第五章 氣體的分離

第五章氣體的分離工業(yè)規(guī)模的氣體分離技術(shù)是從20世紀(jì)初跟隨著大容量空氣液化裝置投入運行而發(fā)展起來的以從液態(tài)主氣中分離氧、氮最為重要空氣分離的副產(chǎn)品還有氬、氪、氙、氖和氦工業(yè)規(guī)模的氣體分離主要依靠低溫精餾、分凝分離、吸附分離和吸收分離而滲透膜分離則是近來發(fā)展起來新方法，將來可能在某些場合能得到實際應(yīng)用低溫技術(shù)在氣體液化工業(yè)中是占主導(dǎo)地位的，而且在氣體分離和純化過程中也后非常重要的地位目前大多數(shù)的商品氧和氮是用精餾的方法從液態(tài)空氣中分離而得到的，而且氬、氪、氙和氖也都是從液空中分離出來的氣體的分離、提取或純化過程在物理本質(zhì)上都屬同一概念，即把混合物變?yōu)榧兾镔|(zhì)“分離”通常是把混合物中兩種以上、含量相差不多的組分分開成為產(chǎn)品，典型的例子有空氣分離、天然氣分離等；“提取”則主要表示從混合物中選取其中最有價值的組分的操作，被提取的組分在原料氣中的含量可能較高，如從焦?fàn)t氣或水煤氣中提取氫和氮，也可能含量很低，如從天然氣中提取氦；“純化”是把原料氣中的少量或微量雜質(zhì)去處掉，如提供給醫(yī)療、微電子等行業(yè)使用的高純氣體部經(jīng)過不同工藝的提純處理。5.1氣體的分離原理根據(jù)混合物的性質(zhì)，可以用簡單的冷凝或蒸發(fā)過程達(dá)到混合物的局部分離分凝法亦稱部分冷凝法，它是根據(jù)混合氣體中各組分冷凝溫度的不同，當(dāng)混合氣體冷卻到某一溫度后，高沸點組分凝結(jié)成液體，而低沸點組分仍然為氣體，這時將氣體和液體分離也就將混合氣中組分分離混合物部分冷凝時，液相中富集了高沸點（難揮發(fā)）組分，氣相中富集了低沸點（易揮發(fā)）組分部分冷凝適用于混合物各組分沸點差別較大的情況若各組分的沸點比較接近，則采用部分冷凝的方法很難達(dá)到分離要求5.1.1冷凝和閃蒸分離

當(dāng)溫度繼續(xù)下降到103K時，組分He在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值。進(jìn)一步冷卻時，由于更多的N2冷凝，He的摩爾分?jǐn)?shù)反而有所降低。于是，當(dāng)混合物的溫度降低到80K時，部分冷凝有可能得到He摩爾分?jǐn)?shù)約為94%的氣相產(chǎn)品，而液相產(chǎn)品中He摩爾分?jǐn)?shù)約為0.5％

80％摩爾分?jǐn)?shù)N2和20％摩爾分?jǐn)?shù)He的氣體混合物在111K時開始冷凝，然而由于兩種組分的沸點差很大，該溫度下冷凝液中He的摩爾分?jǐn)?shù)只有0.6%。

對79％摩爾分?jǐn)?shù)N2與21％摩爾分?jǐn)?shù)O2的氣體混合物，用簡單的部分冷凝方法，不能像N2-He混合物那樣得到有效的分離。實際上，從90K連續(xù)冷卻到78K，冷凝了更多的N2，在氣相產(chǎn)品中富集的N2很少

分凝法一般用于分離沸點相距較遠(yuǎn)的氣體混合物，如N2?He，N2?H2，CH4?N2，CH4?H2等由空氣制取富氧空氣

分凝法可以使混合氣體中易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù)提高，冷凝液中難揮發(fā)組分摩爾分?jǐn)?shù)提高，用分凝法可將空氣分離為富氧空氣和氮氣分凝器為一殼管式的熱交換設(shè)備。令壓力為490kPa的飽和空氣由進(jìn)料口1進(jìn)入分凝器，在管內(nèi)被冷卻，冷凝的液體沿管壁流下匯集于底部釜中，一般釜液中含氧量可達(dá)(30~40)%；不凝氣體則上升到分凝器頂部可獲得摩爾分?jǐn)?shù)為90%以上的氮氣。釜液經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入管間蒸發(fā)，以冷卻管內(nèi)的空氣。釜液蒸發(fā)后自上部接管6引出，即為富氧空氣多組分混合氣的分級冷凝天然氣、石油氣、焦?fàn)t氣以及合成氨馳放氣都是多組分混合氣。實現(xiàn)它們的分離往往需要在若干個分離級中分階段進(jìn)行，在每一級中組分摩爾分?jǐn)?shù)將發(fā)生顯著變化多組分氣體混合物當(dāng)被冷卻到某一溫度水平時，進(jìn)入一分離器，將已冷凝組分分離出去，然后再進(jìn)入下一級冷凝器，繼續(xù)降溫并分凝。一個冷凝器和一個分離器組成一個冷凝級從工藝的角度來考慮，冷凝級數(shù)主要是根據(jù)需回收組分的要求來確定的，但同時要保證在分凝器中不會出現(xiàn)高沸點組分被凍結(jié)的現(xiàn)象5.1.2精餾原理

