气体分离和纯化系统
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混合物液体（高沸点组分丰富）
N2 100%
二元混合物液体 O2
O2 100%
加热过程中二元混合物气液两相中成分变化
定压下
6
T 5
3
4
2
1
P P
y4 x3 x1
Q
0
x
1
O2
N2
混合物的温度－浓度图
11
Raoult定律与理想溶液
相平衡曲线具体形式取决构成混合物分子之间的内作用力。 对于分子内作用比较弱的液体混合物，如稀溶液一样，可用著名的拉乌尔 （Raoult）定律表式：
pj jxj
P:::第在在jj j混液组合相分物中在温第液度j相组下上分第部的j气组摩相分尔中的百的蒸分分汽数压压
xj
所有浓度下都服从Raoult定律的混合物称为理想溶液
12
Gibbs-Dalton定律
若在液体混合物上部蒸汽相也可以看作理想气体，则蒸汽相的分压与总压力 之间关系由Gibbs-Dalton定律决定:
上塔板经溢流装置流到下塔板，与
通过小孔流动的蒸汽进行热质交换。
➢ 当蒸汽泡通过液体层时，较高温度
的蒸汽把热量传给液体。气泡内的
高沸点组分氧被冷凝，而液体内的
低沸点组分氮被蒸发。上行气泡富
集氮，下行液体富集氧。
➢ 在塔底，必须加入热量为供料口下
的塔板提供蒸汽；在塔顶，必须移
去一些热量来为供料口上的塔板提
Kj yj / xj
理想气体和液体的平衡常数:
Kj j /P
双组分混合物的液相和气相组成由每个组分的平衡常数来确定 ：
y1 K1x1
y1 K2x1 K2 (1 x1)
可求得液和气相中组分的摩尔百分比：
x1
1 K2 K1 K2
y1
K1x1
K1(1 K2 ) K1 K2
y1 y2 1
14
热力学理想分离系统模型
1 Tm pm
2
Tm pm
Tm pm
• 左边的活塞只允许气体A通过，右 边的活塞只允许气体B通过，通过 把两个活塞移动到一起，由气体A 和B组成的混合物就可逆地被分离 成纯净的气体A和气体B。
理论分离 功 过程可逆，所以为恒温（通过与外部热源热交换获得）。
此时所耗能量等价于把每一组分在混合气体中分压恒温 压缩到混合物的压力所需要的压缩功之和。
16
3、精馏原理
精馏原理：混合物部分冷凝或部分蒸发时时，液 体中高沸点组份浓度增大，而气相中低沸点组份 浓度增大。 精馏就是以部分蒸发和部分冷凝用逆流方式进行 多次分离的过程。通过使用大量塔板，能够获得 相当纯的单组分。
17
以空气精馏分离为例
精馏塔
Baidu Nhomakorabea
➢ 温度较高的蒸汽由塔板下方通过小
孔向上流动，而温度较低的液体由
3. 第三种情况表明了在一定的浓度下混合物会转为共 沸混合物。这时混合物的性能与单纯组分物质完全 一样。典型例子是在丙酮与三氯甲烷作为混合物会 产生这种现象。用精馏原理无法把这类共沸混合物 分开。幸好，低温流体在分离时不会形成共沸混合 物。
二元混合物的T-x图
二元混合物蒸汽 混合物气体（低沸点组分丰富）
供液体。
LO2
LN2
18
精馏过程
气泡通过塔板时热质交换情况
精馏过程中温度－浓度图
19
塔板效率
在理想或理论塔板上，离开液体的蒸 汽与塔板上的液体处于同一温度。在 实际的精馏塔中，蒸汽不可能达到液 体的温度才离开塔板。
塔板效率：塔板上的浓度变化与平衡 时应达到的浓度变化之比。
M
y j y j1
y
0 j
T=C-P+2
T:描述体系状态所需要独立变量的数目 C:存在组分数 P:存在的相数
7
典型双组分温度－成份图
双组分混合物相平衡曲线：分三种情况
1. 第一种典型曲线是适用于压力低于双组分的临界压 力，把空气看作是氮和氧的混合物时，压力在1001000kPa之间的液空属于这种情况。
2. 第二种情况是混合物中组分之一的临界压力低于所 作的温度-浓度图时的压力。氮-氦混合物压力在 2MPa左右会出现这种类型的曲线。
第四章 气体分离与纯化系 统
主要内容
1. 热力学理想分离系统 2. 混合物的性质 3. 精馏分离原理
2
1、热力学理想分离系 统
半渗透膜：该膜仅允许一种气体自由完全 地通过，而其他气体无法通过。
使用这种装置，气体混合时就可以获得输 出功，输入同样的功就可以把他们分开， 因此，该过程是个可逆过程。
3
温度越低，理论分离功越小。
wi wi,a ma mm wi,b mb mm
