空氣的液化與分離

?該帖于2008/12/1003:18pm發(fā)表?全低壓分子篩流程cF;該流程又稱為吸附凈化流程。利用分子篩凈化空氣。xOQw隨著分子篩吸附劑的開(kāi)發(fā)和完善，以及吸附工藝的改善，特別是吸附劑的共吸附特性，使吸附劑同時(shí)可以清除空氣中的H2O,CO2,C2H2,CnHm大大簡(jiǎn)化了空氣凈化和空分的流程?！谝还?jié)概述DT9e一.基本知識(shí)j@{X9物態(tài)（固，液，氣）81Y基本狀態(tài)參數(shù)（溫度，壓力，比容與相對(duì)密度）@cU""T空氣的組成及性質(zhì)LR1.物態(tài)=）CI人們?nèi)粘＝佑|到的東西，不外是三種狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)（在常溫下）。狀態(tài)也稱為“相”，固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)也可分別稱為固相、液相和氣相。~c%一般來(lái)說(shuō)，物質(zhì)都能以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的形式存在，并在一定的條件下可以互相轉(zhuǎn)化。例如水，平常見(jiàn)到的是液態(tài)；當(dāng)氣溫低時(shí)，會(huì)結(jié)成冰，成為固態(tài)，水加熱以后又可變?yōu)樗魵?。再如氧sxK氣，人們平常接觸到的是氣態(tài)，如果在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下將氧氣冷卻到-182.8°C，就變成液態(tài)氧，如果再將液態(tài)氧進(jìn)一步冷卻到-218.4C，就會(huì)凝成固體。像上面所述物質(zhì)從一種聚集狀態(tài)變?yōu)榱硪环N聚集狀態(tài)的現(xiàn)象稱為狀態(tài)變化或相變。:在空氣分離制氧過(guò)程中就可以看到好幾咱物質(zhì)以不同的狀態(tài)出現(xiàn)，例如空氣、氧、氮都會(huì)以氣態(tài)或液態(tài)出現(xiàn)，二氧化碳會(huì)以氣態(tài)或固態(tài)出現(xiàn)，空氣中的水汽會(huì)以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)出現(xiàn)等。JPGP在制氧過(guò)程中可以看到好幾種物質(zhì)以不同的狀態(tài)出現(xiàn)。＜24Wx0例：空氣.氧.氮都會(huì)以氣態(tài)或液態(tài)出現(xiàn)。|HpoMm二氧化碳會(huì)以氣態(tài)或固態(tài)出現(xiàn)。VR/空氣中的水汽會(huì)以氣態(tài)，液態(tài)或固態(tài)出現(xiàn)。2.基本狀態(tài)參數(shù)PU在空分裝置中經(jīng)常用溫度、壓力、比容（或相對(duì)密度）等來(lái)說(shuō)明物質(zhì)的狀態(tài)，這些可以用來(lái)說(shuō)明氣體狀態(tài)的物理量就叫做狀態(tài)參數(shù)，以上三種狀態(tài)參數(shù)是最常用的，所以也稱為基本狀態(tài)參數(shù)。S51fk（1）溫度 溫度是空分裝置運(yùn)轉(zhuǎn)情況的重要參數(shù)之一。用溫度的高低來(lái)表示物體的冷熱程度，由它可以知道空氣在空分裝置各部位被冷卻的狀態(tài)。bY&G（1）溫度qD*Dw]溫度是空分裝置運(yùn)轉(zhuǎn)情況的重要參數(shù)之一。用溫度的高低來(lái)表示物體的冷熱程度，由它可以知道空氣裝置各部位被冷卻的狀態(tài)。攝氏溫度是以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的熔點(diǎn)作為0度，水的沸點(diǎn)為100度，在0度與100度之間等分一百份，每一等份稱為1度，用C表示。低于冰點(diǎn)的溫度用負(fù)值表示。在空分生產(chǎn)中常接觸到用負(fù)值表示介質(zhì)的溫度狀態(tài)。KL在熱力學(xué)中經(jīng)常采用“絕對(duì)溫度”來(lái)表示氣體溫度的高低。絕對(duì)溫度中每一度的大小與攝氏溫度完全一樣，只是起點(diǎn)不同。它以-273C作為溫度的零度，叫做絕對(duì)零度。這種狀態(tài)實(shí)際上是達(dá)不到的，因此，用絕對(duì)溫度表示的溫度沒(méi)有負(fù)值。在工程計(jì)算中常用絕對(duì)溫度，用K表示，它與攝氏溫度的關(guān)系如下°e!5VXT=273+tKHM't=T-273C（2）壓力o~（2）壓力（或壓強(qiáng)） 單位面積上的作用力叫“壓力”，也稱為壓強(qiáng)。常用符號(hào)P來(lái)表示。如果用P表示壓強(qiáng)，以A表示受力面積，F(xiàn)表示垂直作用力。則壓強(qiáng)P為hNP=F/?Z*3+y?空分之家 空分操作和管理人員的園地。?=WvgM由式可見(jiàn)，壓強(qiáng)的大小是由壓力和面積單位決定的，如果壓力單位是牛頓［N］，面積單位是平方米［m2］，那么壓強(qiáng)的單位是［N/m2］，這是國(guó)際單位制中的壓強(qiáng)單位，稱為帕斯卡，簡(jiǎn)稱帕，用符號(hào)Pa表示。zS:wm?空分之家 空分操作和管理人員的園地?！?工程大氣壓=1kgf/cm2=10000kgf/m2jc1kgf/cm2=98.1kPa=735.6（mmHg）=10（mH2O）B$C@1atm=101.3kPa=10336kgf/m2@6+k1工程大氣壓=98.1KPa=0.0981MPauM3'B絕壓，表壓，真空度間的關(guān)系/FV,工程上常用絕對(duì)大氣壓、表壓和真空度來(lái)表示物質(zhì)的狀態(tài)，其關(guān)系如下：7t/0P絕對(duì)=P大氣+P表ZkQtNP絕對(duì)=P大氣-P真空，（3）比容與相對(duì)密度E-\0（3）比容 單位質(zhì)量的氣體所占的容積叫比容，用符號(hào)u表示，單位是米3/公斤（m3/kg）。設(shè)G公斤氣體的容積為V米3,則該氣體的比容為］a&Bu=V/G米3/公斤（m3/kg）?&aE,O單位體積氣體的質(zhì)量稱為氣體的密度，用P表示。即：.ohf&P=G/V公斤/米3（kg/m3）2'根據(jù)以上關(guān)系可知比容與密度互為倒數(shù)。密度越大，比容越小。）<固體或液體的比容（或密度）對(duì)一定物質(zhì)來(lái)說(shuō)，基本上是一的，這是因?yàn)閴毫蜏囟葘?duì)固體或液體的體積的變化影響不大，但對(duì)氣體來(lái)說(shuō)，卻隨溫度和壓力而變化，且比容（或密度）的變化要吧是很大的。