第六章气体精馏原理与设备 气体分离方法: 精馏 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 氧-氮二元系气液平衡 1.氧、氮、氩饱和压力与温度的关系 2.氧-氮二元系气液平衡 a.TXY图 =const 蒸汽 露点线 流体 12 CN 08
第六章 气体精馏原理与设备 气体分离方法： 1． 精馏 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、氩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 图 3.TP-hx-y图 第二节空气的精馏 液空的部分蒸发和空气部分冷凝 N2(6) Nx,% 蒸友率 05冷令凝率 二、空气的精馏过程 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氮,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
2．y-x 图 3．T-P-h-x-y 图 第二节 空气的精馏 一、液空的部分蒸发和空气部分冷凝 二、空气的精馏过程 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氮，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,则可相互 补充,并同时获得高纯度的氧和氮。 63n 1D%C2 14%02 图49液空多次蒸发和冷凝示意 图410筛扳塔示意图 连续多次的部分蒸发和部分冷凝称为精馏过程。每经过一次部 分冷凝和部分蒸发,气体中氮浓度就增加,液体中氧浓度也增加。这样经过多次便可将空气中氧和氮分开。 下面举例来说明:如图49所示,有三个容器II,Ⅲ其压力均为98.kPa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 II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ⅢI中的温度低, 所以从容器I引出的蒸气(80.5K)又继续冷凝,同时使容器I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%O2将此燕气由容器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%02在上述过程中,在气相中氧浓度减少的同时,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氮和液氧。这就是利用精馏过程分高空气的实质 图49所示流程示意图,仅仅说明精馏过程的基本概念,实际情况要复杂些。为了使精馏过程进行得 较完善,即为了使气、液接触后接近平衡状态,就要增大气、液接触面积和精加按触时间。为此,在空分 装量中是通过专门设备精馏塔来实现空气的精馏过程。 空气的精馏过程是在精馏塔中进行。目前我国制氧机中所用精馏塔主要是筛板塔。如图410所示, 在宜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
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，则可相互 补充，并同时获得高纯度的氧和氮。 连续多次的部分蒸发和部分冷凝称为精馏过程。每经过一次部 分冷凝和部分蒸发，气体中氮浓度就增加，液体中氧浓度也增加。这样经过多次便可将空气中氧和氮分开。 下面举例来说明：如图 4.9 所示，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 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%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，在气相中氧浓度减少的同时，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氮和液氧。这就是利用精馏过程分离空气的实质。 图 4.9 所示流程示意图，仅仅说明精馏过程的基本概念，实际情况要复杂些。为了使精馏过程进行得 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馏塔来实现空气的精馏过程。 空气的精馏过程是在精馏塔中进行。目前我国制氧机中所用精馏塔主要是筛板塔。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 图 4.9 液空多次蒸发和冷凝示意 图 图 4.10 筛扳塔示意图
