气体分离和纯化系统

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1、第四章气体分离与纯化系统主要内容热力学理想分离系统混合物的性质精馏分离原理21、热力学理想分离系统半渗透膜：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。3TmpmTmpmTmpm12热力学理想分离系统模型左边的活塞只允许气体A通过，右边的活塞只允许气体B通过，通过把两个活塞移动到一起，由气体A和B组成的混合物就可逆地被分离成纯净的气体A和气体B。过程可逆，所以为恒温（通过与外部热源热交换获得）。此时所耗能量

2、等价于把每一组分在混合气体中分压恒温压缩到混合物的压力所需要的压缩功之和。温度越低，理论分离功越小。5理论分离功双组分气体混合物理论功耗2、混合物的性质7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+2T:描述体系状态所需要独立变量的数目C:存在组分数P:存在的相数典型双组分温度－成份图双组分混合物相平衡曲线：分

3、三种情况第一种典型曲线是适用于压力低于双组分的临界压力，把空气看作是氮和氧的混合物时，压力在100-1000kPa之间的液空属于这种情况。第二种情况是混合物中组分之一的临界压力低于所作的温度-浓度图时的压力。氮-氦混合物压力在2MPa左右会出现这种类型的曲线。第三种情况表明了在一定的浓度下混合物会转为共沸混合物。这时混合物的性能与单纯组分物质完全一样。典型例子是在丙酮与三氯甲烷作为混合物会产生这种现象。用精馏原理无法把这类共沸混合物分开。幸好，低温流体在分离时不会形成共沸混合物。O2100%N2100%O2混合物

4、液体（高沸点组分丰富）混合物气体（低沸点组分丰富）二元混合物液体二元混合物蒸汽二元混合物的T-x图Tx01O2N2125634x1x3y4Q加热过程中二元混合物气液两相中成分变化定压下PP混合物的温度－浓度图11Raoult定律与理想溶液12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，可用著名的拉乌尔（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组分的摩尔百分数所有浓度下都服从Raoult定律的混合物

5、称为理想溶液13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Gibbs-Dalton定律决定: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Gibbs-Dalton定律双组分混合物式:Gibbs-Dalton定律平衡常数14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:可求得液和气相中组分的摩尔百分比：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：焓－浓度图在焓－浓度图中可以看出露点线(饱和蒸汽

6、)和泡点线(饱和液体)随双组分混合物冷凝，混合物的温度将降低，这意味着在露点线和泡点线之间等温线在焓－浓度图上并不是垂直线，而是有一定的斜率。15二元组分相变过程特征变温：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，这点与纯组分不同。两相浓度分别连续变化：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（如氮－氦混合物，氨－氢混合物等），但对沸点相差较小的二元混合物达不到有效地分离。163、精馏原理精馏

7、原理：混合物部分冷凝或部分蒸发时时，液体中高沸点组份浓度增大，而气相中低沸点组份浓度增大。精馏就是以部分蒸发和部分冷凝用逆流方式进行多次分离的过程。通过使用大量塔板，能够获得相当纯的单组分。1718精馏塔以空气精馏分离为例温度较高的蒸汽由塔板下方通过小孔向上流动，而温度较低的液体由上塔板经溢流装置流到下塔板，与通过小孔流动的蒸汽进行热质交换。当蒸汽泡通过液体层时，较高温度的蒸汽把热量传给液体。气泡内的高沸点组分氧被冷凝，而液体内的低沸点组分氮被蒸发。上行气泡富集氮，下行液体富集氧。在塔底，必须加入热量为供料口下的

8、塔板提供蒸汽；在塔顶，必须移去一些热量来为供料口上的塔板提供液体。LN2LO219精馏过程中温度－浓度图气泡通过塔板时热质交换情况精馏过程在理想或理论塔板上，离开液体的蒸汽与塔板上的液体处于同一温度。在实际的精馏塔中，蒸汽不可能达到液体的温度才离开塔板。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。提高塔板效率的因素：小气泡；长接触时间；大的总质交换系数。20塔