制冷与低温技术原理 8 气体的低温液化分离

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1、返回目录8气体的低温液化分离8.1分凝法分凝法亦称部分冷凝法，它是根据混合气体中各组分冷凝温度的不同，当混合气体冷却到某一温度后，高沸点组分凝结成液体，而低沸点组分仍然为气体，这时将气体和液体分离也就将混合气中组分分离。①分凝法一般用于分离沸点相距较远的气体混合物，如N−He，N−H，222CH−N，CH−H等。42421)由空气制取富氧空气分凝法可以使混合气体中易挥发组分的摩尔分数提高，冷凝液中难挥发组分摩尔分数提高，用分凝法可将空气分离为富氧空气和氮气。分凝器如图8-1所示，为一壳管式的热交换设备。令压力为490kPa的饱和空气由进料口1进入分凝器，在管内被冷却，冷凝的液体

2、沿管壁流下汇集于底部釜中，一般釜液中含氧量可达(30~40)%；不凝气体则上升到分凝器顶部可获得摩尔分数为90%以上的氮气。釜液经节流后进入管间蒸发，以冷却管内的空气。釜液蒸发后自上部接管6引出，即为富氧空气。2)由空分装置提取氖氦混合气以600kPa压力含有少量氖、氦的氮气为原料气，用常压液氮作冷源，分凝器与图8-1相似。分凝后可得粗氖、氦混合气、其中氖、氦含量可达(50~60)%。3)多组分混合气的分级冷凝天然气、石油气、焦炉气以及合成氨驰放气都是多组分混合气。实现它们的分离往往需要在若干个分离级中分阶段进行，在每一级中组分摩尔分数将发生显著变化，如图8-2所示。多组分气体

3、混合物当被冷却到某一温度水平时，进入一分离器，将已冷凝组分分离出去，然后再进入下一级冷凝器，继续降温并分凝。一个冷凝器和一个分离器组成一个冷凝级。从工艺的角度来考虑，冷凝级数主要是根据需回收组分的要求来确定的，但同时要保证在分凝器中不会出现高沸点组分被冻结的现象。比如采用分凝法分离合成氨驰放气H−N−Ar−CH，各组分的分凝如图8-2所示，当压力为3000Kpa左右，要求回收纯224度较高的甲烷，富氩馏份及纯氢时，可分三级进行：第一级冷凝温度控制在150K左右，分离后得到纯度较高的甲烷凝液；第二级终了温度控制在120K左右，分离后得到富氩凝份，第三级终了温度控制在63K左右，可

4、获得较高纯度的氢气。图8-1分凝器示意图1-空气入口；2-分凝器管；3-分凝器釜4-节流阀；5-氮气出口；6-富氧空气出口（点击观看动画）图8-2分离级示意图（点击观看动画）②分凝法的分类在分凝的过程中，按被冷凝的混合气体和已冷凝的液体流向的异同，分为并流冷凝和逆流冷凝两类，其示意图如图8-3（注意两类冷凝方式中，被冷凝的气体与同它进行热交换的冷物流都是逆流换热的）。所谓并流冷凝是指被冷凝气流与不断冷凝下来的冷凝液流向一致的。而在逆流冷凝中被冷凝气体由下往上流动，而已冷凝液体却是由上向下流动，两者流向相反。两种冷凝方式，各有其特点：1)从温度分布看：如果冷物流在换热时没有相的变

5、化，则进口温度低于出口温度，那么并流冷凝时冷凝器底部温度较低，而顶部温度较高；在逆流冷凝时正好相反。可见，单就温度分布来看，并流冷凝的分离程度要完全一些。如果冷物流在换热过程中有相变，其温度几乎不变，则并流冷凝这一特点就不显著了。2)从气液相中组分的摩尔分数分布看：在分凝过程中，使高沸点组分不断转入液相的推动力是气相与液相中组分的摩尔分数差。在并流冷凝时，愈接近冷凝器底部温度愈低，则气相中高沸点组分摩尔分数愈小，在出口处几乎达到气液平衡，高沸点组分继续被转入液相的推动力小了。故并流冷凝液的高沸点组分摩尔分数较小。而在逆流冷凝时，器底温度虽较高，但与冷凝器接触的是待分离的新鲜原料

6、气，尽管冷凝液中高沸点组分摩尔分数高，可是气相中高沸点组分摩尔分数也高，转入液相的推动力仍较大；最终凝液与原料气达到气液平衡，故凝液中高沸点组分的摩尔分数较高。根据以上分析，当冷物流无相变时，以采用并流冷凝为宜；如果冷物流有相变时，则以采用逆流冷凝为好。(a)并流冷凝(b)逆流冷凝图8-3并流冷凝与逆流冷凝（点击观看动画）③多组分混合气分凝过程的计算多组分混合气体的冷凝液中各组分可能是互溶的，也可能是不互溶的，我们这里讨论的是互溶的情况。计算的原理是多组分的气液平衡关系，计算的方法是采用相平衡常数。相平衡常数为某一组分气相摩尔分数和液相摩尔分数的比值，其数值通过实验得到。1)并

7、流冷凝的计算因为并流冷凝是冷凝液与未冷凝的气体同向流动，因此我们假定在冷凝器任何截面上冷凝液和气体都处于相平衡状态，最后引出的冷凝液与未凝气体也成平衡关系。设有多组分原料气100mol令m、m、m―原料气中各组分的mol数；abcx、x、x―冷凝液中各组分的摩尔分数；abcy、y、y―蒸气中各组分的摩尔分数；abcK、K、K―各组分的相平衡常数；abcN―温度为T时的冷凝液量，mol；n、n、n―冷凝液中每一组分的mol数。abc则总的物料平衡方程式可表示为m+m+m+L=Σm=100(8-