從部分蒸發(fā)和部分冷凝的特點可看出，對于N2–O2混合物的部分蒸發(fā)和部分冷凝可以獲得氧和氮，但不能同時獲得高純度氧和高純度氮兩個過程的性質(zhì)恰好相反：部分蒸發(fā)需外界供給熱量，部分冷凝則要向外界放出熱量；部分蒸發(fā)不斷在向外界釋放蒸氣，如欲獲得大量高純度液氧，則需要相應(yīng)地補充液體。而部分冷凝則是連續(xù)地放出冷凝液，如欲獲得大量高純度氣氮，則需要相應(yīng)地補充氣體如果將部分冷凝和部分蒸發(fā)結(jié)合起來，則可解決部分蒸發(fā)和部分冷凝單獨進(jìn)行所不能解決的問題多次的部分蒸發(fā)和部分冷凝過程的結(jié)合稱為精餾（rectification）過程。每經(jīng)過一次部分冷凝和部分蒸發(fā)，氣體中氮組分就增加，液體中氧組分也增加。這樣經(jīng)過多次便可將空氣中氧和氮分離開有三個容器I，II，III，其壓力均為98.1kPa。在容器I內(nèi)盛有含氧20.9%的液空，容器II和III分別盛有含氧30%及40%的富氧液空，將空氣冷卻到冷凝溫度（82K）并通入容器III的液體中。由于空氣的溫度比含氧40%的液體的飽和溫度（80.5K）高，所以空氣穿過液體時得到冷卻，就發(fā)生部分冷凝；而液體被加熱，就發(fā)生部分蒸發(fā)。當(dāng)氣液溫度相等時，與液體相平衡的蒸氣中含氧只有14%O2將此蒸氣引到容器II，由于30%O2富氧液空的和溫度（79.6K）比容器III中的溫度低，所以從容器III引出的蒸氣（80.5K）又繼續(xù)冷凝，同時使容器II中的液體蒸發(fā)。當(dāng)蒸氣與30%O2的液體達(dá)到平衡狀態(tài)時蒸氣中氧的摩爾分?jǐn)?shù)就變成9%O2將此蒸氣由容器II再引入容器I，再進(jìn)行一次部分蒸發(fā)和部分冷凝過程，則蒸氣中氮又增加，含氧僅6.3%O2在上述過程中，在氣相氧組分減少的同時，液體中氧則增加，最后氣相中氮摩爾分?jǐn)?shù)由79.1%提高到93.7%，而液體中氧摩爾分?jǐn)?shù)由10%提高到40%，氣體的數(shù)量雖每次冷凝要減少一些，但同時得到從液體中蒸發(fā)出來的氣體，結(jié)果，氣體的數(shù)量沒有多少變化，同樣液體的數(shù)量也沒有多少變化，這樣多次進(jìn)行下去，液相中氮會更多地蒸發(fā)到氣相中，而氣相中氧會更多地冷凝進(jìn)入液相中，最后可獲得足夠數(shù)量的高純度氣氮和液氧液體由容器I再引入容器II，由容器II再引入容器III的過程稱為回流，其目的是使整個部分蒸發(fā)和部分冷凝過程持久地進(jìn)行精餾是利用兩種物質(zhì)的沸點不同，多次的進(jìn)行混合蒸氣的部分冷凝和混合液體的部分蒸發(fā)過程，來實現(xiàn)分離的目的精餾過程的實質(zhì)是：不平衡的氣液兩相，經(jīng)過熱質(zhì)交換，氣相多次部分冷凝和液相多次部分汽化相結(jié)合的傳質(zhì)傳熱的過程實現(xiàn)精餾的必要條件為了使精餾的過程能夠進(jìn)行，必須具備下面兩個條件：汽液兩相必須充分接觸，精餾塔內(nèi)裝有多少層塔板（或填料）就是提供汽液接觸的條件；汽液兩相接觸時，上升的高溫汽相中的易揮發(fā)組份濃度要低于平衡時的濃度，而下降的低溫液相中的易揮發(fā)組份要高于平衡時的濃度，由于汽液兩相不平衡，才能發(fā)生精餾作用?？諝獾木s是在氧、氮混合物的氣相與液相接觸之間的熱質(zhì)交換過程中進(jìn)行的。5.2精餾塔

