氣體分離和純化系統(tǒng)ppt課件

1、Institute of Refrigeration and Cryogenics第四章第四章 氣體分別與純化系統(tǒng)氣體分別與純化系統(tǒng)Institute of Refrigeration and Cryogenics主要內(nèi)容主要內(nèi)容熱力學理想分別系統(tǒng)熱力學理想分別系統(tǒng)混合物的性質(zhì)混合物的性質(zhì)精餾分別原理精餾分別原理Institute of Refrigeration and Cryogenics1 1、熱力學理想分別系統(tǒng)、熱力學理想分別系統(tǒng)半浸透膜：該膜僅允許一種氣體自在完全半浸透膜：該膜僅允許一種氣體自在完全地經(jīng)過，而其他氣體無法經(jīng)過。地經(jīng)過，而其他氣體無法經(jīng)過。運用這種安裝，氣體混合時就可以

2、獲得輸運用這種安裝，氣體混合時就可以獲得輸出功，輸入同樣的功就可以把他們分開，出功，輸入同樣的功就可以把他們分開，因此，該過程是個可逆過程。因此，該過程是個可逆過程。Institute of Refrigeration and CryogenicsTm pmTm pmTm pm12熱力學理想分別系統(tǒng)模型熱力學理想分別系統(tǒng)模型 左邊的活塞只允許氣體左邊的活塞只允許氣體A經(jīng)過，右邊的活塞只允許經(jīng)過，右邊的活塞只允許氣體氣體B經(jīng)過，經(jīng)過把兩個經(jīng)過，經(jīng)過把兩個活塞挪動到一同，由氣體活塞挪動到一同，由氣體A和和B組成的混合物就可組成的混合物就可逆地被分別成純真的氣體逆地被分別成純真的氣體A和氣體和氣體B

3、。Institute of Refrigeration and Cryogenics過程可逆，所以為恒溫經(jīng)過與外部熱源熱交換獲得過程可逆，所以為恒溫經(jīng)過與外部熱源熱交換獲得。此時所耗能量等價于把每一組分在混合氣體中分壓恒。此時所耗能量等價于把每一組分在混合氣體中分壓恒溫緊縮到混合物的壓力所需求的緊縮功之和。溫緊縮到混合物的壓力所需求的緊縮功之和。溫度越低，實際分別功越小。溫度越低，實際分別功越小。 bbmbaamabbmbaamammbbimaaiihhmmhhmmssmmssmmTmmwmmww21212121,實際分別功實際分別功Institute of Refrigeration and

4、 Cryogenics雙組分氣體混合物實際功耗雙組分氣體混合物實際功耗Institute of Refrigeration and Cryogenics2 2、混合物的性質(zhì)、混合物的性質(zhì)單組份物質(zhì)以兩相出現(xiàn)時單組份物質(zhì)以兩相出現(xiàn)時( (例如液氮和氣氮例如液氮和氣氮) )，并非一，并非一切熱靜力學參數(shù)都是獨立的。對于一組相態(tài)，在物性切熱靜力學參數(shù)都是獨立的。對于一組相態(tài)，在物性之間存在一個蒸氣壓力方程的關(guān)系式。之間存在一個蒸氣壓力方程的關(guān)系式。 對于多于一相和超越一個組分物質(zhì)，我們必需運用對于多于一相和超越一個組分物質(zhì)，我們必需運用GibbsGibbs相規(guī)律相規(guī)律(1878(1878年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)

5、) )來描畫形狀所需求獨立變來描畫形狀所需求獨立變量的數(shù)目。量的數(shù)目。 T = C - P + 2 T = C - P + 2 T: T:描畫體系形狀所需求獨立描畫體系形狀所需求獨立變量的數(shù)目變量的數(shù)目 C: C:存在組分數(shù)存在組分數(shù) P: P:存在的相數(shù)存在的相數(shù)典型雙組分溫度成份圖典型雙組分溫度成份圖雙組分混合物相平衡曲線：分三種情況雙組分混合物相平衡曲線：分三種情況 第一種典型曲線是適用于壓力低于雙第一種典型曲線是適用于壓力低于雙組分的臨界壓力，把空氣看作是氮和組分的臨界壓力，把空氣看作是氮和氧的混合物時，壓力在氧的混合物時，壓力在100-1000kPa100-1000kPa之之間的液空

