化工企业空分工艺培训讲义(编辑修改稿)

化工企业空分工艺培训讲义(编辑修改稿)内容摘要：

下，有不同的饱和蒸汽压。 在同一温度下蒸汽压的大小，表明液体的气化难易程度，容易气化的，挥发性大，饱和蒸汽压大。 氧与氮相比，氧就是相对难挥发的物质，在相同温度下，氮的饱和蒸汽压总是大于氧的饱和蒸汽压。 如图 10 所示，对于由氧、氮组成的二元溶液来说，饱和蒸汽压不但与温度有关，还与组分的浓度存在一定关系，压力一定时氧氮溶液的沸点随着氮组分 (低沸点组分 )的增加而降低。 图 10 氧、氮、氩饱和压力与温度的关系 当压力不很高时．氧一氮二元溶液可以看作理想溶液 ，该理想溶液的蒸发气体可以看作理想气体。 因为理想气体遵循道尔顿分压定律，因此饱和蒸汽压 P 可表示为： P = PO2 + PN2 (PO2：氧组分的分压力， PN2:氮组分的分压 ) 且 Po2=P*YO2 ,PN2 =P*YN2 Yo2 氧在气相中的摩尔浓度， YN2 氮在气相中的摩尔浓度 又因为理想溶液遵循拉乌尔定律；气液平衡时，某组分的蒸汽分压等于该组分在相同温度下的饱和蒸汽压与该组分在溶液中的摩尔浓度乘积 即： PO2 = PO2O XO2 PN2 = PN20 XN2 PO2O 相同温度下氧饱和蒸汽压， PN20 相同温度下氮饱和蒸汽压 XO2 液相中氧组分的摩尔浓度； XN2 液相中氮组分的摩尔浓度 且： XO2 + XN2 = 1 结论：氧氮二元溶液，当气液处于平衡状态时，气相中的氧浓度总是小于液相中的氧浓度，气相中的氮浓度总是大于液相中的氮浓度。 下面将借助两种相平衡图加深对这个结论的认识。 (2).相平衡图 a T— X— Y 图 (温度一浓度图 ) 横坐标表示氮组分的浓度，纵坐标表示温度 T，在同一压力下，对应着两条曲线，上面的一条曲线 称为气相线，下面的一条曲线称为液相线，气相线与液相线将全图划分为三部分，见下图 11 所示 b X— Y 图（图 12） 它的横坐标为液相中的氮的浓度，用 X 表示。 纵坐标为与液相相平衡的气相中的氮浓度，用 Y 表示。 图中每一个压力，对应一条平衡曲线。 从图中看出，平衡曲线上任一点对应的纵坐标 Yn 总是大于横坐标 Xn，而且压力越大．曲线越平瘪，气液相之间的浓度差越小。 (3).空气的精馏 在某一压力下，非平衡状态的氧氮混合物的上升蒸汽和下流液体接触，蒸汽和液体浓度将不断变化。 直到它们达到平衡状态为止。 在这 个过程中，由于上升的蒸汽温度高于下流液体的温度，接触后液体与蒸汽之间就将发生热交换，并且 图 11 温度 —浓度图 部分冷凝的蒸汽释放的冷凝热将蒸发一部分液体 (由于氧、氮的气化潜热相近。 所以蒸发的液体量近似等于冷凝的液体量 )。 当液相与气相达到平衡时．上升的蒸汽中易挥发组分的浓度将相对增加 (即氮组分的浓度增加 )，下流液体中不易挥发组分的浓度也将相对增加 (即氧组分的浓度增加 )。 多次这样的蒸发、冷凝过程就构成了空气的精馏。 分离出来高纯度的氧和氮。 图 12 X – Y 图 气液是在塔板上充分接触的。 当气液达到平衡后，每块塔板上的液体中组分的平均浓度就保持恒定。 并且从下往上塔板上液体中的易挥发组分 (氮 )的浓度依次阶跃地增加。 (4).双级精馏塔 精馏塔有单级精馏塔和双级精馏塔，因为单级精馏塔只能制取一种纯产品，而且空气分离得很不完善、经济性能差，不能满足制取双高产品的要求，所以在此不作介绍。 双级精馏塔是由下塔、上塔及上、下塔之间的冷疑蒸发器组成的。 接近冷凝的空气从下塔底部进入，自下向上穿过每一块塔板。 在塔顶部得到高纯度的氮气，在下塔底部得到富氧液空 (38— 40％ O2)。 