精餾塔通常有板式塔（traycolumn）和填料塔（packedcolumn）兩大類5.2.1板式精餾塔

在一直立圓桿形簡體內(nèi)裝有水平放置的塔板，溫度較低的液體由上塊塔板經(jīng)降液管向下流動，溫度較高的蒸氣由塔板下方通過塔板上的小孔向上流動，在塔板上液體與氣體相接觸，完成傳熱與傳質(zhì)過程塔板分為篩板塔、蒸氣浮閥塔和泡罩塔等。典型的孔板一般鉆有1.5~4.0mm的小孔，板間距一般為19~20mm液體在塔上的流動形式有：U型流、單溢流、雙溢流、階梯流等。其中單溢流式的特點：結(jié)構(gòu)簡單，流程較長液面梯度大，在塔徑過大時，液體易從塔板中間走短路，塔壁周邊形成死區(qū)，致使液體分布不均，影響塔板效率。塔板上的液層高度由下流的降液管部位的溢流斗（即溢流堰）來保持。降液管延伸到下一塊塔板上的液體中，以確保兩塔板間的密封，防止上流的蒸氣旁通除了塔板以外，精餾塔還有原料入口。原料入口下方為提餾段，原料入口上方為精餾段。在塔底有一出口管線引出難揮發(fā)產(chǎn)品，而在塔頂有一出口管線引出易揮發(fā)產(chǎn)品假設(shè)N2–O2二元混合物原料以飽和蒸氣狀態(tài)進(jìn)入塔的第4塊塔板在理想情況下，在原料入口的上塊塔板上的液體（點）組成與原料的組成相同，但它的溫度較低，因為它是泡點溫度而不是露點溫度在塔中，蒸氣向上通過每塊板上的液體層，液體流過每塊板并通過降液管流向下一塊塔板當(dāng)蒸氣以氣泡形式穿過液層時，把熱量傳給每塊板上的液體。傳熱的結(jié)果使得液層中少量的易揮發(fā)組分蒸發(fā)，而蒸氣中相應(yīng)的少量難揮發(fā)組分冷凝，于是蒸氣變成富氮氣體與液層相接觸。液層中富氧液體與蒸氣接觸，并從一塊塔板流到另一塊塔板隨著飽和液體在塔中向下流動，其摩爾分?jǐn)?shù)沿著泡點線向左移動（點L4、L3、L2等）；隨著蒸氣在塔中向上流動，其摩爾分?jǐn)?shù)沿著露點線向右移動（點V3、V4、V5等）。這樣，用足夠的塔板就可以把兩種組分分離，獲得很純的產(chǎn)品塔板上的汽液兩相在離開同層塔板時，汽液兩相同時達(dá)到汽液相平衡狀態(tài)，則此層塔板稱為理論塔板對于一個理論塔板，接觸的氣–液之間達(dá)到完全的平衡，從塔板液層離開的蒸氣溫度（例如點），應(yīng)與該塔板上液體的溫度相同（點）。但實際上這兩個溫度是略有差別的，這種偏差造成的結(jié)果是需要附加塔板，以便得到相同的分離要求。這種效率損失情況可根據(jù)每一塊塔板的莫菲里（Murphree）效率來求取塔板上汽液兩相的實際分離程度與理論分離程度之比稱為塔板效率。一般說來，對于給定的塔板，應(yīng)求出這類塔板在給定操作條件下的總效率，然后將計算得到的理論塔板數(shù)除以總塔板效率，就可以求得達(dá)到規(guī)定分離要求所需要的實際塔板數(shù)保持塔板高效率的兩個條件是氣液兩相在塔板上充分接觸，盡可能地接近相平衡狀態(tài)；使接觸后的氣液兩相盡量完全分離。篩孔塔板的優(yōu)缺點優(yōu)點：1、結(jié)構(gòu)簡單，制造維修方便。2、省鋼材，投資少。3、塔板壓力降低。4、生產(chǎn)能力大。5、塔板效率和泡罩塔相同缺點：1、不適應(yīng)處理較臟的物料和帶有固體顆粒的物料。2、操作彈性泡罩塔板稍低。雙級精餾塔