對(duì)一定的氣體，在一實(shí)際上的壓力P和溫度T下，sRI5就有一確定的比容。也就是說(shuō)，這三個(gè)狀態(tài)參數(shù)之間存在著一定的關(guān)系，只要知道這三個(gè)參數(shù)中的任意兩個(gè)，就可以通過(guò)一定的關(guān)系或（狀態(tài)方程式）求出第三個(gè)狀態(tài)參數(shù)。D"83.空氣的組成及其性質(zhì)Mn7（1）空氣的組成空氣主要是由氧和氮組成，在氣體狀態(tài)，它們均勻地混合在一起?？諝庵羞€含有氬、氖、氦、氟、氙、氡等氣體。這些氣體化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在空氣中含量甚少，在自然界不易得RHE8N［（1）空氣的組成:hB+J至4,所以稱為稀有氣體。同時(shí)空氣中還含有甲烷及其他碳?xì)浠衔铩?、臭氧、二氧化碳、水蒸氣及灰塵等。在地球表面，干燥空氣的組成列于表3-1中。jk2若不考慮水蒸氣、二氧化碳和各種碳?xì)浠衔?，則地面至100km高度的空氣的平均組成保持恒定值。在25km高空臭氧的含量有所增加。在更高的高空，空氣的組成隨高度而變，且明顯地同每天的時(shí)間及太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān)。但是，空氣組成的局部分布是不一致的，即使在海平面上也有不同，各個(gè)工業(yè)區(qū)空氣的成分和雜質(zhì)會(huì)計(jì)師也各不相同。Z'f.d9?空分之家 空分操作和管理人員的園地。Hy-|X空分生產(chǎn)中對(duì)空氣的質(zhì)量要求如下：#CO2W724mL/L、CO<1mL/L、CH4<10mL/L、C2H2<1mL/L、CnHm<25mL/L、SO2<0.1mg/m3（標(biāo)）、NO<1mg/m3（標(biāo)）、H2SW0.1mg/m3（標(biāo)）、Cl2<0.1mg/m3（標(biāo)）、H2<1mL/L、NH3W4mL/LGV5m小鏈接mexOT臭氧是大氣中的微量氣體之一，其主要濃集在平流層中20-25千米的高空，即大氣的臭氧層。QZ臭氧層對(duì)保護(hù)地球上的生命界以及調(diào)節(jié)地球的氣候都具有極為重要的作用。8c然而，近些年來(lái)，由于在平流層內(nèi)運(yùn)行的飛行器日益增多，人類活動(dòng)產(chǎn)生的一些痕量氣體如NOx和氯氟烴等進(jìn)入平流層，使臭氧層遭到破壞，以至于在南極上空出現(xiàn)了“臭氧空氣洞”。小鏈接D臭氧濃度降低，臭氧層的破壞，將對(duì)地球生命系統(tǒng)產(chǎn)生極大的危害。K'首先，由于臭氧層的破壞，大量紫外光輻射將到達(dá)地面而危害人體健康。&B（l.~有人估計(jì)，如臭氧層中03濃度減少1%，則地面紫外光輻射將增加2%，導(dǎo)致皮膚癌發(fā)病率增加2%-5%。veM^HH^^H^^^^^BB^HI^^^MII^H此外，還會(huì)使白內(nèi)障發(fā)病率增高，以及對(duì)人體免疫系統(tǒng)功能產(chǎn)生抑制作用。紫外光輻射增大，也會(huì)對(duì)動(dòng)、植物產(chǎn)生影響，而危及生態(tài)平衡。臭氧層破壞還將導(dǎo)致地球氣候出現(xiàn)異常，由此帶來(lái)災(zāi)害。（2）空氣及其各組分的性質(zhì)Dq3'空氣的性質(zhì)。常溫下的空氣是無(wú)色無(wú)味的氣體，液態(tài)空氣則是一種易流動(dòng)的淺藍(lán)色液體。當(dāng)空氣溫度降到液化溫度逐漸液化#?空分之家 空分操作和管理人員的園地。?；Gv時(shí)，它的性質(zhì)已由量變發(fā)展到質(zhì)變，與氣體狀態(tài)時(shí)有很大差別，在空分裝置中要遇到這種質(zhì)變，因此對(duì)其要有所了解。Zwo>%.?空分之家 空分操作和管理人員的園地。Hth}%z空氣作為混合氣體，在定壓下冷凝溫度要連續(xù)降低。如在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.3KPa）下，空氣于81.7K（露點(diǎn)）開(kāi)始冷凝，溫度降低到78.9K（泡點(diǎn)）時(shí)全部轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡鸵后w。這是由于高沸點(diǎn)組分（氧）開(kāi)始冷凝較多，而低沸點(diǎn)組分（氮）到過(guò)程終了，才會(huì)較多地冷凝下來(lái)。GD氧和氮的性質(zhì)0Tli.i氮是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為1.25Kg\m3，比空氣稍輕，難溶于水。氮的化學(xué)性質(zhì)不活潑，在通常情況下很難跟其他元素化合，故可以用作保護(hù)氣體，在高溫下，氮能夠同氫、氧及某些金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其沸點(diǎn)比空氣低，所以液氮是低溫研究中最常用的安全冷卻劑，但要當(dāng)心窒息，液氮的蒸發(fā)溫度為77.36K。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，液氮冷卻到63.2K時(shí)轉(zhuǎn)變成無(wú)色透明的結(jié)晶體。E>S?空分之家 空分操作和管理人員的園地。.X氧是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和密度是1.43Kg\m3，比空氣略重。氧較難溶解于水。氧的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，它能跟很多物質(zhì)（單質(zhì)和化合物）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)放出熱量；反應(yīng)劇烈時(shí)還會(huì)燃燒發(fā)光。Jrorg?空分之家 空分操作和管理人員的園地。HB4r<在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氧在90.188K時(shí)變?yōu)橐琢鲃?dòng)的淡藍(lán)色液體；在54.4K時(shí)凝固成淡藍(lán)色的固體結(jié)晶。AEyy可燃?xì)怏w（乙快、氫、甲烷等），可與氧按一定比例混合而形成爆炸性混合物。