空分装置原理

　 低温空分原理：[1]

　 标准大气压下，空气的主要组分为：氮气、氧气和氩气，其沸点分别为77.36K、90.19K和87.26K。可见氧气和氮气的沸点相差近13K，而氧气和氩气的沸点相差仅近3K，故氧气和氩气相对于氮气都是难挥发组分。一般而言，对于两种沸点不同的物质（如氮和氧）组成的混合液体在吸热部分蒸发时，易挥发组分（沸点较低）将较多的蒸发为气相，而两种沸点不同的混合蒸汽在放热而部分冷凝时，难挥发的组分（沸点较高）将较多的冷凝为液相。如果将温度较高的饱和蒸汽和温度较低的饱和液体相接触时，则蒸汽放出热量而部分冷凝，而液体则吸收热量而部分蒸发，蒸汽部分冷凝时，蒸汽中氧组分较多的冷凝到液相，同样液相中的氮组分较多的蒸发到气相，使得气相中的氮组分浓度提高，液相中的氧组分浓度提高，如果进行多次这样的部分蒸发和部分冷凝过程，则气相中的氮组分浓度不断增加，同时液相中的氧组分浓度不断增加，最终达到氮氧分离的目的。

　 以上为空气精馏的原理，实现精馏的主要设备为精馏塔，塔内每块塔板都提供一次气液接触而发生部分蒸发和部分冷凝的场所，最终在塔顶得到高纯度的氮产品，而在塔底得到高纯度的氧产品。

　为了同时得到高纯度的氮、氧产品以及氩等稀有气体产品，应用到空气得力的精馏塔一般是双级精馏塔。其典型流程如下：

　 下塔为高压塔，压缩后冷却到接近饱和状态的空气进入下塔顶部，经过下塔的初步分离，在下塔顶得到高纯度的馏分液氮，下塔底得到富氧液空，将馏分液氮和富氧液空采出后经液空和液氮过冷器，节流后回流入上塔(低压塔)继续参与精馏分离，最终在上塔塔顶得到高纯度的氮气，塔底得到高纯度的气氧和液氧。上塔由于回流液体较多，导致回流比较大，一般都大于实际所需回流比，为了挖掘精馏塔的精馏潜力，提高产品提取率，可以将部分空气直接引入上塔参与精馏，由于这个想法是拉赫曼提出，所以进上塔的膨胀空气量一般称为拉赫曼气。上下塔之间通过一个冷凝蒸发器(也叫主冷器)耦合在一起，它既是下塔的冷凝器，也是上塔的再沸器，下塔顶部的高温气氮用来加热上塔底部的低温液氧，同时本身被液氧冷却为液氮，部分作为下塔回流液，部分采出作为上塔顶部的回流液。富氧液空从上塔中部引入，液空进料口以上为精馏段，主要是进行氧、氮分离，提浓氮气纯度，进料口以下为提馏段，主要是进行氧和氮，氧和氩的分离，提浓氧产品纯度。从上塔提馏段氩富集区抽提部分气态氩馏分进入粗氩塔继续精馏得到含氩95％以上的粗氲馏分。为了能够得到高纯度的氧、氮产品，从上塔上部抽出部分污气氮，增加精馏段回流比，有利于氧氮产品纯度的提高。

　这里需要重点指出的是冷凝再沸器，其实质就是一种热耦合技术。这个冷凝再沸器的结构是由德国的林德博士提出的。这种热耦合技术，在1951年被D．c．Freshwater教授，被称为是多效热耦合精馏技术的一种(Freshwater,D．C，1951)。多效精馏的原理是利用一个塔的精馏蒸汽热焓，去供应下一个塔的再沸器需要的热量，但是这种精馏耦合技术有一定的限制就是它一般应用于多塔结构，所以传统空气分离精馏塔可以看成下塔是一个只有冷凝器没有再沸器的独立塔，而上塔是一个没有冷凝器而具有再沸器的独立塔。两塔恰恰用多效精馏技术来耦合在一起，达到节能的效果。这个结构的存在要求相对挥发度不能改变太大的情况下，保证有一定的温度推动力，要求热交换的表面随着温差变小而应该变大。

　对空气三元物系汽一液平衡实验数

　文献[1]采用了对空气三元物系汽一液平衡实验数据进行回归的方法，从而得到比较准确的二元交互作用参数：

　 同样压力下，氮的饱和温度是比氧气的饱和温度要低，也就是说同压压力下，氮气是不能给液氧提供热量的。但是饱和温度是压力有关的，随着压力提高而提高。由于下塔顶部的绝对压力在O.68Mpa左右，相应得气氮冷凝温度为-177℃；上塔液氧的绝对压力约为O.14Mpa，相应得气化温度为-179℃。，在冷凝蒸发器内部，需要设置两端的压力，保证气氮与液氧约有2℃的温差，使得热量能由气氮传给液氧。

　参考文献

　[1]祝育.高纯内部热耦合空气分离塔的概念设计、动态特性分析及控制研究[D].浙江：浙江大学，2006.