Tmma mm s1a s2a mb mm s1b s2b ma mm h1a h2a mb mm h1b h2b
5
双组分气体混合物理论功耗
2、混合物的性质
单组份物质以两相出现时(例如液氮和气氮)，并非所有热静力学参数 都是独立的。对于一组相态，在物性之间存在一个蒸气压力方程的关 系式。 对于多于一相和超过一个组分物质，我们必须应用Gibbs相规律(1878 年发现)来描述状态所需要独立变量的数目。
y
j 1
提高塔板效率的因素：小气泡；长接
触时间；大的总质交换系数。
20
(xB,xB)
yn-2
yn-1
yn
y3
Xn-2
y4 X5
xn Xn-1
X4
Xn+1 (xD,xD)
Y2 X3
y1 x2
xB=0.05 x1
Y0=xB
xD=0.98
所需理论塔板数的说明
精馏塔结构形式
焓－浓度图
在焓－浓度图中可以看出露点线 (饱和蒸汽)和泡点线(饱和液体)
随双组分混合物冷凝，混合物的 温度将降低，这意味着在露点线 和泡点线之间等温线在焓－浓度 图上并不是垂直线，而是有一定 的斜率。
15
二元组分相变过程特 征 变温：对于某一成分的二元混合物，在一定压力下，
开始冷凝或开始蒸发到冷凝结束或蒸发结束时温度 是不断变化的，这点与纯组分不同。 两相浓度分别连续变化：在冷凝或蒸发过程中，液 相和气相的浓度是连续变化的。 通过部分冷凝或蒸发可以有效地分离沸点相差很大 的二元混合物（如氮－氦混合物，氨－氢混合物 等），但对沸点相差较小的二元混合物达不到有效 地分离。
p j py j
蒸汽相中第j组分的摩尔分量 :
y j ( j / p)x j
理想气体混合物的分压之和等于总压:
p pj j xj
j
j
对于两组分混合物， 式:
，x因2 此1，服x1从Gibbs-Dalton定律双组分混合物
p 1x1 2 (1 x1)
13
平衡常数
气相和液相中摩尔百分比之间的关系可以用平衡常数表达:
N2 100%
二元混合物液体 O2
O2 100%
加热过程中二元混合物气液两相中成分变化
定压下
6
T 5
3
4
2
1
P P
y4 x3 x1
Q
0
x
1
O2
N2
混合物的温度－浓度图
11
Raoult定律与理想溶液
相平衡曲线具体形式取决构成混合物分子之间的内作用力。 对于分子内作用比较弱的液体混合物，如稀溶液一样，可用著名的拉乌尔 （Raoult）定律表式：
pj jxj
P:::第在在jj j混液组合相分物中在温第液度j相组下上分第部的j气组摩相分尔中的百的蒸分分汽数压压
xj
所有浓度下都服从Raoult定律的混合物称为理想溶液
12
Gibbs-Dalton定律
若在液体混合物上部蒸汽相也可以看作理想气体，则蒸汽相的分压与总压力 之间关系由Gibbs-Dalton定律决定:
上塔板经溢流装置流到下塔板，与
通过小孔流动的蒸汽进行热质交换。
➢ 当蒸汽泡通过液体层时，较高温度
的蒸汽把热量传给液体。气泡内的
高沸点组分氧被冷凝，而液体内的
低沸点组分氮被蒸发。上行气泡富
集氮，下行液体富集氧。
➢ 在塔底，必须加入热量为供料口下
的塔板提供蒸汽；在塔顶，必须移
去一些热量来为供料口上的塔板提
Kj yj / xj
理想气体和液体的平衡常数:
Kj j /P
双组分混合物的液相和气相组成由每个组分的平衡常数来确定 ：
y1 K1x1
y1 K2x1 K2 (1 x1)
可求得液和气相中组分的摩尔百分比：
x1
1 K2 K1 K2
y1
K1x1
K1(1 K2 ) K1 K2
y1 y2 1
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热力学理想分离系统模型
1 Tm pm
2
Tm pm
Tm pm
• 左边的活塞只允许气体A通过，右 边的活塞只允许气体B通过，通过 把两个活塞移动到一起，由气体A 和B组成的混合物就可逆地被分离 成纯净的气体A和气体B。
理论分离 功 过程可逆，所以为恒温（通过与外部热源热交换获得）。
此时所耗能量等价于把每一组分在混合气体中分压恒温 压缩到混合物的压力所需要的压缩功之和。
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3、精馏原理
