空氣的性質(zhì)與分離的基本原理第一節(jié)空氣分離設(shè)備術(shù)語(yǔ)在學(xué)習(xí)空分設(shè)備基本知識(shí)之前，我們先來(lái)了解空分設(shè)備上使用的一些術(shù)語(yǔ)。一、空氣分離設(shè)備術(shù)語(yǔ)基本術(shù)語(yǔ)1、空氣存在于地球表面的氣體混合物。接近于地面的空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為1.29kg/m3。主要成分是氧、氮和氬；以體積含量計(jì)，氧約占20.95%，氮約占78.09%，氬約占0.932%，此外還含有微量的氫及氖、氦、氪、氙等稀有氣體。根據(jù)地區(qū)條件不同，還含有不定量的二氧化碳、水蒸氣及乙炔等碳?xì)浠衔铩?、加工空氣指用來(lái)分離氣體和制取液體的原料氣。3、氧氣分子式O2，分子量31.9988（按1979年國(guó)際原子量），無(wú)色、無(wú)臭的氣體。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為1.429kg/m3，熔點(diǎn)為54.75K,在101.325kPa壓力下的沸點(diǎn)為90.17K?；瘜W(xué)性質(zhì)極活潑，是強(qiáng)氧化劑。不能燃燒，能助燃。4、工業(yè)用工藝氧用空氣分離設(shè)備制取的工業(yè)用工藝氧，其含氧量（體積比）一般小于98%。5、工業(yè)用氣態(tài)氧用空氣分離設(shè)備制取的工業(yè)用氣態(tài)氧，其氧含量（體積比）大于或等于99.2%。6、高純氧用空氣分離設(shè)備制取的氧氣，其氧含量（體積比）大于或等于99.995%。7、氮?dú)夥肿邮絅2，分子量28.0134（按1979年國(guó)際原子量），無(wú)色、無(wú)臭、的惰性氣體。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為1.251kg/m3,熔點(diǎn)為63.29K,在101.325kPa壓力下的沸點(diǎn)為77.35K。化學(xué)性質(zhì)不活潑，不能燃燒，是一種窒息性氣體。8、工業(yè)用氣態(tài)氮用空氣分離設(shè)備制取的工業(yè)用氣態(tài)氮，其氮含量（體積比）大于或等于98.5%。9、純氮用空氣分離設(shè)備制取的氮?dú)?，其氮含蓄量（體積比）大于或等于99.995%。10、高純氮用空氣分離設(shè)備制取的氮?dú)?，其氮含蓄量（體積比）大于或等于99.9995%。11、液氧（液態(tài)氧）液體狀態(tài)的氧，為天藍(lán)色、透明、易流動(dòng)的液體。在101.325kPa壓力下的沸點(diǎn)為90.17K，密度為1140kg/m3?？刹捎玫蜏胤ㄓ每諝夥蛛x設(shè)備制取液態(tài)或用氣態(tài)氧加以液化。12、液氮（液態(tài)氮）液體狀態(tài)的氮，為透明、易流動(dòng)的液體。在101.325kPa壓力下的沸點(diǎn)為77.35K，密度為810kg/m3?？刹捎玫蜏胤ㄓ每諝夥蛛x設(shè)備制取液態(tài)氮或用氣態(tài)氮加以液化。13、液空（液態(tài)空氣）液體狀態(tài)的空氣，為淺藍(lán)色、易流動(dòng)的液體。在101.325kPa壓力下的沸點(diǎn)為78.8K，密度為873kg/m3。液空是空氣分離過(guò)程中的中間產(chǎn)物。14、富氧液空指氧含量（體積比）超過(guò)的20.95%的液態(tài)空氣。15、餾分液氮（污液氮）在下塔合適位置抽出的、氮含量（體積比）一般為95%~96%的液體。16、污氮由上塔上部抽出的、氮含量（體積比）一般為95%~96%的液態(tài)體。17、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)指溫度為0°C、壓力為101.325kPa時(shí)的氣體狀態(tài)。18、空氣分離從空氣中分離其組分以制取氧、氮和提取氬、氖、氦、氪、氙等氣體的過(guò)程。19、節(jié)流流體通過(guò)銳孔膨脹而不作功來(lái)降低壓力。20、節(jié)流效應(yīng)（焦耳—湯姆遜效應(yīng)）氣體膨脹不作功產(chǎn)生的溫度變化。21、膨脹：流體壓力降低，同時(shí)體積增加。22、等熵膨脹效應(yīng)：氣體在等熵膨脹時(shí)，由于壓力變化產(chǎn)生的溫度變化。23、空氣膨脹：空氣在膨脹機(jī)內(nèi)絕熱膨脹，同時(shí)對(duì)外作功的過(guò)程。24、氮?dú)馀蛎洠旱獨(dú)庠谂蛎洐C(jī)內(nèi)絕熱膨脹，同時(shí)對(duì)外作功的過(guò)程。25、一次節(jié)流的液化知循環(huán)（林德循環(huán)）以高壓節(jié)流膨脹為基礎(chǔ)的氣體液化循環(huán)，其特點(diǎn)是循環(huán)氣體既被液化又起冷凍作用。26、帶膨脹機(jī)的高壓液化循環(huán)（海蘭德循環(huán)）對(duì)外作功的絕執(zhí)膨脹與節(jié)流膨脹配合使用的氣體液化循環(huán)，其特點(diǎn)是膨脹機(jī)進(jìn)口的氣體狀態(tài)為高壓常溫。27、帶膨脹機(jī)的中壓液化循環(huán)（克勞特循環(huán)）對(duì)外作功的絕執(zhí)膨脹與節(jié)流膨脹配合使用的氣體液化循環(huán)，其特點(diǎn)是膨脹機(jī)進(jìn)口的氣體狀態(tài)為中壓低溫。28、帶膨脹機(jī)的低壓液化循環(huán)（卡皮查循環(huán)）對(duì)外作功的絕熱膨脹與節(jié)流膨脹配合使用的氣體液化循環(huán)，其特點(diǎn)是膨脹機(jī)進(jìn)口的氣體狀態(tài)為低壓低溫。29、斯特林循環(huán)：由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)等容過(guò)程組成的理論熱力循環(huán)。整個(gè)循環(huán)通過(guò)等溫壓縮、等容冷卻、等溫膨脹、等容加熱等四個(gè)過(guò)程來(lái)完成。30、升華：從固相直接轉(zhuǎn)變?yōu)槠嗟南嘧冞^(guò)程。31、溫差：指冷熱流體兩表面或兩環(huán)境之間有熱量傳遞時(shí)的溫度差別。32、熱端溫差：指冷熱流體間在換熱器熱端的溫度差。33、中部溫差：指冷熱流體間在換熱器中部的溫度差。34、冷端溫差：指冷熱流體間在換熱器冷端的溫度差。35、液氧循環(huán)量由冷凝蒸發(fā)器底部抽出部分液氧流經(jīng)吸附器，在清除這部分液氧中的碳?xì)浠衔锖笤倩厝肜淠舭l(fā)器的液氧量。