程。连续经多块塔板后就能够完成精馏过程,从而得到所要求纯度的氧、氮产品。 三、精馏塔 空气的精馏过程是在精馏塔中进行。目前我国制氧机中所 用精馏塔主要是筛板塔。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馏过程, 从而得到所要求纯度的氧、氮产品 空气的精馏一般分为单级精馏和双级精馏,因而有单级精 馏塔和双级精馏塔 (一)单级精馏塔 氮气 氮气, 富氧空气 空气 空气
程。连续经多块塔板后就能够完成精馏过程，从而得到所要求纯度的氧、氮产品。 三、精馏塔 空气的精馏过程是在精馏塔中进行。目前我国制氧机中所 用精馏塔主要是筛板塔。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馏过程， 从而得到所要求纯度的氧、氮产品。 空气的精馏一般分为单级精馏和双级精馏，因而有单级精 馏塔和双级精馏塔。 （一）单级精馏塔
单级精馏塔有两类:一类是制取高纯度液氮(或气氮); 类是制取高纯度液氧(或气氧)。如图6-9所示。 图a所示为制取高塔度液氧(或气氮)的单级精馏塔, 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, 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)的单级精馏塔,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馏塔的顶端。 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
单级精馏塔有两类：一类是制取高纯度液氮（或气氮）； 一类是制取高纯度液氧（或气氧）。如图 6-9 所示。 图 a 所示为制取高塔度液氧（或气氮）的单级精馏塔，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）的单级精馏塔，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馏塔的顶端。 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%N2。 单级精馏塔分离空气不能同时获得纯氧和纯氮。为了同时 得到氧、氮产品,便产生了双级精馏塔 (二)双级精馏塔 高纯度氮气 氮 胀空气 氧气 去膨胀机 氧气 图413a全低压空分装置双级精馏塔 b.采用氮膨胀的双级精馏塔 图6-10为双级精馏塔的示意图。它由上塔、下塔和冷凝 蒸发器组成。上塔压力一般为130~150kPa,下塔压力一般为 500~600kPa。但可以根据用户的需要,使上塔压力提高至 450~550kPa,下塔提高到1100~1300kPa 经过压缩、净化并冷却后的空气进入下塔底部,自下而上 的流过每块塔板,至下塔顶部便得到一定纯度的气氮。下塔 塔板数越多,气氮纯度越高。氮进入冷凝蒸发器的冷凝侧时
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%N2。 单级精馏塔分离空气不能同时获得纯氧和纯氮。为了同时 得到氧、氮产品，便产生了双级精馏塔。 （二）双级精馏塔 图 6-10 为双级精馏塔的示意图。它由上塔、下塔和冷凝 蒸发器组成。上塔压力一般为 130~150kPa，下塔压力一般为 500~600kPa。但可以根据用户的需要，使上塔压力提高至 450~550kPa，下塔提高到 1100~1300kPa。 经过压缩、净化并冷却后的空气进入下塔底部，自下而上 的流过每块塔板，至下塔顶部便得到一定纯度的气氮。下塔 塔板数越多，气氮纯度越高。氮进入冷凝蒸发器的冷凝侧时， 图 4.13 a.全低压空分装置双级精馏塔 b.采用氮膨胀的双级精馏塔