氧還具有感磁性，也就是說(shuō)，氧分子在磁力的作用下可帶磁性，并可被磁極所吸引，氧的這一特性已被利用來(lái)制作氧磁性分析儀，根據(jù)磁化率的變化可以測(cè)出抗磁性氣體混合物中含微量氧的濃度。VK.氣體的性質(zhì)及其規(guī)律Eb在生產(chǎn)中經(jīng)?？梢钥吹竭@種現(xiàn)象，空分裝置在夏天氣溫較高時(shí)，或在高原地區(qū)氣壓較低時(shí)，空壓機(jī)的氣量將減少，造成空分裝置的壓力降低。當(dāng)往一恒定容積的貯氣罐內(nèi)充氣時(shí)，罐內(nèi)壓力會(huì)升高，在試壓時(shí)，雖然沒(méi)有漏氣，由于溫度的變化，也會(huì)引起壓力的改變，這些現(xiàn)象說(shuō)明，氣體的壓力P、溫度T、體積V和質(zhì)時(shí)G之間存在著一定的關(guān)系。這一關(guān)系稱為氣體的基本定律。LL@'t（記憶）空氣N2O2Ar理想氣體狀態(tài)方程式PV=nRTn=1$L;V0R=1x22.4/273.15（Y6-Y=0.82L?atm/K?molm-?（R=1.0133x105x22.4x105/273.15Kx1molm4i=8.314J/K?mol.理想氣體狀態(tài)方程式是在溫度不太低（與室溫相比），壓力不太高（與大氣壓力相比）時(shí)，由實(shí)驗(yàn)得到的。%9-m+如果氣體的壓力很高，溫度很低（接近氣體液化時(shí)的溫度），如真實(shí)氣體就不遵守這此定律。在使用該方程式時(shí)則需校正。*l）c蒸氣的性質(zhì)任何氣體當(dāng)提高壓力，降低溫度時(shí)均可變?yōu)橐簯B(tài)。o通常把接近于液態(tài)的氣體稱為蒸氣，最常見(jiàn)的是水蒸氣。蒸氣冷凝和液體蒸發(fā);@蒸氣冷凝（或稱液化）和液體蒸發(fā)（或稱汽化）過(guò)程是兩個(gè)相反的過(guò)程，它們的共同特點(diǎn)是液化和汽化均需在某一溫度下才發(fā)生，這個(gè)溫度稱為“液化溫度”或“汽化溫度”，也稱“沸點(diǎn)溫度”，它是物質(zhì)由量變到質(zhì)變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。>df當(dāng)溫度低于該溫度時(shí)，物質(zhì)以液態(tài)存在；高于該溫度時(shí)，以氣態(tài)存在。對(duì)液體和氣體來(lái)說(shuō)，當(dāng)被加熱或冷卻時(shí)，溫度隨之發(fā)生變化，而在蒸氣達(dá)到液化溫度產(chǎn)生第一滴液體開(kāi)始，一直到全部變成液體時(shí)為Py-）&止（叫液化階段），整個(gè)階段溫度維持不變。因此，液化溫度也叫飽和溫度。溫度剛達(dá)到液化溫度尚未開(kāi)始液化的蒸氣叫“干飽和蒸氣”，產(chǎn)生部分液體時(shí)的蒸氣叫“濕飽和蒸氣”；全部變成液體而溫度仍維持飽和溫度的液體叫“飽和液體”。溫度低于飽和溫度的液體叫“過(guò)飽和液體”或“過(guò)冷液體”；溫度高于飽和溫度的蒸氣叫“過(guò)熱蒸氣”。沸點(diǎn)溫度，氣化溫度，液化溫度，飽和溫度8/Qm0干飽和蒸氣-濕飽和蒸氣zP2t-7飽和液體——過(guò)飽和液體——過(guò)冷液體~8<byS過(guò)熱蒸氣I對(duì)于不同的物質(zhì)，它們的液化溫度是不同的。液化溫度低的物質(zhì)易揮發(fā)，液化溫度高的難揮發(fā)。對(duì)同一種物質(zhì)，在不同的壓力下，對(duì)應(yīng)的飽和溫度也不同。壓力越高，飽和溫度也越高。即壓力越高蒸氣越容易液化。在同樣壓力下，氮的飽和溫度比氧低，這表示氮比氧容易汽化。3i壓力增加使飽和溫度提高并不是無(wú)止境的，當(dāng)溫度超過(guò)某一值，即使再提高壓力也無(wú)法使氣體液化，只有溫度低于該值時(shí)，液化才有可能。這個(gè)溫度叫“臨界溫度”。相應(yīng)于臨界溫度下的液化壓力叫“臨界壓力”。對(duì)一定的物質(zhì)，臨界溫度與臨界壓力有確定的數(shù)值，見(jiàn)表3-2。Sq?空分之家 空分操作和管理人員的園地。■〕j\Q76由表3-2可見(jiàn)，要使空氣液化，只有將空氣冷卻到它的臨界溫度-140.7°C以下才可能。在臨界溫度時(shí)，只有把空氣壓縮到臨界壓力（3.84MPa）或高于此壓力時(shí)才有可能液化。GT\在臨界狀態(tài)下飽和液體與飽和蒸汽已沒(méi)有區(qū)別，汽化或液化不再分階段，因此，相應(yīng)于臨界溫度與臨界壓力的點(diǎn)叫“臨界點(diǎn)”。lNg@]?空分之家 空分操作和管理人員的園地。?此臨界壓力，臨界溫度，臨界點(diǎn)~}P?L=任何氣體當(dāng)提高壓力，降低溫度時(shí)均可變?yōu)橐簯B(tài)。壓力提高？降低溫度？9{汽化潛熱冷凝潛熱GuN5蒸氣液化或液體汽化階段的另一特點(diǎn)是，該階段溫度雖然維持不變。但必須放出熱量或吸收熱量才能使其發(fā)生變化。這個(gè)熱量叫做“潛熱”。1kg飽和液體全部汽化成干飽和蒸氣所需的熱量叫“汽化潛熱”，單位為J/kg。1kg干飽和蒸氣液化成飽和液體所放出的熱叫“冷凝潛熱”，二者的數(shù)值相等。0汽化潛熱的大小與物質(zhì)的種類及壓力有關(guān)。壓力越高，汽化潛熱越小。在臨界壓力下，干飽和蒸氣與飽和液體已沒(méi)有區(qū)別，其汽化潛熱等于零。蒸氣的性質(zhì)比較復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單地由狀態(tài)方程式來(lái)表示壓力、溫度等參數(shù)之間的關(guān)系。而需將各種物質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)之g+<.U7間的關(guān)系分別制成圖或表，這種圖或表叫“氣體的熱力性質(zhì)圖”。&|"kv熱力性質(zhì)圖是取兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo)，其它參數(shù)與它們的關(guān)系分別用等值線的方式表示在圖上。VT<在空分生產(chǎn)計(jì)算中，用的最多的是空氣的溫-熵圖（T-S圖）、焓-溫圖（H-T）、焓-熵圖（H-S）以及氧、氮的T-S圖等。Krec焓，熵AE?內(nèi)能:分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子相互作用的位能之和.~影響內(nèi)能的主要因素是溫度.溫度升高，內(nèi)能增大16?空分之家 空分操作和管理人員的園地。H'%d9'流體在流動(dòng)時(shí)，后面流體對(duì)前面的流體作了功，這個(gè)功轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的一部分能量,叫做流動(dòng)能.