36、入上塔膨脹空氣（拉赫曼空氣）由下塔底部抽出部分空氣、經(jīng)切換式換熱器冷段復(fù)熱，進(jìn)入透平膨脹機(jī)構(gòu)熱膨脹后直接送入上塔參加精餾的空氣。37液汽比（回流比）：在精餾塔中下流液體量與上升蒸汽量之比。38液泛：在精餾塔中上升蒸汽速度過(guò)高，阻止了液體正常往下溢流的工況。39、漏液：在篩孔板精餾塔中因上升蒸汽速度過(guò)低，使液體從篩孔泄漏的工況。40、變壓吸附利用壓力效應(yīng)的吸附工藝在吸附—再生操作周期中，較高壓力下吸附，較低壓力下（或負(fù)壓）下再生的過(guò)程。41、跑冷損失在低于環(huán)境溫度下工作的設(shè)備與周?chē)橘|(zhì)存在的溫差所產(chǎn)生的冷量損失。42、復(fù)熱不足損失在換熱器熱端冷熱流體間存在的溫差而導(dǎo)致冷量回收不完全的損失。43、冷量損失指空氣分離設(shè)備的冷箱由于跑冷損失和復(fù)熱不足損失的冷量損失。44、提取率：產(chǎn)品氣體組分的總含量與加工空氣中該組分的總含量之比。45、單位能耗：指空氣分離設(shè)備生產(chǎn)單位產(chǎn)品氣體所消耗的電能。46、低壓流程：正常操作壓力大于至小于或等于1.0MPa的工藝流程。47、中壓流程：正常操作壓力大于1.0MPa至小于或等于5.0MPa的工藝流程。48、高壓流程：正常操作壓力大于的5.0MPa工藝流程49、高低壓流程：高壓流程與低壓流程相結(jié)合的流程。50、帶分子篩吸附器低壓流程采用分子篩吸附器來(lái)清除空氣中水分和二氧化碳及碳?xì)浠衔锏牡蛪毫鞒獭?1、空氣分離設(shè)備以空氣為原料，用低溫技術(shù)把空氣分離成氧氮?dú)寮捌渌∮袣怏w的成套設(shè)備。52、大型空氣分離設(shè)備指生產(chǎn)氧氣產(chǎn)量大于或等于10000m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）的成套空氣分離設(shè)備。53、中型空氣分離設(shè)備指生產(chǎn)氧氣產(chǎn)量大于或等于1000m3/h至小于10000m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）的成套空氣分離設(shè)備。54、小型空氣分離設(shè)備指生產(chǎn)氧氣產(chǎn)量小于1000m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）的成套空氣分離設(shè)備二、稀有氣體提取設(shè)備的基本術(shù)語(yǔ)1、稀有氣體提取設(shè)備用以提取純氬、純氖、純氦、純氪、純氙等氣體產(chǎn)品的設(shè)備。一般需與空氣分離設(shè)備配用。2、稀有氣體指氬、氖、氦、氪、氙五種氣體。無(wú)色，無(wú)臭的氣體。3、氬氣分子式Ar，原子量39.948（按1983年國(guó)際原子量），是一種無(wú)色、無(wú)臭的氣體?？諝庵械捏w積含量為0.932%。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為1.784kg/m3,熔點(diǎn)為84K。在101.325壓力下的沸點(diǎn)為87.291K。不活潑，不能燃燒，也不能助燃。主要用于焊接、冶煉等。4、純氬：用空氣分離設(shè)備提取的純氬，其氬含量（體積比）大于或等于99.99%。5、液氬：液體狀態(tài)的氬，是一種無(wú)色、無(wú)臭、呈透明的液體。6、氖氣:分子式Ne，原子量20.179（按1983年國(guó)際原子量），是一種無(wú)色、無(wú)臭的氣體。空氣中的體積含量為1.8×10-3%。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為0.8713kg/m3，熔點(diǎn)為24.57K。在101.325kPa壓力下的沸點(diǎn)為27.09K。不活潑，不能燃燒，也不助燃。主要應(yīng)用于照明技術(shù)等。7、純氖：用空氣分離設(shè)備提取的純氖，其氖含量（體積比）大于或等于99.99%。8、液氖：液體狀態(tài)的氖陽(yáng)一種無(wú)色、無(wú)臭呈透明的液體。液氖常用作低溫源。9、氦氣:分子式He，原子量4.0026（按1983年國(guó)際原子量），是一種無(wú)色、無(wú)臭的氣體。空氣中的體積含為5.24×10-4%。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為0.1769kg/m3。在101.325kPa壓力下的沸點(diǎn)為4.215K。不活潑，不能燃燒，也不助燃。主要用于檢漏、焊接、低溫研究、特種重金屬冶煉、色譜分析載氣、潛水呼吸氣等。10、純氦：用空氣分離設(shè)備提取的純氦，其氦含量（體積比）大于或等于99.99%。11、液氦:液體狀態(tài)的氦，為無(wú)色透明的液體，沸點(diǎn)最低，是一種最主要的低溫源。12、氪氣:分子式Kr。原子量83.80（按1983年國(guó)際原子量）是一種無(wú)色、無(wú)臭的氣體?？諝庵械捏w積含量為1.0×10-4%。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為3.6431kg/m3。熔點(diǎn)116.2K。在101.325kPa壓力下的沸點(diǎn)為119.79K。不活潑，不能燃燒，也不助燃。主要用于電真空及電光源等工業(yè)。13、純氪：用空氣分離設(shè)備提取的純氪，其氪含量（體積比）大于或等于99.95%。14、氙氣:分子式Xe。原子量131.80（按1983年國(guó)際原子量）是一種無(wú)色、無(wú)臭的氣體。空氣中的體積含量為8.0×10-6%。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為5.89kg/m3。熔點(diǎn)161.65K。在壓力下的沸點(diǎn)為165.02K。不活潑，不能燃燒，也不助燃。主要用于電光源工業(yè)，也用于醫(yī)療、電真空、激光等領(lǐng)域。15、純氙：用空氣分離設(shè)備提取的純氙，其氙含量（體積比）大于或等于99.95%。16、氬餾分:從上塔合適部位提取一股氧、氬、氮混合氣作為氬提取設(shè)備的原料氣體。其組分（體積含量）氬為7%~10%，氮一般小于0.06%，其余為氧。17、氬回流液:在粗氬塔中精餾洗滌下來(lái)的氧、氬、氮混合液，其組分與氬餾分氣體成相平衡。18、粗氬:由粗氬塔塔頂獲得的氬含量（體積比）大于或等于96%，其余為氧和氮的混合氣體。19、富氧液空蒸汽：由粗氬塔冷凝器蒸發(fā)側(cè)的富氧液空蒸發(fā)形成的蒸汽。20、富氧液空回流液:為避免粗氬冷凝器蒸發(fā)側(cè)富氧液空中碳?xì)浠衔锏臐饪s，排放一部分富氧液空返回上塔。