶部，充分过 冷，以防液体进入上 塔发生闪蒸 u 高纯的氮气从塔顶部 出来，并用于过冷下 塔来的液氮。还有部 分从下塔顶部取出的 氮气，用于进一步冷 却经氨预冷的空气流， 然后经一膨胀机膨胀 到0.101MPa，使氮气 温度降低。膨胀后的 氮气一部分用于冷却 空气流，其余的作为 蓄冷器的主要冷源 5.3.4 海兰德系统 u 该系统通常用于生产 液氧和液氮 u 原料空气首先在四级 活塞式压缩机中压缩 到10MPa，在压缩机 的中间冷却器和级后 冷却器中，空气

27、得到 冷却并将其中的水分 除掉 u 空气经第二压缩机进 一步压缩到13.7MPa。 然后压缩空气流经预 冷器和氨冷却器，冷 却到233K，在此处将 空气分为两部分：一 部分经主换热器，然 后经节流阀膨胀到 0.7MPa；另一部分则 直接进膨胀机，膨胀 到0.7MPa，其温度降 低到111K u 两股气流重新混合后， 送到洗涤塔，在这里 与液空接触，除掉二 氧化碳和碳氢化合物。 从洗涤塔出来的液体， 流经过滤器以除掉固 体二氧化碳和碳氢化 合物。经纯化后的液 空，与从下塔底部来 的富氧液空混合，作 为原料送入上塔，从 洗涤塔出来的气流当 作原料送入下塔 u 从下塔冷凝器出来的 液氮，被上塔来的氮

28、 气过冷，该液氮节流 到一个合适的压力后， 提供上塔的回流液。 从上塔的再沸器得到 液氧，从下塔冷凝器 放出高纯液氮。不纯 的氮气从上塔顶部放 出，先后通过过冷器、 主换热器和预冷器， 然后排放到大气中 u 下塔的操作压力大约 为0.7MPa，上塔的操 作压力低于0.2MPa， 纯度为99.6%的氧气产 品中，含有的杂质主 要是氩气。通常液氮 产品中含有约710-6 的氧，而废氮气中合 有大约2%的氧。若希 望在上塔顶部得到高 纯氮，则必须附加几 块塔板，同时还必须 在上塔的某个部位将 氩排放掉 5.4 稀有气体的提取 u 工业上通称为“稀有气体”指的是氩、氖、氦、氪、氙五种气体 u 因为它们

29、在空气中的含量十分稀少，故而得名。除氩而外，其余四种 气体的含量都在10-4以下 u 因提取困难，价格昂贵，尤其是氪气和氙气被称为“黄金气体” 5.4.1 提取方法概述 u稀有气体在空分塔的分布稀有气体在空分塔的分布 稀有气体的原料气要从制氧机精馏 塔中抽取。由于它们的沸点不同， 在空气中的含量又相差悬殊，所以 各组分汇集在精馏塔中的不同部位 氪、氙的沸点最高，加工空气进入 下塔后，氪、氙均冷凝在下塔液空 中，并随液空经节流阀进入上塔， 逐层塔板下沉汇集于上塔底部的液 氧及气氧中。所以从空分装置提取 氪、氙时，通常将产品氧引入氪塔 用精馏法制取贫氪原料气 u稀有气体在空分塔的分布稀有气体在空分

30、塔的分布 氖、氦沸点相对于氧、氯组分低了 很多，所以加工空气中的氖、氦组 分总和低沸点的氮组分在一起。加 工空气进入下塔后，氖、氦组分随 氮组分一起上升到主冷凝蒸发器， 气氮被冷凝，而氖、氦由于沸点低， 尚不能冷凝而形成“不凝性气体”， 从主冷氮侧顶部引出作为原料 u稀有气体在空分塔的分布稀有气体在空分塔的分布 氩是空气中含量最高的一种稀有气 体，它的沸点介于氧、氮组分之间 （在标准大气压下氩的沸点为 87.02K、氧为89.97K、氮为 77.09K），且接近于氧，所以，进 入下塔空气中的氩大部分随液空进 入上塔，小部分随液氮进入上塔。 在上塔提馏段的下部主要进行氧、 氩分离。在精馏段上部为

31、氮、氩分 离，均有富集区。若上塔不抽馏分， 则氩组分一部分随氧气带走，而另 一部分随氮气带出。在抽馏份的情 况下，则大部分的氩随馏分抽出 u基本的提取方法基本的提取方法 从基本原理来说，提取稀有气体所采用的方法的基础，仍然在于 这些气体组分沸点和各分子的差异 不同于氧、氮分离的地方：一是这些稀有气体的含量非常微小， 为此需要逐步浓缩分阶段提纯；二是这些稀有气体沸点的差异要 比氧、氮来得大 稀有气体沸点的差异大对于分离它们是有利的，可以来用比氧、 氮分离更多一些的分离办法 提取稀有气体的主要方法有精馏、冷凝、冻结、吸附、催化反应 u基本的提取方法基本的提取方法 精馏法精馏法 这是与氮、氧分离的精

32、馏过程完全类似的，就是通过多 次重复的蒸发、冷凝过程来使组分分离，粗氩塔中所进行的氧、 氩分离；精氩塔中所进行的氩、氮分离；氪塔中所进行的氧、氪、 氙分离过程都是精馏法的具体应用 分凝法分凝法 由于稀有气体沸点的差异比较大，所以还可以采用分凝 的办法；例如，氖、氦塔中以低压液氮作冷源，在低压液氮的蒸 发温度下，进行分凝过程使得氮和氖、氦组分初步分离，而得到 氖、氦浓缩物 冷凝冻结法冷凝冻结法 混合气体利用其沸点及凝固点的不同，其中的高沸 点组分冷凝或冻结使之分离。例如以负压液氢为冷源进行氖、氦 分离。液氢负压10241Pa时，沸点13K，在此温度下，因氖的凝固 点为24.3K，所以已经冻结。因

