精餾原理 精餾的組成與裝置構成

1、精餾 兩大組成部分: 1、精餾原理精餾原理 2、精餾的流程與裝置精餾的流程與裝置 空氣分離的幾種方法 1低溫法（精餾/分凝） 壓縮 膨脹 液化（深冷） 精餾 低溫法的核心 ( 相同點:冷凝至液體,按各組分蒸發(fā)的溫度不同將它們分離 。 不同點:精餾適用沸點相近的場合,分凝適用沸點相差較大的 場合。) 2吸附法：利用固體吸附劑（分子篩、活性炭、硅膠、鋁 膠）對氣體混合物中某些特定的組分吸附能力的差異 進行的一種分離方法。 3膜分離法：利用有機聚合膜對氣體混合物的滲透選擇性。 空氣的組成： 定義為均勻的多組分氣體，主要成分為氧.氮.氬.以及微量的 氫和稀有氣體(氦.氖.氪.氙),同時根據(jù)地區(qū)條件包含

2、不定量的 二氧化碳.水蒸氣.碳氫化合物. 空氣的各組分在標準大氣壓下氣液的轉變條件: 氧氣冷卻到90.188k,氮氣冷卻到77.36k,氬氣冷卻到87.29k,都 會變成液體.低溫精餾的基礎根據(jù)各組分的沸點差將空氣分離. 空氣分離的基本原理: 利用低溫精餾法,將空氣冷凝成液體,然 后按各組分蒸發(fā)溫度不同將空氣分離. 部分蒸發(fā) : 如果當液體蒸發(fā)時，把產(chǎn)生的蒸氣連續(xù)不斷地從容 器中引出，這種蒸發(fā)過程稱部分蒸發(fā) 。 在蒸發(fā)的過程假定每一瞬時引出的蒸氣是與該瞬間 的液體的平衡狀態(tài)，那么液相的摩爾分數(shù)沿x2x3變 化；蒸氣中氮組分沿y2y3變化。隨著蒸發(fā)的進行， 液相中氮的摩爾分數(shù)不斷地降低，最后可達

3、x6 ， 這里x6為簡單蒸發(fā)過程最后一滴液體中氮的摩爾分 數(shù)?？梢姴糠终舭l(fā)可以在液相中獲得氧摩爾分數(shù)較 高的產(chǎn)品；但氧的摩爾分數(shù)越高，獲得的液氧數(shù)量 越小，數(shù)量與質量間存在著矛盾，而且不可能同獲 得高純度的氣氮。 _ _ _ . _ _ _ 66” 5 5” 3 2 1 3” 2” t (n)% 部分冷凝： 如果在空氣定壓冷凝過程中，將所產(chǎn)生的冷凝液連續(xù) 不斷地 從容器中導出，這種冷凝過程稱部分冷凝， 在部分冷凝過程中，第一滴冷凝液的氮摩爾分數(shù)為 x4 ，它與 被冷凝空氣 y4（即 4）處于平衡狀態(tài)。令空氣在定 壓下繼續(xù) 冷凝，則氣相中氮的摩爾分數(shù)沿y4y3 變化，液相中 氮的摩爾 分數(shù)沿x4

4、x3 變化，冷凝到最后時，所剩蒸氣中氮的 摩爾分數(shù) 很高，但數(shù)量卻很少。所以部分冷凝僅能獲得數(shù)量很 少的高摩 爾分數(shù)氣氮，也存在著質和量的矛盾，而且不能獲得 高純度的 液氧。 _ _ _ _ 4 4 3 3” 2 2” t (n)% 空氣的精餾過程：空氣的精餾過程： 從部分蒸發(fā)和部分冷凝的特點可看出，兩種過程可以分別得到 高純度的氧和高純度的氮，但不能同時獲得高純度氧和高純度氮。而且兩個過程 的性質恰好相反：部分蒸發(fā)需外界供給熱量，部分冷凝則要向外界放出熱量；部 分蒸發(fā)不斷地向外界釋放蒸氣，如欲獲得大量高純度液氧，則需要相應地補充液 體。而部分冷凝則是連續(xù)地放出冷凝液，如欲獲得大量高純度氣氮，