6、屬于這種情況。間的液空屬于這種情況。 第二種情況是混合物中組分之一的臨第二種情況是混合物中組分之一的臨界壓力低于所作的溫度界壓力低于所作的溫度- -濃度圖時的壓濃度圖時的壓力。氮力。氮- -氦混合物壓力在氦混合物壓力在2MPa2MPa左右會出左右會出現(xiàn)這種類型的曲線?，F(xiàn)這種類型的曲線。 第三種情況闡明了在一定的濃度下混第三種情況闡明了在一定的濃度下混合物會轉(zhuǎn)為共沸混合物。這時混合物合物會轉(zhuǎn)為共沸混合物。這時混合物的性能與單純組分物質(zhì)完全一樣。典的性能與單純組分物質(zhì)完全一樣。典型例子是在丙酮與三氯甲烷作為混合型例子是在丙酮與三氯甲烷作為混合物會產(chǎn)生這種景象。用精餾原理無法物會產(chǎn)生這種景象。用精餾

7、原理無法把這類共沸混合物分開。幸好，低溫把這類共沸混合物分開。幸好，低溫流體在分別時不會構(gòu)成共沸混合物。流體在分別時不會構(gòu)成共沸混合物。Institute of Refrigeration and CryogenicsO2 100%N2 100%O2混合物液體高沸點組分豐富混合物液體高沸點組分豐富混合物氣體低沸點組分豐富混合物氣體低沸點組分豐富二元混合物二元混合物液體液體二元混合物二元混合物蒸汽蒸汽二元混合物的二元混合物的T-xT-x圖圖Institute of Refrigeration and CryogenicsTx01O2N2125634x1x3y4Q加熱過程中二元混合物氣液兩相中成分

8、變化定壓下PPInstitute of Refrigeration and Cryogenics混合物的溫度濃度圖混合物的溫度濃度圖Institute of Refrigeration and CryogenicsRaoultRaoult定律與理想溶液定律與理想溶液相平衡曲線詳細方式取決構(gòu)成混合物分子之間的內(nèi)作用力。相平衡曲線詳細方式取決構(gòu)成混合物分子之間的內(nèi)作用力。 對于分子內(nèi)作用比較弱的液體混合物，如稀溶液一樣，可用對于分子內(nèi)作用比較弱的液體混合物，如稀溶液一樣，可用著名的拉烏爾著名的拉烏爾RaoultRaoult定律表式：定律表式： jjjxp : :第第j j組分在液相上部氣相中的分壓

9、組分在液相上部氣相中的分壓 : :在混合物溫度下第在混合物溫度下第j j組分的蒸汽壓組分的蒸汽壓 : :在液相中第在液相中第j j組分的摩爾百分數(shù)組分的摩爾百分數(shù)jPjjx一切濃度下都服從一切濃度下都服從RaoultRaoult定律的混合物稱為理想溶液定律的混合物稱為理想溶液Institute of Refrigeration and Cryogenics假設(shè)在液體混合物上部蒸汽相也可以看作理想氣體，那么假設(shè)在液體混合物上部蒸汽相也可以看作理想氣體，那么蒸汽相的分壓與總壓力之間關(guān)系由蒸汽相的分壓與總壓力之間關(guān)系由Gibbs-DaltonGibbs-Dalton定律決議定律決議: : jjpyp

10、jjjxpy)/(蒸汽相中第蒸汽相中第j j組分的摩爾分量組分的摩爾分量 : :理想氣體混合物的分壓之和等于總壓理想氣體混合物的分壓之和等于總壓: :jjjjjxpp對于兩組分混合物，對于兩組分混合物， ，因此，服從，因此，服從Gibbs-DaltonGibbs-Dalton定律雙組分混合物式定律雙組分混合物式: : 121xx)1(1211xxpGibbs-DaltonGibbs-Dalton定律定律Institute of Refrigeration and Cryogenics平衡常數(shù)平衡常數(shù)氣相和液相中摩爾百分比之間的關(guān)系可以用平衡常數(shù)表達氣相和液相中摩爾百分比之間的關(guān)系可以用平衡常數(shù)

11、表達: : jjjxyK/理想氣體和液體的平衡常數(shù)理想氣體和液體的平衡常數(shù): :PKjj/111xKy )1 (12121xKxKy121 yy可求得液和氣相中組分的摩爾百分比：可求得液和氣相中組分的摩爾百分比：21211KKKx2121111)1 (KKKKxKy雙組分混合物的液相和氣相組成由每個組分的平衡常數(shù)雙組分混合物的液相和氣相組成由每個組分的平衡常數(shù)來確定來確定 ：Institute of Refrigeration and Cryogenics焓濃度圖焓濃度圖在焓濃度圖中可以看出露點線在焓濃度圖中可以看出露點線(飽和蒸汽飽和蒸汽)和泡點線和泡點線(飽和液體飽和液體)隨雙組分混合物冷

