低温原理与技术第一节气体液化与分离.ppt

第三章 低温原理与技术 3.1 气体液化与分离 循环效率FOM(热力完善度): 通常以理想循环所需的最小功与实际循环液化功比值作为评定的标准。 3. 简单林德－汉普逊系统 理想气体混合物分离的理论功: 分压比=质量比: 种组分理想气体混合物耗功: 分离系统的分离效率为: (3.45) (3.46) (3.48) (3.49) 2 混合物的性质 (1) 相律 单组份物质以两相出现时(例如液氮和气氮)，并非所有热静力学参数都是独立的。对于一组相态，在物性之间存在一个蒸气压力方程的关系式。 对于多于一相和超过一个组分物质，我们必须应用Gibbs相规律(1878年发现)来描述状态所需要独立变量的数目。 T = C - P +2 T:描述体系状态所需要独立变量的数目 C:存在组分数 P:存在的相数 图3.31典型双组分温度－成份图 (a) 压力低于两种组分的临界压力 (b)压力在两种组分的临界压力之间 (c)共沸混合物 (2)温度-浓度图 图3.32两组分混合物的冷凝 图3.33氧－氮混合物的温度－浓度图 相平衡曲线具体形式取决构成混合物分子之间的内作用力。 对于分子内作用比较弱的液体混合物，如稀溶液一样，可用著名的Raoult定律表式： :第j组分在液相上部气相中的分压 :在混合物温度下第j组分的蒸汽压 :在液相中第j组分的摩尔百分数 (3.51) 所有浓度下都服从Raoult定律的混合物称为理想的溶液。 若在液体混合物上部蒸汽相也可以看作理想气体，则蒸汽相的分压与总压力之间关系由定律Gibbs-Dalton决定: 蒸汽相中第j组分的摩尔分量 : 理想气体混合物的分压之和等于总压: 对于两组分混合物， ，因此，服从Raoult定律双组分混合物式: (3.52) (3.53) (3.54) (3.55) 图3.35 氮－氩混合物的温度－浓度图 图3.35 氮－氩混合物的温度－浓度图 (3) 平衡常数 气相和液相中摩尔百分比之间的关系可以用平衡常数表达: 理想气体和液体的平衡常数: 双组分混合物的液相和气相组成由每个组分的平衡常数来确定 ： 可求得液和气相中组分的摩尔百分比： (3.56) (3.57) (3.58) (3.59) 在典型氮－氧混合物系统的焓－浓度图中可以看出露点线(饱和蒸汽)和泡点线(饱和液体)。 (4) 焓－浓度图 图3.36 101.3kPa下氮－氧混合物的焓－浓度图 3.1.3 气体的分离原理 1. 简单冷凝或蒸发过程 3. 闪蒸计算 2. 精馏原理 4. 精馏塔的理论塔板数计算 5. 最小理论塔板数 6. 精馏塔的类型和结构 1. 简单冷凝或蒸发过程 通过部分冷凝能实现混合物的分离过程的效率主要取决于温度－浓度图上相分离曲线的形状。 对沸点相差较大的物质所组成混合物通过部分冷凝能达到有效的分离，而对沸点相近物质所组成的混合物该法将失去分离作用。 事实上通过简单的冷凝并不能把空气分离成纯组分，仅能达到部分分离，不能满足许多实际的应用。而氮－氦混合物，氨－氢混合物等由于沸点相差很大，完全可以通过部分冷凝法实现满意有效的分离。 二元组分相变过程的主要特性: 对于某一成分的二元混合物，在一定压力下，开始冷凝或开始蒸发到冷凝结束或蒸发结束时温度是不断变化的，这一点与纯组分不同。 在冷凝或蒸发过程中，液相和气相的浓度是连续变化的。 通过部分冷凝或蒸发可以有效地分离沸点相差很大的二元混合物，但对沸点相差较小的二元混合物达不到有效的分离。 2. 精馏原理 精馏就是以部分蒸发和部分冷凝用逆流方式进行复迭分离的过程。 图3.38 精馏塔的原理 图3.39 精馏过程中温度－浓度图 图3.40 气泡通过塔板时热质交换情况 塔板效率:塔板上的浓度变化与平衡时应达到的浓度变化之比 图3.41 板效率的定义 1946年 Geddes 分析了气泡与液体之间质传递的情况，得到了塔板效率式: 提高塔板效率的因素: 小气泡(小 ) 长接触时间(大 ) 大的总质交换系数 (3.61) 3. 闪蒸计算 闪蒸计算的步骤如下: 第j组分质量平衡 : 能量守恒 : 离开系统液体物流的百分比: 蒸汽相的摩尔百分比之和等于1 : (3.62) (3.63) (3.64) (3.65) (3.66) 混合压力已知，则仅含一个未知量即混合物 温度。计算步骤如下: 假定一个在露点和泡点之间的一个温度 露点