21、氖氦餾分：從冷凝蒸發(fā)器頂部抽取的氖、氦、氮混合氣體，作為氖氦提取設(shè)備的原料氣。22、粗氖餾分:氖氦餾分經(jīng)粗氖氦塔分離而獲得氖氦濃縮物。其氖和氦的總含量（體積比）為30%~50%，其余為氮及少量氫的混合氣體。23、氖氦混合氣:經(jīng)除氫和氮后所獲得的氖氦混合氣體，其組分含量（體積比）氖約為75%，氦約為25%。24、貧氪:指貧氪塔塔底蒸發(fā)器中獲得的濃縮物。其氪和氙的總含量（體積比）為0.1~0.3%，其余為氧（甲烷含量0.1～0.3%，）的混合氣體。25、粗氪:指粗氪塔塔底蒸發(fā)器中獲得的濃縮物。其氪、氙的總含量（體積比）約為50%，其余為氧的混合氣體（含有少量甲烷）。26、工藝氙:指粗氪氣體通過(guò)純氪塔進(jìn)一步分離后獲得的氙氣，其氙含量（體積比）為99%左右。第二節(jié)基本概念1、液化：氣體變成液體的過(guò)程。2、汽化：氣態(tài)化如果只是從液體的外部自由表面產(chǎn)生，并且在任何一個(gè)溫度下可以取某一個(gè)速度進(jìn)行。3、蒸發(fā)：在某種溫度下，液體的外露界面上進(jìn)行的汽化過(guò)程。4、沸騰：液體內(nèi)部發(fā)生汽化過(guò)程，即液體內(nèi)部不斷產(chǎn)生汽泡而上升，變成蒸汽而跑到上部空間去。5、飽和蒸汽壓:空間中蒸氣分子的數(shù)目不再增加，蒸汽壓力維持一定，達(dá)到平衡。6、飽和溫度：飽和蒸汽壓所對(duì)應(yīng)的液化溫度。7、易揮發(fā)組份:在同一壓力下所對(duì)應(yīng)的飽和溫度越低，表示該物質(zhì)越容易被汽化。8、臨界溫度:只有低于這個(gè)溫度才可能采用提高壓力的方法使它液化，這個(gè)液化的最高溫度。9、臨界壓力：在臨界溫度下，所需要的液化壓力。10、汽化潛熱：在飽和溫度下，使液體分子變成蒸汽分子所需的熱量。11、過(guò)熱蒸汽：超過(guò)飽和溫度的蒸氣，亦叫未飽和蒸氣。12、過(guò)冷液體：溫度低于該壓力所對(duì)應(yīng)飽和溫度的液體，也叫未飽和液體。*任何物質(zhì)都能以氣液固的形式出現(xiàn)，并在一定條件下發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。13、溫度（T）：是物體冷熱程度的標(biāo)志，對(duì)物體的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。T（k）=t（℃）+273K為國(guó)際溫標(biāo)（也叫絕對(duì)溫標(biāo)），t為攝氏溫標(biāo)14、壓力（P）：?jiǎn)挝幻娣e上所受到的垂直作用力。工程上通常使用的壓力為表壓（即壓力表直接讀?。镄杂?jì)算時(shí)常用絕對(duì)壓力，通常P（絕）=P（表）+1個(gè)大氣壓。壓力單位的換算見(jiàn)表1-2數(shù)值物理大氣壓工程大氣壓巴毫米汞柱1物理大氣壓11.03321.0137601工程大氣壓0.96810.98735.61巴0.9871.0217501000毫米汞柱1.3151.361.3310001工程大氣壓=1（公斤/厘米2）=735.6（mmHg）=10米水柱15、比容與重度：?jiǎn)挝恢亓抗べ|(zhì)所具有的容積。（γ）單位體質(zhì)的工質(zhì)所具有的重量。（ρ）y=o體積V，重量G（Kg）則有γ=V/G（m3/Kg），ρ=G/V（Kg/m3）16、氣體：指遠(yuǎn)離液體的氣態(tài)物質(zhì)。*任何氣體都可以液化，只是液化的難易不同而已。FALSE=\#"we"17、蒸汽：指剛由液態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)來(lái)偏離液態(tài)不遠(yuǎn)的氣體物質(zhì)。18、理想氣體:假定氣體分子是完全彈性的不占體積的質(zhì)點(diǎn)。分子間沒(méi)有相互作用力，即是一群被此完全自由運(yùn)動(dòng)著的質(zhì)點(diǎn)的集合體。理想氣體實(shí)際上是氣體在壓力P0，比容γ∞時(shí)，這一極限狀態(tài)下的氣體。*理想是不存在的，一般說(shuō)來(lái)，只要工質(zhì)相對(duì)地處于低壓高溫狀態(tài)，且計(jì)算在允許誤差范圍內(nèi)者可作為理想氣體處理。19、自然界中的一些氣體在一般的壓力溫度范圍內(nèi)，氣體的三個(gè)狀態(tài)參數(shù)P、V、T之間存在特殊的關(guān)系，其中一個(gè)狀態(tài)參數(shù)不變，另外兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)之間存在一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系。*T不變時(shí)，對(duì)一定量的氣體，壓力越高，則氣體所占體積越小，壓力降低，體積增大。P1V1=P2V2=………………=PV=常數(shù)*P不變時(shí)，對(duì)一定數(shù)量的氣體，溫度升高時(shí)氣體體積增大，反之縮小；V1/T1=V2/T2=………………=V/T=常數(shù)*V不變時(shí)，一定量的氣體，溫度升高壓力則增高，反這則下降。P1/T1=P2/T2=………………=P/T=常數(shù)20、理想氣體的狀態(tài)方程:P1V1/T1=P2V2/T2=………………=PV/T=常數(shù)R氣體O1N1AreNeHeKrXeH2AirR(Kg.m/Kg.K)26.530.2621.2642.02211.810.229.46420.629.821、理想氣體的比熱:使單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高一度所吸收的熱量稱(chēng)為比熱，工質(zhì)在等壓或等容過(guò)程中的比熱叫做和等容比熱。等壓比熱=等容比熱+2(Kcal/mol.K)單原子氣體（He、Ne、Ar、Kr、Xe）是等壓比熱=5,等容比熱=3雙原子氣體（O2、N2、He）的比熱均與溫度有關(guān)多原子氣體的比熱與溫度和壓力有關(guān)。22、熱力學(xué)第一定律:當(dāng)某一定量機(jī)械能產(chǎn)生時(shí)（即完成了功），必有相當(dāng)?shù)臒崃肯У?，反這，當(dāng)消耗了一定量的功時(shí)，（即消耗了機(jī)械功），必發(fā)生相當(dāng)?shù)臒崃俊?△μ=μ2——μ1=Q——AWA．絕熱過(guò)程：Q=0，則△μ=—AWB．等容過(guò)程W=0，則△μ=QC．當(dāng)工質(zhì)完成熱力循環(huán)后，系統(tǒng)回到原狀態(tài)μ2=μ1，則Q=AW23、熱力學(xué)第二定律:熱量不可能獨(dú)自地，不付代價(jià)地（沒(méi)有補(bǔ)償?shù)模妮^冷的物體傳向較熱的物體。