33、氦的沸点是4.178K，所以尚未液化， 据此，氖、氦就得到了分离 u基本的提取方法基本的提取方法 吸附法吸附法 利用分子筛、活性炭等吸附剂的选择性吸附的特性，使 稀有气体的组分分离或者进一步提纯。例如：粗氩的净化，去除 氧组分、氮组分可以用分子筛吸附。氖、氦、氪、氙的提纯也可 以应用吸附法 催化反应法催化反应法 粗氨加氢在催化剂的作用下发生化学反应以除去粗 氩中的氧，以及氪、氙提纯时在催化下净除碳氢化合物都属于催 化反应法的应用 实际的制备方法并不是基本方法的单一使用，而是几种方法的联 合，才能获得纯度高的稀有气体。譬如，氖、氦的提取中就应用 了分凝、吸附、冻结等几种方法。 u稀有气体的制备稀

34、有气体的制备氩的制备氩的制备 世界上工业氩的生产主要是利用空分装置，从空气中直接制取。 自1915年美国林德空气产品公司开始以液化空气分馏制组以来， 欧洲各工业国以及日本也相继开始从空气分离装置提氩。但在最 初的几年里产量很少，仅供照明技术及科研用。直到1943年以后， 随着钢铁工业和化学工业的发展，空分规模逐渐增大，为副产氩 气奠定了基础，氩气的生产才迅速增加。60年代以来，现代技术 对氩的需要量的增加，使得世界上大型空分装置上几乎都带提氩 设备 利用合成氨尾气回收氩是工业氨的另一途径。合成氨尾气一般含 氩58%，含氢6070%，用它回收氢和氩能够更好地综合利用原料 资源。在美国、德国、法国

35、、荷兰、匈牙利、波兰等国已建有十 几套从合成氨尾气回收氩的装置 u稀有气体的制备稀有气体的制备氖的制备氖的制备 在工业上，是用空气，采用深冷分离法一次浓缩，采用吸附法等 纯化提取的。1907年克劳德采用空气液化装置实现了氖的生产。 空分装置冷凝蒸发器顶部导出气是氖的主要来源。目前德国、法 国、俄罗斯、美国等许多国家都在部分大型空分设备配置氖、氦 提取装置。如何从空气中提取氖、氦气：从空分装置中提取氖、 氦的工序大体分3步：第一步制取粗氖、氦气，目的是除掉原料中 的氮，使之浓缩，可采用分凝法分离。有些工序粗氖、氦气要经 过除氢和除氮两步。除氢用加氧催化法使氢生成水，再由干燥器 吸附清除。其余的氮

36、再用冷凝法或采用活性炭低温吸附清除。由 于氖、氦的沸点相差约为23K，所以，纯氖、氦混合气的分离可采 用冷凝法分离。因氖的凝固温度为248.7，还可以用凝固冻结 法将气氦和固氖分离 u稀有气体的制备稀有气体的制备氦的制备氦的制备 在工业上氦的制取，通常是以含氦0.42%的天然气作为原料，采 用深冷分离法一次浓缩，采用吸附法等纯化提取的。自空分装置 中得到的氦气为数很少。只有少数缺乏含氦天然气资源的国家才 从空分装置中副产少量氦气 目前世界氦年产约为1亿m3。有的科学家估计再过50100年，天然 气提氦资源将耗尽，不得不由空气提取氦 美国和前苏联的天然气中含有高浓度的氦。美国天然气提氦工业 已有

37、近60年的历史；前苏联是从30年代开始进行天然气提氦的研 究的；我国近年来也在四川威远建立起了天然气提氦的工业装置， 年产氦气10000m3。利用天然气提氦的国家还有：加拿大、法国、 德国、波兰等国家。几十年来，氦的生产、销售、应用各方面都 得到了重大的发展，二次大战后，为满足原子能、导弹的需要， 1946年美国制成一台氦气化装置柯林型氦气化器，目前全世 界大约有600台氦气化装置，最大的为800L/h u稀有气体的制备稀有气体的制备氪、氙的制备（氪、氙的制备（1） 氪、氙的提取已有40多年的历史 氪和氙有两个来源即空气和核反应堆裂变产物。由于裂变气回收 复杂，且受核反应堆发展的限制，所以工业

38、上一般不采用。也曾 有过用合成氨尾气制成氪、氙的报导，但均未见工业性生产 工业上制取氪、氙仍然以大型空分设备副产为主，采用深冷法由 空气中提取。将液氧中氪、氙一次浓缩，经化学处理后，再经过 精馏、吸附等工序净化分离提取纯氪、氙。现代大型制氧装置可 以在消耗不增加的情况下制得相当数量的氪、氙，同时还可以起 到降低氧气成本的作用。如何从空气中提取氪、氙气：因为氪、 氙在空气中含量极微，氪的体积分数约为1106，氙的体积分数 约为0.08106，所以提取氪、氙十分困难，氪、氙的提取需进行 多次 u稀有气体的制备稀有气体的制备氪、氙的制备（氪、氙的制备（2） 由于氪、氙沸点高，它们在空分装置中总是混入氧中，所以应以 氧