液体由容器I再引入容器II，由
容器II再引入容器III的过程称 为回流，其目的是使整个部分 蒸发和部分冷凝过程持久地进 行
精馏是利用两种物质的沸点不同，多次的进行混合蒸气的部分冷凝和
混合液体的部分蒸发过程，来实现分离的目的 精馏过程的实质是：不平衡的气液两相，经过热质交换，气相多次部
每经过一次部分冷凝和部分蒸发，气体中氮组分就增加，液体中氧组
分也增加。这样经过多次便可将空气中氧和氮分离开
有三个容器I，II，III，其压力
均为98.1kPa。在容器I内盛有 含氧20.9%的液空，容器II和III 分别盛有含氧30%及40%的富 氧液空，将空气冷却到冷凝温 度（82K）并通入容器III的液 体中。由于空气的温度比含氧
向外界放出热量；部分蒸发不断在向外界释放蒸气，如欲获得大量高
纯度液氧，则需要相应地补充液体。而部分冷凝则是连续地放出冷凝 液，如欲获得大量高纯度气氮，则需要相应地补充气体
如果将部分冷凝和部分蒸发结合起来，则可解决部分蒸发和部分冷凝
单独进行所不能解决的问题 多次的部分蒸发和部分冷凝过程的结合称为精馏（rectification ）过程。
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
5.1.2 精馏原理
从部分蒸发和部分冷凝的特点可看出，对于N2–O2混合物的部分蒸发 和部分冷凝可以获得氧和氮，但不能同时获得高纯度氧和高纯度氮 两个过程的性质恰好相反：部分蒸发需外界供给热量，部分冷凝则要
5.1 气体的分离原理
5.1.1 冷凝Байду номын сангаас闪蒸分离
根据混合物的性质，可以用简单的冷凝或蒸发过程达到混合物的局部 分离 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 混合物部分冷凝时，液相中富集了高沸点（难挥发）组分，气相中富 集了低沸点（易挥发）组分
筛孔塔板的优缺点
优点：1、结构简单，制造维修方便。2、省钢材，投资少。3、塔
板压力降低。4、生产能力大。5、塔板效率和泡罩塔相同
缺点：1、不适应处理较脏的物料和带有固体颗粒的物料。2、操 作弹性泡罩塔板稍低。
双级精馏塔
由下塔、上塔和上下塔之间 的冷凝蒸发器组成。下塔压 力高，上塔压力低。 压缩并冷却后的空气进入下 塔底部，自下而上地穿过每
态时蒸气中氧的摩尔分数就变
成9%O2 将此蒸气由容器II再引入容器I，
再进行一次部分蒸发和部分冷
凝过程，则蒸气中氮又增加， 含氧仅6.3%O2
在上述过程中，在气相氧组分 减少的同时，液体中氧则增加， 最后气相中氮摩尔分数由 79.1%提高到93.7%，而液体中 氧摩尔分数由10%提高到40%， 气体的数量虽每次冷凝要减少 一些，但同时得到从液体中蒸 发出来的气体，结果，气体的 数量没有多少变化，同样液体 的数量也没有多少变化，这样 多次进行下去，液相中氮会更 多地蒸发到气相中，而气相中 氧会更多地冷凝进入液相中， 最后可获得足够数量的高纯度 气氮和液氧
在下塔塔釜中的液空经节流 阀降压后送入上塔中部，由 上往下沿塔板逐块流下，与
上升的蒸气接触，每经过一
块塔板要蒸发掉部分氮，同 时得到从气体中冷凝下来的 氧，只要塔板数足够多，可 在上塔的最后一块塔板上得 到纯液氧
液氧流入冷凝蒸发器管间蒸 发，蒸发出来的气氧一部分 作为产品引出去；另一部分
40%的液体的饱和温度
（80.5K）高，所以空气穿过 液体时得到冷却，就发生部分
冷凝；而液体被加热，就发生
部分蒸发。当气液温度相等时， 与液体相平衡的蒸气中含氧只 有14%O2
将此蒸气引到容器II，由于
30%O2富氧液空的和温度 （79.6K）比容器III中的温度 低，所以从容器III引出的蒸气 （80.5K）又继续冷凝，同时 使容器II中的液体蒸发。当蒸 气与30%O2的液体达到平衡状
“分离”通常是把混合物中两种以上、含量相差不多的组 分分开成为产品，典型的例子有空气分离、天然气分离等； “提取”则主要表示从混合物中选取其中最有价值的组分 的操作，被提取的组分在原料气中的含量可能较高，如从 焦炉气或水煤气中提取氢和氮，也可能含量很低，如从天 然气中提取氦；“纯化”是把原料气中的少量或微量杂质 去处掉，如提供给医疗、微电子等行业使用的高纯气体部 经过不同工艺的提纯处理。
到了高纯度的氮，同时，氧
产量也提高了
可以看出，在双级精馏塔中 空气的分离过程分为两个步 骤，空气首先在下塔进行初
步分离，制得液态氮和富氧
液空；富氧液空再送往上塔 进行最后精馏，得到纯氧。
上塔上部的回流液就是下塔
送来的液氮，因此可得纯氮
