气体的分离

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
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％
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N2−He，N2−H2， CH4−N2，CH4−H2等
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
从部分蒸发和部分冷凝的特点可看出，对于N2–O2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 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
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
气体的分离、提取或纯化过程在物理本质上都属同一概念， 即把混合物变为纯物质
“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。
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 (30~40)%；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
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
以从液态主气中分离氧、氮最为重要 空气分离的副产品还有氩、氪、氙、氖和氦 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
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 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
部分冷凝适用于混合物各组分沸点差别较大的情况
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
80％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% 。 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，
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，则需要相应地补充气体
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 多次的部分蒸发和部分冷凝过程的结合称为精馏（rectification ）过程。
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
来自百度文库
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
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
5.1 气体的分离原理
5.1.1 冷凝和闪蒸分离
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 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 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
态时蒸气中氧的摩尔分数就变
成9%O2 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
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93.7%，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
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
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