12、凝，混合物的隨雙組分混合物冷凝，混合物的溫度將降低，這意味著在露點線溫度將降低，這意味著在露點線和泡點線之間等溫線在焓濃度和泡點線之間等溫線在焓濃度圖上并不是垂直線，而是有一定圖上并不是垂直線，而是有一定的斜率。的斜率。 Institute of Refrigeration and Cryogenics二元組分相變過程特征二元組分相變過程特征l變溫：對于某一成分的二元混合物，在一定壓力下變溫：對于某一成分的二元混合物，在一定壓力下，開場冷凝或開場蒸發(fā)到冷凝終了或蒸發(fā)終了時溫，開場冷凝或開場蒸發(fā)到冷凝終了或蒸發(fā)終了時溫度是不斷變化的，這點與純組分不同。度是不斷變化的，這點與純組分不同。l兩相濃度

13、分別延續(xù)變化：在冷凝或蒸發(fā)過程中，液兩相濃度分別延續(xù)變化：在冷凝或蒸發(fā)過程中，液相和氣相的濃度是延續(xù)變化的。相和氣相的濃度是延續(xù)變化的。l經(jīng)過部分冷凝或蒸發(fā)可以有效地分別沸點相差很大經(jīng)過部分冷凝或蒸發(fā)可以有效地分別沸點相差很大的二元混合物如氮氦混合物，氨氫混合物等的二元混合物如氮氦混合物，氨氫混合物等，但對沸點相差較小的二元混合物達不到有效地，但對沸點相差較小的二元混合物達不到有效地分別。分別。 Institute of Refrigeration and Cryogenics3 3、精餾原理、精餾原理精餾原理：混合物部分冷凝或部分蒸發(fā)時時，液精餾原理：混合物部分冷凝或部分蒸發(fā)時時，液體中高沸

14、點組份濃度增大，而氣相中低沸點組份體中高沸點組份濃度增大，而氣相中低沸點組份濃度增大。濃度增大。精餾就是以部分蒸發(fā)和部分冷凝用逆流方式進展精餾就是以部分蒸發(fā)和部分冷凝用逆流方式進展多次分別的過程。經(jīng)過運用大量塔板，可以獲得多次分別的過程。經(jīng)過運用大量塔板，可以獲得相當純的單組分。相當純的單組分。 Institute of Refrigeration and Cryogenics精餾塔精餾塔以空氣精餾分別為例以空氣精餾分別為例溫度較高的蒸汽由塔板下方溫度較高的蒸汽由塔板下方經(jīng)過小孔向上流動，而溫經(jīng)過小孔向上流動，而溫度較低的液體由上塔板經(jīng)度較低的液體由上塔板經(jīng)溢流安裝流到下塔板，與溢流安裝流到下

15、塔板，與經(jīng)過小孔流動的蒸汽進展經(jīng)過小孔流動的蒸汽進展熱質(zhì)交換。熱質(zhì)交換。當蒸汽泡經(jīng)過液體層時，較當蒸汽泡經(jīng)過液體層時，較高溫度的蒸汽把熱量傳給高溫度的蒸汽把熱量傳給液體。氣泡內(nèi)的高沸點組液體。氣泡內(nèi)的高沸點組分氧被冷凝，而液體內(nèi)的分氧被冷凝，而液體內(nèi)的低沸點組分氮被蒸發(fā)。上低沸點組分氮被蒸發(fā)。上行氣泡富集氮，下行液體行氣泡富集氮，下行液體富集氧。富集氧。在塔底，必需參與熱量為供在塔底，必需參與熱量為供料口下的塔板提供蒸汽；料口下的塔板提供蒸汽；在塔頂，必需移去一些熱在塔頂，必需移去一些熱量來為供料口上的塔板提量來為供料口上的塔板提供液體。供液體。 LN2LO2Institute of Refr

16、igeration and Cryogenics精餾過程中溫度濃度圖精餾過程中溫度濃度圖 氣泡經(jīng)過塔板時熱質(zhì)交換情況氣泡經(jīng)過塔板時熱質(zhì)交換情況 精餾過程精餾過程Institute of Refrigeration and Cryogenics在理想或?qū)嶋H塔板上，分開液體的蒸在理想或?qū)嶋H塔板上，分開液體的蒸汽與塔板上的液體處于同一溫度。在汽與塔板上的液體處于同一溫度。在實踐的精餾塔中，蒸汽不能夠到達液實踐的精餾塔中，蒸汽不能夠到達液體的溫度才分開塔板。體的溫度才分開塔板。塔板效率：塔板上的濃度變化與平衡塔板效率：塔板上的濃度變化與平衡時應(yīng)到達的濃度變化之比。時應(yīng)到達的濃度變化之比。提高塔板效率的

