第六章 气体精馏原理与设备 气体分离方法： 精馏 分凝 吸收 吸附（PSA、VPSA） 膜分离 第一节 主要成分间的气液平衡 一、氧-氮二元系气液平衡 氧、氮、氩饱和压力与温度的关系 氧-氮二元系气液平衡 a.T-X-Y图   2．y-x图  3．T-P-h-x-y图 空气的精馏 一、液空的部分蒸发和空气部分冷凝  二、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。而且两个过程恰好相反：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，则可相互补充，并同时获得高纯度的氧和氮。  连续多次的部分蒸发和部分冷凝称为精馏过程。每经过一次部分冷凝和部分蒸发，气体中氮浓度就增加，液体中氧浓度也增加。这样经过多次便可将空气中氧和氮分开。下面举例来说明：如图4.9所示，有三个容器I，II，III，其压力均为98.1kPa。在容器I内盛有含氧20.9%的液空，容器II和III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III的液体中。由于空气的温度比含氧40%的液体的饱和温度（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。当气液温度达到相等时，与液体相平衡的蒸气中含氧只有14%O2。将此蒸气引到容器II，由于30%O2富氧液空的饱和温度（79.6K）比容器III中的温度低，所以从容器III引出的蒸气（80.5K）又继续冷凝，同时使容器II中的液体蒸发。当蒸气与30%O2的液体达到平衡状态时蒸气浓度又继续冷凝，同时使容器II中的液体蒸发。当蒸气与30%O2的液体达到平衡状态时蒸气浓度就变成9%O2。将此蒸气由容器II再引入容器I，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%O2。在上述过程中，在气相中氧浓度减少的同时，液体中氧则增加。这样多次进行下去，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。 图4.9所示流程示意图，仅仅说明精馏过程的基本概念，实际情况要复杂些。为了使精馏过程进行得较完善，即为了使气、液接触后接近平衡状态，就要增大气、液接触面积和精加接触时间。为此，在空分装置中是通过专门设备精馏塔来实现空气的精馏过程。 空气的精馏过程是在精馏塔中进行。目前我国制氧机中所用精馏塔主要是筛板塔。如图4.10所示，在直立圆柱形筒内装有水平放置的筛孔板，温度较低的液体由上块塔板经溢流管流下来，温度较高的蒸气由塔板下方通过小孔向上流动，与筛孔板上液体相遇，进行热质交换，也就是进行部分蒸发和部分冷凝过程。连续经多块塔板后就能够完成精馏过程，从而得到所要求纯度的氧、氮产品。 三、精馏塔 空气的精馏过程是在精馏塔中进行。目前我国制氧机中所用精馏塔主要是筛板塔。如图6-8所示，在直立圆柱形筒内装有水平放置的筛孔板，温度较低的液体由上块塔板经溢流管流下来，温度较高的蒸气由塔板下方通过小孔向上流动，与筛孔板上液体相遇，进行热质交换，也就是进行部分蒸发和部分冷凝过程。连续经多块塔板后就能够完成精馏过程，从而得到所要求纯度的氧、氮产品。 空气的精馏一般分为单级精馏和双级精馏，因而有单级精馏塔和双级精馏塔。 （一）单级精馏塔 单级精馏塔有两类：一类是制取高纯度液氮（或气氮）；一类是制取高纯度液氧（或气氧）。如图6-9所示。 图a所示为制取高塔度液氧（或气氮）的单级精馏塔，它由塔釜、塔板及筒壳、冷凝蒸发器三部分组成。压缩空气经换热器和净化系统除去杂质并冷却后进入塔的底部，并自下而上的穿过每块塔板，与塔板上的液体接触，进行热质交换。只要塔板数目足够多，在塔的顶部能得到高纯度气氮（纯度为99%以上）。