5、則需要相應 地補充氣體。如果將部分冷凝和部分蒸發(fā)結合起來，則可解決部分蒸發(fā)和部分冷 凝單獨進行進所不能解決的問題。 空氣精餾過程中氧氮的氣液轉換空氣精餾過程中氧氮的氣液轉換: 氧和氮無論在氣態(tài)還是液態(tài)都能以任何比例均勻的混合在一起,在一定壓力下,當氧 氮混合氣體冷凝時,由于氧的冷凝溫度高,氮的溫度低,從而氧比較容易凝結成為液體, 在冷凝過程中蒸汽的氧含量逐漸降低,氮的含量逐漸增加,冷凝溫度也隨之下降,直至 氣體全部冷凝為液體.在一定壓力下蒸發(fā)液態(tài)空氣則相反,低沸點的氮組分先蒸發(fā),使 高沸點組分氧的含量增加,蒸發(fā)溫度也隨之增高. 當處在冷凝溫度時的空氣,穿過比它溫度低的氧氮組成的液體層時,氣,液

6、由于溫度 差的存在,進行熱交換,溫度低的液體吸收熱量而蒸發(fā),其中氮組分首先蒸發(fā),溫度較 高的氣體冷凝,放出冷凝熱.氣體冷凝時,首先冷凝氧組分.這一過程一直進行到氣相 和液相溫度相等為止. 這個時候,由于液相蒸發(fā)液相蒸發(fā),氮組分減少氮組分減少,同時由于氣相中的氧也進入了液相氧也進入了液相,此時液 相中的氧組分含量增加氧組分含量增加. 同樣由于氣相冷凝氣相冷凝,使氧組分減少使氧組分減少,液相中蒸發(fā)的氮進入氣相氮進入氣相,此時氣相中的氮組分氮組分 含量增加含量增加. 多次的部分蒸發(fā)和部分冷凝過程的結合稱為精餾過程。每經(jīng)過一次部分冷凝和部 分蒸發(fā)，氣體中氮組分就增加，液體中氧組分也增加。這樣經(jīng)過多次便

7、可將空氣 中氧和氮分離開。 這樣多次進行下去,最后可或得足夠數(shù)量的高純度的氣氮和液氧,這就是精餾空氣 分離的實質. 有三個容器，其壓力均為98.1kpa。在容器內盛有含氧20.9%的液空，容器和分別盛有含氧 30%及40%的富氧液空，將空氣冷卻到冷凝溫度(82k)并 通入容器的液體中。由于空氣的溫度比含氧40%的液體 的飽和溫度(80.5k)高，所以空氣穿過液體時得到 冷卻，就發(fā)生部分冷凝；而液體被加熱，就發(fā)生部分蒸發(fā)。 當氣液溫度相等時，與液體相平衡的蒸氣中 含氧只有14% 。將此蒸氣引到容器，由于30% 富氧 液空的飽和溫度(79.6k)比容器中 的溫度低，所以從容器引出的蒸氣 (80.5

8、k)又繼續(xù)冷凝，同時使容器 中的液體蒸發(fā)。當蒸氣與30% 的液體達到平衡狀態(tài)時 蒸氣摩爾分數(shù)就變 成9% 。將此蒸氣由 容器再引入容器，再 進行一次部分蒸發(fā)和部 分冷凝過程，則 蒸氣中氮又增加，含氧僅6.3% 。在 上述過程中，在氣相氧組分減少的同時， 液體中氧則增加，最后氣相中氮摩爾分 數(shù)由79.1%提高到93.7%，而液相中氧摩爾 分數(shù)由10%提高到40%，氣體的數(shù)量雖每 次冷凝要減少一些，但同時得到從液體中 蒸發(fā)出來 的氣體，故次得到平衡. 三 二 一 上述過程中:在氣相的氧含量減少的同時,液體的氧含量 增加.氣體的數(shù)量沒有多少變化，同樣液體的數(shù)量也沒 有多少變化，這樣多次進行下去，液相

9、中氮會更多地 蒸發(fā)到氣相中，而氣相中氧會更多地冷凝進入液相中， 最后可獲得足夠數(shù)量的高純度氣氮和液氧。這就是利 用精餾過程分離空氣的實質。 精餾塔的分類精餾塔的分類: 完成精餾的塔設備稱為精餾塔。塔設備為氣液兩相提供充 分的接觸時間、面積和空間，以達到理想的分離效果。根據(jù) 塔內氣液接觸部件的結構型式，可將塔設備分為兩大類：板 式塔和填料塔。 板式塔：板式塔：塔內沿塔高裝有若干層塔板，相鄰兩板有一定的間 隔距離。塔內氣、液兩相在塔板上互相接觸，進行傳熱和傳 質，屬于逐級接觸式塔設備。 填料塔：填料塔：塔內裝有填料，氣液兩相在被潤濕的填料表面進行 傳熱和傳質，屬于連續(xù)接觸式塔設備。 液氮(氣氮):

