低温法气体分离2015.ppt [兼容模式]

简单冷凝
(2)随着冷凝量增加，液体 中的含氧量降低，所剩蒸 汽中的含氮量提高。 (3)当蒸气即将全部冷凝时 ，液体的氧浓度接近空气 的初始浓度20.9%，所剩 最后一点蒸气的氮浓度达 到最大值93.6%。
20.9%液O2
93.6%气N2
简单冷凝
结论
p 随着简单冷凝过程的进
行，冷凝蒸汽量增加， 气相中氮气浓度增加， 液体中氧气浓度减少 p 第一滴液体中氧气浓度 为53%。 p 最后的气体中含93.6％的 氮，但量极少。 冷凝蒸汽量（%）
o
挥发度v随温度而变。
两组分理想物系的气液平衡
(2) 相对挥发度(以a表示) 溶液中易挥发组分的挥发度对难挥发组分的挥 发度之比，称为相对挥发度。 一般物系： a = ν A =
νB pA pB xA xB Py A = PyB xA xB yA = yB xA xB
yA xA yA xA =a 或 =a yB xB 1 − y A 1 − xA
气 气+ 液 液
47% 79.1%
= 81.5 K
简单蒸发
n
继续加热，则液体全部变成含N2 79.1%的空气，与原来的液空 浓度完全一样；
气 气+ 液 液
= 82.8 K
简单蒸发 结论:
(1) 气化之初 (2) 气化之末
少量
气N2 93.6% 液O2 53.0%
少量
初
yN2,xN2
末
简单蒸发
简单蒸发，得到93.6%气N2,或53%液O2，能不能进 一步改进得到更高浓度的产品?？
80.5 k
44%液O2
55.4%×(1-50%)=27.7%液O2
部分蒸发
80.5 k 50% 50% 44%液O2
50%
81.8 K
α3 =
xN 2 | 5 − x N 2 | 5' x N 2 | 5' '− xN 2 | 5
=
56 − 47 = 28.1% 79.1 − 47
47% 56% 79.1%
n
把液体量占气体总量的百分比叫 液化率或湿度，用β表示。
n
α、β可以在T—x—y图上用作图 的方法来确定。例如A—B等温 线上的C点。
α
c
=
AC x − xA = 0 AB yB − xA y B − x0 CB = AB yB − xA
βc = α
c
+ βc = 1
气液平衡相图
压力越低，气相线与液相线距离越远 气相浓度与液相浓度相差越大 越易分离
n
n精馏的原理nFra bibliotek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 气相中氮的摩尔分数由79.1 ％提 高到93.7%， 而液体中氧的摩尔分数由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 进人 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。
n
精馏的原理
98.1 kPa
精馏的原理
n
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。当气液温度达到相等时， 与液体相平衡的蒸气中含氧只有14%O2。 将此 蒸气 引到 容器 II ， 由 于 30%O2 富 氧液空的 饱和温 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 平衡状态时蒸气浓度 就变成 9%。 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%。
α–干度；β –湿度； 气+ 液
3/ 3 x1 − x 79.1 − 70 α = / // = = = 44.6% 33 y − x 90.4 − 70
气
= 79.6 K
液
β = 1 − α = 55.4%
70% 90.4%
简单蒸发
n
当加热继续进行时，蒸气进一步增多，液体越来越少，直到达到4点（ T4=81.5 K），与之相平衡的液相点4’对应得浓度为47%N2（53%O2），所 剩液体量接近于0。气相中浓度接近原液空中浓度yN2=79.1%，气化量接近 100%；
低压有利于O2—N2分离
O2—N2气液平衡图
简单蒸发
