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深冷空氣分離技術制備氮氣

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、氮的沸點不同將它們分離。即，造成氣、液濃度的差異這一性質，來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-液相平衡時濃度間的關系：液態(tài)空氣蒸發(fā)和冷凝的過程及精餾塔的精餾過程。

1. 空氣的汽-液相的平衡，物質的聚集狀態(tài)有氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。每種聚集態(tài)內部，具有相同的物理性質和化學性質并完全均勻的部分，稱為相?？諝庠谒鹊姆蛛x，一般情況下，物料精餾是在汽、液兩相進行的?？諝庵醒鹾偷嫉?9.04%，因此，可近似地把空氣當作氧和氮的二元混合物。當二元混合物為液態(tài)時，叫二元溶液。

氧、氮可以任意比例混合，構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一樣會產(chǎn)生蒸汽，該蒸汽是由氧、氮蒸汽組成的氣態(tài)的相混合物。對于氧氮二元溶液，當達到汽液平衡時，它的飽和溫度不但和壓力有關，而且和氧、氮的濃度有關。當壓力為1at時，含氮為0%，2%，10%的溶液的沸點列于表1-5。從表可知，隨著溶液中低沸點組分（氮）的增加，溶液的組和溫度降低，這是氧-氮二元溶液的一個重要特性。

空氣中含氬0.93%，其沸點又介于氧、氮之間。
　　　　
在空氣分離的過程中，氬對精餾的影響較大，特別是在制取高純氧、氮產(chǎn)品時，必須考慮氬的影響。

一般在較精確的計算中，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系，可根據(jù)實驗數(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，必須給定三個獨立參數(shù)，除給定溫度、壓力外，需再細定一個組分濃度（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，縱坐標為壓力，橫坐標取氮的液相及氣相濃度（也可取氧的濃度）。每給定一個壓力就對應有一個液相及氣相濃度。分別連接不同壓力下的氣相濃度點及液相濃度點，則可得出圖中所示的飽和蒸汽線（虛線）和飽和液體線（實線）。其余相區(qū)如圖所示。

在某一壓力P1下，與液、汽飽和線的交點分別為點1（X1）和點2（y2），又因為PN20>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）過程是在等壓下進行的，所以用T-X圖來研究這一過程更為方便。在等壓下，氧、氮的氣液平衡圖見圖1-14。每經(jīng)定一個溫度，就對應有一個液相及氣相濃度。把不同溫度下對應的氣相濃度點和液相濃度點連接起來，可得飽和蒸汽線（虛線）和飽和液體線（實線）。這兩條曲線把圖分為三個區(qū)域：液相區(qū)、氣相區(qū)及兩相區(qū)。由圖1-14可知，純組分時的沸點TN20PO20在某一溫度T1下，根據(jù)康諾瓦羅夫定律可知，y2>x1。同時，還可以看出，當濃度為x1時溶液的沸點是T1，即不等于TO20，也不等于TN20而是介于兩者之間。

對于不同壓力，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，因為可以大大減少精餾塔板的數(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組分（氮）的濃度xN2為橫坐標，與其平衡的氣相中氮濃度yN2為縱坐標，構成的圖叫y-x圖
在y-x圖中P3>P2>P1。當壓力愈低時，等壓線離y=x的對角錢就愈遠，表示組分在汽液中相的濃度差愈大，混合物分離就愈容易。

當壓力一定時，由于采用低沸點組分為坐標的，氣在氣相中的濃度大于液相中的濃度，所以等壓線均在對角線（y=x線）以上，并為向上凸起曲線。如以高沸點組分氧為濃度坐標時則相反。

用y-x圖了解氣液平衡時氣液相濃度的關系非常清楚和方便，所以在二元溶液精餾過程中，分析塔板上氣液濃度變化時常要用到該圖。

4.　焓-濃度圖在空氣分離技術中，很多情況下是研究過程的熱現(xiàn)象，因此通常采用焓-濃度圖（h-x圖）來進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)熱焓的計算式，求出與給定成分相對應的飽和汽相和飽和液相的熱焓值，并將所得的點1\\、2\\…和1\、2\、…連接起來，則可得飽和蒸汽線（虛線）和飽和液體線（實線）、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xN2=0.xN1=1時，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。當壓力改變時，因為各組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，除用來作精餾計算外，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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