第五章 氣體的分離

第五章氣體的分離工業(yè)規(guī)模的氣體分離技術(shù)是從20世紀(jì)初跟隨著大容量空氣液化裝置投入運(yùn)行而發(fā)展起來的以從液態(tài)主氣中分離氧、氮最為重要空氣分離的副產(chǎn)品還有氬、氪、氙、氖和氦工業(yè)規(guī)模的氣體分離主要依靠低溫精餾、分凝分離、吸附分離和吸收分離而滲透膜分離則是近來發(fā)展起來新方法，將來可能在某些場合能得到實(shí)際應(yīng)用低溫技術(shù)在氣體液化工業(yè)中是占主導(dǎo)地位的，而且在氣體分離和純化過程中也后非常重要的地位目前大多數(shù)的商品氧和氮是用精餾的方法從液態(tài)空氣中分離而得到的，而且氬、氪、氙和氖也都是從液空中分離出來的氣體的分離、提取或純化過程在物理本質(zhì)上都屬同一概念，即把混合物變?yōu)榧兾镔|(zhì)“分離”通常是把混合物中兩種以上、含量相差不多的組分分開成為產(chǎn)品，典型的例子有空氣分離、天然氣分離等；“提取”則主要表示從混合物中選取其中最有價(jià)值的組分的操作，被提取的組分在原料氣中的含量可能較高，如從焦?fàn)t氣或水煤氣中提取氫和氮，也可能含量很低，如從天然氣中提取氦；“純化”是把原料氣中的少量或微量雜質(zhì)去處掉，如提供給醫(yī)療、微電子等行業(yè)使用的高純氣體部經(jīng)過不同工藝的提純處理。5.1氣體的分離原理根據(jù)混合物的性質(zhì)，可以用簡單的冷凝或蒸發(fā)過程達(dá)到混合物的局部分離分凝法亦稱部分冷凝法，它是根據(jù)混合氣體中各組分冷凝溫度的不同，當(dāng)混合氣體冷卻到某一溫度后，高沸點(diǎn)組分凝結(jié)成液體，而低沸點(diǎn)組分仍然為氣體，這時(shí)將氣體和液體分離也就將混合氣中組分分離混合物部分冷凝時(shí)，液相中富集了高沸點(diǎn)（難揮發(fā)）組分，氣相中富集了低沸點(diǎn)（易揮發(fā)）組分部分冷凝適用于混合物各組分沸點(diǎn)差別較大的情況若各組分的沸點(diǎn)比較接近，則采用部分冷凝的方法很難達(dá)到分離要求5.1.1冷凝和閃蒸分離

當(dāng)溫度繼續(xù)下降到103K時(shí)，組分He在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值。進(jìn)一步冷卻時(shí)，由于更多的N2冷凝，He的摩爾分?jǐn)?shù)反而有所降低。于是，當(dāng)混合物的溫度降低到80K時(shí)，部分冷凝有可能得到He摩爾分?jǐn)?shù)約為94%的氣相產(chǎn)品，而液相產(chǎn)品中He摩爾分?jǐn)?shù)約為0.5％

80％摩爾分?jǐn)?shù)N2和20％摩爾分?jǐn)?shù)He的氣體混合物在111K時(shí)開始冷凝，然而由于兩種組分的沸點(diǎn)差很大，該溫度下冷凝液中He的摩爾分?jǐn)?shù)只有0.6%。

對79％摩爾分?jǐn)?shù)N2與21％摩爾分?jǐn)?shù)O2的氣體混合物，用簡單的部分冷凝方法，不能像N2-He混合物那樣得到有效的分離。實(shí)際上，從90K連續(xù)冷卻到78K，冷凝了更多的N2，在氣相產(chǎn)品中富集的N2很少

