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深冷空氣分離技術(shù)制備氮?dú)?/h1>
2018-9-10 14:23:05
深度冷凍法分離空氣是將空氣液化后，再利用氧、氮的沸點(diǎn)不同將它們分離。即，造成氣、液濃度的差異這一性質(zhì)，來(lái)分離空氣的一種方法。因此必須了解氣、混合物的一些基本特征：氣-液相平衡時(shí)濃度間的關(guān)系：液態(tài)空氣蒸發(fā)和冷凝的過(guò)程及精餾塔的精餾過(guò)程。
1. 空氣的汽-液相的平衡，物質(zhì)的聚集狀態(tài)有氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。每種聚集態(tài)內(nèi)部，具有相同的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)并完全均勻的部分，稱為相?？諝庠谒?nèi)的分離，一般情況下，物料精餾是在汽、液兩相進(jìn)行的。空氣中氧和氮占到99.04%，因此，可近似地把空氣當(dāng)作氧和氮的二元混合物。當(dāng)二元混合物為液態(tài)時(shí)，叫二元溶液。
氧、氮可以任意比例混合，構(gòu)成不同濃度的氣體混合物及溶液。把氧、氮溶液置于一封閉容器中，在溶液上方也和純物質(zhì)一樣會(huì)產(chǎn)生蒸汽，該蒸汽是由氧、氮蒸汽組成的氣態(tài)的相混合物。對(duì)于氧氮二元溶液，當(dāng)達(dá)到汽液平衡時(shí)，它的飽和溫度不但和壓力有關(guān)，而且和氧、氮的濃度有關(guān)。當(dāng)壓力為1at時(shí)，含氮為0%，2%，10%的溶液的沸點(diǎn)列于表1-5。從表可知，隨著溶液中低沸點(diǎn)組分（氮）的增加，溶液的組和溫度降低，這是氧-氮二元溶液的一個(gè)重要特性。
空氣中含氬0.93%，其沸點(diǎn)又介于氧、氮之間。
在空氣分離的過(guò)程中，氬對(duì)精餾的影響較大，特別是在制取高純氧、氮產(chǎn)品時(shí)，必須考慮氬的影響。
一般在較精確的計(jì)算中，又將空氣看作氧-氬-氮三元混合物，其濃度為氧20.95%，氬0.93%，氮78.09%（按容積）。
三元系的汽液平衡關(guān)系，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示在相平衡圖上。確定三元系的汽液平衡狀態(tài)時(shí)，必須給定三個(gè)獨(dú)立參數(shù)，除給定溫度、壓力外，需再細(xì)定一個(gè)組分濃度（氣相或液相）平衡狀態(tài)才能確定。
2. 壓力-濃度圖和溫度-濃度圖 在工業(yè)生產(chǎn)中，氣液平衡一般在某一不變條件下進(jìn)行的。
是根據(jù)T=常數(shù)，繪出的氧、氮平衡系的P-X圖，縱坐標(biāo)為壓力，橫坐標(biāo)取氮的液相及氣相濃度（也可取氧的濃度）。每給定一個(gè)壓力就對(duì)應(yīng)有一個(gè)液相及氣相濃度。分別連接不同壓力下的氣相濃度點(diǎn)及液相濃度點(diǎn)，則可得出圖中所示的飽和蒸汽線（虛線）和飽和液體線（實(shí)線）。其余相區(qū)如圖所示。
在某一壓力P1下，與液、汽飽和線的交點(diǎn)分別為點(diǎn)1（X1）和點(diǎn)2（y2），又因?yàn)镻N20>PO20根據(jù)康諾瓦羅夫定律，氮組分在氣相中的濃度要大于在液相中的濃度y2>x1。
一般蒸發(fā)（冷凝）過(guò)程是在等壓下進(jìn)行的，所以用T-X圖來(lái)研究這一過(guò)程更為方便。在等壓下，氧、氮的氣液平衡圖見(jiàn)圖1-14。每經(jīng)定一個(gè)溫度，就對(duì)應(yīng)有一個(gè)液相及氣相濃度。把不同溫度下對(duì)應(yīng)的氣相濃度點(diǎn)和液相濃度點(diǎn)連接起來(lái)，可得飽和蒸汽線（虛線）和飽和液體線（實(shí)線）。這兩條曲線把圖分為三個(gè)區(qū)域：液相區(qū)、氣相區(qū)及兩相區(qū)。由圖1-14可知，純組分時(shí)的沸點(diǎn)TN20PO20在某一溫度T1下，根據(jù)康諾瓦羅夫定律可知，y2>x1。同時(shí)，還可以看出，當(dāng)濃度為x1時(shí)溶液的沸點(diǎn)是T1，即不等于TO20，也不等于TN20而是介于兩者之間。