24、沸騰：氣泡的生成如果不僅在液體的自由表面，并且在整個(gè)體積內(nèi)進(jìn)行，與汽化的區(qū)別在于沸騰是在特定的溫度(所謂的沸騰溫度或沸點(diǎn))下進(jìn)行。25、物相:如果系統(tǒng)狀態(tài)的參數(shù)值在系統(tǒng)所有各點(diǎn)都是一致或者作連續(xù)的變化而沒(méi)有突變，那末這種系統(tǒng)就稱(chēng)為單相的或均一的系統(tǒng)。具有一定數(shù)量并在整個(gè)質(zhì)量中是物理性質(zhì)均一的物質(zhì)稱(chēng)為物相。如果用任意的方法將物相分成幾部分，那么所有部分的狀態(tài)是相同的。26、氣液相平衡:圖SEQ圖\*ARABIC1氣液相平衡在封閉容器中,如REF_Ref117992766\h圖1所示。在一定條件下，液相中各組分均有部分分子從界圖SEQ圖\*ARABIC1氣液相平衡平衡時(shí)氣液兩相的組成之間的關(guān)系稱(chēng)為相平衡關(guān)系。它取決于體系的熱力學(xué)性質(zhì)，是蒸餾過(guò)程的熱力學(xué)基礎(chǔ)和基本依據(jù)。相平衡是物質(zhì)在各相之間分布的平衡。達(dá)到平衡之后，各相的組成和數(shù)量不隨時(shí)間改變?？諝夥蛛x的基本原理一.空氣組成空氣是多種氣體的混合物，其組成如表1所示。主要成分是氧和氮，還有少量的其它氣體：氬、氖、氦、氪、氙、氫，以及二氧化碳、乙炔和水蒸汽。氬、氖、氦、氪、氙在空氣中的含量很少，稱(chēng)為稀有氣體?？諝獾母鞣N成分在氣體狀態(tài)下是均勻混合，很難將它們分開(kāi)。表SEQ表\*ARABIC1空氣的組成名稱(chēng)分子式體積％沸點(diǎn)°K沸點(diǎn)℃氧O220.9590.19-182.97氮N278.0977.35-195.81氬Ar0.9387.46-185.7氖Ne1.8×10-327.26-245.9氦He5.24×10-44.21-268.95氪Kr1×10-4119.96-151.8氫H25×10-520.41-252.75氙Xe0.8×10-5164.06-109.1二氧化碳CO20.03～0.04194.96-72.8(升華)乙炔C2H20.01～0.02PPm189.56-83.6(升華)水蒸汽H2O隨當(dāng)?shù)貧庀髼l件而變273.160空氣－78.81-194.35目前，空氣分離方法有吸附分離法、膜分離法、精餾法。吸附分離法與膜分離法主要用于低純度、小型空氣分離裝置。大、中型空氣分離設(shè)備采用精餾法。二．制冷空氣是在－170℃以下的精餾塔中進(jìn)行分離的，所以說(shuō)通過(guò)制冷，獲得所需的低溫并維持這個(gè)環(huán)境,是空氣分離的基本前提條件。制冷的方法有兩種:節(jié)流與膨脹。為了直觀地描述這兩種熱力學(xué)過(guò)程，先引入溫—熵圖。(1).溫熵圖（T---S圖）溫熵圖是以溫度為縱坐標(biāo)，熵為橫坐標(biāo)的熱力學(xué)函數(shù)圖。圖中向上凸起的曲線叫“飽和曲線”，飽和曲線由兩部分組成，左半邊稱(chēng)為飽和液體線，右半部分稱(chēng)為飽和蒸汽曲線,兩條曲線的匯合點(diǎn)稱(chēng)為臨界點(diǎn).在臨界點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度稱(chēng)為臨界溫度,對(duì)應(yīng)的壓力稱(chēng)為臨界壓力。臨界點(diǎn)是氣體與液體相互轉(zhuǎn)化的極限(見(jiàn)圖1)圖1溫熵圖(T—S圖)飽和曲線和臨界點(diǎn)將此圖分為三個(gè)區(qū)域（見(jiàn)圖2）:TIIII IIS圖2T–S圖I區(qū)：臨界溫度以下，飽和液體曲線左邊的區(qū)域?yàn)檫^(guò)冷液相區(qū)。II區(qū)：飽和液體曲線和蒸汽曲線下面的區(qū)域?yàn)闅庖汗泊鎱^(qū)。III區(qū)：臨界溫度以上，飽和蒸汽曲線右測(cè)區(qū)域?yàn)檫^(guò)熱蒸汽區(qū)。臨界點(diǎn)的存在說(shuō)明：只有氣體的溫度低于其臨界溫度時(shí)，該氣體才可能變成液體。焓、熵與壓力溫度一樣，都是狀態(tài)參數(shù)，當(dāng)物質(zhì)的狀態(tài)確定后，它的焓、熵也隨之確定。熵代表了流體在流動(dòng)時(shí)所攜帶的能量，單位是KJ/Kmol。焓（單位質(zhì)量的焓）＝比內(nèi)能＋PV，其中PV為流體受到的推動(dòng)力，P為流體的壓力，V為流體的比容。流體的內(nèi)能由內(nèi)動(dòng)能與內(nèi)位能組成。溫度越高，內(nèi)動(dòng)能越大。內(nèi)位能不僅與溫度有關(guān)，更主要的取決于分子間的距離，即決定于比容，比容越大內(nèi)位能越大。流體的熵的變化等于外界傳遞進(jìn)來(lái)的熱量與傳熱時(shí)流體的絕對(duì)溫度之比：△S=△Q/T如果傳遞熱量過(guò)程中溫度不是常數(shù)，則當(dāng)流體由狀態(tài)1→狀態(tài)2的熵變應(yīng)為：△S=∫12dQ/T熵的絕對(duì)值和焓及內(nèi)能一樣,在工程計(jì)算中無(wú)關(guān)緊要,我們所關(guān)心的只是它們的相對(duì)變化量.(2).節(jié)流過(guò)程:當(dāng)一定壓力的流體在管內(nèi)流經(jīng)一個(gè)縮孔或閥門(mén)時(shí),由于流通截面突然縮小,流體中會(huì)發(fā)生激烈擾動(dòng),產(chǎn)生旋渦、碰撞、摩擦，流體在克服這些阻力的過(guò)程中，壓力下降，使閥門(mén)后的壓力P2低于閥門(mén)前的壓力P1(見(jiàn)圖3)，我們把這種因流體流動(dòng)遇到局部阻力而造成的降壓過(guò)程稱(chēng)之為節(jié)流。流體在管道內(nèi)流動(dòng)和流經(jīng)各種設(shè)備時(shí)也存在著流動(dòng)阻力，壓力也有所下降，所以如果泛指節(jié)流過(guò)程，也包括流體流經(jīng)管道與設(shè)備時(shí)的壓降過(guò)程。從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)來(lái)看，由于工質(zhì)流經(jīng)節(jié)流閥的速度很快，膨脹后來(lái)不及與周?chē)h(huán)境進(jìn)行熱量交換，并且節(jié)流閥安裝在保冷箱內(nèi)，四周傳給的熱量可以忽略不計(jì)，因此節(jié)流過(guò)程可看成是絕熱過(guò)程。