分凝法一般用于分離沸點(diǎn)相距較遠(yuǎn)的氣體混合物，如N2?He，N2?H2，CH4?N2，CH4?H2等由空氣制取富氧空氣

分凝法可以使混合氣體中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)提高，冷凝液中難揮發(fā)組分摩爾分?jǐn)?shù)提高，用分凝法可將空氣分離為富氧空氣和氮?dú)夥帜鳛橐粴す苁降臒峤粨Q設(shè)備。令壓力為490kPa的飽和空氣由進(jìn)料口1進(jìn)入分凝器，在管內(nèi)被冷卻，冷凝的液體沿管壁流下匯集于底部釜中，一般釜液中含氧量可達(dá)(30~40)%；不凝氣體則上升到分凝器頂部可獲得摩爾分?jǐn)?shù)為90%以上的氮?dú)?。釜液?jīng)節(jié)流后進(jìn)入管間蒸發(fā)，以冷卻管內(nèi)的空氣。釜液蒸發(fā)后自上部接管6引出，即為富氧空氣多組分混合氣的分級冷凝天然氣、石油氣、焦?fàn)t氣以及合成氨馳放氣都是多組分混合氣。實(shí)現(xiàn)它們的分離往往需要在若干個(gè)分離級中分階段進(jìn)行，在每一級中組分摩爾分?jǐn)?shù)將發(fā)生顯著變化多組分氣體混合物當(dāng)被冷卻到某一溫度水平時(shí)，進(jìn)入一分離器，將已冷凝組分分離出去，然后再進(jìn)入下一級冷凝器，繼續(xù)降溫并分凝。一個(gè)冷凝器和一個(gè)分離器組成一個(gè)冷凝級從工藝的角度來考慮，冷凝級數(shù)主要是根據(jù)需回收組分的要求來確定的，但同時(shí)要保證在分凝器中不會(huì)出現(xiàn)高沸點(diǎn)組分被凍結(jié)的現(xiàn)象5.1.2精餾原理

從部分蒸發(fā)和部分冷凝的特點(diǎn)可看出，對于N2–O2混合物的部分蒸發(fā)和部分冷凝可以獲得氧和氮，但不能同時(shí)獲得高純度氧和高純度氮兩個(gè)過程的性質(zhì)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)不斷在向外界釋放蒸氣，如欲獲得大量高純度液氧，則需要相應(yīng)地補(bǔ)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，則需要相應(yīng)地補(bǔ)充氣體如果將部分冷凝和部分蒸發(fā)結(jié)合起來，則可解決部分蒸發(fā)和部分冷凝單獨(dú)進(jìn)行所不能解決的問題多次的部分蒸發(fā)和部分冷凝過程的結(jié)合稱為精餾（rectification）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)過多次便可將空氣中氧和氮分離開有三個(gè)容器I，II，III，其壓力均為98.1kPa。在容器I內(nèi)盛有含氧20.9%的液空，容器II和III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III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(shí)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(dāng)氣液溫度相等時(shí)，與液體相平衡的蒸氣中含氧只有14%O2將此蒸氣引到容器II，由于30%O2富氧液空的和溫度（79.6K）比容器III中的溫度低，所以從容器III引出的蒸氣（80.5K）又繼續(xù)冷凝，同時(shí)使容器II中的液體蒸發(fā)。當(dāng)蒸氣與30%O2的液體達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)蒸氣中氧的摩爾分?jǐn)?shù)就變成9%O2將此蒸氣由容器II再引入容器I，再進(jìn)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%O2在上述過程中，在氣相氧組分減少的同時(shí)，液體中氧則增加，最后氣相中氮摩爾分?jǐn)?shù)由79.1%提高到93.7%，而液體中氧摩爾分?jǐn)?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(shí)得到從液體中蒸發(fā)出來的氣體，結(jié)果，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(jìn)行下去，液相中氮會(huì)更多地蒸發(fā)到氣相中，而氣相中氧會(huì)更多地冷凝進(jìn)入液相中，最后可獲得足夠數(shù)量的高純度氣氮和液氧液體由容器I再引入容器II，由容器II再引入容器III的過程稱為回流，其目的是使整個(gè)部分蒸發(fā)和部分冷凝過程持久地進(jìn)行精餾是利用兩種物質(zhì)的沸點(diǎn)不同，多次的進(jìn)行混合蒸氣的部分冷凝和混合液體的部分蒸發(fā)過程，來實(shí)現(xiàn)分離的目的精餾過程的實(shí)質(zhì)是：不平衡的氣液兩相，經(jīng)過熱質(zhì)交換，氣相多次部分冷凝和液相多次部分汽化相結(jié)合的傳質(zhì)傳熱的過程實(shí)現(xiàn)精餾的必要條件為了使精餾的過程能夠進(jìn)行，必須具備下面兩個(gè)條件：汽液兩相必須充分接觸，精餾塔內(nèi)裝有多少層塔板（或填料）就是提供汽液接觸的條件；汽液兩相接觸時(shí)，上升的高溫汽相中的易揮發(fā)組份濃度要低于平衡時(shí)的濃度，而下降的低溫液相中的易揮發(fā)組份要高于平衡時(shí)的濃度，由于汽液兩相不平衡，才能發(fā)生精餾作用?？諝獾木s是在氧、氮混合物的氣相與液相接觸之間的熱質(zhì)交換過程中進(jìn)行的。5.2精餾塔