在數(shù)值上等于流體的壓力p與所流過(guò)的容積△▼的乘積。因此流體所具有的能量等于內(nèi)能和流動(dòng)能之和.這二者之和通常稱為焓.用符號(hào)H表示.H=U+pAV （熱效應(yīng)）焓的單位是J,單位質(zhì)量的焓用J/kg表示9Qy3在一定溫度下物質(zhì)傳遞的熱量Q與該絕對(duì)溫度T之比（Q/T）稱為熵S,單位為J/K,單位質(zhì)量的熵用J/g.k表示.?空分之家 空分操作和管理人員的園地?！鰔'8'PT-S圖是以溫度為縱坐標(biāo)，熵為橫坐標(biāo)，形狀如圖3-1所示。z?\?空分之家 空分操作和管理人員的園地。H5$vT-S圖?空分之家 空分操作和管理人員的園地。?Dg（?空分之家 空分操作和管理人員的園地。HTy空氣、氧、氮的T-S圖形狀相似，只是具體數(shù)值不同，圖中有一組等壓線，它是根據(jù)在一定壓力下液體的汽化過(guò)程實(shí)驗(yàn)做得的。對(duì)不飽和液體進(jìn)行加熱時(shí)，液體吸收熱量，熵增加，同時(shí)溫度也升高，當(dāng)液體達(dá)到飽和時(shí)，如果繼續(xù)加熱，則逐漸汽化，但溫度T/?空分之家 空分操作和管理人員的園地。HE）EM5維持不變，而熵卻增加了。因此，在汽化階段的等壓線為一水平線，它同時(shí)又是等溫線。當(dāng)液體全部汽化成為干飽和蒸氣后。如果繼續(xù)加熱，則在熵增加的同時(shí)，溫度又升高，等壓線為一向右上方的傾斜曲線。壓力越高，汽化溫度也越高。因此，在等壓線組中，越上面的曲線壓力越高。壓力越高，飽和液體與干飽和蒸氣的差別越小，汽化階段越短，因此，水平線的長(zhǎng)度也越短。壓力為臨界壓力時(shí)，已沒(méi)有汽化階段，當(dāng)溫度達(dá)到臨界溫度時(shí)液體直接汽化為蒸氣。因此，臨界壓力下的等壓線已沒(méi)有水平段，曲線上溫度為臨界溫度的點(diǎn)叫臨界點(diǎn)。（DI-7?空分之家 空分操作和管理人員的園地。?1N94d:將不同壓力下飽和液體點(diǎn)及干飽和蒸氣點(diǎn)連接起來(lái)，構(gòu)成圖下方的一條向上凸的曲線，叫“飽和曲線”。在臨界點(diǎn)左邊為飽和液體線，右邊為干飽和蒸氣線。飽和曲線將圖分成三個(gè)區(qū)域：在飽和液體線左側(cè)為未飽和液體區(qū)，干飽和蒸氣線的右側(cè)為熱蒸氣區(qū)，飽和曲線下側(cè)為液體與蒸氣的混合物，稱“濕蒸氣”區(qū)。j〉Gx\|^miimiiiiii^miniiiiiinimiimii在濕蒸氣區(qū)，一定的壓力對(duì)應(yīng)一定的飽和溫度，但隨吸熱多少的不同，蒸氣含量也不同。圖中a點(diǎn)在飽和液體線上，蒸氣含量為0;b點(diǎn)在干飽和蒸氣線上，蒸氣含量為100%；c點(diǎn)如果落在濕蒸氣區(qū)，則稱它為氣液混合物。通常把1kg濕蒸氣中所含的飽和蒸氣的數(shù)量（x公斤）叫“干度”，或“氣化率”。c點(diǎn)越接近b點(diǎn)，則表示氣液混合物中所含的飽和蒸氣量多，汽化率越大。c點(diǎn)分割ab線段的長(zhǎng)度比，即表示氣液混合物中氣體與液體的數(shù)量之比，即0/因此汽化率可用下式計(jì)算k在T-S圖上還給出了一組向右下方傾斜的等焓線。在一定狀態(tài)下，物質(zhì)的內(nèi)能u是一定的，壓力p及比容v也一定，因此焓的數(shù)值也就確定了。&'u根據(jù)壓力和溫度，很容易在圖上找到一個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)，同時(shí)可查到它的焓和熵值。H由于空氣是氧、氮的混合物，它們的沸點(diǎn)不同，低沸點(diǎn)的氮比高沸點(diǎn)的氧較容易汽化，因此在汽化過(guò)程中液體的成分不斷地發(fā)生變化，液化中氧的含量有所增加。這樣就使飽和溫度也稍有增加。所以在空氣的T-S圖中，濕蒸氣區(qū)的等壓線不是嚴(yán)格的等溫線，而稍向上傾斜。Fu}e<焓-溫圖的形狀如圖3-2所示。BH-T圖的形狀a它是以焓為縱坐標(biāo)，溫度為橫坐標(biāo)。它與T-S圖本質(zhì)是一樣的，都是表示物質(zhì)的性質(zhì)，只是為了不同場(chǎng)合的使用方便，所取的坐標(biāo)不同。"pzMO在H-T圖上，只畫出了不同壓力下等壓線及飽和曲線。等壓線由n段組成，在干飽和蒸氣以上，為向右上方傾斜的曲線；在汽化階段溫度保持不變，為垂直線。上部等壓線的壓力比下部JlyEg低，左下角為一條飽和曲線，在臨界點(diǎn)K以上為干飽和蒸氣線，下方為飽和液體線，飽和曲線所圍的區(qū)域?yàn)闈裾魵狻＃莞鶕?jù)已知的壓力和溫度，可在圖上找到一個(gè)點(diǎn)，由縱坐標(biāo)查出它的焓值。在濕蒸氣區(qū)，它的干度（汽化率）同樣可由線段長(zhǎng)度之比來(lái)確定。U}?空分之家 空分操作和管理人員的園地。?{YgT焓-熵圖的形狀如圖3-3所示。r它是取焓H為縱坐標(biāo)，熵S為橫坐標(biāo)。在圖上給出了一組向右上方傾斜的較陡的等壓線，最下面的一條壓力最低，P=1atm。同時(shí)畫出了一c-2A組較平坦的等溫線。由于H-S圖主要用于膨脹機(jī)的計(jì)算，因此沒(méi)有將整個(gè)濕蒸氣畫出。圖中的干飽和蒸氣線以下為濕蒸氣，在該區(qū)域，等壓線即不等溫線。溫度可由同樣壓力下、：H-S圖的形狀Ss#TX1?空分之家 空分操作和管理人員的園地。HyPJr的干飽和蒸氣溫度確定。為了使用方便，在濕蒸氣區(qū)還畫出了一組待干度線，直接可從圖上查出它的干度；WX應(yīng)用這些圖，可對(duì)空分裝置中的各種過(guò)程進(jìn)行具體分析計(jì)算。2x!0?P綜述?空分之家 空分操作和管理人員的園地。.Kt基本概念：}m'物質(zhì)的性質(zhì)是由物質(zhì)的組成和所處的狀態(tài)決定的."/決定物質(zhì)狀態(tài)的參數(shù)主要有溫度，壓力，體積，密度，內(nèi)能,焓,熵等.j<G內(nèi)能:分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能和分子相互作用的位能之和._}影響內(nèi)能的主要因素是溫度.溫度升高，內(nèi)能增大.lJ：S'?空分之家 空分操作和管理人員的園地?！觥苛黧w在流動(dòng)時(shí)，后面流體對(duì)前面的流體作了功，這個(gè)功轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的一部分能量,叫做流動(dòng)能.