气体分离的原理与方法PPT培训课件.ppt

第5章 气体分离的原理与方法; ◆低温过程的主要工业应用包括气体的分离与纯化。 ◆液空精馏提供主要的商业用氧、氮、氩、氖、氪和氙。 ◆当今大部分产品氦是从含氦天然气经低温分离获得的。 ◆天然气中的低沸点组分，如甲烷、乙烷、乙烯都经低温精馏达到分离与纯化。 ◆低温还可以用于从焦炉气和其他不纯氢源中分离提取产品氢。 ◆用低温分离还可从氢制取同位素氘，进而生产重水。 ;第一节 气体的理想分离 ; 假设气缸中A和B两种气体混合物处于理想状态，内有两个无摩擦活塞， ◆左边活塞只允许气体A渗透， ◆右边活塞只允许气体B渗透，要求确定可逆分离这两种气体所需的功。 ;半渗透膜：该膜仅允许一种气体自由完全地通过，而其他气体无法通过。 使用这种装置，气体混合时就可以获得输出功，输入同样的功就可以把他们分开，因此，该过程是个可逆过程。 ; ◆可逆分离所消耗的功，等于等温条件下将各组分从其在混合物中的分压压缩到混合物总压所需的功。 ◆ 图示的左边活塞是可以让气体A自由透过，当左边活塞向右移动时，它仅仅将气体B从其分压压缩到混合物总压； ◆ 同样，右边活塞只压缩气体A。如果两活塞同时移动，则初始温度Tm和压力pm的混合物，被分离成等温度和压力的两种纯气体。 ; ◆这一分离过程的理想功为;第二节 气体分离原理 ; 二、精馏分离 ; 板式精馏塔是在一直立圆柱形筒体内装有水平放置的塔板。 温度较低的液体由上块塔板经降液管向下流动，温度较高的蒸气由塔板下方通过塔板上的小孔向上流动，在塔板上液体与气体相接触，完成传热与传质过程。 塔板分为筛板塔、蒸气浮阀塔和泡罩塔等。; ◆典型的孔板一般钻有1.5～4.0mm的小孔，板间距一般为19～20mm。 ◆液体的流向有从塔的一边流向另一边，然后在下一块塔板上反向流动；或从塔板的中心径向外流，然后在下一块塔板上从外侧流向中心。 ◆塔板上的液层高度由下流的降液管部位的溢流堰来保持。 ◆降液管延伸到下一块塔板上的液体中，以确保两塔板间的密封，防止上流的蒸气旁通。 ;◆假设N2+02二元混合物原料以饱和蒸气状态进入塔的第4块塔板。 ◆在理想情况下，在原料入口的上块塔板上的液体(点L5)组成与原料的组成相同，但它的温度较低，因为它是泡点温度而不是露点温度。 ◆在塔中，蒸气向上通过每块板上的液体层，液体流过每块板并通过降液管流向下一块塔板。 ◆当蒸气以气泡形式穿过液层时，把热量传给每块坂上的液体。; 传热的结果使得液层中少量的易挥发组分蒸发，而蒸气中相应的少量难挥发组分冷凝，于是蒸气变成富氮气体与液层相接触。 液层中富氧液体与蒸气接触，并从一块塔板流到另一块塔板。 ;◆一般说来，对于给定的塔板，应求出这类塔板在给定操作条件下的总效率，然后将计算得到的理论塔板数除以总塔板效率，就可以求得达到规定分离要求所需要的实际塔板数。 ; 三、图解法求二元混合物分离的理论塔板数 ; 图示精馏塔中的精馏段(进料口以上)与提馏段(进料口以下)的示意图。 ;1．精馏段 当原料在塔的底部加入时，即为塔的精馏段。 ◆为便于讨论，假设原料以饱和蒸气状态和流量为qm,Fkmol/h进塔，产品是饱和液体，流量分别为qm,D和qm,Bkmol/h。 ◆塔顶冷凝器得到的饱和液体的组成为xD。 ; 对图中点划线所包围的第n+1块板以上的塔，进行易挥发组分的物料衡算，可得 ; 因此若R给定，则操作线的斜率qm,L／qm,V就可以直接求得。注意到y-x图上的对角线yD=xD，此即为操作线的端部位置。 ; 2．提馏段 ◆当原料是从塔的顶部进入时，它就成为如图所示的提馏段。 ◆如果仍假设为恒质量流速，则提馏段的推导与精馏段相似，分析中假定原料是以饱和液体、(而不是精馏段的饱和蒸气)状态进入塔中。 ; 对图中包围在点划线内的m+1塔板以下的塔进行易挥发组分的物料衡算，可得 ; 3．精馏塔精馏段与提馏段构成一个完整的精馏塔，这样可在塔顶和塔底分别提取产品。 图示给出了这种塔在莫凯比-西勒法图上的操作线。 精馏塔的操作情况与上述精馏段与提馏段相似，但是进料状态是在变化的，因为原料可以是过冷液体、饱和液体、饱和蒸气和液体的混合物、饱和蒸气或过热蒸气。 现定义φ为进料板原料中含有饱和液体的摩尔分数，它反映了进料条件。 ; 由完整精馏塔进料板的气-液物料平衡，可以得到 ;4．极限回流条件; ◆在全回流条件下，该塔采用最少的理论塔板数达到所需的分离要求，但其能量消耗也最大。 ◆另一种是最小回流条件。 ◆若塔的回流量减少，为了达到所需的分离度，就要求更多的理论塔板