精馏原理 精馏的组成与装置构成.ppt

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1、精馏,两大组成部分:1、精馏原理2、精馏的流程与装置,空气分离的几种方法1低温法（精馏/分凝）压缩 膨胀 液化（深冷）精馏 低温法的核心(相同点:冷凝至液体,按各组分蒸发的温度不同将它们分离。不同点:精馏适用沸点相近的场合,分凝适用沸点相差较大的场合。)2吸附法：利用固体吸附剂（分子筛、活性炭、硅胶、铝胶）对气体混合物中某些特定的组分吸附能力的差异进行的一种分离方法。3膜分离法：利用有机聚合膜对气体混合物的渗透选择性。,空气的组成：定义为均匀的多组分气体，主要成分为氧.氮.氩.以及微量的氢和稀有气体(氦.氖.氪.氙),同时根据地区条件包含不定量的二氧化碳.水蒸气.碳氢化合物.空气的各组分在标准

2、大气压下气液的转变条件:氧气冷却到90.188K,氮气冷却到77.36K,氩气冷却到87.29K,都会变成液体.低温精馏的基础根据各组分的沸点差将空气分离.,空气分离的基本原理:利用低温精馏法,将空气冷凝成液体,然后按各组分蒸发温度不同将空气分离.,部分蒸发:如果当液体蒸发时，把产生的蒸气连续不断地从容器中引出，这种蒸发过程称部分蒸发。在蒸发的过程假定每一瞬时引出的蒸气是与该瞬间的液体的平衡状态，那么液相的摩尔分数沿X2X3变化；蒸气中氮组分沿Y2Y3变化。随着蒸发的进行，液相中氮的摩尔分数不断地降低，最后可达X6，这里X6为简单蒸发过程最后一滴液体中氮的摩尔分数。可见部分蒸发可以在液相中获得

3、氧摩尔分数较高的产品；但氧的摩尔分数越高，获得的液氧数量越小，数量与质量间存在着矛盾，而且不可能同获得高纯度的气氮。,_,_,_,.,_,_,_,6,6”,5,5”,3,2,1,3”,2”,T,(N)%,部分冷凝：如果在空气定压冷凝过程中，将所产生的冷凝液连续不断地从容器中导出，这种冷凝过程称部分冷凝，在部分冷凝过程中，第一滴冷凝液的氮摩尔分数为X4，它与被冷凝空气 Y4（即 4）处于平衡状态。令空气在定压下继续冷凝，则气相中氮的摩尔分数沿Y4Y3 变化，液相中氮的摩尔分数沿X4X3 变化，冷凝到最后时，所剩蒸气中氮的摩尔分数很高，但数量却很少。所以部分冷凝仅能获得数量很少的高摩尔分数气氮，也

4、存在着质和量的矛盾，而且不能获得高纯度的液氧。,_,_,_,_,4,4,3,3”,2,2”,T,(N)%,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，但不能同时获得高纯度氧和高纯度氮。而且两个过程的性质恰好相反：部分蒸发需外界供给热量，部分冷凝则要向外界放出热量；部分蒸发不断地向外界释放蒸气，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进所不能解决的问题。空气精馏过程中氧氮的气液转换:氧和氮无论在气

5、态还是液态都能以任何比例均匀的混合在一起,在一定压力下,当氧氮混合气体冷凝时,由于氧的冷凝温度高,氮的温度低,从而氧比较容易凝结成为液体,在冷凝过程中蒸汽的氧含量逐渐降低,氮的含量逐渐增加,冷凝温度也随之下降,直至气体全部冷凝为液体.在一定压力下蒸发液态空气则相反,低沸点的氮组分先蒸发,使高沸点组分氧的含量增加,蒸发温度也随之增高.,当处在冷凝温度时的空气,穿过比它温度低的氧氮组成的液体层时,气,液由于温度差的存在,进行热交换,温度低的液体吸收热量而蒸发,其中氮组分首先蒸发,温度较高的气体冷凝,放出冷凝热.气体冷凝时,首先冷凝氧组分.这一过程一直进行到气相和液相温度相等为止.这个时候,由于液相

6、蒸发,氮组分减少,同时由于气相中的氧也进入了液相,此时液相中的氧组分含量增加.同样由于气相冷凝,使氧组分减少,液相中蒸发的氮进入气相,此时气相中的氮组分含量增加.多次的部分蒸发和部分冷凝过程的结合称为精馏过程。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。这样多次进行下去,最后可或得足够数量的高纯度的气氮和液氧,这就是精馏空气分离的实质.,有三个容器，其压力均为98.1kPa。在容器内盛有含氧20.9%的液空，容器和分别盛有含氧30%及40%的富氧液空，将空气冷却到冷凝温度(82K)并通入容器的液体中。由于空气的温度比含氧40%的液

7、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。当气液温度相等时，与液体相平衡的蒸气中含氧只有14%。将此蒸气引到容器，由于30%富氧液空的饱和温度(79.6K)比容器中的温度低，所以从容器引出的蒸气(80.5K)又继续冷凝，同时使容器中的液体蒸发。当蒸气与30%的液体达到平衡状态时蒸气摩尔分数就变成9%。将此蒸气由容器再引入容器，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%。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%，而液相中氧摩尔 分数由10%提高

