华）
乙炔 甲烷 氢 组分 臭氧 一氧化碳 氧化亚氮 二氧化硫
C2H2
0.001~1.0 ~1.5 0.5
体积组成
重量组成%
189.13（升华） 111.7 20.38 沸点K 161.25 81.65 184.36 263.5
309.15 190.7 32.976 临界温度
K 261.05 132.92 309.791 430.65
CH4 H2
分子式
体积%
ppm 0.02 ~0.1 0.5 ~0.04
O3
CO
N2O
SO2
氧、氮、氩和其他物质一样，具有气、液和固三态。在常温常压下它们呈气态。在标准大气压下，氧被冷却到90.17K，氮被冷却到77.35K，氩被冷却到87.29K，都变成液态。如果遇热又可变成气态。氧和氮的沸点相差约13K，氩和氮的沸点相差约10K，这就是能够利用低温精馏法将空气分离为氧、氮和氩的基础。
空气中除氧、氮和氩外，还有氖、氦、氪和氙等稀有气体。由于它们在国防、科研和工业生产中有着广泛的用途，因此，根据综合利用的原则，空分设备在制取氧、氮的同时，还应制取氩及其他稀有气体。
空气中的机械杂质、水蒸气、二氧化碳、乙炔和其他碳氢化合物，影响空分设备的正常、安全运行，因此必须设法除净这些有害气体和杂质，以保障空分设备的正常运转。
II. 空气分离的基本原理
空气分离的基本原理是利用低温精馏法，将空气冷凝成液体，然后按各组分蒸发温度的不同将空气分离。
1) 液空部分的部分蒸发和空气的部分冷凝 如果当液体蒸发时，把产生的蒸汽连续不断地从容器中引出，这种执法过程称部分蒸发。如图所示。 在蒸发过程中假定每一瞬间引出的蒸汽与该瞬间的液体成平衡状态，那么部分蒸发过程中，液相浓度沿x2?、x3?……变化；蒸汽中浓度沿y2?、y3?……变化。随着蒸发的进行，液相中氧的浓度不断地提高，最后可达x6?，x6??x5?，x5?为简单蒸发过程最后一滴液体的浓度。由图2-1（c）可以看出，部分蒸发可以在液相中获得氧浓度较高的产品；但氧的浓度越高，获得的液氧量越少，而且不可能同时获得高纯度的气氮。
如果在空气定压冷凝过程中，将所产生的冷凝液连续不断地从容器中导出，这种冷凝过程称部分冷凝，如图2-1（b）所示。在部分冷凝过程中，滴一滴冷凝液的氮浓度为x4?，它与被冷凝空气y4?（即4??）处于平衡状态。令空气在定压下继续冷凝，则气相中氮的浓度沿y4?、y3?、……变化，液相中氮的浓度沿x4?、x3?、……变化，冷凝到最后时所剩蒸汽中氮的难度很高，但数量却很少。所以部分冷凝仅能
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获得数量很少的纯氮，而且不能获得纯氧。
2) 空气的精馏过程
从部分蒸发和部分冷凝的特点可看出，两过程可以分别得到高纯度的氧和高纯度的氮，但不能同时获得。而且两个过程刚好相反：部分蒸发需外界供给热量，部分冷凝则要向外界放出热量；部分蒸发不断地向外释放蒸汽，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，则可相互补充，并同时获得高纯度的氧和氮。
氧和氮无论是在气态还是在液态都能以任何比例均匀地混合在一起。在一定的压力下，当氧、氮混合气冷凝时，由于氧的冷凝温度高，氮的冷凝温度低，因此，氧比较容易凝结成液体。在冷凝过程中 蒸汽中的氧含量逐渐降低，氮的含量增加，冷凝温度也随之下降，直至气体全部冷凝为液体。在一定压力下蒸发液态空气时则先反，低沸点的氮组分先蒸发，使液体中高沸点组分氧的含量增加，蒸发温度也随之升高，一直到蒸发结束。
如果处在冷凝温度时的空气，穿过比他温度低的氧、氮组成的液体层时，则气、液之间由于温度差的存在，要进行热交换。温度低的液体吸收热量开始蒸发，其中氮组分首先蒸发；温度较高的气体冷凝，放出冷凝热。气体冷凝时，首先冷凝氧组分。这过程一直进行到气相和液相的温度相等为止，也即气、液处于平衡状态。这时，液相由于蒸发，氮组分减少，同时由于气相冷凝的氧也进入液相，因此液相的氧含量增加；同样气相由于冷凝，使氧组分减少，同时由于液相蒸发的氮进入气相，因此气相的氮含量增加。多次地重复上述过程，气相的氮含量就不断增加，液相的氧含量也不断地增加。这样经过多次的蒸发与冷凝就能够完成整个精馏过程，从而将空气中的氧和氮分离开来。
下面举例来说明。如下图所示，有3各容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，其压力均为98.1kPa.