被液氧冷却变成液氮,一部分作为下塔回流液,沿塔板流下, 至下塔塔釜便得到含氧36-40%的富氧液空;另一部分聚集 在液氮槽中,经液氮节流阀后送入上塔顶部作上塔的回流 液 下塔塔釜中的液空经节流阀后送入上塔中部,沿塔板逐块 流下,参加精馏过程。只要有足够多的塔板,在上塔的最下 块塔板上就可以得到纯度很高的液氧。液氧进入冷凝蒸发 器的蒸发侧,被下塔的气氮加热蒸发。蒸发出来的气氧一部 分作为产品引出,另一部分自下而上穿过每块塔板进行精 馏。气体越往上升,其中氮浓度越高。 双级精馏塔可在上塔顶部和底部同时获得纯氮和纯氧;也 可以在冷凝蒸发器的两侧分别取出液氧和液氮 上塔又分两段,从液空进料口至上塔底部称为提馏段;从 液空进料口至上塔顶部称为精馏段。冷凝蒸发器是连接上下 塔使二者进行热量交换的设备,对下塔是冷凝器;对上塔是 蒸发器。 图6-11a所示为全低压空分装置的双级精馏塔的示意图。 全低压流程中的空气压力和下塔压力相同,约为 500~600kPa。装置运转时的冷损主要靠一部分压缩空气在透 平膨胀机中膨胀产生的冷量来补偿。膨胀后的压力为 138~140kPa,低于塔压力,这部分膨胀空气无法再进入下塔 如果不使其参加精馏,则氧的损失太大,很不经济。因而从
被液氧冷却变成液氮，一部分作为下塔回流液，沿塔板流下， 至下塔塔釜便得到含氧 36~40%的富氧液空；另一部分聚集 在液氮槽中，经液氮节流阀后送入上塔顶部作上塔的回流 液。 下塔塔釜中的液空经节流阀后送入上塔中部，沿塔板逐块 流下，参加精馏过程。只要有足够多的塔板，在上塔的最下 一块塔板上就可以得到纯度很高的液氧。液氧进入冷凝蒸发 器的蒸发侧，被下塔的气氮加热蒸发。蒸发出来的气氧一部 分作为产品引出，另一部分自下而上穿过每块塔板进行精 馏。气体越往上升，其中氮浓度越高。 双级精馏塔可在上塔顶部和底部同时获得纯氮和纯氧；也 可以在冷凝蒸发器的两侧分别取出液氧和液氮。 上塔又分两段，从液空进料口至上塔底部称为提馏段；从 液空进料口至上塔顶部称为精馏段。冷凝蒸发器是连接上下 塔使二者进行热量交换的设备，对下塔是冷凝器；对上塔是 蒸发器。 图 6-11a 所示为全低压空分装置的双级精馏塔的示意图。 全 低 压 流 程 中 的 空 气 压 力 和 下 塔 压 力 相 同 ， 约 为 500~600kPa。装置运转时的冷损主要靠一部分压缩空气在透 平膨胀机中膨胀 产生的冷 量来补偿。 膨胀后的压 力为 138~140kPa，低于塔压力，这部分膨胀空气无法再进入下塔。 如果不使其参加精馏，则氧的损失太大，很不经济。因而从
全低压流程的经济性来考虑,希望膨胀后的低压空气能参加 精馏。它的压力在上塔工况范围之内,故有可能进入上塔; 同时上塔实际的气液比较精馏所需的气液比大,即上塔的精 馏有潜力。1932年拉赫曼发现了这一规律,并提出利用上塔 精馏潜力的措施,可将适量(约占空气量的20~25%)的膨 胀空气直接送入上塔进行精馏。这称为拉赫曼原理。它的特 点是:80%左右加工空气进下塔精馏,而20%左右加工空气 经膨胀后直接进入上塔。随着化肥工业的发展,不仅需要纯 氧,而且需要9999%N2的纯氮。为了提取纯氮,可在上塔 顶部设置辅塔,用来进一步精馏一部分气氮,以便在上塔顶 部得到纯氮。 另一种利用上塔精馏潜力的措施是从下塔顶部或冷凝蒸 发器顶盖下抽出氮气,复热后进入氮透平膨胀机,经膨胀并 回收其冷量后,作为产品输出或者放空,如图6-11b所示。 由于从下塔引出氮气,使得冷凝蒸发器的冷凝量减少,因而 送入上塔的液体馏分量也减少,上塔精馏段的气液比也就减 少,精馏潜力同样得到利用 四、双级精馏塔的物料和热量衡算 (一)精馏塔各主要点工作参数的确定 在图6-10所示的双级精馏塔中,上、下塔顶部、底部的 工作参数可通过计算及查相平衡图而求得
全低压流程的经济性来考虑，希望膨胀后的低压空气能参加 精馏。它的压力在上塔工况范围之内，故有可能进入上塔； 同时上塔实际的气液比较精馏所需的气液比大，即上塔的精 馏有潜力。1932 年拉赫曼发现了这一规律，并提出利用上塔 精馏潜力的措施，可将适量（约占空气量的 20~25%）的膨 胀空气直接送入上塔进行精馏。这称为拉赫曼原理。它的特 点是：80%左右加工空气进下塔精馏，而 20%左右加工空气 经膨胀后直接进入上塔。随着化肥工业的发展，不仅需要纯 氧，而且需要 99.99%N2 的纯氮。为了提取纯氮，可在上塔 顶部设置辅塔，用来进一步精馏一部分气氮，以便在上塔顶 部得到纯氮。 另一种利用上塔精馏潜力的措施是从下塔顶部或冷凝蒸 发器顶盖下抽出氮气，复热后进入氮透平膨胀机，经膨胀并 回收其冷量后，作为产品输出或者放空，如图 6-11b 所示。 由于从下塔引出氮气，使得冷凝蒸发器的冷凝量减少，因而 送入上塔的液体馏分量也减少，上塔精馏段的气液比也就减 少，精馏潜力同样得到利用。 四、双级精馏塔的物料和热量衡算 （一）精馏塔各主要点工作参数的确定 在图 6-10 所示的双级精馏塔中，上、下塔顶部、底部的 工作参数可通过计算及查相平衡图而求得