精餾塔通常有板式塔（traycolumn）和填料塔（packedcolumn）兩大類5.2.1板式精餾塔

在一直立圓桿形簡體內(nèi)裝有水平放置的塔板，溫度較低的液體由上塊塔板經(jīng)降液管向下流動(dòng)，溫度較高的蒸氣由塔板下方通過塔板上的小孔向上流動(dòng)，在塔板上液體與氣體相接觸，完成傳熱與傳質(zhì)過程塔板分為篩板塔、蒸氣浮閥塔和泡罩塔等。典型的孔板一般鉆有1.5~4.0mm的小孔，板間距一般為19~20mm液體在塔上的流動(dòng)形式有：U型流、單溢流、雙溢流、階梯流等。其中單溢流式的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，流程較長液面梯度大，在塔徑過大時(shí)，液體易從塔板中間走短路，塔壁周邊形成死區(qū)，致使液體分布不均，影響塔板效率。塔板上的液層高度由下流的降液管部位的溢流斗（即溢流堰）來保持。降液管延伸到下一塊塔板上的液體中，以確保兩塔板間的密封，防止上流的蒸氣旁通除了塔板以外，精餾塔還有原料入口。原料入口下方為提餾段，原料入口上方為精餾段。在塔底有一出口管線引出難揮發(fā)產(chǎn)品，而在塔頂有一出口管線引出易揮發(fā)產(chǎn)品假設(shè)N2–O2二元混合物原料以飽和蒸氣狀態(tài)進(jìn)入塔的第4塊塔板在理想情況下，在原料入口的上塊塔板上的液體（點(diǎn)）組成與原料的組成相同，但它的溫度較低，因?yàn)樗桥蔹c(diǎn)溫度而不是露點(diǎn)溫度在塔中，蒸氣向上通過每塊板上的液體層，液體流過每塊板并通過降液管流向下一塊塔板當(dāng)蒸氣以氣泡形式穿過液層時(shí)，把熱量傳給每塊板上的液體。傳熱的結(jié)果使得液層中少量的易揮發(fā)組分蒸發(fā)，而蒸氣中相應(yīng)的少量難揮發(fā)組分冷凝，于是蒸氣變成富氮?dú)怏w與液層相接觸。液層中富氧液體與蒸氣接觸，并從一塊塔板流到另一塊塔板隨著飽和液體在塔中向下流動(dòng)，其摩爾分?jǐn)?shù)沿著泡點(diǎn)線向左移動(dòng)（點(diǎn)L4、L3、L2等）；隨著蒸氣在塔中向上流動(dòng)，其摩爾分?jǐn)?shù)沿著露點(diǎn)線向右移動(dòng)（點(diǎn)V3、V4、V5等）。這樣，用足夠的塔板就可以把兩種組分分離，獲得很純的產(chǎn)品塔板上的汽液兩相在離開同層塔板時(shí)，汽液兩相同時(shí)達(dá)到汽液相平衡狀態(tài)，則此層塔板稱為理論塔板對于一個(gè)理論塔板，接觸的氣–液之間達(dá)到完全的平衡，從塔板液層離開的蒸氣溫度（例如點(diǎn)），應(yīng)與該塔板上液體的溫度相同（點(diǎn)）。但實(shí)際上這兩個(gè)溫度是略有差別的，這種偏差造成的結(jié)果是需要附加塔板，以便得到相同的分離要求。這種效率損失情況可根據(jù)每一塊塔板的莫菲里（Murphree）效率來求取塔板上汽液兩相的實(shí)際分離程度與理論分離程度之比稱為塔板效率。一般說來，對于給定的塔板，應(yīng)求出這類塔板在給定操作條件下的總效率，然后將計(jì)算得到的理論塔板數(shù)除以總塔板效率，就可以求得達(dá)到規(guī)定分離要求所需要的實(shí)際塔板數(shù)保持塔板高效率的兩個(gè)條件是氣液兩相在塔板上充分接觸，盡可能地接近相平衡狀態(tài)；使接觸后的氣液兩相盡量完全分離。篩孔塔板的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)簡單，制造維修方便。2、省鋼材，投資少。3、塔板壓力降低。4、生產(chǎn)能力大。5、塔板效率和泡罩塔相同缺點(diǎn)：1、不適應(yīng)處理較臟的物料和帶有固體顆粒的物料。2、操作彈性泡罩塔板稍低。雙級精餾塔

