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空分技术

日期: 2019-04-15 09:22:15
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深冷空气分离技术

深度冷冻法分离空气是将空气液化后,再利用氧、氮的沸点不同将它们分离。即,造成气、液浓度的差异这一性质,来分离空气的一种方法。

目录

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技术说明


因此必须了解气、混合物的一些基本特征:气-液相平衡时浓度间的关系:液态空气蒸发和冷凝的过程及精馏塔的精馏过程。

特征要求


1. 空气的汽-液相的平衡,物质的聚集状态有气态、液态、固态。每种聚集态内部,具有相同的物理性质和化学性质并完全均匀的部分,称为相。空气在塔内的分离,一般情况下,物料精馏是在汽、液两相进行的。空气中氧和氮占到99.04%,因此,可近似地把空气当作氧和氮的二元混合物。当二元混合物为液态时,叫二元溶液。
氧、氮可以任意比例混合,构成不同浓度的气体混合物及溶液。把氧、氮溶液置于一封闭容器中,在溶液上方也和纯物质一样会产生蒸汽,该蒸汽是由氧、氮蒸汽组成的气态的相混合物。对于氧氮二元溶液,当达到汽液平衡时,它的饱和温度不但和压力有关,而且和氧、氮的浓度有关。当压力为1at时,含氮为0%,2%,10%的溶液的沸点列于表1-5。从表可知,随着溶液中低沸点组分(氮)的增加,溶液的组和温度降低,这是氧-氮二元溶液的一个重要特性。
空气中含氩0.93%,其沸点又介于氧、氮之间。
在空气分离的过程中,氩对精馏的影响较大,特别是在制取高纯氧、氮产品时,必须考虑氩的影响。
一般在较精确的计算中,又将空气看作氧-氩-氮
三元混合物,其浓度为氧20.95%,氩0.93%,氮78.09%(按容积)。
三元系的汽液平衡关系,可根据实验数据表
示在相平衡图上。确定三元系的汽液平衡状态时,必须给定三个独立参数,除给定温度、压力外,需再细定一个组分浓度(气相或液相)平衡状态才能确定。
2. 压力-浓度图和温度-浓度图 在工业生产中,气液平衡一般在某一不变条件下进行的。在温度一定时可得如图1-13所示的压力-浓度的关系图(P-X图)。
图1-13是根据T=常数,绘出的氧、氮平衡系的P-X图,纵坐标为压力,横坐标取氮的液相及气相浓度(也可取氧的浓度)。每给定一个压力就对应有一个液相及气相浓度。分别连接不同压力下的气相浓度点及液相浓度点,则可得出图中所示的饱和蒸汽线(虚线)和饱和液体线(实线)。其余相区如图所示。
在某一压力P1下,与液、汽饱和线的交点分别为点1(X1)和点2(y2),又因为PN20>PO20根据康诺瓦罗夫定律,氮组分在气相中的浓度要大于在液相中的浓度y2>x1。
一般蒸发(冷凝)过程是在等压下进行的,所以用T-X图来研究这一过程更为方便。在等压下,氧、氮的气液平衡图见图1-14。每经定一个温度,就对应有一个液相及气相浓度。把不同温度下对应的气相浓度点和液相浓度点连接起来,可得饱和蒸汽线(虚线)和饱和液体线(实线)。这两条曲线把图分为三个区域:液相区、气相区及两相区。由图1-14可知,纯组分时的沸点TN20PO20在某一温度T1下,根据康诺瓦罗夫定律可知,y2>x1。同时,还可以看出,当浓度为x1时溶液的沸点是T1,即不等于TO20,也不等于TN20而是介于两者之间。
对于不同压力,可得不同的氧、氮平衡曲线(见图1-15)图中压力P3>P2>P1,压力越高,饱和液体线和饱和蒸汽线之间的距离越窄,也就是说高压下气-液间浓度差变小,而在低压下浓度差加大。在相同的液相浓度X0下,可以看出y1>y2>y3。气液相浓度差越大,表示氧气分离越容易,因此在低压下,分离空气是比较有利的,因为可以大大减少精馏塔板的数量。
3. 汽液平衡浓度图(y-x图) 在一定压力下,取二元溶液中低沸点组分(氮)的浓度xN2为横坐标,与其平衡的气相中氮浓度yN2为纵坐标,构成的图叫y-x图(见图1-16)
在y-x图中P3>P2>P1。当压力愈低时,等压线离y=x的对角钱就愈远,表示组分在汽液中相的浓度差愈大,混合物分离就愈容易。
当压力一定时,由于采用低沸点组分为坐标的,气在气相中的浓度大于液相中的浓度,所以等压线均在对角线(y=x线)以上,并为向上凸起曲线。如以高沸点组分氧为浓度坐标时则相反。
用y-x图了解气液平衡时气液相浓度的关系非常清楚和方便,所以在二元溶液精馏过程中,分析塔板上气液浓度变化时常要用到该图。
4. 焓-浓度图 在空气分离技术中,很多情况下是研究过程的热现象,因此通常采用焓-浓度图(h-x图)来进行研究就显得比较方便。
由给定的压力、温度和成分,再根据热焓的计算式,求出与给定成分相对应的饱和汽相和饱和液相的热焓值,并将所得的点1\\、2\\…和1\、2\、…连接起来,则可得饱和蒸汽线(虚线)和饱和液体线(实线)、然后再借助给定压力下的T-x图,求出在两相区的等温线(见图1-17)。
在h-x图上,当xN2=0.xN1=1时,饱和蒸汽线和饱和液体线之间的距离,分别为液氧的汽化潜热RO2和液氮的汽化潜热rN2。当压力改变时,因为各组分的饱和蒸汽和饱和液体的热焓随压力而变化,所以饱和蒸汽线和饱和液体线的位置就不同,压力越高,这两条曲线越向上移。H-x图的用途很广,除用来作精馏计算外,还可以用该图求得氧氮混合物的潜热、液体节流后的汽化率及汽液相浓度。
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