华科大低温技术原理与设备讲义06气体精馏原理与设备.docx
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1、第六章气体精播原理与设备气体分离方法:1 .精福2 .分凝3 .吸收4 .吸附(PSA、VPSA)5 .膜分离第一节主要成分间的气液平衡一、氧.氮二元系气液平衡1 .氧、氮、氮饱和压力与温度的关系2 .氧-氮二元系气液平衡a.T-X-Y图2. y-x图3. T-P-h-x-y图第二节空气的精储一、液空的部分蒸发和空气部分冷凝二、空气的精储过程从部分蒸发和部分冷凝的特点可看出,两种过程可以分别得到高纯度的氧和高纯度的氯,但不能同时获得。而且两个过程恰好相反:部分蒸发需外界供给热量,部分冷凝则要向外界放出热量;部分蒸发不断地向外释放蒸气,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
2、连续地放出冷凝液,如欲获得大量高纯度气氨,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,则可相互补充,并同时获得高纯度的氧和犯。图4.9液空多次蒸发和冷凝示意图4.10筛扳塔示意图连续多次的部分蒸发和部分冷凝称为精储过程。每级1.次部分冷凝和部分蒸发,气体中如浓度就增加,液体中氧浓度也增加。这样经过多次便可将空气中氧和热分开.下面举例来说明:如图4.9所示,有三个容器I,IbIII,其压力均为98JkPa.在容器I内盛有含氧20.9%的液空,容器II和Ul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40%的液体的饱
3、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;而液体被加熟,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%2将此蒸气引到容器【I,由于30%(h富辄液空的饱和温度(79.6K)比容器III中的温度低,所以从容器HI引出的蒸气(80.5K)又继续冷凝,同时使容器11中的液体蒸发。当蒸气与30%(h的液体达到平衡状态时蒸气浓度又继续冷凝,同时使容器H中的液体蒸发。当蒸气与30%(h的液体达到平衡状态时蒸气浓度就变成9%2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,则蒸气中融又增加,含氧仅63%2.在上述过程中,在气相中氧浓度减少
4、的同时,液体中氧则增加。这样多次进行下去,最后可获得足够数量的高纯度气融和液氧。这就是利用精值过程分离空气的实质。图4.9所示流程示意图,仅仅说明精憎过程的基本概念,实际情况要复杂些。为了使精储过程进行得较完善,即为了使气、液接触后接近平衡状态,就要增大气、液接触面积和精加接触时间。为此,在空分装置中是通过专门设备精馆塔来实现空气的精情过程。空气的精储过程是在精博塔中进行。目前我国制班机中所用精储塔主要是筛板塔。如图4.10所示,在直立圆柱形筒内装有水平放置的筛孔板,温度较低的液体由上块塔板经溢流管流下来,温度较高的蒸气由塔板下方通过小孔向上流动,与绵孔板上液体相遇,进行热质交换,也就是进行部
5、分蒸发和部分冷凝过程。连续经多块塔板后就能够完成精慎过程,从而得到所要求纯度的氧、氟产品。三、精储塔空气的精锚过程是在精偏塔中进行。目前我国制氧机中所用精憎塔主要是筛板塔。如图6-8所示,在直立圆柱形筒内装有水平放置的筛孔板,温度较低的液体由上块塔板经溢流管流下来,温度较高的蒸气由塔板下方通过小孔向上流动,与筛孔板上液体相遇,进行热质交换,也就是进行部分蒸发和部分冷凝过程。连续经多块塔板后就能够完成精储过程,从而得到所要求纯度的氧、氮产品。空气的精偶一般分为单级精储和双级精储,因而有单级精播塔和双级精镭塔。(一)单级精微塔单级精福塔有两类:一类是制取高纯度液氮(或气氮);一类是制取高纯度液氧(
6、或气氧)。如图6-9所示。图a所示为制取高塔度液氧(或气氮)的单级精储塔,它由塔釜、塔板及筒壳、冷凝蒸发器三部分组成。压缩空气经换热器和净化系统除去杂质并冷却后进入塔的底部,并自下而上的穿过每块塔板,与塔板上的液体接触,进行热质交换。只要塔板数目足够多,在塔的顶部能得到高纯度气氮(纯度为99%以上)。该气氮在冷凝蒸发器内被冷却而变成液体,一部分作为液氮产品,由冷凝蒸发器引出;另一部分作为回流液,沿塔板自上而下的流动。回流液与上升的蒸气进行热质交换,最后在塔底得到含氧较多的液体,叫富氧液空,或称釜液,其含氧量约40%左右。釜液经节流阀进入冷凝蒸发器的蒸发侧(用来冷却冷凝侧的氮气)被加热而蒸发,变
7、成富氧空气引出。如果需要获得气氮,则可从冷凝蒸发器顶盖下引出。图b所示为制取纯氧(99%以上)的单级精储塔,它由塔体及塔板、塔釜和釜中蛇管蒸发器组成。被冷却和净化过的压缩空气经过蛇管蒸发器时逐渐被冷凝,同时将它外面的液氧蒸发。冷凝后的压缩空气经过节流阀进入精储塔的顶端。此时,由于节流降压,有一小部分液体气化,大部分液体自塔顶沿塔板下流,与上升的蒸气在塔板上充分接触,含氧量逐步增加。当塔内有足够多的塔板数时,有塔底可以得到纯的液氧。所得产品氧可以气态或液态引出。该塔不能获得纯氮。由于从塔顶引出的气体和节流后的液空处于接近相平衡状态,因而它的浓度约为93%N20单级精镭塔分离空气不能同时获得纯氧和
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