對(duì)于不同壓力，可得不同的氧、氮平衡曲線中壓力P3>P2>P1，壓力越高，飽和液體線和飽和蒸汽線之間的距離越窄，也就是說(shuō)高壓下氣-液間濃度差變小，而在低壓下濃度差加大。在相同的液相濃度X0下，可以看出y1>y2>y3。氣液相濃度差越大，表示氧氣分離越容易，因此在低壓下，分離空氣是比較有利的，因?yàn)榭梢源蟠鬁p少精餾塔板的數(shù)量。
3. 汽液平衡濃度圖（y-x圖） 在一定壓力下，取二元溶液中低沸點(diǎn)組分（氮）的濃度xN2為橫坐標(biāo)，與其平衡的氣相中氮濃度yN2為縱坐標(biāo)，構(gòu)成的圖叫y-x圖
在y-x圖中P3>P2>P1。當(dāng)壓力愈低時(shí)，等壓線離y=x的對(duì)角錢就愈遠(yuǎn)，表示組分在汽液中相的濃度差愈大，混合物分離就愈容易。
當(dāng)壓力一定時(shí)，由于采用低沸點(diǎn)組分為坐標(biāo)的，氣在氣相中的濃度大于液相中的濃度，所以等壓線均在對(duì)角線（y=x線）以上，并為向上凸起曲線。如以高沸點(diǎn)組分氧為濃度坐標(biāo)時(shí)則相反。
用y-x圖了解氣液平衡時(shí)氣液相濃度的關(guān)系非常清楚和方便，所以在二元溶液精餾過(guò)程中，分析塔板上氣液濃度變化時(shí)常要用到該圖。
4. 焓-濃度圖 在空氣分離技術(shù)中，很多情況下是研究過(guò)程的熱現(xiàn)象，因此通常采用焓-濃度圖（h-x圖）來(lái)進(jìn)行研究就顯得比較方便。
由給定的壓力、溫度和成分，再根據(jù)熱焓的計(jì)算式，求出與給定成分相對(duì)應(yīng)的飽和汽相和飽和液相的熱焓值，并將所得的點(diǎn)1\\、2\\…和1\、2\、…連接起來(lái)，則可得飽和蒸汽線（虛線）和飽和液體線（實(shí)線）、然后再借助給定壓力下的T-x圖，求出在兩相區(qū)的等溫線。
在h-x圖上，當(dāng)xN2=0.xN1=1時(shí)，飽和蒸汽線和飽和液體線之間的距離，分別為液氧的汽化潛熱ro2和液氮的汽化潛熱rN2。當(dāng)壓力改變時(shí)，因?yàn)楦鹘M分的飽和蒸汽和飽和液體的熱焓隨壓力而變化，所以飽和蒸汽線和飽和液體線的位置就不同，壓力越高，這兩條曲線越向上移。H-x圖的用途很廣，除用來(lái)作精餾計(jì)算外，還可以用該圖求得氧氮混合物的潛熱、液體節(jié)流后的汽化率及汽液相濃度。
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1. 空氣的汽-液相的平衡，物質(zhì)的聚集狀態(tài)有氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。每種聚集態(tài)內(nèi)部，具有相同的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)并完全均勻的部分，稱為相?？諝庠谒?nèi)的分離，一般情況下，物料精餾是在汽、液兩相進(jìn)行的。空氣中氧和氮占到99.04%，因此，可近似地把空氣當(dāng)作氧和氮的二元混合物。當(dāng)二元混合物為液態(tài)時(shí)，叫二元溶液。
氧、氮可以任意比例混合，構(gòu)成不同濃度的氣體混合物及溶液。把氧、氮溶液置于一封閉容器中，在溶液上方也和純物質(zhì)一樣會(huì)產(chǎn)生蒸汽，該蒸汽是由氧、氮蒸汽組成的氣態(tài)的相混合物。對(duì)于氧氮二元溶液，當(dāng)達(dá)到汽液平衡時(shí)，它的飽和溫度不但和壓力有關(guān)，而且和氧、氮的濃度有關(guān)。當(dāng)壓力為1at時(shí)，含氮為0%，2%，10%的溶液的沸點(diǎn)列于表1-5。從表可知，隨著溶液中低沸點(diǎn)組分（氮）的增加，溶液的組和溫度降低，這是氧-氮二元溶液的一個(gè)重要特性。
空氣中含氬0.93%，其沸點(diǎn)又介于氧、氮之間。
在空氣分離的過(guò)程中，氬對(duì)精餾的影響較大，特別是在制取高純氧、氮產(chǎn)品時(shí)，必須考慮氬的影響。
一般在較精確的計(jì)算中，又將空氣看作氧-氬-氮三元混合物，其濃度為氧20.95%，氬0.93%，氮78.09%（按容積）。