8、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，故次得到平衡.,三,二,一,上述过程中:在气相的氧含量减少的同时,液体的氧含量增加.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。这就是利用精馏过程分离空气的实质。,精馏塔的分类:完成精馏的塔设备称为精馏塔。塔设备为气液两相提供充分的接触时间、面积和空间，以达到理想的分离效果。根据塔内气液接触部件的结构型式，可将塔设备分为两大类：板式塔和填料塔。板式塔：塔内沿塔高装有若干层塔板，相邻两板有一定

9、的间隔距离。塔内气、液两相在塔板上互相接触，进行传热和传质，属于逐级接触式塔设备。填料塔：塔内装有填料，气液两相在被润湿的填料表面进行传热和传质，属于连续接触式塔设备。,液氮(气氮):压缩空气进入塔低 自下向上穿过每块塔板,与塔板上的液体接触进行热交换,塔顶得到高纯度氮,一部分做产品引出,另一部分做回流液,自上向下流动,与上升蒸汽进行热交换,塔低得到富氧液空.,单级精馏塔,高纯度的液氧:冷凝后的压缩空气经节流阀进入精馏塔顶部,自塔顶沿塔板下流,与上升蒸汽在塔板上充分接触,氧含量逐步增加,足够多的塔板,在塔低得到纯氧.,双级精馏塔加工空气冷却膨胀后送入下塔低部,做下塔上升气体,在冷凝蒸发器中冷凝

10、的液氮从下塔顶部下流做回流液,下塔上升蒸汽气体温度较高,下流的液体较高,下塔上升的气体每经过一块塔板就遇到比它温度低的液体,气体本身温度降低,并不断有蒸汽冷凝成液体,由于氧是难挥发组分,氮是易挥发组分,冷凝过程中,氧要比氮较多的冷凝,于是蒸汽中的氮浓度有所提高,经过多次进行,塔顶的氮气浓度高达99%,引至冷凝蒸发器中放出热量冷凝成液体,一部分做下塔回流液.液体下流吸热部分汽化,氮较多比氧蒸发出来,剩下的液体氧含量增加这样一次次进行,下塔得到富氧液空.液空经节流阀降压至上塔中部,与下塔精馏原理相同氮较多的被蒸发,下流液体含氧量不断提高,上升的蒸汽中的氮含量不断提高,从下塔上部冷凝的99%液氮经节

11、流送至上塔顶部做回流液,蒸汽多次部分冷凝,回流液不断部分蒸发,氧较多的留在液相中,氮较多的蒸发到气相中.于是上塔顶部可以得到含氮99%以上的氮气.上塔低部可以得到含氧99%以上的液氧.这便是精馏塔内空气分离成氧氮的过程.,全塔物料衡算稳定连续操作的精馏塔作全塔物料衡算，并以单位时间为基准。总物料衡算：F=D+W(1)易挥发组分衡算：F xF=D xD+W xW(2)式中 F、D、W分别为原料、塔顶产品和塔底产品 的流量，Kmol/h；xF、xD、xW分别为原料、塔顶产品和塔底产品中易挥发组分的摩尔分数。式（1）、（2）称为全塔物料衡算式。应用全塔物料衡算式可确定产品流量及组成。,氧的提取率:,

12、根据塔内气液接触部件的结构型式，可将塔设备分为两大类：板式塔和填料塔。板式塔：塔内沿塔高装有若干层塔板，相邻两板有一定的间隔距离。塔内气、液两相在塔板上互相接触，进行传热和传质，属于逐级接触式塔设备。填料塔：塔内装有填料，气液两相在被润湿的填料表面进行传热和传质，属于连续接触式塔设备。,筛板塔:由塔体和塔板组成,而塔板又包括筛孔板,溢流斗和无孔板,筛板塔的流体动力工况:1.不均匀鼓泡:原因空塔速度小于一定值,塔板将出现不均匀鼓炮的工况.表现:蒸汽以链状穿过液层,鼓泡范围不稳定,没有蒸汽穿过的部分液体由于失去顶托从小孔泄露出来.危害:气液两相接触面积减少,液体泄露造成纵向混合.破坏了精留的浓度梯

13、度.蒸汽穿过鼓泡去,气掖接触时间短,大大影响了传质.2.正常鼓泡工况:下层清夜鼓泡层,中层 主要传质区域为泡沫层,上层为雾沫层.3.雾沫夹带:原因是蒸汽速度进一步增大,蒸汽夹带液体至上层塔板.危害:造成液体反混.破坏传质梯度,降低精馏效率.4.液泛:当空塔速度和溢流速度增大到一定值,溢流斗工作破坏,液体不能下流(溢流斗制作缺陷或堵塞,塔板严重污染或堵塞,使阻力距增),填料塔：塔内装有填料，气液两相在被润湿的填料表面进行传热和传质，属于连续接触式塔设备。整体结构:塔体,填料,喷淋装置,支撑珊板,在分配器和气液进出口管.,填料塔内的传质过程:双膜理论1.气液两相流体间存在稳定的相界面,在相界面两侧各有一层薄膜,