冷凝蒸发器的作用：冷凝蒸发器是联结上、下塔的纽带。它利用上塔
部分冷凝适用于混合物各组分沸点差别较大的情况
若各组分的沸点比较接近，则采用部分冷凝的方法很难达到分离要求
80％摩尔分数N2和20％摩尔分 数He的气体混合物在111K时开始冷 凝，然而由于两种组分的沸点差很 大，该温度下冷凝液中He的摩尔分 数只有0.6% 。 当温度继续下降到103K时，组分He在液相中的摩尔分数达到最大值。 进一步冷却时，由于更多的N2冷凝，He的摩尔分数反而有所降低。于是，
菲里（Murphree）效率来求取
塔板上汽液两相的实际分离程度 与理论分离程度之比称为塔板效 率。一般说来，对于给定的塔板，
应求出这类塔板在给定操作条件
下的总效率，然后将计算得到的 理论塔板数除以总塔板效率，就
可以求得达到规定分离要求所需
要的实际塔板数
保持塔板高效率的两个条件是
气液两相在塔板上充分接触，尽可能地接近相平衡状态； 使接触后的气液两相尽量完全分离。
5.2 精馏塔
精馏塔通常有板式塔（tray column）和填料塔（packed column）两大
类
5.2.1 板式精馏塔
在一直立圆杆形简体内装有 水平放置的塔板，温度较低 的液体由上块塔板经降液管
向下流动，温度较高的蒸气
由塔板下方通过塔板上的小 孔向上流动，在塔板上液体
与气体相接触，完成传热与
气氧由下往上和塔板上的液
体接触。由于气体温度较高， 所以气、液接触后使气体中 氧冷凝到液体中去，而液体 蒸发出来的氮掺入到气体中。 气体越往上升，其中氮纯度 愈高
与单塔不同，双塔引入了液 氮回流以获取高纯度氮。在 液空进料口以上，气体中还
含有很多氧，如果就这样把
气体放出去，氧损失很大， 因此利用下塔高浓度的液氮 作为上塔顶部的回流液，使 液空进料口以上的气体继续 精馏，这样从上塔顶部引出 的气体中氧含量就很少，得
液氧或富氧液体与下塔顶气氮换热，使气氮液化作为回流，液空或液 氧蒸发参加上塔精馏。双级塔主冷凝蒸发器温差的大小受氧氮的纯度
入口上方为精馏段。在塔底有一出口管线引出难挥发产品，而在塔顶
有一出口管线引出易挥发产品
假设N2–O2二元混合物原料以饱 和蒸气状态进入塔的第4块塔板 在理想情况下，在原料入口的上 块塔板上的液体（点）组成与原 料的组成相同，但它的温度较低，
因为它是泡点温度而不是露点温
度 在塔中，蒸气向上通过每块板上
分冷凝和液相多次部分汽化相结合的传质传热的过程
实现精馏的必要条件 为了使精馏的过程能够进行，必须具备下面两 个条件： 汽液两相必须充分接触，精馏塔内装有多少层塔板（或填料）就 是提供汽液接触的条件； 汽液两相接触时，上升的高温汽相中的易挥发组份浓度要低于平 衡时的浓度，而下降的低温液相中的易挥发组份要高于平衡时的 浓度，由于汽液两相不平衡，才能发生精馏作用。 空气的精馏是在氧、氮混合物的气相与液相接触之间的热质交换过程 中进行的。
场合能得到实际应用 低温技术在气体液化工业中是占主导地位的，而且在气体 分离和纯化过程中也后非常重要的地位
目前大多数的商品氧和氮是用精馏的方法从液态空气中分 离而得到的，而且氩、氪、氙和氖也都是从液空中分离出 来的
气体的分离、提取或纯化过程在物理本质上都属同一概念， 即把混合物变为纯物质
当混合物的温度降低到80K时，部分冷凝有可能得到He摩尔分数约为94%的
气相产品，而液相产品中He摩尔分数约为0.5％
对79％摩尔分数N2与21％摩尔分数O2的气体混合物，用简单的部分冷 凝方法，不能像N2-He混合物那样得到有效的分离。实际上，从90K连续冷 却到78K，冷凝了更多的N2，在气相产品中富集的N2很少 分凝法一般用于分离沸点相距较远的气体混合物，如N2−He，N2−H2， CH4−N2，CH4−H2等
塔板上的汽液两相在离开同层塔 板时，汽液两相同时达到汽液相 平衡状态，则此层塔板称为理论
塔板
对于一个理论塔板，接触的气– 液之间达到完全的平衡，从塔板
液层离开的蒸气温度（例如
点 ），应与该塔板上液体的温 度相同（点）。但实际上这两个 温度是略有差别的，这种偏差造 成的结果是需要附加塔板，以便 得到相同的分离要求。这种效率 损失情况可根据每一块塔板的莫
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
多组分气体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
一块塔板，至下塔上部得到
高纯度的氮气 下塔塔板数越多，氮气纯度
越高
氮气进入冷凝蒸发器管内时 由于它的温度比管外液氧温 度高，所以氮气被冷凝成液
氮。一部分作为下塔回流液，