精馏原理：混合物部分冷凝或部分蒸发时时，液 体中高沸点组份浓度增大，而气相中低沸点组份 浓度增大。 精馏就是以部分蒸发和部分冷凝用逆流方式进行 多次分离的过程。通过使用大量塔板，能够获得 相当纯的单组分。
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以空气精馏分离为例
精馏塔
Baidu Nhomakorabea
➢ 温度较高的蒸汽由塔板下方通过小
孔向上流动，而温度较低的液体由
3. 第三种情况表明了在一定的浓度下混合物会转为共 沸混合物。这时混合物的性能与单纯组分物质完全 一样。典型例子是在丙酮与三氯甲烷作为混合物会 产生这种现象。用精馏原理无法把这类共沸混合物 分开。幸好，低温流体在分离时不会形成共沸混合 物。
二元混合物的T-x图
二元混合物蒸汽 混合物气体（低沸点组分丰富）
供液体。
LO2
LN2
18
精馏过程
气泡通过塔板时热质交换情况
精馏过程中温度－浓度图
19
塔板效率
在理想或理论塔板上，离开液体的蒸 汽与塔板上的液体处于同一温度。在 实际的精馏塔中，蒸汽不可能达到液 体的温度才离开塔板。
塔板效率：塔板上的浓度变化与平衡 时应达到的浓度变化之比。
M
y j y j1
y
0 j
T=C-P+2
T:描述体系状态所需要独立变量的数目 C:存在组分数 P:存在的相数
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典型双组分温度－成份图
双组分混合物相平衡曲线：分三种情况
1. 第一种典型曲线是适用于压力低于双组分的临界压 力，把空气看作是氮和氧的混合物时，压力在1001000kPa之间的液空属于这种情况。
2. 第二种情况是混合物中组分之一的临界压力低于所 作的温度-浓度图时的压力。氮-氦混合物压力在 2MPa左右会出现这种类型的曲线。
第四章 气体分离与纯化系 统
主要内容
1. 热力学理想分离系统 2. 混合物的性质 3. 精馏分离原理
2
1、热力学理想分离系 统
半渗透膜：该膜仅允许一种气体自由完全 地通过，而其他气体无法通过。
使用这种装置，气体混合时就可以获得输 出功，输入同样的功就可以把他们分开， 因此，该过程是个可逆过程。
3
温度越低，理论分离功越小。
wi wi,a ma mm wi,b mb mm
Tmma mm s1a s2a mb mm s1b s2b ma mm h1a h2a mb mm h1b h2b
5
双组分气体混合物理论功耗
2、混合物的性质
单组份物质以两相出现时(例如液氮和气氮)，并非所有热静力学参数 都是独立的。对于一组相态，在物性之间存在一个蒸气压力方程的关 系式。 对于多于一相和超过一个组分物质，我们必须应用Gibbs相规律(1878 年发现)来描述状态所需要独立变量的数目。
y
j 1
提高塔板效率的因素：小气泡；长接
触时间；大的总质交换系数。
20
(xB,xB)
yn-2
yn-1
yn
y3
Xn-2
y4 X5
xn Xn-1
X4
Xn+1 (xD,xD)
Y2 X3
y1 x2
xB=0.05 x1
Y0=xB
xD=0.98
所需理论塔板数的说明
精馏塔结构形式
焓－浓度图
在焓－浓度图中可以看出露点线 (饱和蒸汽)和泡点线(饱和液体)
随双组分混合物冷凝，混合物的 温度将降低，这意味着在露点线 和泡点线之间等温线在焓－浓度 图上并不是垂直线，而是有一定 的斜率。
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二元组分相变过程特 征 变温：对于某一成分的二元混合物，在一定压力下，
开始冷凝或开始蒸发到冷凝结束或蒸发结束时温度 是不断变化的，这点与纯组分不同。 两相浓度分别连续变化：在冷凝或蒸发过程中，液 相和气相的浓度是连续变化的。 通过部分冷凝或蒸发可以有效地分离沸点相差很大 的二元混合物（如氮－氦混合物，氨－氢混合物 等），但对沸点相差较小的二元混合物达不到有效 地分离。
p j py j
蒸汽相中第j组分的摩尔分量 :
y j ( j / p)x j
理想气体混合物的分压之和等于总压:
p pj j xj
j
j
对于两组分混合物， 式:
，x因2 此1，服x1从Gibbs-Dalton定律双组分混合物
p 1x1 2 (1 x1)
13
平衡常数
气相和液相中摩尔百分比之间的关系可以用平衡常数表达: