深冷空氣分離技術(shù)
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(chēng)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??諝庵醒鹾偷嫉?9.04%,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。在溫度一定時(shí)可得如圖1-13所示的壓力-濃度的關(guān)系圖(P-X圖)。
圖1-13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(見(jiàn)圖1-15)圖中壓力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(見(jiàn)圖1-16)
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(qián)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(見(jiàn)圖1-17)。
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。