由下塔、上塔和上下塔之間的冷凝蒸發(fā)器組成。下塔壓力高，上塔壓力低。壓縮并冷卻后的空氣進(jìn)入下塔底部，自下而上地穿過每一塊塔板，至下塔上部得到高純度的氮?dú)庀滤鍞?shù)越多，氮?dú)饧兌仍礁叩獨(dú)膺M(jìn)入冷凝蒸發(fā)器管內(nèi)時(shí)由于它的溫度比管外液氧溫度高，所以氮?dú)獗焕淠梢旱Ｒ徊糠肿鳛橄滤亓饕?，自上而下沿塔板逐塊流下，至下塔塔釜便得到含氧36~40％的富氧液空；另外一部分聚集在液氮槽中經(jīng)液氮節(jié)流閥降壓后送入上塔頂部作為上塔的回流液在下塔塔釜中的液空經(jīng)節(jié)流閥降壓后送入上塔中部，由上往下沿塔板逐塊流下，與上升的蒸氣接觸，每經(jīng)過一塊塔板要蒸發(fā)掉部分氮，同時(shí)得到從氣體中冷凝下來的氧，只要塔板數(shù)足夠多，可在上塔的最后一塊塔板上得到純液氧液氧流入冷凝蒸發(fā)器管間蒸發(fā)，蒸發(fā)出來的氣氧一部分作為產(chǎn)品引出去；另一部分氣氧由下往上和塔板上的液體接觸。由于氣體溫度較高，所以氣、液接觸后使氣體中氧冷凝到液體中去，而液體蒸發(fā)出來的氮摻入到氣體中。氣體越往上升，其中氮純度愈高與單塔不同，雙塔引入了液氮回流以獲取高純度氮。在液空進(jìn)料口以上，氣體中還含有很多氧，如果就這樣把氣體放出去，氧損失很大，因此利用下塔高濃度的液氮作為上塔頂部的回流液，使液空進(jìn)料口以上的氣體繼續(xù)精餾，這樣從上塔頂部引出的氣體中氧含量就很少，得到了高純度的氮，同時(shí)，氧產(chǎn)量也提高了可以看出，在雙級精餾塔中空氣的分離過程分為兩個(gè)步驟，空氣首先在下塔進(jìn)行初步分離，制得液態(tài)氮和富氧液空；富氧液空再送往上塔進(jìn)行最后精餾，得到純氧。上塔上部的回流液就是下塔送來的液氮，因此可得純氮冷凝蒸發(fā)器的作用：冷凝蒸發(fā)器是聯(lián)結(jié)上、下塔的紐帶。它利用上塔液氧或富氧液體與下塔頂氣氮換熱，使氣氮液化作為回流，液空或液氧蒸發(fā)參加上塔精餾。雙級塔主冷凝蒸發(fā)器溫差的大小受氧氮的純度和上下塔壓力變化的影響對于氧、氮二元精餾塔，以液空進(jìn)口為界限，將上塔分為精餾段和提餾段精餾過程中，空氣是在下塔被初步分離成氮和富氧液空的，所以說下塔精餾工況的好壞，直接影響到上塔精餾工況。下塔的操作要點(diǎn)在于控制液氮節(jié)流閥的開度。在塔板數(shù)不變的情況下，降低上塔壓力則有利于提高氧、氮純度5.2.2填料塔

規(guī)整填料由厚約0.22mm的金屬波紋板組成，一塊塊排列起來的金屬波紋板，低溫液體在每一片填料表面上都形成一層液膜，與上升的蒸氣相接觸，進(jìn)行傳質(zhì)傳熱規(guī)整填料的金屬比表面積約是篩板的30倍，液氧持留量僅為篩板的35～40%因?yàn)榫s塔截面積比篩板塔小1/3，填料垂直排列，不存在水平方向濃度梯度的問題，只要液體分布均勻，精餾效率較高，壓力降較小，氣體穿過填料液膜的壓差比穿過篩板液層的壓差要小得多，約只有50Pa上塔底部壓力的下降，必然可導(dǎo)致下塔壓力降低，進(jìn)而主空壓機(jī)的出口壓力相應(yīng)降低，使整個(gè)空分裝置的能耗降低。同時(shí)，規(guī)整填料液體的滯留量小，因此，對負(fù)荷變化的應(yīng)變能力較強(qiáng)規(guī)整填料精餾塔一般分為3～5段填料層，每段之間有液體收集器和再分布器，傳統(tǒng)篩板塔的板間距為110～160mm，而規(guī)整填料的等板高度為250～300mm，因此填料塔的高度會(huì)增加。在塔內(nèi)件中，液體分布器性能的好壞，對精餾工況的建立至關(guān)重要，是填料層良好完成熱質(zhì)交換的基礎(chǔ)5.3空氣分離系統(tǒng)

最簡單的空氣分離系統(tǒng)之一是林德單塔系統(tǒng)壓縮進(jìn)入壓縮機(jī)的空氣，吸附壓縮空氣中的水氣從二氧化碳，高壓空氣進(jìn)入換熱器冷卻5.3.1林德單塔系統(tǒng)