在數(shù)值上等于流體的壓力p與所流過(guò)的容積D5x|q在一定溫度下物質(zhì)傳遞的熱量Q與該絕對(duì)溫度T之比（Q/T）稱為熵S,單位為J/K,單位質(zhì)量的熵用J/g.k表示.BI復(fù)習(xí)與思考99[?e!空分的具體方法是什麼？}d&OL目前空分采用的工藝方法是什麼？：何謂狀態(tài)參數(shù)?空分中常用的基本狀態(tài)參數(shù)有哪些？ 4.氧和氮的性質(zhì)？bNDF]熟記絕壓，表壓，真空度間的關(guān)系？1YW?空分之家 空分操作和管理人員的園地?！觥?mX熟記空氣N2O2Ar物性？I2u"+物質(zhì)的性質(zhì)是由什麼決定的？rlG決定物質(zhì)狀態(tài)的參數(shù)主要有哪些？[何謂何謂內(nèi)能?zQ\:K10何謂焓，熵？1AG?空分之家 空分操作和管理人員的園地。H）6z|S11.空氣溫-熵圖的構(gòu)成及應(yīng)用？\vt'12.何謂液化?如何液化?z$/液化溫度一飽和溫度一干飽和蒸氣一E6濕飽和蒸氣？PpOM*飽和液體一過(guò)飽和液體一過(guò)冷液體一過(guò)熱蒸氣？S}E理解下列概念3臨界壓力，臨界溫度，臨界點(diǎn)d&[蒸氣冷凝和液體蒸發(fā)gDQ汽化潛熱冷凝潛熱h認(rèn)識(shí)與應(yīng)用’|]S氣體的熱力性質(zhì)圖T空氣的溫-熵圖（T-S圖）、5h\氧、氮的T-S圖F2*8第二節(jié)空氣的液化與分離cJn溫熵圖的構(gòu)成和應(yīng)用6v<在空氣的液化過(guò)程中用T-S圖可表示物系的變化過(guò)程.并可以直接從圖上求出溫度，壓力，焓和熵的變化<.]^M^^^^^^^^BI^^^HI^^^^M^HIHIIHI圖5—1為空氣的T-S（簡(jiǎn)圖）。M圖中向右上方的一組斜線為等壓線；（[-xu向右下方的一組線為焓線；圖下部山形曲線為飽和曲線，山形曲線的頂點(diǎn)K是臨界點(diǎn)，通過(guò)臨界點(diǎn)的等溫線稱臨界等溫線。x'G']?空分之家 空分操作和管理人員的園地。HH1Y'Nq在臨界點(diǎn)左邊的山形曲線為飽和液體線，臨界點(diǎn)右邊的山形曲線為飽和氣體線。VJ9臨界等溫線下側(cè)和飽和液體線左側(cè)的區(qū)域?yàn)橐后w狀態(tài)區(qū)；DH臨界等溫線下側(cè)和飽和氣體線右側(cè)，以及臨界等溫線以上的區(qū)域是氣相區(qū)；t?空分之家 空分操作和管理人員的園地。H{A:山形曲線的內(nèi)部是氣液兩相共存區(qū)亦稱為濕蒸氣區(qū)。）M"c兩相共存區(qū)任意一點(diǎn)表示一個(gè)氣液混合物。7'9+例如：e點(diǎn)為氣體g和液體空氣f組成的氣液混合物，線段fe和ef的長(zhǎng)度比表示氣液混合物中氣體與液體的數(shù)量之比。即fe:egT在溫度、壓力、熵、焓四個(gè)狀態(tài)函數(shù)中已知任意兩個(gè)，便可利用空氣的T-S圖確定空氣的狀態(tài)。例如，當(dāng)空氣壓力為0.1MPa，溫度為30°C時(shí)，在T-S圖上可用點(diǎn)a表示，點(diǎn)a的狀態(tài)呈氣態(tài)。利用空氣的T-S圖還可以表示各種變化前后的狀態(tài)。/RqH例如，線段ab表示由壓力為0.1MPa，溫度為30C的a點(diǎn)，等溫加壓到壓力為12MPa的b點(diǎn)的等溫加壓過(guò)程。曲線bc表示由壓力為12MPa的b點(diǎn)，等焓膨脹到c點(diǎn)的等焓膨脹過(guò)程。曲線bd表示當(dāng)壓力為12MPa時(shí)，空氣由b點(diǎn)冷卻到d點(diǎn)的等壓冷卻過(guò)程。U>小思考9何謂空氣的溫熵圖？b':A溫熵圖如何構(gòu)成的？$}dJs/在空氣的溫熵圖上表示出等壓加熱，等焓膨脹和等熵膨脹的過(guò)程？"Lt溫熵圖有何作用？H(>up1用T-S圖可表示物系的變化過(guò)程.L=?ZIi可以直接從圖上求出溫度，壓力，焓和熵的變化值.%$~s>l利用空氣的T-S圖可以表示各種變化前后的狀態(tài)。JC[3K空氣液化的基本原理=所謂液化，就是把一種物質(zhì)從氣體狀態(tài)變成液體狀態(tài)的過(guò)程。要將氣體液化，必須把氣體的溫度降低到它的臨界溫度以下。一些氣體的臨界溫度及沸點(diǎn)如表5-2所示。rZh?x!由表5-2可知，要使空氣液化，必須首先將空氣的溫度降到臨界溫度一140.6C以下。在臨界溫度時(shí)，只有把空氣壓縮到臨界壓力(3.89MPa)或高于此壓力時(shí)才能使它液化。+&當(dāng)空氣壓力低于臨界壓力時(shí)，就必須將空氣冷卻到比臨界溫度更低的溫度才能使它液化。CeWfUa思考?空分之家 空分操作和管理人員的園地。??。籯k\使空氣液化的方法是什麼？獲得低溫的方法<07m+在深冷技術(shù)上，獲得低溫的方法主要有兩種：一種是不作外功的絕熱膨脹，即節(jié)流膨脹；另一種是作外功的絕熱膨脹，即等熵膨脹。%R節(jié)流膨脹 連續(xù)流動(dòng)的高壓氣體，在絕熱和不作外功的情況下，經(jīng)過(guò)節(jié)流閥急劇地膨脹到低壓的過(guò)程，稱為節(jié)流膨脹。#4CX節(jié)流膨脹My(U由于節(jié)流前后氣體壓力差較大，因此節(jié)流過(guò)程是不可逆過(guò)程。氣體在節(jié)流過(guò)程即無(wú)能量收入，又無(wú)能量支出，節(jié)流前后能量不變，故節(jié)流膨脹為等焓過(guò)程。X氣體經(jīng)過(guò)節(jié)流膨脹后，一般溫度是會(huì)降低的。溫度降低的原因是因?yàn)闅怏w分子間具有吸引力，氣體膨脹后壓力降低，體積膨脹，分子間距離增大，必須消耗一部分動(dòng)能及分子間吸引力，因而溫度下降。:!利用氣體的T-S圖能十分方便地計(jì)算出節(jié)流膨脹前后溫度的變化。例如在圖5-2中，為了求出氣體從狀態(tài)2(T2,p2)節(jié)流膨脹到壓力為p1時(shí)的溫度，只要由2點(diǎn)作等焓線H2，與等壓壓線p1相交于1點(diǎn)，線段2-1表示膨脹過(guò)程，1點(diǎn)的溫度T1即為節(jié)流膨脹后的溫度，T2-T1為節(jié)流膨脹前后的溫度差。"?空分之家 空分操作和管理人員的園地?！鯾”mq練習(xí)?空分之家 空分操作和管理人員的園地。MNK2ICm何謂節(jié)流膨脹？}hIW壓力為6MPa，溫度為270C的空氣節(jié)流膨脹到0.1MPa，用空氣的T-S圖求節(jié)流膨脹前后空氣的溫度？等熵膨脹2、等熵膨脹壓縮氣體經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)在絕熱下膨脹到低壓，同時(shí)輸出外功的過(guò)程，稱為等熵膨脹。