该气氮在冷凝蒸发器内被冷却而变成液体，一部分作为液氮产品，由冷凝蒸发器引出；另一部分作为回流液，沿塔板自上而下的流动。回流液与上升的蒸气进行热质交换，最后在塔底得到含氧较多的液体，叫富氧液空，或称釜液，其含氧量约40%左右。釜液经节流阀进入冷凝蒸发器的蒸发侧（用来冷却冷凝侧的氮气）被加热而蒸发，变成富氧空气引出。如果需要获得气氮，则可从冷凝蒸发器顶盖下引出。 图b所示为制取纯氧（99%以上）的单级精馏塔，它由塔体及塔板、塔釜和釜中蛇管蒸发器组成。被冷却和净化过的压缩空气经过蛇管蒸发器时逐渐被冷凝，同时将它外面的液氧蒸发。冷凝后的压缩空气经过节流阀进入精馏塔的顶端。此时，由于节流降压，有一小部分液体气化，大部分液体自塔顶沿塔板下流，与上升的蒸气在塔板上充分接触，含氧量逐步增加。当塔内有足够多的塔板数时，有塔底可以得到纯的液氧。所得产品氧可以气态或液态引出。该塔不能获得纯氮。由于从塔顶引出的气体和节流后的液空处于接近相平衡状态，因而它的浓度约为93%N2。 单级精馏塔分离空气不能同时获得纯氧和纯氮。为了同时得到氧、氮产品，便产生了双级精馏塔。 （二）双级精馏塔  图6-10为双级精馏塔的示意图。它由上塔、下塔和冷凝蒸发器组成。上塔压力一般为130~150kPa，下塔压力一般为500~600kPa。但可以根据用户的需要，使上塔压力提高至450~550kPa，下塔提高到1100~1300kPa。 经过压缩、净化并冷却后的空气进入下塔底部，自下而上的流过每块塔板，至下塔顶部便得到一定纯度的气氮。下塔塔板数越多，气氮纯度越高。氮进入冷凝蒸发器的冷凝侧时，被液氧冷却变成液氮，一部分作为下塔回流液，沿塔板流下，至下塔塔釜便得到含氧36~40%的富氧液空；另一部分聚集在液氮槽中，经液氮节流阀后送入上塔顶部作上塔的回流液。 下塔塔釜中的液空经节流阀后送入上塔中部，沿塔板逐块流下，参加精馏过程。只要有足够多的塔板，在上塔的最下一块塔板上就可以得到纯度很高的液氧。液氧进入冷凝蒸发器的蒸发侧，被下塔的气氮加热蒸发。蒸发出来的气氧一部分作为产品引出，另一部分自下而上穿过每块塔板进行精馏。气体越往上升，其中氮浓度越高。 双级精馏塔可在上塔顶部和底部同时获得纯氮和纯氧；也可以在冷凝蒸发器的两侧分别取出液氧和液氮。 上塔又分两段，从液空进料口至上塔底部称为提馏段；从液空进料口至上塔顶部称为精馏段。冷凝蒸发器是连接上下塔使二者进行热量交换的设备，对下塔是冷凝器；对上塔是蒸发器。 图6-11a所示为全低压空分装置的双级精馏塔的示意图。全低压流程中的空气压力和下塔压力相同，约为500~600kPa。装置运转时的冷损主要靠一部分压缩空气在透平膨胀机中膨胀产生的冷量来补偿。膨胀后的压力为138~140kPa，低于塔压力，这部分膨胀空气无法再进入下塔。如果不使其参加精馏，则氧的损失太大，很不经济。因而从全低压流程的经济性来考虑，希望膨胀后的低压空气能参加精馏。它的压力在上塔工况范围之内，故有可能进入上塔；同时上塔实际的气液比较精馏所需的气液比大，即上塔的精馏有潜力。1932年拉赫曼发现了这一规律，并提出利用上塔精馏潜力的措施，可将适量（约占空气量的20~25%）的膨胀空气直接送入上塔进行精馏。这称为拉赫曼原理。它的特点是：80%左右加工空气进下塔精馏，而20%左右加工空气经膨胀后直接进入上塔。随着化肥工业的发展，不仅需要纯氧，而且需要99.99%N2的纯氮。为了提取纯氮，可在上塔顶部设置辅塔，用来进一步精馏一部分气氮，以便在上塔顶部得到纯氮。 另一种利用上塔精馏潜力的措施是从下塔顶部或冷凝蒸发器顶盖下抽出氮气，复热后进入氮透平膨胀机，经膨胀并回收其冷量后，作为产品输出或者放空，如图6-11b所示。由于从下塔引出氮气，使得冷凝蒸发器的冷凝量减少，因而送入上塔的液体馏分量也减少，上塔精馏段的气液比也就减少，精馏潜力同样得到利用。 四、双级精馏塔的物料和热量衡算 （一）精馏塔各主要点工作参数的确定 在图6-10所示的双级精馏塔中，上、下塔顶部、底部的工作参数可通过计算及查相平衡图而求得。 