液空多次蒸发和冷凝示意图
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在容器Ⅰ内盛有氧含量为20.9%的液空，容器Ⅱ和Ⅲ分别盛有氧含量为30%和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。由于空气的温度比氧含量40%的液体饱和温度（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、液温度达到相等时，与液体相平衡的蒸汽中氧含量只有14%。将此蒸汽引到容器Ⅱ，由于氧含量30%的富氧液空的饱和温度（79.6K）比容器Ⅲ中的温度低，所以从容器Ⅲ引出的蒸汽（80.5K）又继续冷凝，同时使容器Ⅱ中的液体蒸发。当蒸汽与氧含量30%的液体达到平衡状态时，蒸汽中氧含量为9%。将此蒸汽由容器Ⅱ再引入容器Ⅰ，再进行一次部分蒸发和部分冷凝过程，则蒸汽中氮含量又增加，氧含量仅6.3%。
上述过程中，再气相的氧含量减少的同时，液体的氧含量则增加。这样多次进行下去，最后可获得足够数量的高纯度气氮和液氧。这就是利用精馏过程分离空气的实质。换言之，精馏过程的实质就是多次的部分蒸发和多次的部分冷凝过程的结合。
图2-2所示流程示意图，仅仅说明精馏过程的基本概念，实际情况要复杂些。为了使精馏过程进行得较完善，即为了使气、液接触后接近平衡状态，就要增大气、液接触面积和增加接触时间。在空分设备中通过专门设备—精馏塔来实现空气的精馏过程。 1.2.3 精馏原理
利用混合物中各组分挥发能力的差异，通过液相和气相的回流，使气、液两相逆向多级接触，在热能驱动和相平衡关系的约束下，使得易挥发组分（轻组分）不断从液相往气相中转移，而难挥发组分却由气相向液相中迁移，使混合物得到不断分离，称该过程为精馏。该过程中，传热、传质过程同时进行，属传质过程控制。其精馏塔如下图所示。原料从塔中部适当位置进塔，将塔分为两段，上段为精馏段，不含进料，下段含进料板为提留段，冷凝器从塔顶提供液相回流，再沸器从塔底提供气相回流。气、液相回流是精馏重要特点。
精馏塔示意图
在精馏段,气相在上升的过程中，气相轻组分不断得到精制，在气相中不断地增浓，塔顶获轻组分产品。
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在提馏段，其液相在下降的过程中，其轻组分不断地提馏出来，使重组分在液相中不断地被浓缩，在塔底获得重组分的产品。 精馏过程与其他蒸馏过程最大的区别，是在塔两端同时提供纯度较高的液相和气相回流，为精馏过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流，使在相同理论板的条件下，为精馏实现高纯度的分离时，始终能保证一定的传质推动力。所以，只要理论板足够多，回流足够大时，在塔顶可能得到高纯度的轻组分产品，而在塔底获得高纯度的重组分产品 1) 精馏塔设备
板式精馏塔如下图所示。塔为一圆形筒体，塔内设多层塔板，塔板上设有气、液两相通道。塔板具有多种不同型式，分别称之为不同的板式塔，在生产中得到广泛的应用。
混合物的气、液两相在塔内逆向流动，气相从下至上流动，液相依靠重力自上向下流动，在塔板上接触进行传质。两相在塔内各板逐级接触中，使两相的组成发生阶跃式的变化，故称板式塔为逐级接触设备。
板式精馏塔示意图
填料精馏塔如下图所示。塔内装有大比表面和高空隙率的填料，不同填料具有不同的比表面积和空隙率，为此，在传质过程中具有不同的性能。填料具有各种不同类型，装填方式分散装和整装两种。视分离混合物的特性及操作条件，选择不同的填料。
当回流液或料液进入时，将填料表面润湿，液体在填料表面展为液膜，流下时又汇成液滴，当流到另一填料时，又重展成新的液膜。当气相从塔底进入时，在填料孔隙内沿塔高上升，与展在填料上的液沫连续接触，进行传质，使气、液两相发生连续的变化，故称填料塔为微分接触设备。
填料精馏塔示意图
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