三元系的汽液平衡關(guān)系，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示在相平衡圖上。確定三元系的汽液平衡狀態(tài)時(shí)，必須給定三個(gè)獨(dú)立參數(shù)，除給定溫度、壓力外，需再細(xì)定一個(gè)組分濃度（氣相或液相）平衡狀態(tài)才能確定。
2. 壓力-濃度圖和溫度-濃度圖 在工業(yè)生產(chǎn)中，氣液平衡一般在某一不變條件下進(jìn)行的。
是根據(jù)T=常數(shù)，繪出的氧、氮平衡系的P-X圖，縱坐標(biāo)為壓力，橫坐標(biāo)取氮的液相及氣相濃度（也可取氧的濃度）。每給定一個(gè)壓力就對(duì)應(yīng)有一個(gè)液相及氣相濃度。分別連接不同壓力下的氣相濃度點(diǎn)及液相濃度點(diǎn)，則可得出圖中所示的飽和蒸汽線（虛線）和飽和液體線（實(shí)線）。其余相區(qū)如圖所示。
在某一壓力P1下，與液、汽飽和線的交點(diǎn)分別為點(diǎn)1（X1）和點(diǎn)2（y2），又因?yàn)镻N20>PO20根據(jù)康諾瓦羅夫定律，氮組分在氣相中的濃度要大于在液相中的濃度y2>x1。
一般蒸發(fā)（冷凝）過(guò)程是在等壓下進(jìn)行的，所以用T-X圖來(lái)研究這一過(guò)程更為方便。在等壓下，氧、氮的氣液平衡圖見(jiàn)圖1-14。每經(jīng)定一個(gè)溫度，就對(duì)應(yīng)有一個(gè)液相及氣相濃度。把不同溫度下對(duì)應(yīng)的氣相濃度點(diǎn)和液相濃度點(diǎn)連接起來(lái)，可得飽和蒸汽線（虛線）和飽和液體線（實(shí)線）。這兩條曲線把圖分為三個(gè)區(qū)域：液相區(qū)、氣相區(qū)及兩相區(qū)。由圖1-14可知，純組分時(shí)的沸點(diǎn)TN20PO20在某一溫度T1下，根據(jù)康諾瓦羅夫定律可知，y2>x1。同時(shí)，還可以看出，當(dāng)濃度為x1時(shí)溶液的沸點(diǎn)是T1，即不等于TO20，也不等于TN20而是介于兩者之間。
對(duì)于不同壓力，可得不同的氧、氮平衡曲線中壓力P3>P2>P1，壓力越高，飽和液體線和飽和蒸汽線之間的距離越窄，也就是說(shuō)高壓下氣-液間濃度差變小，而在低壓下濃度差加大。在相同的液相濃度X0下，可以看出y1>y2>y3。氣液相濃度差越大，表示氧氣分離越容易，因此在低壓下，分離空氣是比較有利的，因?yàn)榭梢源蟠鬁p少精餾塔板的數(shù)量。
3. 汽液平衡濃度圖（y-x圖） 在一定壓力下，取二元溶液中低沸點(diǎn)組分（氮）的濃度xN2為橫坐標(biāo)，與其平衡的氣相中氮濃度yN2為縱坐標(biāo)，構(gòu)成的圖叫y-x圖
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當(dāng)壓力一定時(shí)，由于采用低沸點(diǎn)組分為坐標(biāo)的，氣在氣相中的濃度大于液相中的濃度，所以等壓線均在對(duì)角線（y=x線）以上，并為向上凸起曲線。如以高沸點(diǎn)組分氧為濃度坐標(biāo)時(shí)則相反。
用y-x圖了解氣液平衡時(shí)氣液相濃度的關(guān)系非常清楚和方便，所以在二元溶液精餾過(guò)程中，分析塔板上氣液濃度變化時(shí)常要用到該圖。
4. 焓-濃度圖 在空氣分離技術(shù)中，很多情況下是研究過(guò)程的熱現(xiàn)象，因此通常采用焓-濃度圖（h-x圖）來(lái)進(jìn)行研究就顯得比較方便。
由給定的壓力、溫度和成分，再根據(jù)熱焓的計(jì)算式，求出與給定成分相對(duì)應(yīng)的飽和汽相和飽和液相的熱焓值，并將所得的點(diǎn)1\\、2\\…和1\、2\、…連接起來(lái)，則可得飽和蒸汽線（虛線）和飽和液體線（實(shí)線）、然后再借助給定壓力下的T-x圖，求出在兩相區(qū)的等溫線。
在h-x圖上，當(dāng)xN2=0.xN1=1時(shí)，飽和蒸汽線和飽和液體線之間的距離，分別為液氧的汽化潛熱ro2和液氮的汽化潛熱rN2。當(dāng)壓力改變時(shí)，因?yàn)楦鹘M分的飽和蒸汽和飽和液體的熱焓隨壓力而變化，所以飽和蒸汽線和飽和液體線的位置就不同，壓力越高，這兩條曲線越向上移。H-x圖的用途很廣，除用來(lái)作精餾計(jì)算外，還可以用該圖求得氧氮混合物的潛熱、液體節(jié)流后的汽化率及汽液相濃度。
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