由下塔、上塔和上下塔之間的冷凝蒸發(fā)器組成。下塔壓力高，上塔壓力低。壓縮并冷卻后的空氣進(jìn)入下塔底部，自下而上地穿過每一塊塔板，至下塔上部得到高純度的氮氣下塔塔板數(shù)越多，氮氣純度越高氮氣進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器管內(nèi)時由于它的溫度比管外液氧溫度高，所以氮氣被冷凝成液氮。一部分作為下塔回流液，自上而下沿塔板逐塊流下，至下塔塔釜便得到含氧36~40％的富氧液空；另外一部分聚集在液氮槽中經(jīng)液氮節(jié)流閥降壓后送入上塔頂部作為上塔的回流液在下塔塔釜中的液空經(jīng)節(jié)流閥降壓后送入上塔中部，由上往下沿塔板逐塊流下，與上升的蒸氣接觸，每經(jīng)過一塊塔板要蒸發(fā)掉部分氮，同時得到從氣體中冷凝下來的氧，只要塔板數(shù)足夠多，可在上塔的最后一塊塔板上得到純液氧液氧流入冷凝蒸發(fā)器管間蒸發(fā)，蒸發(fā)出來的氣氧一部分作為產(chǎn)品引出去；另一部分氣氧由下往上和塔板上的液體接觸。由于氣體溫度較高，所以氣、液接觸后使氣體中氧冷凝到液體中去，而液體蒸發(fā)出來的氮摻入到氣體中。氣體越往上升，其中氮純度愈高與單塔不同，雙塔引入了液氮回流以獲取高純度氮。在液空進(jìn)料口以上，氣體中還含有很多氧，如果就這樣把氣體放出去，氧損失很大，因此利用下塔高濃度的液氮作為上塔頂部的回流液，使液空進(jìn)料口以上的氣體繼續(xù)精餾，這樣從上塔頂部引出的氣體中氧含量就很少，得到了高純度的氮，同時，氧產(chǎn)量也提高了可以看出，在雙級精餾塔中空氣的分離過程分為兩個步驟，空氣首先在下塔進(jìn)行初步分離，制得液態(tài)氮和富氧液空；富氧液空再送往上塔進(jìn)行最后精餾，得到純氧。上塔上部的回流液就是下塔送來的液氮，因此可得純氮冷凝蒸發(fā)器的作用：冷凝蒸發(fā)器是聯(lián)結(jié)上、下塔的紐帶。它利用上塔液氧或富氧液體與下塔頂氣氮換熱，使氣氮液化作為回流，液空或液氧蒸發(fā)參加上塔精餾。雙級塔主冷凝蒸發(fā)器溫差的大小受氧氮的純度和上下塔壓力變化的影響對于氧、氮二元精餾塔，以液空進(jìn)口為界限，將上塔分為精餾段和提餾段精餾過程中，空氣是在下塔被初步分離成氮和富氧液空的，所以說下塔精餾工況的好壞，直接影響到上塔精餾工況。下塔的操作要點在于控制液氮節(jié)流閥的開度。在塔板數(shù)不變的情況下，降低上塔壓力則有利于提高氧、氮純度5.2.2填料塔

規(guī)整填料由厚約0.22mm的金屬波紋板組成，一塊塊排列起來的金屬波紋板，低溫液體在每一片填料表面上都形成一層液膜，與上升的蒸氣相接觸，進(jìn)行傳質(zhì)傳熱規(guī)整填料的金屬比表面積約是篩板的30倍，液氧持留量僅為篩板的35～40%因為精餾塔截面積比篩板塔小1/3，填料垂直排列，不存在水平方向濃度梯度的問題，只要液體分布均勻，精餾效率較高，壓力降較小，氣體穿過填料液膜的壓差比穿過篩板液層的壓差要小得多，約只有50Pa上塔底部壓力的下降，必然可導(dǎo)致下塔壓力降低，進(jìn)而主空壓機(jī)的出口壓力相應(yīng)降低，使整個空分裝置的能耗降低。同時，規(guī)整填料液體的滯留量小，因此，對負(fù)荷變化的應(yīng)變能力較強(qiáng)規(guī)整填料精餾塔一般分為3～5段填料層，每段之間有液體收集器和再分布器，傳統(tǒng)篩板塔的板間距為110～160mm，而規(guī)整填料的等板高度為250～300mm，因此填料塔的高度會增加。在塔內(nèi)件中，液體分布器性能的好壞，對精餾工況的建立至關(guān)重要，是填料層良好完成熱質(zhì)交換的基礎(chǔ)5.3空氣分離系統(tǒng)