同時(shí)，流體流經(jīng)閥門(mén)時(shí)與外界沒(méi)有功交換，在既無(wú)能量收入又無(wú)支出的情況下，流體在節(jié)流前后的能量應(yīng)不變，即節(jié)流前后的焓值相等i1=i2,這說(shuō)明節(jié)流本身并不產(chǎn)生冷量。節(jié)流過(guò)程是一個(gè)等焓過(guò)程，理想氣體的焓只是溫度的函數(shù)，所以理想氣體節(jié)流后溫度并不發(fā)生變化。而實(shí)際氣體的焓值是溫度和壓力的函數(shù)，因此圖3節(jié)流示意圖實(shí)際氣體節(jié)流后的溫度存在變化，歸納為三種情況：下降、不變、上升。溫度變化與否同節(jié)流工質(zhì)的性質(zhì)和節(jié)流前的狀態(tài)有關(guān)。圖4給出的是由實(shí)驗(yàn)方法得到的空氣節(jié)流轉(zhuǎn)化曲線。轉(zhuǎn)化曲線將坐標(biāo)分割成兩部分,內(nèi)側(cè)為制冷區(qū)，即工質(zhì)節(jié)流前處于該區(qū)域的某個(gè)狀態(tài)，經(jīng)節(jié)流后溫度將下降；外側(cè)為制熱區(qū)，即工質(zhì)在節(jié)流前處于該區(qū)域的某個(gè)狀態(tài)，節(jié)流后溫度將升高。氧、氮、氫、二氧化碳等工質(zhì)均存在相似的轉(zhuǎn)化曲線。圖4空氣轉(zhuǎn)化曲線從上圖可以得知，在相當(dāng)大的范圍內(nèi)，空氣節(jié)流后溫度都會(huì)下降（氧、氮也是如此）。在常溫范圍內(nèi)，空氣節(jié)流后的溫度變化，可以用每降低一個(gè)大氣壓所降低的溫度ai來(lái)表示:ai=(0.268－0.00086P)(273/T)2℃/大氣壓式中P、T分別表示節(jié)流前空氣的絕對(duì)壓力（大氣壓）和絕對(duì)溫度（K）。這樣，當(dāng)空氣從壓力P1節(jié)流到P2時(shí)，產(chǎn)生的溫降為:△T＝ai（P1-P2）=ai△P從溫降的表達(dá)式可以看出，節(jié)流前的氣體溫度越低，節(jié)流前后壓差越大，節(jié)流所獲得的溫降就越大。氧、氮?dú)夤?jié)流溫降的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式也與此類(lèi)似。利用以上公式，可以指導(dǎo)我們進(jìn)行空氣節(jié)流制冷的實(shí)際應(yīng)用。(3).等溫節(jié)流制冷量圖5一次節(jié)流循環(huán)示意圖既然通過(guò)節(jié)流可以降低溫度，那么節(jié)流后的工質(zhì)相對(duì)于節(jié)流前的溫度就具備一定的制冷能力，我們把這個(gè)制冷能力稱(chēng)為等溫節(jié)流制冷量（圖5）單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷量:q=CP1△T即：q=CP1ai（P1-P2）＝H3–H2(H1=H2，H0=H3)＝H0–H1(CP1：工質(zhì)在P1下的平均定壓比熱)從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，等溫節(jié)流制冷量等于壓縮機(jī)等溫壓縮前后的焓差。事實(shí)上，如前所述，節(jié)流并不產(chǎn)生冷量，只是通過(guò)節(jié)流，把工質(zhì)在等溫壓縮時(shí)已具備的制冷量表現(xiàn)出來(lái)而已。真正的制冷量是在等溫壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的，即冷卻水從壓縮機(jī)帶走的能量大于驅(qū)動(dòng)機(jī)傳給壓縮機(jī)的能量，致使壓縮機(jī)出口工質(zhì)的焓值H1小于入口工質(zhì)的焓值H0。另外，等溫節(jié)流制冷量與節(jié)流前有無(wú)換熱器無(wú)關(guān)，壓縮工質(zhì)經(jīng)換熱后，在節(jié)流時(shí)，并不增加制冷量，而是影響節(jié)流前后的溫度。(4).膨脹制冷利用透平膨脹機(jī)制冷是空分裝置制取冷量獲得低溫的主要途徑，工質(zhì)在膨脹機(jī)內(nèi)膨脹，同時(shí)對(duì)外作功，使膨張后的工質(zhì)大大降溫，膨脹機(jī)安置在保冷箱內(nèi)，而且由于過(guò)程進(jìn)行的很快，來(lái)不及與外界進(jìn)行熱交換．所以膨脹過(guò)程近似可以看成是絕熱過(guò)程，在理想狀況下（即工質(zhì)在膨脹機(jī)內(nèi)沒(méi)有任何摩擦），膨脹過(guò)程熵值不發(fā)生變化。如圖6中1→2所示：實(shí)際上，由于氣體與氣體之間，氣體與機(jī)器壁面之間不可避免地要產(chǎn)生摩擦，摩擦熱又傳給氣體，使膨脹后氣體的溫度及焓值增加，熵也增加。實(shí)際的絕熱膨脹過(guò)程應(yīng)如圖6中1→3所示，實(shí)際的絕熱膨脹焓降為i1—i3,它比理想的絕熱膨脹焓降i1—i2要小。圖6T–S圖通常把氣體實(shí)際的絕熱膨脹焓降與理想的絕熱膨脹焓降之比，稱(chēng)為膨脹機(jī)的等熵效率，用ηs表示；ηs=(i1-is)/(i1-i2)透平膨脹機(jī)的等熵效率與設(shè)計(jì)制造的質(zhì)量有關(guān)，同時(shí)與安裝、維修也密切相關(guān)。正常情況下，現(xiàn)在的透平膨脹機(jī)的等熵效率一般都能達(dá)到85％以上。經(jīng)膨脹機(jī)膨脹后的降溫效果要比節(jié)流好的多，這是由于當(dāng)氣體經(jīng)膨脹機(jī)膨脹時(shí)，除了產(chǎn)生節(jié)流降溫效果．氣體還同時(shí)在膨脹機(jī)中對(duì)外作功，消耗氣體自身的能量，使分子的動(dòng)能進(jìn)一步減少，因此降溫更顯著。膨脹機(jī)前后的壓差及膨脹機(jī)進(jìn)口的工質(zhì)溫度，直接影響著膨脹機(jī)的制冷效果。如果膨脹機(jī)的等熵效率保持不變，進(jìn)口溫度一定時(shí)，當(dāng)壓差越大，那么單位質(zhì)量的工質(zhì)膨脹后的焓降也越大，對(duì)外作功也越多，溫度降低越顯著，當(dāng)膨脹機(jī)前后的壓差一定時(shí)，提高進(jìn)膨脹機(jī)的溫度，膨脹后的工質(zhì)溫度升高，則降溫效果變大，單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷量增加。對(duì)于理想氣體，膨脹溫降可以用下面的關(guān)系式精確表達(dá)：(雙原子的理想氣體R=1.4)對(duì)于實(shí)際氣體，膨脹過(guò)程的溫降常用熱力學(xué)圖（T一S圖）查找。(5).