1.上塔顶部的压力p及温度T P1=P0+4 式中p—产品氮气输出的压力,要求稍高于大气的压 力,一般取103kPa; Δp——产品流动阻力(包括换热器、管道、阀门等) 温度T决定于p及排出氮气的浓度,由相平衡图查得。 2.上塔底部的压力p2及温度T2 p2= p,+A 式中Ap——上塔阻力,一般取10~15kPa 温度T2可由p及液氧的纯度决定。 3.液氧的平均温度Tm冷凝蒸发器底部液氧的压力为 P,=P2+Hxp×98.1×10 式中H—冷凝蒸发器中液氧液柱的高度(m) p——-液氧的密度(kgm3)。 根据p3及液氧的纯度可确定液氧底部温度Ts,则 2+ 4.冷凝蒸发器中氮的冷凝温度T4 T=Tm+8 其中θ是冷凝蒸发器的传热温差,在设计中选定。如果定 得偏小,则导致冷凝蒸发器传热面积过大,如取得偏大,则 造成下塔工作压力太高。一般对中压空分装置n=2~3K,对 全低压空分装置取bn=1.6-1.8K
1．上塔顶部的压力 p1 及温度 T1 p1 = p0 + p 式中 0 p ——产品氮气输出的压力，要求稍高于大气的压 力，一般取 103kPa； p——产品流动阻力（包括换热器、管道、阀门等）。 温度 T1 决定于 p1 及排出氮气的浓度，由相平衡图查得。 2．上塔底部的压力 p2 及温度 T2 p2 = p1 + p1 式中 p1——上塔阻力，一般取 10~15kPa。 温度 T2 可由 p2 及液氧的纯度决定。 3．液氧的平均温度 Tm冷凝蒸发器底部液氧的压力为 4 2 98.1 10− ps = p + H 式中 H——冷凝蒸发器中液氧液柱的高度（m）； ——液氧的密度（kg/m3）。 根据 p3 及液氧的纯度可确定液氧底部温度 Ts，则 2 T2 T3 Tm + = 4．冷凝蒸发器中氮的冷凝温度 T4 T4 = Tm + m 其中 m 是冷凝蒸发器的传热温差，在设计中选定。 m 如果定 得偏小，则导致冷凝蒸发器传热面积过大，如取得偏大，则 造成下塔工作压力太高。一般对中压空分装置 m =2~3K，对 全低压空分装置取 m =1.6~1.8K
5.下塔顶部的压力p4根据冷凝蒸发器氮的冷凝温度, 查相平衡图可得下塔顶部压力p4 6.下塔底部压力ps及温度Ts Ps=P4+Ap4 式中42—下塔阻力,一般取10kPa 根据p3及富氧液空的浓度可确定温度Ts (二)精馏塔的物料衡算 根据物料平衡和热量平衡可求出塔内物流数量和产品纯 度,空气进塔状态及冷凝蒸发器热负荷等参数。物料平衡包 括 (1)总物料平衡:空气在精馏塔内分离所得各产品数量 的总和应等于加工空气量; (2)各组分平衡:空气在精馏塔中分离所得各产品中某 组分量的总和应等于加工空气中该组分的量。 用VK、V、V,分别代表加工空气、氧产品和氮产品的流 通(Nm3h),用y、y、y分别代表空气及氧、氮产品中 氮浓度,则根据物料平衡得 VKYN=VNyN,+Vo,yN (6-6) 解上式得
5．下塔顶部的压力 p4 根据冷凝蒸发器氮的冷凝温度， 查相平衡图可得下塔顶部压力 p4。 6．下塔底部压力 p5及温度 T5 p5 = p4 + p4 式中 p4——下塔阻力，一般取 10kPa。 根据 5 p 及富氧液空的浓度可确定温度 T5。 （二）精馏塔的物料衡算 根据物料平衡和热量平衡可求出塔内物流数量和产品纯 度，空气进塔状态及冷凝蒸发器热负荷等参数。物料平衡包 括： （1）总物料平衡：空气在精馏塔内分离所得各产品数量 的总和应等于加工空气量； （2）各组分平衡：空气在精馏塔中分离所得各产品中某 一组分量的总和应等于加工空气中该组分的量。 用 VK、 o2 V 、 N2 V 分别代表加工空气、氧产品和氮产品的流 通（Nm3 /h），用 K N y 2 、 O N y 2 、 N N y 2 分别代表空气及氧、氮产品中 氮浓度，则根据物料平衡得 = + = + O o N N N N K K N K N o V y V y V y V V V 2 2 2 2 2 2 2 （6-6） 解上式得