最簡單的空氣分離系統(tǒng)之一是林德單塔系統(tǒng)壓縮進(jìn)入壓縮機(jī)的空氣，吸附壓縮空氣中的水氣從二氧化碳，高壓空氣進(jìn)入換熱器冷卻5.3.1林德單塔系統(tǒng)

假如所需產(chǎn)品是氧氣，則換熱器是如圖所示三通道熱交換器，冷的氧氣用來冷卻進(jìn)入的高壓空氣；若所需產(chǎn)品是液氧，則需從流程圖上去掉氧氣的返回線，這時換熱器變成了簡單的二通道熱交換器，液氧從塔的底部的沸騰器引出預(yù)冷后高壓空氣被沸騰器內(nèi)的液體進(jìn)一步冷卻，至部分冷凝。這個過程有兩個目的：①使高壓空氣更冷，可以得到更大的液化率；②充分利用這部分熱量以使沸騰器內(nèi)的液體氣化，給精餾塔提供向上的蒸氣流，而不需加入環(huán)境溫度下的熱量，白白損失掉低溫下的制冷量接著高壓兩相流在節(jié)流閥內(nèi)節(jié)流膨脹到塔的壓力，形成低壓兩相混合物，引入塔頂作為塔內(nèi)的回流液，如前面所說的那樣，塔內(nèi)液體往下流時氧富集，而蒸氣往上流時氮富集。到達(dá)塔底的部分液體又被進(jìn)來的冷的高壓空氣加熱而沸騰，沸騰的蒸氣向上流動，在塔板上與下來的液體進(jìn)行熱質(zhì)交換部分液體引出儲存于低溫容器內(nèi)或一部分氧氣引出經(jīng)三通道換熱器回收冷量后作為產(chǎn)品氣體。塔頂?shù)臍怏w通過三通道換熱器（若需液體產(chǎn)品時，為二通道換熱器）冷卻高壓空氣?？梢钥闯隽值聠嗡蛛x系統(tǒng)采用的是基本的林德-漢普遜液化系統(tǒng)，用精餾塔代替了儲液器，當(dāng)然也可以用其他液化系統(tǒng)來為塔內(nèi)提供液體。當(dāng)需氧氣時，僅需把空氣壓縮到3~6MPa；而當(dāng)需液氧時，必須把空氣壓縮到20MPa才能有效地操作，塔內(nèi)壓力通常為130~200kPa5.3.2林德雙塔系統(tǒng)

林德的單塔系統(tǒng)有兩大缺點：僅能得到純氧產(chǎn)品，污氮放空浪費了大量的氧；第二大缺點是嚴(yán)重降低了經(jīng)濟(jì)指標(biāo)低溫工程師受油田氣分離的啟發(fā)，1910年考爾和林德解決了這一問題采用兩個精餾塔，并把一個放在另一個頂上。下塔操作壓力為500~600kPa，而上塔操作壓力約為100kPa。在507kPa，氮的沸點為94.2K，比l01.3kPa的氧的沸點90.2K高，因此，下塔氮氣液化作為下塔回流液可以通過上塔氧的沸騰來實現(xiàn)，同時上塔沸騰氧蒸氣作為上塔的上升蒸氣。下塔產(chǎn)生多余的液氮節(jié)流到上塔頂部作上塔頂部回流液林德雙塔系統(tǒng)除精餾塔不一樣外，其余與單塔一樣壓縮空氣，吸附掉高壓空氣中水蒸氣及二氧化碳，高壓空氣通過換熱器而冷卻，再通過下塔底部的沸騰器進(jìn)一步冷卻。沸騰器內(nèi)沸騰蒸氣可為下塔提供上升蒸氣，冷卻的高壓空氣在節(jié)流閥內(nèi)節(jié)流膨脹產(chǎn)生的氣液混合物進(jìn)入下塔的中部，其中液體與塔板向下流動的液體合并，而蒸氣與塔內(nèi)上升蒸氣合并。下塔上升蒸氣在到達(dá)頂部冷凝蒸發(fā)器內(nèi)冷凝側(cè)而被上塔液氧冷凝，一部分冷凝液作為下塔的回流液，一部分的液氮可以作為產(chǎn)品氮取出（當(dāng)需要液氮產(chǎn)品時），剩余的液氮節(jié)流到上塔壓力，而作為上塔的回流液參與上塔的精餾過程。下塔沸騰器內(nèi)富氧液空通過節(jié)流閥膨脹至上塔壓力，引入上塔中部，液空一部分經(jīng)過節(jié)流閥膨脹閃蒸為蒸氣，蒸氣進(jìn)入上升蒸氣中而逐步富集氮，液體向下流動而富集氧。從上塔的沸騰器中可以取出純氧氣和液氧作為產(chǎn)品。只要使用足夠多的塔板數(shù)，便可以得到很純的單組分或很純的兩個單組分當(dāng)需要高純氮和氧產(chǎn)品時，空氣必須看作三組分：氧、氮和0.934%氬5.3.3林德-富蘭克系統(tǒng)