1．上塔顶部的压力p1及温度T1  式中 ——产品氮气输出的压力，要求稍高于大气的压力，一般取103kPa； ——产品流动阻力（包括换热器、管道、阀门等）。 温度T1决定于p1及排出氮气的浓度，由相平衡图查得。 2．上塔底部的压力p2及温度T2  式中 ——上塔阻力，一般取10~15kPa。 温度T2可由p2及液氧的纯度决定。 3．液氧的平均温度Tm冷凝蒸发器底部液氧的压力为  式中 H——冷凝蒸发器中液氧液柱的高度（m）； ——液氧的密度（kg/m3）。 根据p3及液氧的纯度可确定液氧底部温度Ts，则  4．冷凝蒸发器中氮的冷凝温度T4  其中是冷凝蒸发器的传热温差，在设计中选定。如果定得偏小，则导致冷凝蒸发器传热面积过大，如取得偏大，则造成下塔工作压力太高。一般对中压空分装置=2~3K，对全低压空分装置取=1.6~1.8K。 5．下塔顶部的压力p4 根据冷凝蒸发器氮的冷凝温度，查相平衡图可得下塔顶部压力p4。 6．下塔底部压力p5及温度T5  式中 ——下塔阻力，一般取10kPa。 根据及富氧液空的浓度可确定温度T5。 （二）精馏塔的物料衡算 根据物料平衡和热量平衡可求出塔内物流数量和产品纯度，空气进塔状态及冷凝蒸发器热负荷等参数。物料平衡包括： （1）总物料平衡：空气在精馏塔内分离所得各产品数量的总和应等于加工空气量； （2）各组分平衡：空气在精馏塔中分离所得各产品中某一组分量的总和应等于加工空气中该组分的量。 用VK、、分别代表加工空气、氧产品和氮产品的流通（Nm3/h），用、、分别代表空气及氧、氮产品中氮浓度，则根据物料平衡得  （6-6） 解上式得  （6-7） 由式（6-7）可看出，由于为定值，氧、氮产品决定于，及。在空分装置的操作中，若氮的纯度愈高，表明精馏过程进行得愈完善，氧产量愈大；若氮纯度保持不变，降低氧产量，则氧纯度会提高。 式（6-7）也可写成  （6-8） 如果说给定氧产量，可用上式确定加工空气量。 为了评价精馏过程的完善程度，引入氧的提取率这一概念，它以氧产品中的含氧量与加工空气中的含氧量之比来表示  式中 、代表氧气及空气中的氧浓度。 图6-12给出氧、氮纯度和生产每1m3氧气所消耗的空气量之间的关系。 如果空分塔是为了制取高纯度产品，如图6-11a所示，气氮分纯氮及污氮，则以，VWN分别表示纯氮及污氮的流量；以，分别表示纯氮及污氮中的氮浓度。为了便于计算，引入一个纯氮及污氮的平均浓度  即  （6-9） 在计算或时，可将式（6-6）及（6-7）中用氮气平均纯度代替。  （三）精馏塔的热量衡算 通过热量衡算可决定进塔的空气状态及冷蒸发器的热负荷。 令，，分别代表进塔空气、氮产品及氧产品的焓值（kJ/Nm3），q3代表跑冷损失（kJ/Nm3A），按热量平衡得  即  （6-10） 上式中，，已由物料衡算求得，又氮、氮出塔皆为饱和蒸气，故、可查相平衡图得到，q3根据经验取值，于是进塔空气的状态即可确定。 对上下塔还可分别进行热量衡算。 1．下塔衡算 图6-13a所示为下塔物流示意图 以，分别代表液空，液氮的流量，，分别代表液空及液氮中的氮浓度，则根据物料平衡得   （6-11） 解上式得  （6-12） 根据下塔热量平衡得  （6-13） 式中 ——下塔的跑冷损失（kJ/Nm3A）； ——冷凝蒸发器的热负荷（kJ/h）。 若=1Nm3，则式（6-13）可写成  （6-14） 式中按每标准立方米加工空气计的冷凝蒸发器热负荷。 、为每Nm3加工空气时液氮、液空量，它由式（6-12）计算，，可由相平衡图查得。 2．上塔衡算 图6-13b所示为上塔物流示意图。根据上塔热量平衡得  （6-15） 式中 ——上塔的跑冷损失（kJ/Nm3A）； ——冷凝蒸发器的热负荷（kJ/h）。 若=1Nm3，则式（6-15）可改为  （6-16） 由式（6-16）计算所得和由式（6-14）计算所得相比较，一般允许相差3%，否则需重新计算。