假如所需產(chǎn)品是氧氣，則換熱器是如圖所示三通道熱交換器，冷的氧氣用來冷卻進(jìn)入的高壓空氣；若所需產(chǎn)品是液氧，則需從流程圖上去掉氧氣的返回線，這時(shí)換熱器變成了簡單的二通道熱交換器，液氧從塔的底部的沸騰器引出預(yù)冷后高壓空氣被沸騰器內(nèi)的液體進(jìn)一步冷卻，至部分冷凝。這個(gè)過程有兩個(gè)目的：①使高壓空氣更冷，可以得到更大的液化率；②充分利用這部分熱量以使沸騰器內(nèi)的液體氣化，給精餾塔提供向上的蒸氣流，而不需加入環(huán)境溫度下的熱量，白白損失掉低溫下的制冷量接著高壓兩相流在節(jié)流閥內(nèi)節(jié)流膨脹到塔的壓力，形成低壓兩相混合物，引入塔頂作為塔內(nèi)的回流液，如前面所說的那樣，塔內(nèi)液體往下流時(shí)氧富集，而蒸氣往上流時(shí)氮富集。到達(dá)塔底的部分液體又被進(jìn)來的冷的高壓空氣加熱而沸騰，沸騰的蒸氣向上流動(dòng)，在塔板上與下來的液體進(jìn)行熱質(zhì)交換部分液體引出儲(chǔ)存于低溫容器內(nèi)或一部分氧氣引出經(jīng)三通道換熱器回收冷量后作為產(chǎn)品氣體。塔頂?shù)臍怏w通過三通道換熱器（若需液體產(chǎn)品時(shí)，為二通道換熱器）冷卻高壓空氣。可以看出林德單塔分離系統(tǒng)采用的是基本的林德-漢普遜液化系統(tǒng)，用精餾塔代替了儲(chǔ)液器，當(dāng)然也可以用其他液化系統(tǒng)來為塔內(nèi)提供液體。當(dāng)需氧氣時(shí)，僅需把空氣壓縮到3~6MPa；而當(dāng)需液氧時(shí)，必須把空氣壓縮到20MPa才能有效地操作，塔內(nèi)壓力通常為130~200kPa5.3.2林德雙塔系統(tǒng)

林德的單塔系統(tǒng)有兩大缺點(diǎn)：僅能得到純氧產(chǎn)品，污氮放空浪費(fèi)了大量的氧；第二大缺點(diǎn)是嚴(yán)重降低了經(jīng)濟(jì)指標(biāo)低溫工程師受油田氣分離的啟發(fā)，1910年考爾和林德解決了這一問題采用兩個(gè)精餾塔，并把一個(gè)放在另一個(gè)頂上。下塔操作壓力為500~600kPa，而上塔操作壓力約為100kPa。在507kPa，氮的沸點(diǎn)為94.2K，比l01.3kPa的氧的沸點(diǎn)90.2K高，因此，下塔氮?dú)庖夯鳛橄滤亓饕嚎梢酝ㄟ^上塔氧的沸騰來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)上塔沸騰氧蒸氣作為上塔的上升蒸氣。下塔產(chǎn)生多余的液氮節(jié)流到上塔頂部作上塔頂部回流液林德雙塔系統(tǒng)除精餾塔不一樣外，其余與單塔一樣壓縮空氣，吸附掉高壓空氣中水蒸氣及二氧化碳，高壓空氣通過換熱器而冷卻，再通過下塔底部的沸騰器進(jìn)一步冷卻。沸騰器內(nèi)沸騰蒸氣可為下塔提供上升蒸氣，冷卻的高壓空氣在節(jié)流閥內(nèi)節(jié)流膨脹產(chǎn)生的氣液混合物進(jìn)入下塔的中部，其中液體與塔板向下流動(dòng)的液體合并，而蒸氣與塔內(nèi)上升蒸氣合并。下塔上升蒸氣在到達(dá)頂部冷凝蒸發(fā)器內(nèi)冷凝側(cè)而被上塔液氧冷凝，一部分冷凝液作為下塔的回流液，一部分的液氮可以作為產(chǎn)品氮取出（當(dāng)需要液氮產(chǎn)品時(shí)），剩余的液氮節(jié)流到上塔壓力，而作為上塔的回流液參與上塔的精餾過程。下塔沸騰器內(nèi)富氧液空通過節(jié)流閥膨脹至上塔壓力，引入上塔中部，液空一部分經(jīng)過節(jié)流閥膨脹閃蒸為蒸氣，蒸氣進(jìn)入上升蒸氣中而逐步富集氮，液體向下流動(dòng)而富集氧。從上塔的沸騰器中可以取出純氧氣和液氧作為產(chǎn)品。只要使用足夠多的塔板數(shù)，便可以得到很純的單組分或很純的兩個(gè)單組分當(dāng)需要高純氮和氧產(chǎn)品時(shí)，空氣必須看作三組分：氧、氮和0.934%氬5.3.3林德-富蘭克系統(tǒng)