1930年，鋼鐵和化學(xué)工業(yè)需要大量的氧和氮。為了滿足這一需求，Linde公司開發(fā)了自己的空氣分離系統(tǒng)由于該系統(tǒng)利用了富蘭克的回?zé)崞鲗＠?，因此稱作林德-富蘭克系統(tǒng)由于采用了氨預(yù)冷和膨脹機(jī)，該系統(tǒng)的能耗降低到只有林德雙塔系統(tǒng)的一半左右該系統(tǒng)的液化部分對應(yīng)于帶氨預(yù)冷的雙壓克勞特液化系統(tǒng)過濾后的空氣，在一臺回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)中壓縮到約0.55kPa約96%總量的壓縮空氣進(jìn)入兩對蓄冷器中，在此，空氣得到冷卻并清除其中的水蒸氣和二氧化碳，其冷量由從精餾塔來的回流氧氣和氮氣提供。其余4%壓縮空氣經(jīng)洗滌塔并除去二氧化碳。這股空氣進(jìn)一步壓縮到12.6MPa，然后在一系列換熱器中得到冷卻冷空氣經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流膨脹，再與蓄冷器來的空氣混合?；旌蠚獗凰腿胂滤脑俜衅?，此處的操作壓力約為0.5MPa基本上純的液氮從下塔的上部取出，流經(jīng)過冷器并節(jié)流到0.101MPa，然后送入上塔的頂部，充分過冷，以防液體進(jìn)入上塔發(fā)生閃蒸高純的氮氣從塔頂部出來，并用于過冷下塔來的液氮。還有部分從下塔頂部取出的氮氣，用于進(jìn)一步冷卻經(jīng)氨預(yù)冷的空氣流，然后經(jīng)一膨脹機(jī)膨脹到0.101MPa，使氮氣溫度降低。膨脹后的氮氣一部分用于冷卻空氣流，其余的作為蓄冷器的主要冷源5.3.4海蘭德系統(tǒng)

該系統(tǒng)通常用于生產(chǎn)液氧和液氮原料空氣首先在四級活塞式壓縮機(jī)中壓縮到10MPa，在壓縮機(jī)的中間冷卻器和級后冷卻器中，空氣得到冷卻并將其中的水分除掉空氣經(jīng)第二壓縮機(jī)進(jìn)一步壓縮到13.7MPa。然后壓縮空氣流經(jīng)預(yù)冷器和氨冷卻器，冷卻到233K，在此處將空氣分為兩部分：一部分經(jīng)主換熱器，然后經(jīng)節(jié)流閥膨脹到0.7MPa；另一部分則直接進(jìn)膨脹機(jī)，膨脹到0.7MPa，其溫度降低到111K兩股氣流重新混合后，送到洗滌塔，在這里與液空接觸，除掉二氧化碳和碳?xì)浠衔?。從洗滌塔出來的液體，流經(jīng)過濾器以除掉固體二氧化碳和碳?xì)浠衔?。?jīng)純化后的液空，與從下塔底部來的富氧液空混合，作為原料送入上塔，從洗滌塔出來的氣流當(dāng)作原料送入下塔從下塔冷凝器出來的液氮，被上塔來的氮氣過冷，該液氮節(jié)流到一個合適的壓力后，提供上塔的回流液。從上塔的再沸器得到液氧，從下塔冷凝器放出高純液氮。不純的氮氣從上塔頂部放出，先后通過過冷器、主換熱器和預(yù)冷器，然后排放到大氣中下塔的操作壓力大約為0.7MPa，上塔的操作壓力低于0.2MPa，純度為99.6%的氧氣產(chǎn)品中，含有的雜質(zhì)主要是氬氣。通常液氮產(chǎn)品中含有約7×10-6的氧，而廢氮氣中合有大約2%的氧。若希望在上塔頂部得到高純氮，則必須附加幾塊塔板，同時還必須在上塔的某個部位將氬排放掉5.4稀有氣體的提取

工業(yè)上通稱為“稀有氣體”指的是氬、氖、氦、氪、氙五種氣體因為它們在空氣中的含量十分稀少，故而得名。除氬而外，其余四種氣體的含量都在10-4以下因提取困難，價格昂貴，尤其是氪氣和氙氣被稱為“黃金氣體”5.4.1提取方法概述