由于氣體在膨脹機(jī)內(nèi)以微小的推動(dòng)力逐漸膨脹。因此過(guò)程是可逆的。根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，可逆絕熱過(guò)程的熵不變，故為等熵過(guò)程。dD0E膨脹機(jī)分活塞式和透平式兩種，壓縮氣體使活塞移動(dòng)或使葉輪旋轉(zhuǎn)，然后再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)或風(fēng)機(jī)。q<]氣體經(jīng)過(guò)等熵膨脹后溫度總是降低的，主要原因是氣體通過(guò)膨脹對(duì)外作功，消耗了氣體的內(nèi)能，另一個(gè)原因是膨脹時(shí)為了克服氣體分子間的吸引力，消耗了分子的動(dòng)能。S:Wl）.在圖5—2中，線段2-3表示氣體的壓力為P2,溫度為的T2的2點(diǎn)等熵膨脹到P1時(shí)的過(guò)程，T2-T3為膨脹前后氣體的溫度差。t\由圖5-2可見(jiàn)，氣體同樣從狀態(tài)2（P2、T2）膨脹到低壓時(shí)，等熵膨脹前后的溫差（T2-T3）大于節(jié)流膨脹前后溫差（T2-T1），同時(shí)等熵膨脹的降溫效果比節(jié)流膨脹的降溫效果好，但膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)比節(jié)流閥復(fù)雜。cn^^^^mmiimmimmiiiimmiii練習(xí)L1o何謂等熵膨脹？A壓力為12MPa，溫度為270C的空氣等熵膨脹到0.2MPa，用空氣的T-S圖求等熵膨脹前后空氣的溫度？（二）空氣的液化-o工業(yè)上液化空氣的方法分為兩大類：一類為是以節(jié)流膨脹為基礎(chǔ)的深度冷凍循環(huán)，稱為節(jié)流循環(huán)；另一類是以等熵膨脹和節(jié)流膨脹為基礎(chǔ)的深度冷凍循環(huán)，稱為帶膨脹機(jī)的循環(huán)。（$T'17一次節(jié)流膨脹@.p66k圖5—3為一次節(jié)流循環(huán)的流程及T-S圖。空氣（狀態(tài)1）經(jīng)壓縮機(jī)C從壓力P1壓縮到高壓P2,并經(jīng)中間冷卻器M被水冷至初溫T1。壓力P2、溫度T1的空氣（狀態(tài)2lI{dc經(jīng)換熱器E被節(jié)流后的低溫空氣（狀態(tài)5）冷卻到狀態(tài)3,然后再經(jīng)節(jié)流閥減壓到P1（狀態(tài)4）。節(jié)流的結(jié)果使空氣的溫度降低，同時(shí)有部分）<oE63空氣被液化（狀態(tài)0），從分離器下部得到產(chǎn)品液體空氣。sn未被液化的空氣（狀態(tài)5）經(jīng)分離器F與液體空氣分離后進(jìn)入換熱器E，冷卻高壓空氣而自身被加熱。如果換熱器是理想的，換熱器熱端沒(méi)有溫差，未被液化空氣等壓加熱后仍回到原始狀態(tài)1。*由上述可知，利用未液化的低溫空氣作為冷凍劑冷卻高壓空氣，然后低溫的高壓空氣再經(jīng)節(jié)流膨脹，使部分空氣液化，這是深度冷凍循環(huán)的特點(diǎn)。"如果是理想狀態(tài)，換熱器熱端沒(méi)有溫差，未被液化空氣等壓加熱后仍回到原狀態(tài)T1.r實(shí)際上在冷凍循環(huán)開(kāi)始時(shí)，由初溫經(jīng)過(guò)一次節(jié)流膨脹后不能立即達(dá)到空氣的液化溫度，需要一個(gè)冷卻過(guò)程，稱為啟動(dòng)階段。：61@0{在深度冷凍循環(huán)開(kāi)始時(shí)，由初溫T1經(jīng)過(guò)一次節(jié)流膨脹后不能立即達(dá)到空氣的液化溫度，需要有一個(gè)冷卻的過(guò)程，稱為啟動(dòng)階段。圖5—4表示節(jié)流循環(huán)的啟動(dòng)階段，空氣由狀態(tài)1等溫壓縮到狀態(tài)2,然后節(jié)流膨脹到a。節(jié)流后的低壓冷空氣本身又被加熱到T1。當(dāng)狀態(tài)b的高壓空氣節(jié)流到c時(shí)，溫度由Tb降到Te。溫度為Te的低壓冷空氣再回到換熱器，將高壓空氣的溫度由T2降到T3,再由d節(jié)流到e，如此反復(fù)進(jìn)行。當(dāng)高壓空氣被冷卻到狀態(tài)3時(shí)，再經(jīng)節(jié)流膨脹，將有液體空氣產(chǎn)生，冷凍循環(huán)的操作達(dá)到穩(wěn)定，啟動(dòng)階段結(jié)束。帶膨脹機(jī)的低壓循環(huán)O由于等熵膨脹的降溫效果比節(jié)流膨脹好，因此在深度冷凍循環(huán)中，利用等熵膨脹較利用節(jié)流膨脹要經(jīng)濟(jì)得多。但膨脹機(jī)不能在低溫下操作，否則空氣液化后將引起液擊現(xiàn)象，對(duì)膨脹機(jī)不利，故一般不單獨(dú)采用膨脹機(jī)，常與節(jié)流閥配合使用。o%n2帶膨脹機(jī)低壓循環(huán)的流程及T-S圖如釁5-5所示。1kg狀態(tài)為1的空氣經(jīng)壓縮機(jī)C從壓力P1-5pu（0.1MPa）等溫壓縮到壓力p2（0.5?0.6MPa）的狀態(tài)2,再經(jīng)換熱器E2等壓冷卻到狀態(tài)3后分成兩部分：其中（1-m）kg空氣進(jìn)入透平膨脹機(jī)C,膨脹到pl（狀態(tài)4）；另一部分空氣進(jìn)入液化器E3管間，由于管內(nèi)是透平膨脹機(jī)來(lái)的膨脹氣，溫度較低，因此可使管間0.5?0.6MPa的空氣液化（狀態(tài)5）。然后，將液化的空氣經(jīng)節(jié)流閥減壓至0.10MPa。于是，部8'F=分液化空氣（狀態(tài)0）由液化器E3排出，未液化的空氣（狀態(tài)4）與膨脹氣匯合，經(jīng)換熱器E2冷卻高壓空氣而自身被加熱到初始狀態(tài)1，供再次壓縮之用。’（{=在T-S圖上1-2表示等溫壓縮，2-3表示高壓空氣在換熱器E2被等壓冷卻過(guò)程，3-5表示mkg空氣在液化器E3中被冷凝的過(guò)程，5-6表示mkg空氣的節(jié)流膨脹過(guò)程，3-4表示（1-m）kg空氣在膨脹機(jī)中的膨脹過(guò)程。-cXn+q思考?空分之家 空分操作和管理人員的園地?！鯸為什么工業(yè)上液化空氣的節(jié)流循環(huán)深冷方法有一啟動(dòng)階段？I7~Y（）帶膨脹機(jī)的低壓循環(huán)的降溫效果比節(jié)流膨脹好。，丫8@為什么膨脹機(jī)常與節(jié)流閥配合使用？wy三、液體空氣的精餾e5u（一）液體空氣精餾的原理CpX在研究空氣的分離時(shí)，可以把空氣看作氮-氧二元系統(tǒng)。