氮气部分作为产品气引出，大部分进入冷凝蒸发器压力侧，在冷凝蒸发器中，由于氮气的温度比低压侧的液氧温度高，因而氮气被冷疑成液氮，小部分作为液态产品引出，其余作为下塔的回流液。 在下塔底部的液空经节流后送入上塔中部，由上往下沿塔板逐块流下，与上升的蒸汽接触，在塔板上进行传质传热，液体中的氧组成逐渐富集，只要塔板数足够多，在低 压塔底部便可得到纯液氧，部分液氧在冷凝蒸发器中蒸发，作为上升蒸汽，部分作为产品引出。 污液氮从压力塔中部引出，经节流后送入上塔中上作为上塔精馏段的回流液，用来提高蒸汽中易挥发组分（氮）的浓度。 另外，还从下塔抽出液氮，送入上塔顶部，作为上塔顶部的回流液（针对二期流程）。 冷凝蒸发器对上塔而言是一个蒸发器，对下塔而言是一个冷凝器。 虽然在同等的压力下，氧的沸点比氮高，但下塔的工作压力高于上塔，使氮在下塔压力下的沸点大于上塔压力下液氧的沸点，这样氮气遇冷冷凝下来，同时将冷凝热传给液氧，作为液氧的蒸发热。 冷凝蒸发器 的传热温差是由上、下塔的压力差保证的。 对于冷凝蒸发器的设计，首先应考虑保证传热温差。 (5).回流比（ L/G） 精馏塔内工况与“回流比”有着密切的关系 “回流比”是指精馏塔内下流液体量 L 与上升蒸汽量 G 的比值。 “回流比”在一定程度上代表了塔板上汽液之间进行传质、传热过程的推动力。 如果回流比 L/G 较大，则达到指定的分离要求所需的理论塔板数较少。 但是增大回流比是以增加能耗为代价的。 因此，回流比的选择是个经济问题，需要在操作费用和设备费用之间作出权衡。 从回流比的定义式来看，回流比可以在零至无穷大之间变化。 前者对应 于无回流，后者对应于全回流，但实际上对指定的分离要求，回流比不能小于某一下限，否则即使有无穷多个理论塔板也达不到要求，回流比的这一下限称为最小回流比，这不是个经济问题，而是技术上对回流比选择所加的限制。 理论计算与实际操作均表明，在一般双级精馏塔中，上塔的实际气液比比精馏所需要的气液比大，存在富裕的回流比。 富裕的回流比表明：在减少回流比后只要适当增加塔板数仍能保证所需的产品纯度，即精馏尚有一定的潜力可挖。 (6).抽取氩组分的双级精馏塔 氩是一种重要的工业气体，从空分装置中提取氩，不仅能 够带来可观的经济效益，而且也有利于上塔内的氧、氮分离。 空气进入下塔后，经下塔初步精馏，在塔顶获得高纯氮，氧、氩相对氮是高沸点组分，因此氩绝大部分冷凝在液空中，液空中含氩量可达 %。 由于氩的沸点处于氧、氮之间，当氩随液空进上塔后，在提馏段由于氮相对氩和氧是易挥发组分。 液空在下流时氮组分蒸发的多，因此液体中氧、氩的浓度有所升高。 待到经过一定数量的塔板精馏后，氮含量已很少，则主要是实现氧氩的分离，而氩相对于氧来说是易挥发组分，随着液体继续下流，氩浓度将减少。 因此，在提馏段存在一个氩的富集区。 由于在提馏段主要是实现氧、氩分离，而氩是易挥发组分，所以在同一截面上气相中的氩浓度将高于液相中的氩浓度。 在精馏段，蒸汽在上升过程中开始由于氧相对于气氮、氩是难挥发组分，氧组成冷凝较多，所以氩、氮组分自下而上有所增加。 经一定塔板数后，氩相对于氮是难挥发组分，因而它的浓度沿塔自下而上流动时又减少。 在精馏段也存在一个高浓度的氩区域。 提氩原料一般在提留段的氩富集区偏下的地方抽取。 用全精馏法制氩流程，精氩在冷箱里一次提取完成。 从双级精馏塔抽取的氩馏分作为制氩的原料气，先经两段粗氩塔提取，脱除馏分中的氧气，一段粗氩 塔粗脱氧，经提取粗氩后，底部的氧氩混合液返回主塔（上塔）；二段精脱氧，制得不含氧的氩馏分供给精氩。 由于。