稀有氣體在空分塔的分布稀有氣體的原料氣要從制氧機(jī)精餾塔中抽取。由于它們的沸點不同，在空氣中的含量又相差懸殊，所以各組分匯集在精餾塔中的不同部位氪、氙的沸點最高，加工空氣進(jìn)入下塔后，氪、氙均冷凝在下塔液空中，并隨液空經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入上塔，逐層塔板下沉匯集于上塔底部的液氧及氣氧中。所以從空分裝置提取氪、氙時，通常將產(chǎn)品氧引入氪塔用精餾法制取貧氪原料氣稀有氣體在空分塔的分布氖、氦沸點相對于氧、氯組分低了很多，所以加工空氣中的氖、氦組分總和低沸點的氮組分在一起。加工空氣進(jìn)入下塔后，氖、氦組分隨氮組分一起上升到主冷凝蒸發(fā)器，氣氮被冷凝，而氖、氦由于沸點低，尚不能冷凝而形成“不凝性氣體”，從主冷氮側(cè)頂部引出作為原料稀有氣體在空分塔的分布?xì)迨强諝庵泻孔罡叩囊环N稀有氣體，它的沸點介于氧、氮組分之間（在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氬的沸點為87.02K、氧為89.97K、氮為77.09K），且接近于氧，所以，進(jìn)入下塔空氣中的氬大部分隨液空進(jìn)入上塔，小部分隨液氮進(jìn)入上塔。在上塔提餾段的下部主要進(jìn)行氧、氬分離。在精餾段上部為氮、氬分離，均有富集區(qū)。若上塔不抽餾分，則氬組分一部分隨氧氣帶走，而另一部分隨氮氣帶出。在抽餾份的情況下，則大部分的氬隨餾分抽出基本的提取方法從基本原理來說，提取稀有氣體所采用的方法的基礎(chǔ)，仍然在于這些氣體組分沸點和各分子的差異不同于氧、氮分離的地方：一是這些稀有氣體的含量非常微小，為此需要逐步濃縮分階段提純；二是這些稀有氣體沸點的差異要比氧、氮來得大稀有氣體沸點的差異大對于分離它們是有利的，可以來用比氧、氮分離更多一些的分離辦法提取稀有氣體的主要方法有精餾、冷凝、凍結(jié)、吸附、催化反應(yīng)基本的提取方法精餾法這是與氮、氧分離的精餾過程完全類似的，就是通過多次重復(fù)的蒸發(fā)、冷凝過程來使組分分離，粗氬塔中所進(jìn)行的氧、氬分離；精氬塔中所進(jìn)行的氬、氮分離；氪塔中所進(jìn)行的氧、氪、氙分離過程都是精餾法的具體應(yīng)用分凝法由于稀有氣體沸點的差異比較大，所以還可以采用分凝的辦法；例如，氖、氦塔中以低壓液氮作冷源，在低壓液氮的蒸發(fā)溫度下，進(jìn)行分凝過程使得氮和氖、氦組分初步分離，而得到氖、氦濃縮物冷凝凍結(jié)法混合氣體利用其沸點及凝固點的不同，其中的高沸點組分冷凝或凍結(jié)使之分離。例如以負(fù)壓液氫為冷源進(jìn)行氖、氦分離。液氫負(fù)壓10241Pa時，沸點13K，在此溫度下，因氖的凝固點為24.3K，所以已經(jīng)凍結(jié)。因氦的沸點是4.178K，所以尚未液化，據(jù)此，氖、氦就得到了分離基本的提取方法吸附法利用分子篩、活性炭等吸附劑的選擇性吸附的特性，使稀有氣體的組分分離或者進(jìn)一步提純。例如：粗氬的凈化，去除氧組分、氮組分可以用分子篩吸附。氖、氦、氪、氙的提純也可以應(yīng)用吸附法催化反應(yīng)法粗氨加氫在催化劑的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以除去粗氬中的氧，以及氪、氙提純時在催化下凈除碳?xì)浠衔锒紝儆诖呋磻?yīng)法的應(yīng)用實際的制備方法并不是基本方法的單一使用，而是幾種方法的聯(lián)合，才能獲得純度高的稀有氣體。譬如，氖、氦的提取中就應(yīng)用了分凝、吸附、凍結(jié)等幾種方法。稀有氣體的制備——氬的制備