膨脹機(jī)的制冷量:膨脹機(jī)的作用相當(dāng)于—個(gè)對(duì)外作功的節(jié)流閥。所以單位質(zhì)量的膨脹工質(zhì)的制冷量分為兩部分：見(jiàn)圖7圖7膨脹機(jī)制冷循環(huán)示意圖q＝等溫節(jié)流制冷量+膨脹機(jī)的輸出功=(i1–i4)+(i2–i3)．(6).膨脹機(jī)工作時(shí)的能量轉(zhuǎn)移壓力工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)行絕熱膨脹后，以較低的溫度和壓力排出機(jī)外，同時(shí)膨脹機(jī)對(duì)外作功。過(guò)去常用電機(jī)或風(fēng)機(jī)作為膨脹機(jī)的制動(dòng)設(shè)備?，F(xiàn)在往往用單級(jí)離心壓縮機(jī)(增壓器)作為制動(dòng)裝置。增壓器獲得膨脹功后，將送入膨脹機(jī)的工質(zhì)進(jìn)一步升壓。隨著膨脹機(jī)入口壓力增加，單位質(zhì)量的工質(zhì)制冷量也將增大。當(dāng)空分裝置的冷量要求一定時(shí)，膨脹量就可以因此減少。另外，采用增壓器這種制動(dòng)方式還避免了機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能所導(dǎo)致的損失，提高了膨脹功的回收效率。所以說(shuō)它是先進(jìn)的。圖8膨脹機(jī)工作能量轉(zhuǎn)移示意圖膨脹機(jī)在絕熱條件下工作，根據(jù)能量守恒：G膨i1=W膨十G膨i2所以：W膨=G膨(i1-i2)(7).節(jié)流制冷與膨脹制冷的比較:a.從降溫效果看，膨脹制冷要比節(jié)流制冷強(qiáng)烈得多。b.從結(jié)構(gòu)來(lái)看，節(jié)流閥結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，操作也方便，而膨脹機(jī)是一套機(jī)組，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作、維修要求高。c.從使用范圍來(lái)看，節(jié)流閥適用于氣液兩相區(qū)內(nèi)工作，即節(jié)流閥出口可以允許有很大的帶液量，但目前帶液的兩相膨脹機(jī)，其帶液量尚不能很大。根據(jù)以上特點(diǎn)，在全低壓空分裝置中．一般都同時(shí)采用節(jié)流制冷與膨脹制冷，互補(bǔ)所缺。(8).裝置的冷量平衡:維持系統(tǒng)的冷量平衡，是空分裝置正常運(yùn)行的基本保證，空分裝置的冷量損失主要包括以下幾項(xiàng)：a.跑冷損失：透過(guò)保冷層，周?chē)髿鈧鬟f給冷箱內(nèi)低溫設(shè)備及管道的熱量，即相對(duì)冷箱而言損失了的冷量，叫跑冷損失。b.熱交換不完全損失：低溫氣體離開(kāi)冷箱時(shí)，在理想狀態(tài)下它應(yīng)復(fù)熱到正流工質(zhì)進(jìn)入冷箱的溫度，這樣冷量可全部回收，但由于存在傳熱溫差，在換熱器熱端，復(fù)熱工質(zhì)不能達(dá)到正流工質(zhì)的進(jìn)口溫度而帶走的冷量損失。c.生產(chǎn)液態(tài)產(chǎn)品帶走的冷損（如果不生產(chǎn)液態(tài)產(chǎn)品，就沒(méi)有這項(xiàng)冷損）。d.其它冷損：當(dāng)裝置有泄漏時(shí)，損失了一部分低溫液體或氣體，這種損失屬于其它冷損。在正常生產(chǎn)過(guò)程中，空分裝置處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)能量守恒定律，則有：等溫節(jié)流制冷量+膨脹機(jī)制冷量=跑冷損失+熱交換不完全損失+液體產(chǎn)品帶走的冷損。如圖9所示。(注：對(duì)于內(nèi)壓流程而言，冷損中還包括高壓氧氣帶走的冷，該項(xiàng)冷量相當(dāng)于等溫壓縮制冷的逆過(guò)程。)圖9空分裝置其它冷損示意圖該等式也可以用焓值來(lái)表示：跑冷損失十進(jìn)入冷箱各項(xiàng)工質(zhì)的焓值之和=離開(kāi)冷箱的各項(xiàng)工質(zhì)的焓值之和十膨脹機(jī)的輸出功，即：三．精餾的基本原理1．單組分汽－液相平衡對(duì)單組分汽－液兩相系統(tǒng)，可以將壓力表示為溫度的函數(shù)：P=ψ(T)此方程式所決定的壓力P稱(chēng)為汽—液兩相系統(tǒng)的平衡壓力。方程式在(P，T)平面上表示成一條曲線，稱(chēng)為蒸汽壓曲線(REF_Ref117992706\h圖2飽和蒸汽壓曲線)。這條曲線上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)平衡共存的液相與汽相。蒸汽壓曲線也是汽—液相平衡曲線，因?yàn)榉€(wěn)定的兩相平衡狀態(tài)只能是位于曲線的點(diǎn)所表示的狀態(tài)。平面上其余的點(diǎn)或?qū)?yīng)于兩相系統(tǒng)的不平衡狀態(tài)，或?qū)?yīng)于單相的平衡狀態(tài)。圖SEQ圖\*ARABIC2飽和蒸汽壓曲線圖SEQ圖\*ARABIC3氧蒸汽壓與溫度曲線圖SEQ圖\*ARABIC4氮蒸汽壓與溫度曲線圖SEQ圖\*ARABIC5氬蒸汽壓與溫度曲線2．雙組分理想溶液的氣液相平衡2．1拉烏爾定律根據(jù)溶液中同分子間的與異分子問(wèn)的作用力的差異，可將溶液分為理想溶液和非理想溶液兩種。實(shí)驗(yàn)表明，理想溶液的氣液平衡關(guān)系遵循拉烏爾定律(Raoult’sLaw)，即：式中 p——溶液上方組分的平衡分壓，Pa；p0——同溫度下純組分的飽和蒸氣壓，Pa；x——溶液中組分的摩爾分率。(下標(biāo)A表示易揮發(fā)組分，B表示難揮發(fā)組分)為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，常略去上式中的下標(biāo)，習(xí)慣上以x表示液相中易揮發(fā)組分的摩爾分率，以（1-x）表示難揮發(fā)組分的摩爾分率；以y表示氣相中易揮發(fā)組分的摩爾分率，(1-y)表示難揮發(fā)組分的摩爾分率。2相律相律表示平衡物系中的自由度數(shù)、相數(shù)及獨(dú)立組分?jǐn)?shù)間的關(guān)系，即：式中 F——自由度數(shù)；C——獨(dú)立組分?jǐn)?shù)；φ——相數(shù)。式中的數(shù)字2是假定外界只有溫度和壓強(qiáng)達(dá)兩個(gè)條件可以影響物系的平衡狀態(tài)。