上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 低温原理及应用 第6讲气体分离基础 2018年春季 黄永华博士、教授 是是 答疑： 邮箱huangyh@sjtu.edu.cn;电话：34206295 或预约办公室：机动A楼432室
低温原理及应用 第6讲 气体分离基础 2018年春季 黄永华 博士、教授 答疑: 邮箱 huangyh@sjtu.edu.cn ; 电话: 34206295 或预约 办公室：机动A楼432室
气体分离方法 低温分离 最经济 ·变压吸附分离 分离系统性能？ ·膜分离 分离混合物的理论最小功
气体分离方法 • 低温分离 • 变压吸附分离 • 膜分离 最经济 分离系统性能? 分离混合物的理论最小功
1.热力学理想分离系统 可逆分离和混合 为实际分离系统提供比较依据 气体混合时输出功，输入同样的功就可以把他们分开（可逆过程) 允许A通过 应在恒温下进行 允许B通过 1 半渗透膜 是否存在并不重要 A和B混合物 Tm Pm AB → AB B A和B混合物 AAB 2 纯A 纯B 双组份混合气体的 膜分离过程 Tm Pm m Pm
可逆分离和混合 双组份混合气体的 膜分离过程 Tm pm Tm pm Tm pm 1 2 w A B AB A B w A AB pA pm 半渗透膜 气体混合时输出功，输入同样的功就可以把他们分开（可逆过程） 是否存在并不重要 应在恒温下进行 1.热力学理想分离系统 为实际分离系统提供比较依据
·可逆地分离气体所耗能量 =把每一组分在混合气中分压恒温压缩到混 合气的压力所需要压缩功之和
• 可逆地分离气体所耗能量 = 把每一组分在混合气中分压恒温压缩到混 合气的压力所需要压缩功之和
开始时混合气体(Tm,Pm) 当两个活塞同时相对运动，并把每种气体压缩到原始混合气的压力时，混合气分 成同温度同压力下的两种纯气体 P=PA+PB 每种气体应用T-$图 B A和B混合物 可逆等温耗功 -W/m=Tm(s1-s2)-(h1-h2) 分离单位质量混合物的总耗功-W=(-W.a)+(-W.b) -Wi/mm =(-Wi.a /ma)(ma /mm)+(-Wi,b /mb)(mb /mm 代入后，总的理想耗功 m)()+(m /m) Mm -[(ma/mm)(hia-h2a)+(mo /mm)(hib-h28)
每种气体应用T-s图 可逆等温耗功 W m T s s h h i m / ( ) ( ) 1 2 1 2 分离单位质量混合物的总耗功 代入后，总的理想耗功 开始时混合气体（Tm, Pm） 当两个活塞同时相对运动，并把每种气体压缩到原始混合气的压力时，混合气分 成同温度同压力下的两种纯气体 Pm= PA + PB i i a i - = - + - W W W （ ， ）（ ，b）
大部分分离过程运行压力较低，可以当作理想气体的混合物 W =Tm [(ma mm)(Sia-S2a)+(mb /mm)(S18-S28)] Mm -[(mal mm)(hia-h2a)+(mb /mm)(hib-h26) pv =mRT e,nin P 理想气体混合物分离的理论功 h-h =cp(T2-T) W =Tm[(ma m)Ra (P/Pa)(m /mR(P)] Mm Pm mmRmTm /Vm mmRm 摩尔单位 Pm nm 1 T Pia maRaTa/Va maRa Pia 气体A的摩尔分量ya=na/nm 分离1摩尔混合物耗功为 =[.ln1/x,)+yn/%月 nm
大部分分离过程运行压力较低，可以当作理想气体的混合物 pv mRT 理想气体混合物分离的理论功 T Vm 摩尔单位 P P n n y m a m 1 a a 1 气体A的摩尔分量 分离1摩尔混合物耗功为 2 2 2 1 1 1 ln ln p T p s s c R T p 2 1 2 1 ( ) p h h c T T i m a a b b m - = ln(1/ ) ln(1/ ) W RT y y y y n
扩展到种组分理想气体混合物的完全分离 形=RI∑y,ln(1/y,) 混合物中j组分的摩尔分量 类似于定义液化系统的循环效率那样定义分离系统的分离效率FOM为 Wil nm -Wi/mm FOM= _Wnm -W mm
扩展到 j 种组分理想气体混合物的完全分离 混合物中 j 组分的摩尔分量 类似于定义液化系统的循环效率那样定义分离系统的分离效率FOM为 / / / / i m i m m m W n W m FOM W n W m i m m - = ln(1/ ) j j j W RT y y n
表3.4空气中的混合气体组分分离的理想耗功(300K) 气体组分 摩尔分量 单位摩尔混合气耗功 分离出单位质量该种气体组分 kJ/kmol 所耗的功(I/8) W 0.78084 1312 60.0 02 0.20946 1280 191.0 Ar 0.00934 132.1 353.9 C02 0.00033 7.42 511.0 Ne 1.818×105 0.540 1472.5 Kr 1.14×106 0.0404 438.1 Xr 8.60x108 0.00370 328.1 氢氘化合物 3.12×104 7.06 7483 氘 1.56×104 3.80 6090 He3 1.00×107 0.00427 14222
表3.4 空气中的混合气体组分分离的理想耗功（300K）
混合物的性质 (1)相律 单组分物质（例如氮气）单相 2个独立的热物性值（如温度和压力） 混合物单相 +摩尔百分比 单组份物质出现两相 只需一个物性参数（例如饱和温度） 多相多质 相律 T=C-P+2 体系状态所需独立变量数 组分数相数
混合物的性质 (1) 相律 单组分物质(例如氮气)单相 2个独立的热物性值 (如 温度和压力) 混合物单相 +摩尔百分比 单组份物质出现两相 只需一个物性参数(例如饱和温度) 多相多质 相律 T = C - P + 2 体系状态所需独立变量数 组分数 相数
压力=常数 蒸气 双组分混合物相平衡曲线有几种可能出现的三种典型曲线 L+V 1.第一种：适用于压力低于双组分的临界压力， 液体 把空气看作是氦和氧的混合物时，压力在 (a) 摩尔百分比 100-1000kPa之间的液空属于这种情况。 蒸气 2.第二种：混合物中组分之一的临界压力低于 临界点 所作的温度-浓度图时的压力。氨~氦混合物 L+V 压力在2MPa左右会出现这种类型的曲线。 液体 3.第三种：在一定的浓度下混合物会转为共沸 (b) 摩尔百分比 混合物。这时混合物的性能与单纯组分物质 共沸点 完全一样。典型例子是在丙酮与三氟甲烷作 蒸气 为混合物会产生这种现象。用精馏原理无法 黄 L+V 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。 液体 0 摩尔百分比 (c)
1. 第一种：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 100-1000kPa之间的液空属于这种情况。 2. 第二种：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。 3. 第三种：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。 双组分混合物相平衡曲线有几种可能出现的三种典型曲线