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    深冷空氣分離技術

    日期: 2019-06-24 10:14:55
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    深冷空氣分離技術

    深度冷凍法分離空氣是將空氣液化后,再利用氧、氮的沸點不同將它們分離。即,造成氣、液濃度的差異這一性質,來分離空氣的一種方法。

    目錄


    技術說明

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    因此必須了解氣、混合物的一些基本特征:氣-液相平衡時濃度間的關系:液態空氣蒸發和冷凝的過程及精餾塔的精餾過程。

    特征要求

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    1. 空氣的汽-液相的平衡,物質的聚集狀態有氣態、液態、固態。每種聚集態內部,具有相同的物理性質和化學性質并完全均勻的部分,稱為相??諝庠谒鹊姆蛛x,一般情況下,物料精餾是在汽、液兩相進行的??諝庵醒鹾偷嫉?9.04%,因此,可近似地把空氣當作氧和氮的二元混合物。當二元混合物為液態時,叫二元溶液。
    氧、氮可以任意比例混合,構成不同濃度的氣體混合物及溶液。把氧、氮溶液置于一封閉容器中,在溶液上方也和純物質一樣會產生蒸汽,該蒸汽是由氧、氮蒸汽組成的氣態的相混合物。對于氧氮二元溶液,當達到汽液平衡時,它的飽和溫度不但和壓力有關,而且和氧、氮的濃度有關。當壓力為1at時,含氮為0%,2%,10%的溶液的沸點列于表1-5。從表可知,隨著溶液中低沸點組分(氮)的增加,溶液的組和溫度降低,這是氧-氮二元溶液的一個重要特性。
    空氣中含氬0.93%,其沸點又介于氧、氮之間。
    在空氣分離的過程中,氬對精餾的影響較大,特別是在制取高純氧、氮產品時,必須考慮氬的影響。
    一般在較精確的計算中,又將空氣看作氧-氬-氮
    三元混合物,其濃度為氧20.95%,氬0.93%,氮78.09%(按容積)。
    三元系的汽液平衡關系,可根據實驗數據表
    示在相平衡圖上。確定三元系的汽液平衡狀態時,必須給定三個獨立參數,除給定溫度、壓力外,需再細定一個組分濃度(氣相或液相)平衡狀態才能確定。
    2. 壓力-濃度圖和溫度-濃度圖 在工業生產中,氣液平衡一般在某一不變條件下進行的。在溫度一定時可得如圖1-13所示的壓力-濃度的關系圖(P-X圖)。
    圖1-13是根據T=常數,繪出的氧、氮平衡系的P-X圖,縱坐標為壓力,橫坐標取氮的液相及氣相濃度(也可取氧的濃度)。每給定一個壓力就對應有一個液相及氣相濃度。分別連接不同壓力下的氣相濃度點及液相濃度點,則可得出圖中所示的飽和蒸汽線(虛線)和飽和液體線(實線)。其余相區如圖所示。
    在某一壓力P1下,與液、汽飽和線的交點分別為點1(X1)和點2(y2),又因為PN20>PO20根據康諾瓦羅夫定律,氮組分在氣相中的濃度要大于在液相中的濃度y2>x1。
    一般蒸發(冷凝)過程是在等壓下進行的,所以用T-X圖來研究這一過程更為方便。在等壓下,氧、氮的氣液平衡圖見圖1-14。每經定一個溫度,就對應有一個液相及氣相濃度。把不同溫度下對應的氣相濃度點和液相濃度點連接起來,可得飽和蒸汽線(虛線)和飽和液體線(實線)。這兩條曲線把圖分為三個區域:液相區、氣相區及兩相區。由圖1-14可知,純組分時的沸點TN20PO20在某一溫度T1下,根據康諾瓦羅夫定律可知,y2>x1。同時,還可以看出,當濃度為x1時溶液的沸點是T1,即不等于TO20,也不等于TN20而是介于兩者之間。
    對于不同壓力,可得不同的氧、氮平衡曲線(見圖1-15)圖中壓力P3>P2>P1,壓力越高,飽和液體線和飽和蒸汽線之間的距離越窄,也就是說高壓下氣-液間濃度差變小,而在低壓下濃度差加大。在相同的液相濃度X0下,可以看出y1>y2>y3。氣液相濃度差越大,表示氧氣分離越容易,因此在低壓下,分離空氣是比較有利的,因為可以大大減少精餾塔板的數量。
    3. 汽液平衡濃度圖(y-x圖) 在一定壓力下,取二元溶液中低沸點組分(氮)的濃度xN2為橫坐標,與其平衡的氣相中氮濃度yN2為縱坐標,構成的圖叫y-x圖(見圖1-16)
    在y-x圖中P3>P2>P1。當壓力愈低時,等壓線離y=x的對角錢就愈遠,表示組分在汽液中相的濃度差愈大,混合物分離就愈容易。
    當壓力一定時,由于采用低沸點組分為坐標的,氣在氣相中的濃度大于液相中的濃度,所以等壓線均在對角線(y=x線)以上,并為向上凸起曲線。如以高沸點組分氧為濃度坐標時則相反。
    用y-x圖了解氣液平衡時氣液相濃度的關系非常清楚和方便,所以在二元溶液精餾過程中,分析塔板上氣液濃度變化時常要用到該圖。
    4. 焓-濃度圖 在空氣分離技術中,很多情況下是研究過程的熱現象,因此通常采用焓-濃度圖(h-x圖)來進行研究就顯得比較方便。
    由給定的壓力、溫度和成分,再根據熱焓的計算式,求出與給定成分相對應的飽和汽相和飽和液相的熱焓值,并將所得的點1\\、2\\…和1\、2\、…連接起來,則可得飽和蒸汽線(虛線)和飽和液體線(實線)、然后再借助給定壓力下的T-x圖,求出在兩相區的等溫線(見圖1-17)。
    在h-x圖上,當xN2=0.xN1=1時,飽和蒸汽線和飽和液體線之間的距離,分別為液氧的汽化潛熱RO2和液氮的汽化潛熱rN2。當壓力改變時,因為各組分的飽和蒸汽和飽和液體的熱焓隨壓力而變化,所以飽和蒸汽線和飽和液體線的位置就不同,壓力越高,這兩條曲線越向上移。H-x圖的用途很廣,除用來作精餾計算外,還可以用該圖求得氧氮混合物的潛熱、液體節流后的汽化率及汽液相濃度。
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