世界上工業(yè)氬的生產(chǎn)主要是利用空分裝置，從空氣中直接制取。自1915年美國林德空氣產(chǎn)品公司開始以液化空氣分餾制組以來，歐洲各工業(yè)國以及日本也相繼開始從空氣分離裝置提氬。但在最初的幾年里產(chǎn)量很少，僅供照明技術(shù)及科研用。直到1943年以后，隨著鋼鐵工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，空分規(guī)模逐漸增大，為副產(chǎn)氬氣奠定了基礎(chǔ)，氬氣的生產(chǎn)才迅速增加。60年代以來，現(xiàn)代技術(shù)對氬的需要量的增加，使得世界上大型空分裝置上幾乎都帶提氬設(shè)備利用合成氨尾氣回收氬是工業(yè)氨的另一途徑。合成氨尾氣一般含氬5~8%，含氫60~70%，用它回收氫和氬能夠更好地綜合利用原料資源。在美國、德國、法國、荷蘭、匈牙利、波蘭等國已建有十幾套從合成氨尾氣回收氬的裝置稀有氣體的制備——氖的制備

在工業(yè)上，是用空氣，采用深冷分離法一次濃縮，采用吸附法等純化提取的。1907年克勞德采用空氣液化裝置實現(xiàn)了氖的生產(chǎn)?？辗盅b置冷凝蒸發(fā)器頂部導(dǎo)出氣是氖的主要來源。目前德國、法國、俄羅斯、美國等許多國家都在部分大型空分設(shè)備配置氖、氦提取裝置。如何從空氣中提取氖、氦氣：從空分裝置中提取氖、氦的工序大體分3步：第一步制取粗氖、氦氣，目的是除掉原料中的氮，使之濃縮，可采用分凝法分離。有些工序粗氖、氦氣要經(jīng)過除氫和除氮兩步。除氫用加氧催化法使氫生成水，再由干燥器吸附清除。其余的氮再用冷凝法或采用活性炭低溫吸附清除。由于氖、氦的沸點相差約為23K，所以，純氖、氦混合氣的分離可采用冷凝法分離。因氖的凝固溫度為－248.7℃，還可以用凝固凍結(jié)法將氣氦和固氖分離稀有氣體的制備——氦的制備

在工業(yè)上氦的制取，通常是以含氦0.4~2%的天然氣作為原料，采用深冷分離法一次濃縮，采用吸附法等純化提取的。自空分裝置中得到的氦氣為數(shù)很少。只有少數(shù)缺乏含氦天然氣資源的國家才從空分裝置中副產(chǎn)少量氦氣目前世界氦年產(chǎn)約為1億m3。有的科學(xué)家估計再過50~100年，天然氣提氦資源將耗盡，不得不由空氣提取氦美國和前蘇聯(lián)的天然氣中含有高濃度的氦。美國天然氣提氦工業(yè)已有近60年的歷史；前蘇聯(lián)是從30年代開始進(jìn)行天然氣提氦的研究的；我國近年來也在四川威遠(yuǎn)建立起了天然氣提氦的工業(yè)裝置，年產(chǎn)氦氣10000m3。利用天然氣提氦的國家還有：加拿大、法國、德國、波蘭等國家。幾十年來，氦的生產(chǎn)、銷售、應(yīng)用各方面都得到了重大的發(fā)展，二次大戰(zhàn)后，為滿足原子能、導(dǎo)彈的需要，1946年美國制成一臺氦氣化裝置——柯林型氦氣化器，目前全世界大約有600臺氦氣化裝置，最大的為800L/h稀有氣體的制備——氪、氙的制備（1）

氪、氙的提取已有40多年的歷史氪和氙有兩個來源即空氣和核反應(yīng)堆裂變產(chǎn)物。由于裂變氣回收復(fù)雜，且受核反應(yīng)堆發(fā)展的限制，所以工業(yè)上一般不采用。也曾有過用合成氨尾氣制成氪、氙的報導(dǎo)，但均未見工業(yè)性生產(chǎn)工業(yè)上制取氪、氙仍然以大型空分設(shè)備副產(chǎn)為主，采用深冷法由空氣中提取。將液氧中氪、氙一次濃縮，經(jīng)化學(xué)處理后，再經(jīng)過精餾、吸附等工序凈化分離提取純氪、氙?，F(xiàn)代大型制氧裝置可以在消耗不增加的情況下制得相當(dāng)數(shù)量的氪、氙，同時還可以起到降低氧氣成本的作用。如何從空氣中提取氪、氙氣：因為氪、氙在空氣中含量極微，氪的體積分?jǐn)?shù)約為1×10－6，氙的體積分?jǐn)?shù)約為0.08×10－6，所以提取氪、氙十分困難，氪、氙的提取需進(jìn)行多次稀有氣體的制備——氪、氙的制備（2）

由于氪、氙沸點高，它們在空分裝置中總是混入氧中，所以應(yīng)以氧產(chǎn)品為原料