1930年，鋼鐵和化學(xué)工業(yè)需要大量的氧和氮。為了滿足這一需求，Linde公司開發(fā)了自己的空氣分離系統(tǒng)由于該系統(tǒng)利用了富蘭克的回?zé)崞鲗＠?，因此稱作林德-富蘭克系統(tǒng)由于采用了氨預(yù)冷和膨脹機(jī)，該系統(tǒng)的能耗降低到只有林德雙塔系統(tǒng)的一半左右該系統(tǒng)的液化部分對應(yīng)于帶氨預(yù)冷的雙壓克勞特液化系統(tǒng)過濾后的空氣，在一臺(tái)回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)中壓縮到約0.55kPa約96%總量的壓縮空氣進(jìn)入兩對蓄冷器中，在此，空氣得到冷卻并清除其中的水蒸氣和二氧化碳，其冷量由從精餾塔來的回流氧氣和氮?dú)馓峁Ｆ溆?%壓縮空氣經(jīng)洗滌塔并除去二氧化碳。這股空氣進(jìn)一步壓縮到12.6MPa，然后在一系列換熱器中得到冷卻冷空氣經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流膨脹，再與蓄冷器來的空氣混合?；旌蠚獗凰腿胂滤脑俜衅鳎颂幍牟僮鲏毫s為0.5MPa基本上純的液氮從下塔的上部取出，流經(jīng)過冷器并節(jié)流到0.101MPa，然后送入上塔的頂部，充分過冷，以防液體進(jìn)入上塔發(fā)生閃蒸高純的氮?dú)鈴乃敳砍鰜?，并用于過冷下塔來的液氮。還有部分從下塔頂部取出的氮?dú)?，用于進(jìn)一步冷卻經(jīng)氨預(yù)冷的空氣流，然后經(jīng)一膨脹機(jī)膨脹到0.101MPa，使氮?dú)鉁囟冉档?。膨脹后的氮?dú)庖徊糠钟糜诶鋮s空氣流，其余的作為蓄冷器的主要冷源5.3.4海蘭德系統(tǒng)

該系統(tǒng)通常用于生產(chǎn)液氧和液氮原料空氣首先在四級活塞式壓縮機(jī)中壓縮到10MPa，在壓縮機(jī)的中間冷卻器和級后冷卻器中，空氣得到冷卻并將其中的水分除掉空氣經(jīng)第二壓縮機(jī)進(jìn)一步壓縮到13.7MPa。然后壓縮空氣流經(jīng)預(yù)冷器和氨冷卻器，冷卻到233K，在此處將空氣分為兩部分：一部分經(jīng)主換熱器，然后經(jīng)節(jié)流閥膨脹到0.7MPa；另一部分則直接進(jìn)膨脹機(jī)，膨脹到0.7MPa，其溫度降低到111K兩股氣流重新混合后，送到洗滌塔，在這里與液空接觸，除掉二氧化碳和碳?xì)浠衔?。從洗滌塔出來的液體，流經(jīng)過濾器以除掉固體二氧化碳和碳?xì)浠衔铩＝?jīng)純化后的液空，與從下塔底部來的富氧液空混合，作為原料送入上塔，從洗滌塔出來的氣流當(dāng)作原料送入下塔從下塔冷凝器出來的液氮，被上塔來的氮?dú)膺^冷，該液氮節(jié)流到一個(gè)合適的壓力后，提供上塔的回流液。從上塔的再沸器得到液氧，從下塔冷凝器放出高純液氮。不純的氮?dú)鈴纳纤敳糠懦?，先后通過過冷器、主換熱器和預(yù)冷器，然后排放到大氣中下塔的操作壓力大約為0.7MPa，上塔的操作壓力低于0.2MPa，純度為99.6%的氧氣產(chǎn)品中，含有的雜質(zhì)主要是氬氣。通常液氮產(chǎn)品中含有約7×10-6的氧，而廢氮?dú)庵泻嫌写蠹s2%的氧。若希望在上塔頂部得到高純氮，則必須附加幾塊塔板，同時(shí)還必須在上塔的某個(gè)部位將氬排放掉5.4稀有氣體的提取

工業(yè)上通稱為“稀有氣體”指的是氬、氖、氦、氪、氙五種氣體因?yàn)樗鼈冊诳諝庵械暮渴窒∩?，故而得名。除氬而外，其余四種氣體的含量都在10-4以下因提取困難，價(jià)格昂貴，尤其是氪氣和氙氣被稱為“黃金氣體”5.4.1提取方法概述