對(duì)兩組分的氣液平衡物系，其中組分?jǐn)?shù)為2，相數(shù)為2，而可以變化的參數(shù)有四個(gè)，即溫度t、壓強(qiáng)P、一組分在液相和氣相中的組成x和y(另一組分的組成不獨(dú)立)，故：由此可知，兩組分氣液平衡物系中只有兩個(gè)自由度，即在t、P、x和y四個(gè)變量中，任意確定其中的二個(gè)變量，此平衡狀態(tài)也就確定了。又若固定某個(gè)變量(例如外壓)，則僅有一個(gè)獨(dú)立變量，而其它變量部是它的函數(shù)，因此兩組分的氣液平衡可以用一定壓強(qiáng)下的t—x(或y)或x—y的函數(shù)關(guān)系或相圖來(lái)表示。3兩組分氣－液相平衡圖（1）（泡點(diǎn)）關(guān)系式液相為理想溶液，服從拉烏爾定律： 氣相為理想氣體，符合道爾頓分壓定律：混合液沸騰的條件是各組分的蒸汽壓之和等于外壓，即純組分的蒸汽壓與溫度的關(guān)系式可用安托因方程表示，即故與的關(guān)系為非線性關(guān)系，已知求用上式很方便，但是已知求泡點(diǎn)要用試差法（迭代法）求。（2）（露點(diǎn)）關(guān)系式指定用上述方法求出后用道爾頓分壓定律求，即（3）圖圖SEQ圖\*ARABIC6t-x-y圖圖SEQ圖\*ARABIC6t-x-y圖此圖的的特點(diǎn)如下：兩端點(diǎn)A與B.端點(diǎn)A代表純易揮發(fā)A組分（），端點(diǎn)B代表純難揮發(fā)B組分（）。。兩線：線為泡點(diǎn)線，泡點(diǎn)與組成有關(guān)；線為露點(diǎn)線，露點(diǎn)與組成有關(guān)。3區(qū)：線以下為過(guò)冷液體區(qū)；線以上為過(guò)熱蒸汽區(qū)；在與 線之間的區(qū)域?yàn)闅庖汗泊鎱^(qū)，在此區(qū)域內(nèi)氣液組成與是成平衡關(guān)系，氣液兩相的量符合杠桿定律。只有設(shè)法使體系落在汽液共存區(qū)這才能實(shí)現(xiàn)一定程度的分離。例如將組成為的過(guò)冷溶液加熱至C點(diǎn)，產(chǎn)生第1滴氣泡，故C點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度稱(chēng)為泡點(diǎn)，氣泡組成為，維持加熱升溫至G點(diǎn)，溶液部分汽化，氣相組成為F（點(diǎn)），液相部分分離，與成平衡關(guān)系，G點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度為氣液相的平衡溫度；反之將組成為的過(guò)熱混合氣體冷卻至D點(diǎn)，第1滴冷凝液出現(xiàn)，D點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度為露點(diǎn)，液滴組成為，繼續(xù)冷卻至G點(diǎn)氣相部分冷凝，液相組成為，氣相組成為，，，故部分冷凝亦可實(shí)現(xiàn)一定程度的分離。由此可見(jiàn)，將液體混合物進(jìn)行一次部分氣化的過(guò)程，只能起到部分分離的作用，因此這種方法只適用于要求粗分或初步加工的場(chǎng)合。顯然，要使混合物中的組分得到幾乎完全的分離，必須進(jìn)行多次部分氣化和部分冷凝的操作過(guò)程。（4）圖SEQ圖\*ARABIC7相平衡曲線在蒸餾計(jì)算中廣泛應(yīng)用的是一定總壓下的圖。因，故在任一下總是，相平衡曲線必位于對(duì)角線上方。若平衡曲線離對(duì)角線越遠(yuǎn)，越有利于精餾分離。注意：曲線上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同的溫度。、值越大，泡、露點(diǎn)溫度越低。圖SEQ圖\*ARABIC7相平衡曲線（5）相對(duì)揮發(fā)度和相平衡方程相對(duì)揮發(fā)度純組分的飽和蒸汽壓只能反映純液體揮發(fā)性的大小。某組分與其它組分組成溶液后其揮發(fā)性將受其它組分的影響。溶液中各個(gè)組分的揮發(fā)性大小應(yīng)該怎樣表達(dá)才符合實(shí)際情況呢？對(duì)了，要用各組分的平衡蒸汽分壓與其液相的摩爾分?jǐn)?shù)的比值，即揮發(fā)度表示。揮發(fā)度，在蒸餾中表示分離難易程度要用兩組分揮發(fā)度之比，稱(chēng)為相對(duì)揮發(fā)度相對(duì)揮發(fā)度相平衡方程此式表示互成平衡的氣液兩相組成間的關(guān)系，稱(chēng)為相平衡方程。如能得知值，便可算出氣液兩相平衡時(shí)易揮發(fā)組分濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)理想溶液，將拉烏爾定律帶入的定義式可得圖SEQ圖\*ARABIC8相對(duì)揮發(fā)度為定值的相平衡曲線即理想溶液的值僅依賴(lài)于各純組分的性質(zhì)。純組分的飽和蒸汽壓、均系溫度的函數(shù)，且隨溫度的升高而加大，因此原則上隨溫度（也即隨）而變化。但與溫度的關(guān)系較或單獨(dú)與溫度的關(guān)系小得多，因而可在操作的溫度范圍內(nèi)取一平均的相對(duì)揮發(fā)度并將其視為常數(shù)，這樣利用相平衡方程就可方便地算出平衡關(guān)系。換句話說(shuō)相平衡方程僅對(duì)為常數(shù)的理想溶液好用。圖SEQ圖\*ARABIC8相對(duì)揮發(fā)度為定值的相平衡曲線那么怎么取的平均值呢？為常數(shù)時(shí)，溶液的相平衡曲線如REF_Ref117993402\h圖8所示。時(shí)，（即對(duì)角線），值越大，同一液相組成對(duì)應(yīng)的值越大，可獲得的提濃程度越大，分離程度越好。因此，的大小可作為用蒸餾分離某物系的難易程度的標(biāo)志。精餾原理1多次部分汽化和多次部分冷凝圖SEQ圖\*ARABIC9一次部分汽化示意圖圖SEQ圖\*ARABIC10一次部分汽化t-x-y圖設(shè)想將REF_Ref117995316\h圖9所示的單級(jí)分離加以組合，變成如REF_Ref117995747\h圖11所示的多級(jí)分離流程(圖中以三級(jí)為例)。若將第一級(jí)溶液部分氣化所得氣相產(chǎn)品在冷凝器中加以冷凝，然后再將冷凝液在第二級(jí)中部分氣化，此時(shí)所得氣相組成為y2，且y2必大于y1，這種部分氣化的次數(shù)(即級(jí)數(shù))愈多，所得到的蒸汽濃度也愈高，最后幾乎可得到純態(tài)的易揮發(fā)組分。同理，若將從各分離器所得的液相產(chǎn)品分別進(jìn)行多次部分氣化和分離，那么這種級(jí)數(shù)愈多，得到的液相濃度也愈低，最后可得到幾乎純態(tài)的難揮發(fā)組分。REF_Ref117995747\h圖11沒(méi)有畫(huà)出這部分的情況。