在0.101MPa壓力下，氧的沸點(diǎn)為-182.9°C，氮的沸點(diǎn)為-195.8C，兩者相比，氮是易揮發(fā)的組分。’v由氮、氧組成的混合液體在吸收熱量而部分蒸發(fā)時(shí)，易揮發(fā)組分氮將較多的蒸發(fā)；而混合蒸汽在放出熱量部分冷凝時(shí)，難揮發(fā)組分氧將較多地冷凝。6en所以當(dāng)混合液體部分蒸發(fā)或混合蒸氣部分冷凝后，液相中氧的含量總是大于氣相中氧的含量，而氣相中氮的含量總是大于液相中氮的含量。BL'K利用氮、氧沸點(diǎn)的不同，經(jīng)多次部分蒸發(fā)和部分冷凝后，可以將液體空氣分離為氮和氧，這一過(guò)程稱為空氣的精餾。Y精餾過(guò)程是在具有若干層塔板的精餾塔內(nèi)進(jìn)行的。+{?P*&塔內(nèi)的蒸氣向上升，在塔板上與溫度較低的液體互相接觸，蒸氣將放出熱量給液體。蒸氣放出熱量而部分冷凝，液體吸收熱量而部分蒸發(fā)。蒸氣在部分冷凝時(shí)，由于氧冷凝得較多，所以蒸氣中氮的濃度有所提高。#T:液體在部分蒸發(fā)過(guò)程中，由于氮較多地蒸發(fā)，使液體中氧的濃度有所提高。l"z如塔足夠高，上升的蒸氣經(jīng)過(guò)多次部分冷凝，向下流動(dòng)的液體經(jīng)過(guò)多次部分蒸發(fā)，最后在塔頂可得到純氮，在塔底可得到純氧。fd（U精餾塔的塔板有篩板、泡罩等形式，目前空分裝置多采用篩板塔。篩板的結(jié)構(gòu)如圖5-6所示。篩板由帶有許多孔徑為0.7?1.3mm小孔的平板構(gòu)成，其上設(shè)有溢流管。蒸氣經(jīng)過(guò)小孔呈鼓泡形式空過(guò)液體層，并進(jìn)行熱量交換和質(zhì)量交換。篩板上的液體通過(guò)溢流管排到下一塔板。在正常生產(chǎn)中，只要通oL]to?空分之家 空分操作和管理人員的園地。?&vpm過(guò)小孔的蒸氣速度足夠大，液體就不會(huì)從小孔中漏下來(lái)。，Nh6空氣的精餾一般可分為單級(jí)精餾與雙級(jí)精餾。單級(jí)精餾操作方便，但所得產(chǎn)品純度差，而且能量消耗高，因此，目前普遍采用雙級(jí)精餾。&M4（二）雙級(jí)精餾塔（1\IG雙級(jí)精餾塔的結(jié)構(gòu)如圖5-7所示，由上塔、下塔和上下塔之間的冷凝蒸發(fā)器組成。在上塔及下塔中均設(shè)有若干塊篩板。冷凝蒸發(fā)器是列管式熱交換器，管內(nèi)與下塔相通，管間與上塔相通。已被預(yù)冷的高壓空氣進(jìn)入下塔詢問(wèn)的蛇管冷凝成液體，經(jīng)節(jié)流閥減壓后進(jìn)入下塔中部，節(jié)流后產(chǎn)生的kghE蒸氣向上升，液體沿塔板往下流。在下塔內(nèi)，上升的蒸氣中氧含量逐漸減少，在下塔頂部得到純的氮?dú)狻５獨(dú)膺M(jìn)入冷凝蒸發(fā)器的管內(nèi)被冷凝不液氮，一部分作為下塔的回流液，自上而下沿塔板逐塊流下，至下塔塔釜得到含氧36%?40%的液體富氧空氣；另一部分液體氮聚在液氮貯槽，經(jīng)節(jié)流減壓后送入上塔頂部，作為上塔的回流液。因此，下塔的作用是將空氣進(jìn)行初步分離，得到液體氮和液體富氧空氣。Z/8下塔底部的液體富氧空氣經(jīng)節(jié)流閥減壓后送至上塔中部，液體順?biāo)逋铝?，與上升的蒸氣接觸，液體中氧含量增加，在上塔底部得到純的液氧。純的液氧在冷凝蒸發(fā)器的管間蒸發(fā)，導(dǎo)出部分氧氣作為產(chǎn)品，其余在上塔內(nèi)上升，上塔內(nèi)上升的蒸氣中氮含量逐漸增加，在加料口以上，蒸氣被塔頂流下的液體氮沖洗，結(jié)果在塔頂?shù)玫郊冄鯕?。因此上塔的作用是將空氣進(jìn)一步分離，得到純氧和純氮。Ko<r*?空分之家 空分操作和管理人員的園地。.YF必須指出，圖5-7所示雙級(jí)精餾塔，只能提取高純度的氧氣，不能獲得高純度的氮?dú)?，需在上塔頂部設(shè)置一副塔，由上塔頂部出來(lái)的氮?dú)膺M(jìn)入副塔，經(jīng)進(jìn)入步精餾后才可獲得高純度的氮?dú)狻?e?空分之家 空分操作和管理人員的園地。HYpo[j}在冷凝蒸發(fā)器中，管間的液氧吸收熱量而蒸發(fā)，成為上塔的蒸發(fā)器，又是下塔的冷凝器。當(dāng)液氧的蒸發(fā)壓力和氣體氮的冷卻壓力相等時(shí)，液氧的蒸氣溫度總是高于氣體氮的冷卻溫度，即在壓力相同的情況下，不能通過(guò)冷凝蒸發(fā)器用液氧使氣體氮冷凝成液體氮。但氣體的冷凝.gE+f溫度隨壓力升高，例如0.101MPa下，液氧的蒸發(fā)溫度為-182°C，氣氮的冷凝溫度為-195.8°C，而氮?dú)庠?.608MPa的冷凝溫度為-117C。因此為使氣體氮的冷凝溫度高于液體氧的蒸發(fā)溫度，必須使氣體氮的冷凝壓力高于液氧的蒸發(fā)壓力，既下塔的壓力必須高于上塔的壓力，上、下塔壓差愈大，其溫差也愈大。氣體氮的冷凝壓力與液體氧蒸發(fā)壓力及傳熱平均溫度差的關(guān)系如表5-3所示。Ec7下塔的作用是：將空氣進(jìn)行預(yù)分離，得到液體氮和液體富氧空氣（O2=36-40%）。O上塔的作用是：將空氣進(jìn)行進(jìn)一步分離，得到純氧和純氮。VCZ冷凝蒸發(fā)器作用：！|HaWc管內(nèi)：氮?dú)獗焕淠梢旱?，部分作下塔的回流液，部分匯集在液氮貯槽。sI3yq管間：氧氣的蒸發(fā)器，導(dǎo)出部分氧氣作為產(chǎn)品。r!FwJWP=0.101MPa#GKuj液氧蒸發(fā)溫度-182.9oCxt”y氣氮冷凝溫度-195.8oCtDPeP=0.608MPaFjiFM氣氮冷凝溫度-117oCd\/雙級(jí)精餾塔的操作壓力：&：上塔0.132-0.152MPa”下塔0.51-0.66MPa}o7（三）氬對(duì)空氣精餾的影響C>h,J在生產(chǎn)中，為克服氮，氧產(chǎn)品在流經(jīng)各換熱器和管道時(shí)的阻力，上塔在略高于大氣壓力的情況下操作，其壓力（絕對(duì)）一般為0.132~0.152Mpa.為使冷凝的氣體氮和蒸發(fā)的液體氧之間形成所需要的溫度，下塔的操作壓力（絕對(duì)）一般為0.51~0.65Mpa。h0（三）氬對(duì)空氣精餾的影響]n+H8空氣中含有0.932%的氬，它的沸點(diǎn)介于氮氧之間，因而在分離空氣時(shí)，它不是混在氮?dú)猓≧*L?空分之家 空分操作和管理人員的園地。?丫6中就是混在氧氣中，要同時(shí)制得純氮及氧是不可能的。例如，理論上當(dāng)?shù)跬耆蛛x時(shí)，若氮?dú)獾募兌仁?00%，則氧氣含氬量為：0.932/20.93+0.932=4.25%，即氧的純度為95.75%；若氧的純度是100%，則氮中含氬量為:0.932/78.03+0.932=1.18%，即氮的純度為98.82%p>>為了同時(shí)獲得較純的氮?dú)夂脱鯕?