稀有氣體在空分塔的分布稀有氣體的原料氣要從制氧機(jī)精餾塔中抽取。由于它們的沸點(diǎn)不同，在空氣中的含量又相差懸殊，所以各組分匯集在精餾塔中的不同部位氪、氙的沸點(diǎn)最高，加工空氣進(jìn)入下塔后，氪、氙均冷凝在下塔液空中，并隨液空經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入上塔，逐層塔板下沉匯集于上塔底部的液氧及氣氧中。所以從空分裝置提取氪、氙時(shí)，通常將產(chǎn)品氧引入氪塔用精餾法制取貧氪原料氣稀有氣體在空分塔的分布氖、氦沸點(diǎn)相對于氧、氯組分低了很多，所以加工空氣中的氖、氦組分總和低沸點(diǎn)的氮組分在一起。加工空氣進(jìn)入下塔后，氖、氦組分隨氮組分一起上升到主冷凝蒸發(fā)器，氣氮被冷凝，而氖、氦由于沸點(diǎn)低，尚不能冷凝而形成“不凝性氣體”，從主冷氮側(cè)頂部引出作為原料稀有氣體在空分塔的分布?xì)迨强諝庵泻孔罡叩囊环N稀有氣體，它的沸點(diǎn)介于氧、氮組分之間（在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氬的沸點(diǎn)為87.02K、氧為89.97K、氮為77.09K），且接近于氧，所以，進(jìn)入下塔空氣中的氬大部分隨液空進(jìn)入上塔，小部分隨液氮進(jìn)入上塔。在上塔提餾段的下部主要進(jìn)行氧、氬分離。在精餾段上部為氮、氬分離，均有富集區(qū)。若上塔不抽餾分，則氬組分一部分隨氧氣帶走，而另一部分隨氮?dú)鈳С觥Ｔ诔轲s份的情況下，則大部分的氬隨餾分抽出基本的提取方法從基本原理來說，提取稀有氣體所采用的方法的基礎(chǔ)，仍然在于這些氣體組分沸點(diǎn)和各分子的差異不同于氧、氮分離的地方：一是這些稀有氣體的含量非常微小，為此需要逐步濃縮分階段提純；二是這些稀有氣體沸點(diǎn)的差異要比氧、氮來得大稀有氣體沸點(diǎn)的差異大對于分離它們是有利的，可以來用比氧、氮分離更多一些的分離辦法提取稀有氣體的主要方法有精餾、冷凝、凍結(jié)、吸附、催化反應(yīng)基本的提取方法精餾法這是與氮、氧分離的精餾過程完全類似的，就是通過多次重復(fù)的蒸發(fā)、冷凝過程來使組分分離，粗氬塔中所進(jìn)行的氧、氬分離；精氬塔中所進(jìn)行的氬、氮分離；氪塔中所進(jìn)行的氧、氪、氙分離過程都是精餾法的具體應(yīng)用分凝法由于稀有氣體沸點(diǎn)的差異比較大，所以還可以采用分凝的辦法；例如，氖、氦塔中以低壓液氮作冷源，在低壓液氮的蒸發(fā)溫度下，進(jìn)行分凝過程使得氮和氖、氦組分初步分離，而得到氖、氦濃縮物冷凝凍結(jié)法混合氣體利用其沸點(diǎn)及凝固點(diǎn)的不同，其中的高沸點(diǎn)組分冷凝或凍結(jié)使之分離。例如以負(fù)壓液氫為冷源進(jìn)行氖、氦分離。液氫負(fù)壓10241Pa時(shí)，沸點(diǎn)13K，在此溫度下，因氖的凝固點(diǎn)為24.3K，所以已經(jīng)凍結(jié)。因氦的沸點(diǎn)是4.178K，所以尚未液化，據(jù)此，氖、氦就得到了分離基本的提取方法吸附法利用分子篩、活性炭等吸附劑的選擇性吸附的特性，使稀有氣體的組分分離或者進(jìn)一步提純。例如：粗氬的凈化，去除氧組分、氮組分可以用分子篩吸附。氖、氦、氪、氙的提純也可以應(yīng)用吸附法催化反應(yīng)法粗氨加氫在催化劑的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以除去粗氬中的氧，以及氪、氙提純時(shí)在催化下凈除碳?xì)浠衔锒紝儆诖呋磻?yīng)法的應(yīng)用實(shí)際的制備方法并不是基本方法的單一使用，而是幾種方法的聯(lián)合，才能獲得純度高的稀有氣體。譬如，氖、氦的提取中就應(yīng)用了分凝、吸附、凍結(jié)等幾種方法。稀有氣體的制備——?dú)宓闹苽?/p>