17、要素：小氣泡；長接提高塔板效率的要素：小氣泡；長接觸時間；大的總質(zhì)交換系數(shù)。觸時間；大的總質(zhì)交換系數(shù)。101jjjjMyyyy塔板效率塔板效率xD=0.98xB=0.05(xD,xD)(xB,xB)xnXn+1Xn-1Xn-2ynyn-1yn-2x1X3Y0=xBy1x2X4X5Y2y3y4Institute of Refrigeration and Cryogenics所需實際塔板數(shù)的闡明所需實際塔板數(shù)的闡明Institute of Refrigeration and Cryogenics精餾塔構(gòu)造方式精餾塔構(gòu)造方式Institute of Refrigeration and Cryogen

18、ics精餾塔的類型和構(gòu)造精餾塔的類型和構(gòu)造篩板塔篩板塔篩板塔是由塔板組成篩板塔是由塔板組成塔板由篩孔板、溢流安裝組成塔板由篩孔板、溢流安裝組成Institute of Refrigeration and Cryogenics精餾塔的類型和構(gòu)造精餾塔的類型和構(gòu)造泡罩塔泡罩塔l在塔板上按等邊三角形陳列許多泡罩。泡罩邊沿有齒縫，浸沒在塔板上按等邊三角形陳列許多泡罩。泡罩邊沿有齒縫，浸沒在液體中在液體中l(wèi)塔板上液層高度由溢流堰保證上升蒸汽經(jīng)過泡罩齒縫構(gòu)成放塔板上液層高度由溢流堰保證上升蒸汽經(jīng)過泡罩齒縫構(gòu)成放射穿過液層時，一部分蒸汽穿過液層鼓泡，構(gòu)成泡沫，并使液射穿過液層時，一部分蒸汽穿過液層鼓泡，構(gòu)成

19、泡沫，并使液體分散成液滴和霧沫體分散成液滴和霧沫l另一部分蒸汽夾帶著泡沫，液滴和霧沫上升到塔板上的空間。另一部分蒸汽夾帶著泡沫，液滴和霧沫上升到塔板上的空間。在這個空間里進展兩相的接觸，這是熱質(zhì)交換的主要區(qū)域在這個空間里進展兩相的接觸，這是熱質(zhì)交換的主要區(qū)域Institute of Refrigeration and Cryogenicsl 優(yōu)點優(yōu)點l 操作非常穩(wěn)定，即使氣體負荷發(fā)生較大變動，對操作操作非常穩(wěn)定，即使氣體負荷發(fā)生較大變動，對操作也影響不大也影響不大l 泡罩塔攔液量大，特別適用于從塔板上抽出或參與液泡罩塔攔液量大，特別適用于從塔板上抽出或參與液體體l 泡罩塔板上蒸汽流道大，因此不

20、易被固體顆粒堵塞泡罩塔板上蒸汽流道大，因此不易被固體顆粒堵塞l 對塔板程度度要求一不象篩板塔那么嚴厲。對塔板程度度要求一不象篩板塔那么嚴厲。l 缺陷缺陷l 構(gòu)造復雜，耗材大，造價高，流阻大，在設(shè)計工況下構(gòu)造復雜，耗材大，造價高，流阻大，在設(shè)計工況下塔板效率不如篩板塔。塔板效率不如篩板塔。l 泡罩塔板在目前空分安裝中主要用在以下兩種情況泡罩塔板在目前空分安裝中主要用在以下兩種情況:l 下塔最下面一塊塔板，不易被二氧化碳顆粒堵塞。下塔最下面一塊塔板，不易被二氧化碳顆粒堵塞。l 負荷變化大，這時采用篩孔塔板和泡罩塔板相間的混負荷變化大，這時采用篩孔塔板和泡罩塔板相間的混合構(gòu)造方案。合構(gòu)造方案。泡罩塔特點泡罩塔特點Institute of Refrigeration and Cryogenics在浮閥塔內(nèi)每層板上除有溢流斗外，尚在板上開有許多大孔，每個在浮閥塔內(nèi)每層板上除有溢流斗外，尚在板上開有許多大孔，每個孔中裝一個可活動的閥。特點孔中裝一個可活動的閥。特點:可以在一定范圍內(nèi)自在升降可以在一定范圍內(nèi)自在升降可以自動調(diào)理蒸汽通路的面積，以順應(yīng)蒸汽量的變