，必須采取一定的措施，?duì)于小型高、中壓空分裝置可采取上塔抽出氬餾分的措施。對(duì)于大中型低壓空分裝置，一般采用在上塔頂部抽出含氧量較少的不純氮?dú)猓ㄍǚQ污氮）的措施，使空氣帶入的大部分氬隨這股不純氮?dú)鈳С鼍s塔。\NZ@d'空氣的凈化&z（空氣中含有灰塵、水蒸氣、二氧化碳和乙快等物質(zhì)。在空氣液化分離過(guò)程中，灰塵能磨損壓縮機(jī)，堵塞管道；水蒸氣、二氧化碳在低溫下會(huì)凝固成冰和干冰，堵塞管道和設(shè)備；乙快在含氧介質(zhì)中受到摩擦、沖擊或靜電作用，會(huì)引起爆炸。為了保證分離過(guò)程順利進(jìn)行和裝置長(zhǎng)期安全運(yùn)轉(zhuǎn)。，首先必須將這些物質(zhì)徹底清除。k空氣中的灰塵一般采用油浸式過(guò)濾器或干代式過(guò)濾器清除.？nx脫除二氧化碳，水蒸氣的方法一般有吸附法和凍結(jié)法?！疧4Xq吸附法是空氣通過(guò)裝有硅膠或分子篩的吸附器，二氧化碳和水蒸氣被硅膠或分子篩吸附，達(dá)到清除的目的。，[&?空分之家 空分操作和管理人員的園地。。7凍結(jié)法是在低溫下，水分和二氧化碳以固態(tài)形式凍結(jié)在切換式換熱器（蓄冷器或可逆式換熱器）的通道內(nèi)而被除去，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間間隔后，自動(dòng)將通道切換，讓干燥的返流氣體通過(guò)該能通道，使前一階段凍結(jié)的水分和二氧化碳在該氣流中蒸發(fā)、升華而被帶出裝置。y*?空分之家 空分操作和管理人員的園地。?m-o此外，也可采用8%?10%的氫氧化鈉溶液洗滌空氣中的二氧化碳。yf清除空氣中的乙快是采用吸附法。在低溫下乙快呈固體微粒狀浮在液體空氣或液體氧中，當(dāng)它們通過(guò)裝有硅膠的吸附器時(shí)，乙快被硅膠吸附而除去。|Ww[）空氣液化分離工藝流程!uU空分流程根據(jù)操作壓力不同，可分為高壓（7.1?20.3MPa）、中壓（1.5?2.5MPa）和低壓（低于1MPa，一般為0.6MPa左右）三種類型。目前大、中型空分裝置，普遍采用低壓流程。本節(jié)以KD0N3200/3200型空分裝置為例，介紹空分液化分離的工藝流程。h[7IbKD0N-3200/3200型空分裝置采用全低壓流程，每小時(shí)可同時(shí)制?。?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）氧氣（99.5%）3200m3和氮?dú)猓?9.99%）3200m3，其工藝流程如圖5-8所示?？諝庥晌胨?，經(jīng)空氣過(guò)濾器清除灰塵后，至透平空氣壓縮機(jī)壓縮到0.6MPa左右，再經(jīng)空氣冷卻塔被水冷卻至30°C以下。預(yù)冷后的空氣進(jìn)入兩組可逆式換熱器的熱段和冷段。熱段設(shè)有純氧、純氮、污氮和空氣四種通道，冷段設(shè)有純氧、純氮、污氮、空氣和環(huán)流空氣五種通道。熱段和冷段的S通道相應(yīng)串聯(lián)，其中污氮和空氣通道每隔10mm切換一次，空分在可逆式換熱器內(nèi)被返流的純氧、純氮和污氮冷至一172C左右后進(jìn)入下塔，并將空氣中的水分和二氧化碳凝結(jié)在可逆式換熱器的通道上，被下周期通過(guò)的污氮所帶走。p由下塔底部引出經(jīng)洗滌的空氣，分別進(jìn)入三個(gè)液化后流回下塔底部，未液化的空氣大部分作為環(huán)流空氣進(jìn)入可逆式換熱器的冷段，以縮小冷段空氣與返流氣體之間的溫差，保證污氮能將通道中凍結(jié)的水分和二氧化碳全部帶走。環(huán)流空氣與另一部分未液化的空氣匯合，經(jīng)膨脹機(jī)膨脹至0.14?0.16MPa后，進(jìn)入上塔中部參加精餾。EJr下塔精餾的結(jié)果得到液體富氧空氣和液氮。含36%?40%的液體富氧空氣自下塔底部抽出，經(jīng)液空吸附器及液空過(guò)冷器過(guò)冷后，再經(jīng)節(jié)流膨脹后送到上塔中部。m）Y]u[自冷凝蒸發(fā)器引出的液氮，一部分流回下塔作為下塔的回流液，一部分經(jīng)液氮過(guò)冷器、節(jié)流閥送至上塔的頂部。為使下塔能得到純氮?dú)猓韵滤?0塊塔板引出部分污氮，經(jīng)污氮過(guò)冷器、節(jié)流閥送至上塔的上部?！痾Q上塔精餾的結(jié)果得到純氧、純氮和污氮，純氧自上塔底部引出，經(jīng)液化器（氧側(cè)）、可逆式換熱器復(fù)熱后送入氧氣總管。純氮由副塔頂部引出，經(jīng)液氮過(guò)冷器、液化器（純氮側(cè)）、可逆式換熱器復(fù)熱后送往氮?dú)饪偣堋?p-8含氮約94%的污氮自上塔上部引出，經(jīng)液空過(guò)冷器、污氮過(guò)冷器、液化器（污氮側(cè)）和可逆式換熱器復(fù)熱，并帶走前一周期空氣凝結(jié)的二氧化碳和水分，進(jìn)入冷卻塔。\f由于污氮溫度較低，含濕量亦較小，與塔頂噴下來(lái)的水相遇，進(jìn)行熱交換，并且水蒸發(fā)吸收熱量，從而使水的溫度降低，然后污氮由塔頂放空。Ta為保證安全。自冷凝蒸發(fā)器底部引出部分液氧，經(jīng)液氧泵送至液氧吸附器除去乙快后，再返回上塔下部，形成液氧循環(huán)。｝D=lI精餾塔為篩板塔，下塔有36塊塔板，上塔有70塊塔板，全塔由鋁合金制成。Z,可逆式換熱器也稱為板翅換熱器，是由隔板、波形翅片和封條三部分組成，在相鄰兩隔板之間放置翅片及封條，組成一夾層，稱為通道。；vWx也可采用以石頭或鋁代替填料的蓄冷器，來(lái)代替可逆式換熱器。｝pU|在低溫下，碳鋼變硬、變脆，失去抵抗沖擊荷重的能力，而鋼和鋁卻具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和塑性，因此空分裝置中的低溫設(shè)備一般用銅或鋁的合金制成。7n為了防止冷損失，將所有設(shè)備和管道全部裝在保溫冷箱內(nèi)，并裝填保溫材料。常用的保溫材料有珠光砂、礦渣棉和碳酸鎂等。1冷箱?空分之家 空分操作和管理人員的園地。.P為了防止冷損失，將雙級(jí)精餾塔，液空過(guò)冷器、污氮過(guò)冷器、液化器等所有的低溫設(shè)備和管道全部裝填在保溫材料封裝的低溫箱，謂之冷箱。"｝=復(fù)習(xí)與思考8()帶膨脹機(jī)的低壓循環(huán)的降溫效果比節(jié)流膨脹好？w()在空分中把空氣看作氮-氧二元系統(tǒng)？m雙級(jí)精餾塔的結(jié)構(gòu)？YE簡(jiǎn)述雙級(jí)精餾塔各部分的作用？X5l"Xs簡(jiǎn)述雙級(jí)精餾塔冷凝蒸發(fā)器的作