世界上工業(yè)氬的生產(chǎn)主要是利用空分裝置，從空氣中直接制取。自1915年美國林德空氣產(chǎn)品公司開始以液化空氣分餾制組以來，歐洲各工業(yè)國以及日本也相繼開始從空氣分離裝置提氬。但在最初的幾年里產(chǎn)量很少，僅供照明技術(shù)及科研用。直到1943年以后，隨著鋼鐵工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，空分規(guī)模逐漸增大，為副產(chǎn)氬氣奠定了基礎(chǔ)，氬氣的生產(chǎn)才迅速增加。60年代以來，現(xiàn)代技術(shù)對氬的需要量的增加，使得世界上大型空分裝置上幾乎都帶提氬設(shè)備利用合成氨尾氣回收氬是工業(yè)氨的另一途徑。合成氨尾氣一般含氬5~8%，含氫60~70%，用它回收氫和氬能夠更好地綜合利用原料資源。在美國、德國、法國、荷蘭、匈牙利、波蘭等國已建有十幾套從合成氨尾氣回收氬的裝置稀有氣體的制備——氖的制備

在工業(yè)上，是用空氣，采用深冷分離法一次濃縮，采用吸附法等純化提取的。1907年克勞德采用空氣液化裝置實(shí)現(xiàn)了氖的生產(chǎn)。空分裝置冷凝蒸發(fā)器頂部導(dǎo)出氣是氖的主要來源。目前德國、法國、俄羅斯、美國等許多國家都在部分大型空分設(shè)備配置氖、氦提取裝置。如何從空氣中提取氖、氦氣：從空分裝置中提取氖、氦的工序大體分3步：第一步制取粗氖、氦氣，目的是除掉原料中的氮，使之濃縮，可采用分凝法分離。有些工序粗氖、氦氣要經(jīng)過除氫和除氮兩步。除氫用加氧催化法使氫生成水，再由干燥器吸附清除。其余的氮再用冷凝法或采用活性炭低溫吸附清除。由于氖、氦的沸點(diǎn)相差約為23K，所以，純氖、氦混合氣的分離可采用冷凝法分離。因氖的凝固溫度為－248.7℃，還可以用凝固凍結(jié)法將氣氦和固氖分離稀有氣體的制備——氦的制備

在工業(yè)上氦的制取，通常是以含氦0.4~2%的天然氣作為原料，采用深冷分離法一次濃縮，采用吸附法等純化提取的。自空分裝置中得到的氦氣為數(shù)很少。只有少數(shù)缺乏含氦天然氣資源的國家才從空分裝置中副產(chǎn)少量氦氣目前世界氦年產(chǎn)約為1億m3。有的科學(xué)家估計(jì)再過50~100年，天然氣提氦資源將耗盡，不得不由空氣提取氦美國和前蘇聯(lián)的天然氣中含有高濃度的氦。美國天然氣提氦工業(yè)已有近60年的歷史；前蘇聯(lián)是從30年代開始進(jìn)行天然氣提氦的研究的；我國近年來也在四川威遠(yuǎn)建立起了天然氣提氦的工業(yè)裝置，年產(chǎn)氦氣10000m3。利用天然氣提氦的國家還有：加拿大、法國、德國、波蘭等國家。幾十年來，氦的生產(chǎn)、銷售、應(yīng)用各方面都得到了重大的發(fā)展，二次大戰(zhàn)后，為滿足原子能、導(dǎo)彈的需要，1946年美國制成一臺(tái)氦氣化裝置——柯林型氦氣化器，目前全世界大約有600臺(tái)氦氣化裝置，最大的為800L/h稀有氣體的制備——氪、氙的制備（1）

氪、氙的提取已有40多年的歷史氪和氙有兩個(gè)來源即空氣和核反應(yīng)堆裂變產(chǎn)物。由于裂變氣回收復(fù)雜，且受核反應(yīng)堆發(fā)展的限制，所以工業(yè)上一般不采用。也曾有過用合成氨尾氣制成氪、氙的報(bào)導(dǎo)，但均未見工業(yè)性生產(chǎn)工業(yè)上制取氪、氙仍然以大型空分設(shè)備副產(chǎn)為主，采用深冷法由空氣中提取。將液氧中氪、氙一次濃縮，經(jīng)化學(xué)處理后，再經(jīng)過精餾、吸附等工序凈化分離提取純氪、氙?，F(xiàn)代大型制氧裝置可以在消耗不增加的情況下制得相當(dāng)數(shù)量的氪、氙，同時(shí)還可以起到降低氧氣成本的作用。如何從空氣中提取氪、氙氣：因?yàn)殡?、氙在空氣中含量極微，氪的體積分?jǐn)?shù)約為1×10－6，氙的體積分?jǐn)?shù)約為0.08×10－6，所以提取氪、氙十分困難，氪、氙的提取需進(jìn)行多次稀有氣體的制備——氪、氙的制備（2）

由于氪、氙沸點(diǎn)高，它們在空分裝置中總是混入氧中，所以應(yīng)以氧產(chǎn)品為原料