圖SEQ圖\*ARABIC11多次部分汽化示意圖圖SEQ圖\*ARABIC12多次部分汽化t-x-y圖根據(jù)t-x-y圖，在恒壓條件下，通過(guò)多次部分汽化和多次部分冷凝，最終雖然可以獲得幾乎純態(tài)的易揮發(fā)組分和難揮發(fā)組份，但得到的氣相量和液相量卻越來(lái)越少。且采用如REF_Ref117995747\h圖11所示的流程用于工業(yè)生產(chǎn)，則會(huì)帶來(lái)許多實(shí)際困難，如流程過(guò)于龐大，設(shè)備費(fèi)用極高；部分汽化需要加熱劑，部分冷凝需要冷卻劑，能量消耗大；純產(chǎn)品的收率很低。3．2連續(xù)精餾裝置流程為了克服上述缺點(diǎn)，采用REF_Ref117996165\h圖13所示帶回流的流程。圖SEQ圖\*ARABIC13有回流多次部分汽化示意圖圖SEQ圖\*ARABIC14精餾塔工業(yè)生產(chǎn)中常常采用REF_Ref117996274\h圖14所示的流程進(jìn)行操作。原料從塔中部適當(dāng)位置進(jìn)塔，將塔分為兩段，上段為精餾段，不含進(jìn)料，下段含進(jìn)料板為提留段，冷凝器從塔頂提供液相回流，再沸器從塔底提供氣相回流。\o"查看詳細(xì)信息"氣、液相回流是精餾重要特點(diǎn)。圖SEQ圖\*ARABIC14精餾塔連續(xù)精餾裝置主要包括精餾塔，蒸餾釜（或稱(chēng)再沸器）等。精餾塔常采用板式塔，也可采用填料塔。加料板以上的塔段，稱(chēng)為精餾段；加料板以下的塔段（包括加料板），稱(chēng)為提餾段。連續(xù)精餾裝置在操作過(guò)程中連續(xù)加料，塔頂塔底連續(xù)出料，故是一穩(wěn)定操作過(guò)程。在\o"查看詳細(xì)信息"精餾段，氣相在上升的過(guò)程中，氣相輕組分不斷得到精制，在氣相中不斷地增濃，在塔頂獲輕組分產(chǎn)品。在\o"查看詳細(xì)信息"提餾段，其液相在下降的過(guò)程中，其輕組分不斷地提餾出來(lái)，使重組分在液相中不斷地被濃縮，在塔底獲得重組分的產(chǎn)品，如圖13所示。冷凝器塔頂提供高純度的液相回流，再沸器在塔底提供純度高的上升，為精餾過(guò)程提供了傳質(zhì)的必要條件。提供高純度的回流，使在相同理論板的條件下，為精餾實(shí)現(xiàn)高純度的分離時(shí)，始終能保證一定的傳質(zhì)推動(dòng)力。所以，只要理論板足夠多，回流足夠大時(shí)，在塔頂可能得到高純度的輕組分產(chǎn)品，而在塔底獲得高純度的重組分產(chǎn)品。3．3塔板的作用塔板的作用是提供氣液分離的場(chǎng)所；每一塊塔板是一個(gè)混合分離器，并且足夠多的板數(shù)可使各組分較完全分離。因此每一塊塔板是一個(gè)混合分離器，經(jīng)過(guò)若干塊塔板上的傳質(zhì)后（塔板數(shù)足夠多），即可達(dá)到對(duì)溶液中各組分進(jìn)行較完全分離的目的。3.4回流的作用回流的主要作用就是提供不平衡的汽液兩相，而構(gòu)成汽液兩相接觸傳質(zhì)的必要條件。精餾塔內(nèi)由于塔頂?shù)囊合嗷亓骱退椎钠嗷亓?，為每塊塔板提供了汽、液來(lái)源。氧、氮混合物氣－液相平衡曲線為便于討論問(wèn)題．把空氣作為氧和氮的混合物，把氬的含量歸入氮組分，其它氣體忽略不計(jì)，即認(rèn)為空氣中含氧20．9％，含氮79．1％。氧和氮無(wú)論是在氣態(tài)還是液態(tài)都能以任何比例均勻的混合在一起。在同樣的壓力下，由于氧的冷凝溫度高，氮的冷凝溫度低，在混合氣體小含氧成份多，則混合氣體開(kāi)始冷凝的溫度就高。在一定壓力下，當(dāng)氧、氮混合汽冷凝時(shí)，氧比較容易凝結(jié)成液體，冷凝下來(lái)的量多，所以，在冷凝的過(guò)程中蒸汽中氧的含量逐漸降低，氮的含量增加，冷凝溫度也隨著下降，直到氣體全部冷凝為液體。所以，空氣開(kāi)始冷凝的溫度與冷凝終了的溫度是不同的。在一定壓力下蒸發(fā)液態(tài)空氣時(shí)則相反，低沸點(diǎn)的氮組份先蒸發(fā)，使液體中高沸點(diǎn)組份氧的濃度增加，蒸發(fā)溫度也隨之升高，一直到蒸發(fā)結(jié)束。REF_Ref117996390\h圖15表示在1kg/cm2壓力時(shí)氧、氮混合物的平衡曲線。REF_Ref117996390\h圖15表示在不同壓力時(shí)氧、氮混合物的平衡曲線。橫座標(biāo)表示氧的容積百分?jǐn)?shù)，縱座標(biāo)表示相應(yīng)的飽和溫度。圖中下面的一條曲線稱(chēng)液相線，它表示氧、氮混合液體的濃度和開(kāi)始蒸發(fā)溫度的關(guān)系。上面的一條曲線稱(chēng)為氣相線，它表爾氧、氮混合氣體的濃度和開(kāi)始冷凝溫度的關(guān)系，在二曲線的中間為氣、雙二相區(qū)。圖SEQ圖\*ARABIC15氧氮混合物平衡曲線圖SEQ圖\*ARABIC16氧氮混合物平衡曲線REF_Ref117996390\h圖15和REF_Ref117996615\h圖16反映了氧、氮混合物的一些主要特性：氧、氮混合液體開(kāi)始蒸發(fā)的溫度隨著氧組份的增加而升高，同樣氧、氮混合氣體開(kāi)始冷凝的溫度隨著氧組份的增加而升高。例如在1kg/cm2壓力時(shí)含氧為20％的液體．其蒸發(fā)溫度是78.5°K，含氧為80％的液體蒸發(fā)溫度是85.4°K。含氧為20％的氣體冷凝溫度為81.4°K，含氧為80％的氣體冷凝溫度是88.5°K。一定組份的氧、氮混合物在一定壓力下，開(kāi)始冷凝或蒸發(fā)與冷凝結(jié)束或蒸發(fā)結(jié)束時(shí)的溫度是不向的，在蒸發(fā)或冷凝過(guò)程中溫度是連續(xù)變化的。例如在1kg/cm2壓力時(shí)，含氧50％的蒸汽，開(kāi)始冷凝時(shí)的溫度為85.5°K(在氣相線上的α點(diǎn))隨著液體的不斷增多，冷凝溫度不斷下降，冷凝結(jié)束時(shí)為81.4°K(在液相線上的b點(diǎn))。氧、氮混合物冷凝或蒸發(fā)過(guò)程中，液相和氣相的組份是連續(xù)變化的，而冷凝開(kāi)始與冷凝結(jié)束，或蒸發(fā)開(kāi)始與蒸發(fā)結(jié)束則組份是相同的。如液體空氣中氧的濃度為20.9％O2，蒸發(fā)溫度為78.6°K，它所蒸發(fā)出來(lái)的蒸汽溫度也應(yīng)是78.6°K(在液相線上的c點(diǎn))，第一滴液體蒸發(fā)的蒸汽濃度為6.3％O2(在氣相線上的e點(diǎn))。在同一壓力下，相同溫度的氣體濃度和液體濃度，稱(chēng)為氣、液的平衡濃度。因在這種情況下，在沒(méi)有外面的影響時(shí)，如不再繼續(xù)加熱，蒸發(fā)就停止，氣、液雖接觸在一起，但氣、液的濃度不會(huì)發(fā)生變化。蒸發(fā)到最后，它所蒸發(fā)出來(lái)的氣體的濃度