10、 壓縮空氣進入塔低 自下向上 穿過每塊塔板,與塔板上的液體 接觸進行熱交換,塔頂?shù)玫礁呒?度氮,一部分做產(chǎn)品引出,另一部 分做回流液,自上向下流動,與上 升蒸汽進行熱交換,塔低得到富 氧液空. 單級精餾塔 高純度的液氧: 冷凝后的壓縮空氣經(jīng)節(jié)流閥進入精餾 塔頂部,自塔頂沿塔板下流,與上升蒸汽 在塔板上充分接觸,氧含量逐步增加, 足夠多的塔板,在塔低得到純氧. 雙級精餾塔雙級精餾塔 加工空氣冷卻膨脹后送入下塔低部,做下塔上升 氣體,在冷凝蒸發(fā)器中冷凝的液氮從下塔頂部下 流做回流液,下塔上升蒸汽氣體溫度較高,下流的 液體較高,下塔上升的氣體每經(jīng)過一塊塔板就遇 到比它溫度低的液體,氣體本身溫度降低,

11、并不斷 有蒸汽冷凝成液體,由于氧是難揮發(fā)組分,氮是易 揮發(fā)組分,冷凝過程中,氧要比氮較多的冷凝,于是 蒸汽中的氮濃度有所提高,經(jīng)過多次進行,塔頂?shù)?氮氣濃度高達99%,引至冷凝蒸發(fā)器中放出熱量冷 凝成液體,一部分做下塔回流液.液體下流吸熱部分 汽化,氮較多比氧蒸發(fā)出來,剩下的液體氧含量增加 這樣一次次進行,下塔得到富氧液空. 液空經(jīng)節(jié)流閥降壓至上塔中部,與下塔精餾原理相 同氮較多的被蒸發(fā),下流液體含氧量不斷提高,上升 的蒸汽中的氮含量不斷提高,從下塔上部冷凝的 99%液氮經(jīng)節(jié)流送至上塔頂部做回流液,蒸汽多次 部分冷凝,回流液不斷部分蒸發(fā),氧較多的留在液相 中,氮較多的蒸發(fā)到氣相中.于是上塔頂部

12、可以得到 含氮99%以上的氮氣.上塔低部可以得到含氧99%以 上的液氧. 這便是精餾塔內空氣分離成氧氮的過程. 全塔物料衡算全塔物料衡算 穩(wěn)定連續(xù)操作的精餾塔作全塔物料衡算，并以 單位時間為基準。 總物料衡算： f=d+w (1) 易揮發(fā)組分衡算： f xf=d xd +w xw (2) 式中 f、d、w分別為原料、塔頂產(chǎn)品和塔底 產(chǎn)品 的流量，kmol/h； xf、xd、xw分別為原料、塔頂產(chǎn)品和塔底產(chǎn) 品中易揮發(fā)組分的摩爾分數(shù)。 式（1）、（2）稱為全塔物料衡算式。應用全 塔物料衡算式可確定產(chǎn)品流量及組成。 氧的提取率: 根據(jù)塔內氣液接觸部件的結構型式，可將塔設備分為 兩大類：板式塔和填料

13、塔。 板式塔：塔內沿塔高裝有若干層塔板，相鄰兩板有一定 的間隔距離。塔內氣、液兩相在塔板上互相接觸，進行 傳熱和傳質，屬于逐級接觸式塔設備。 填料塔：塔內裝有填料，氣液兩相在被潤濕的填料表面 進行傳熱和傳質，屬于連續(xù)接觸式塔設備。 篩板塔篩板塔:由塔體和塔板組成,而塔板又包括篩孔板,溢流斗和無孔板 篩板塔的流體動力工況篩板塔的流體動力工況: 1.不均勻鼓泡不均勻鼓泡:原因空塔速度小于一定值,塔板將出現(xiàn)不均勻鼓炮的工況. 表現(xiàn)表現(xiàn):蒸汽以鏈狀穿過液層,鼓泡范圍不穩(wěn)定,沒有蒸汽穿過的部分 液體由于失去頂托從小孔泄露出來. 危害危害:氣液兩相接觸面積減少,液體泄露造成縱向混合.破壞了精留的 濃度梯度.蒸汽穿過鼓泡去,氣掖接觸時間短,大大影響了傳質. 2.正常鼓泡工況正常鼓泡工況:下層清夜鼓泡層,中層 主要傳質區(qū)域為泡沫層,上層為霧沫層. 3.霧沫夾帶霧沫夾帶:原因是蒸汽速度進一步增大,蒸汽夾帶液體至上層塔板. 危害:造成液體反混.破壞傳質梯度,降