第九章 气体的低温分离.doc

第9章 气体的低温分离 9．1 气体的组成及气液相平衡 9．1．1气体的组成 自然界中存在的气体通常是气体混合物。单一气体的获得通常采用从混合物中分离提取的办法，从混合物中提取纯气体，以满足人类对气体的各种需求。 1．气体混合物 两种及两种以上的单一气体形成气体混合物。这一过程是自发过程，而从混合物中提取某种纯气体，或将混合物中各种组分完全分离开来，则是非自发过程，要使过程进行必须投入一定补偿，这就是分离功。分离的最小可能功耗应该是通过一个可逆过程进行，所需的最小可逆功则决定于被分离的混合物组成、温度和压力以及所要求产物的组成、温度和压力。在恒温恒压条件下将均相的理想气体混合物分离成纯气体产物所需的最小功应为 (9－1) 1mol气体混合物所消耗的最小功； R—混合物气体常数； xi—第i个组分的摩尔分数。 对于由组分A、B组成的双组分混合物，则其最小分离功为 (9－2) 将混合物分离成不纯的气体产物所耗的功要小于同条件下分离成纯物质的最小功，其耗功的计算可由式(9－2)的结果再减去不纯的气体产物进一步分离成纯质气体所耗的功，即： (9－3) 式中yj—不纯气体产物j占总气体混合物的摩尔分数； xji—不纯气体产物j中i组分的摩尔分数。 事实上，将混合物实现完全的纯气体分离是不可能的。为了实现可逆过程、零温差传热和无密度差传质需要无穷大的换热面积和无限大的传质空间，这种要求实际上无法做到，因此提纯气体总有一定限度。也就是说，分离后的气体不可能达到100%的纯度。 2．空气的组成 空气是一种均匀的多组分混合气体，它的主要成分是氧、氮和氩，此外还含有微量的氢及氖、氦、氙等稀有气体。根据地区条件的不同，空气中也会含有不定量的二氧化碳、水蒸气以及乙炔等碳氢化合物，空气的组成及各成分的沸点可参见第8章表8－2。 3．天然气的组成 泛指的天然气包括油田气和气田气两种，它们是碳氢化合物及少量的N2、H2、CO2等组成的混合气体，其主要成分是以甲烷为主的烷烃。当气体中甲烷成分的含量在90%以上时称为贫气或干气，常见于气田气。气体的成分含量因气田地域不同而异，同一气田的气体含量也因开采时间不同而变化。表9－1列出我国部分地区油田气及气田气(天然气)的组成。 天然气和油田气可以分离出各种纯组分甲烷、乙烷等，分别作为生产甲醇、乙烯及其他石油化工产品的原料，也可以从中分离出轻汽油及液化石油气(其余称干气)等馏分，分别用作动力燃料及民用燃料。后一情况特别适用于小宗气体的分离。有些地区的天然气中氦含量较高，用以提氦比较经济而有效。 4．其他多组分气体混合物 (1) 焦炉气 焦炉气是炼焦工业的副产品，以氢的含量为最高，其次是甲烷气，因此利用焦炉气进行分离制取氢气是目前重要的制氢来源之一。氢气常用作生产合成氨的原料，焦炉气的平均组成如表9－2所示。 表9－2 焦炉气的平均组成(摩尔分数) 组成 H2 CH4 CnHm CO O2 N2 CO2 H2S 含量/% 54～59 23～28 1.5～3.0 5.5～7.0 0.4～0.8 3.5～5.0 1.2～2.5 ～1.2 (2) 石油裂解气 石油裂解气是将一些石油产品(如乙烷、丙烷、柴油、重油等)加以裂解而得到的混合气体。石油裂解气的组成如表9－3所示，其主要组分除烷烃外，还有大量的不饱和碳氢化合物(如乙烯、丙烯等)，后者是有机合成工业的重要原料。 (3) 合成氨尾气 合成氨尾气由合成氨时不断排放的驰放气及液氨降压时放出的膨胀气组成。合成氨尾气的组成如表9－4所示。从合成氨尾气中不但可回收氢，还可提取氩、氪、氙等。以含氦的天然气为原料制造合成氨时，其中氦可浓缩4～8倍，用以提取氦时具有较高的经济价值。 9．1．2空气的二元系气液平衡 1．气液平衡及氧、氩、氮饱和压力和饱和温度的关系 在气液平衡条件下，各相的状态参数保持不变，它们的温度、压力都分别相等，这时的温度称饱和温度，压力称饱和蒸气压力。纯物质在一定的压力下对应着惟一的饱和温度，或在一定的温度下对应有惟一的饱和压力。图9－1示出氧、氩、氮纯物质在气液平衡时，饱和压力与饱和温度之间的关系。 由图9－1知，氧、氩、氮在同一温度下具有不同的饱和蒸气压力，这是由于它们的分子结构和分子间的引力不同所致。在同一温度下饱和蒸气压力的大小，表明了液体汽化的难易程度。饱和蒸气压大的物质容易由液体变为蒸气，反之，饱和蒸气压小的物质不易由液体变为蒸气。在相同的温度下，氮的饱和蒸气压高于氧的饱和蒸气压。而在相同