液态空气(液空)的蒸发过程有两种形式： (1) 简单蒸发；
(2) 部分蒸发。
简单蒸发
n
若液空在一密闭的容器内定压下加热蒸发而不放 掉蒸发出来的气体，使蒸气与液体经常处于平衡 状态。
简单蒸发
n
设液空在密闭容器内从初始温度T1在压力P=0.1 MPa 受热气化。
简单蒸发
n
随着加热过程的进行，液体的温度不断升高，当达到T2时，变 成饱和液体，即达到图中2点，此时蒸气开始产生。在最初产 生的蒸气与2点液体呈相平衡，即图中的2//，其N2的浓度 yN2=93.6%，这时蒸气中的N2浓度相当高，但气化为“零”。
气 气+ 液
3/ 3 2 1 5 4 3// 2// T4 T3 T2=78.8K T1
n
n n
若相平衡时，温度和气相或液相的浓度已知， 可确定压力和另一相的组分浓度；
气液平衡相图
n
为了使用方便，相平衡时状态参数之间的关系常 被做成图表，称为相平衡图。
n
O2—N2气液相平衡图主要有温度组成图（T—x— y）、压力组成图（P—x—y）、焓组成图（H— x—y）。
气液平衡相图
n
把气体量占气液总量的百分比叫 气化率或干度，用α表示。
tE
tC tF tB
F
B
t
D
C
tF
x 1 x 1 x F < y 1 y 1 x ( y)
<
A
气液平衡相图
在一定压力下气化时， 其蒸气组成与液体组成 不同。
p 气相中N2的浓度永远>
n
气 气+ 液
3/ 3 2 1 5 4 3// 2// T4 T3 T2=78.8K T1
液相中的浓度；
p 气相中O2的浓度总是<
t~x
液相区
tF
A
液相线 （泡点线）
xF
x ( y)
x ( y)
N2 or O2？ 沸点介于两 组分之间
N2-O2混合液的 t- x- y 图
气液平衡相图
1）液相全部汽 化或汽相全部冷 凝不能使二元物 系的组成发生变 化，即不能起分 离作用。 2）液相部分汽 化或汽相部分冷 凝能起一定的分 离作用。 3）露点线与泡 点线间距越大， 体系越易分离。
液
1
79.1% X0 93.6% 100 XN2 (%)
简单蒸发
n
进一步加热，温度升高到T3，达到图中3点的位置，这时气化 率增加，液体中N2浓度下降（O2浓度增加），液体量减少，气 体中N2浓度也下降，气体量增加；
气 气+ 液
= 79.6 K
液
47% 90.4%
简单蒸发
n
若假设T3=79.6 K，则从图中可知，容器内处于平 衡的气液浓度为yN2=90.4%，xN2=70%N2；
84%气 N2
N2
部分冷凝
(3) 剩下的蒸气（1´ ´ ）继续 部分冷凝，蒸气中的氮 浓度将继续提高，但蒸 气量越来越少。 蒸汽中的N2浓度不断提 N2 高，但量越来越少 。
部分冷凝
用部分冷凝可得到数量很少的高浓度氮气，但不 能得到纯度高的氧气。
精馏的原理
比较 平衡蒸馏 简单蒸馏 精馏 单级过程
气液平衡相图
根据吉布斯相律，O2-N2的独立组元C = 2，气液 相平衡时的相数为φ=2，则自由度f有
n n
n
f = C- φ + 2 = 2 – 2 + 2 = 2 即O2、N2物系的状态参数：压力P、温度T、浓度 v三个变数中，需确定其中两个方能确定混合物的 状态。
气液平衡相图
若相平衡时压力和温度已知，可确定浓度； 若相平衡时压力和气相或液相浓度已知，可确 定温度和另一相的组分浓度；
1
液
液相中的浓度。
79.1% X0 93.6% 100 XN2 (%)
气液平衡相图
气
液
6.4% 93.6%
20.9% 79.1%
气+ 液
3/
5 4 3 2 1
气
T4 3// 2// T3 T2=78.8K T1
液
1 47%
N2 O2
93.6% 6.4%
79.1% 20.9%
100 79.1% X0 93.6% XN2 (%)
液体混合物 的初步分离
进行一次部分汽化
多级过程
进行多次部分汽化和部分冷凝
实现液体混合 物的完全分离
B
y' 3 y'2 x' 3 y'1 y0
t
x' 2
x'1
x0
y1
x1
y2
x2
y3
A
x3
结论： xF 1)气相混合物经多次部分冷凝后，在气相中可获得高 纯度的易挥发组分（ N2 ）； 2)液相混合物经多次部分汽化后，在液相中可获得高 纯度的难挥发组分（ O2 ）。