深冷空分基本知識(shí)

深冷空分基本知識(shí)深冷空分基礎(chǔ)知識(shí)1、露點(diǎn)（Dewpoint），又稱露點(diǎn)溫度（Dewpointtemperature），在氣象學(xué)中是指在固定氣壓之下，空氣中所含的氣態(tài)水達(dá)到飽和而凝結(jié)成液態(tài)水所需要降至的溫度。在這溫度時(shí)，凝結(jié)的水飄浮在空中稱為霧、而沾在固體表面上時(shí)則稱為露，因而得名露點(diǎn)。2、飽和溫度和飽和壓力如果在一密閉的容器中未充滿液體，則部分液體分子將進(jìn)入上部空間，稱為“蒸發(fā)”。隨著空間內(nèi)蒸氣分子數(shù)目增加，它所產(chǎn)生的蒸氣壓力也提高，到一定的時(shí)候，空間內(nèi)的蒸氣分子數(shù)目不再增加，此時(shí)，離開(kāi)液體的分子數(shù)與從空間返回液體的分子數(shù)達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，也叫達(dá)到了“飽和狀態(tài)”。這時(shí)蒸氣所產(chǎn)生的壓力叫“飽和壓力”。對(duì)同一種物質(zhì)，飽和壓力的高低與溫度有關(guān)。溫度越高，分子具有的能量越大，越容易脫離液體而氣化，相應(yīng)的飽和壓力也越高。一定的溫度，對(duì)應(yīng)一定的飽和壓力，二者不是獨(dú)立的。因此，在飽和狀態(tài)下，飽和壓力所對(duì)應(yīng)的溫度也叫“飽和溫度”。3、臨界溫度和臨界壓力臨界溫度就是某種氣體能壓縮成液體地最高溫度，高于這個(gè)溫度，無(wú)論多大壓力都不能使它液化。這個(gè)溫度對(duì)應(yīng)地壓力就是臨界壓力。1869年Andrews首先發(fā)現(xiàn)臨界現(xiàn)象.任何一種物質(zhì)都存在三種相態(tài)----氣相、液相、固相。三相呈平衡態(tài)共存的點(diǎn)叫三相點(diǎn)。液、氣兩相呈平衡狀態(tài)的點(diǎn)叫臨界點(diǎn)。在臨界點(diǎn)時(shí)的溫度和壓力稱為臨界溫度和臨界壓力。不同的物質(zhì)其臨界點(diǎn)所要求的壓力和溫度各不相同。定義或解釋①物質(zhì)處于臨界狀態(tài)時(shí)的溫度。②物質(zhì)以液態(tài)形式出現(xiàn)的最高溫度。③溫度不超過(guò)某一數(shù)值，對(duì)氣體進(jìn)行加壓，可以使氣體液化，而在該溫度以上，無(wú)論加多大壓力都不能使氣體液化，這個(gè)溫度叫該氣體的臨界溫度。在臨界溫度下，使氣體液化所必須的最小壓力叫臨界壓力。簡(jiǎn)單定義使物質(zhì)由氣相變?yōu)橐合嗟淖罡邷囟冉信R界溫度。說(shuō)明①每種物質(zhì)都有一個(gè)特定的溫度，在這個(gè)溫度以上，無(wú)論怎樣增大壓強(qiáng)，氣態(tài)物質(zhì)不會(huì)液化，這個(gè)溫度就是臨界溫度。降溫加壓，是使氣體液化的條件。但只加壓，不一定能使氣體液化，應(yīng)視當(dāng)時(shí)氣體是否在臨界溫度以下。因此要使物質(zhì)液化；首先要設(shè)法達(dá)到它自身的臨界溫度。水的臨界溫度為374℃，遠(yuǎn)比常溫度要高，因此，平常水蒸汽極易冷卻成水，有些物質(zhì)如氨、二氧化碳等，它們的臨界溫度高于或接近室溫，對(duì)這樣的物質(zhì)在常溫下很容易壓縮成液體。有些物質(zhì)如氧、氮、氫、氦等的臨界溫度很低，其中氦氣的臨界溫度為一268℃。要使這些氣體液化，必須相應(yīng)的要有一定的低溫技術(shù)，以使能達(dá)到它們各自的臨界溫度，然后再用增大壓強(qiáng)的方法使它液化。②通常把在臨界溫度以上的氣態(tài)物質(zhì)叫做氣體，把在臨界溫度以下的氣態(tài)物質(zhì)叫做汽體。氧氮?dú)宓呐R界溫度臨界壓力表物質(zhì)名稱空氣氧氣氮?dú)鈿鍤馑趸及迸R界溫度/℃-140.65-140.75-118.40-146.90-122.4℃-374.1531.00132.4臨界壓力/MPa3.868-3.8765.0793.3944.86422.5657.53011.58

在臨界溫度及臨界壓力下，氣態(tài)與液態(tài)已無(wú)明顯差別；超過(guò)臨界壓力時(shí)，溫度降至臨界溫度以下就全部變?yōu)橐后w，沒(méi)有相變階段和相變潛熱。反之的氣化過(guò)程也相同。

對(duì)內(nèi)壓縮流程，液氧在裝置內(nèi)壓縮到所需的壓力后再在高壓熱交換器中復(fù)熱氣化。如果液氧的壓縮壓力低于臨界壓力(例如煉鋼用氧壓力3.0MPa)，則在熱交換器的氣化過(guò)程中，有一段吸收熱量、溫度不變的氣化階段，然后才是氣體溫度升高的過(guò)熱階段；如果液氧的壓縮壓力高于臨界壓力(例如化學(xué)工業(yè)用氧壓力6.0MPa或更高)，則在熱交換器的氣化過(guò)程中，沒(méi)有一個(gè)溫度不變的氣化階段。這將影響高壓熱交換器的傳熱性能，在設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮。4.顯熱與潛熱顯熱：對(duì)固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的物質(zhì)加熱，只要它的形態(tài)不變，則熱量加進(jìn)去后，物質(zhì)的溫度就升高，加進(jìn)熱量的多少在溫度上能顯示出來(lái)，即不改變物質(zhì)的形態(tài)而引起其溫度變化的熱量稱為顯熱。潛熱：潛熱是物質(zhì)發(fā)生相變過(guò)程吸收或放出的熱量。比如對(duì)液態(tài)的水加熱，水的溫度升高，當(dāng)達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)，雖然熱量不斷的加入，但水的溫度不升高，一直停留在沸點(diǎn)，加進(jìn)的熱量?jī)H使水變成水蒸氣，即由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。這種不改變物質(zhì)的溫度而引起物態(tài)變化(又稱相變)的熱量稱為潛熱。1Kg液體完全變?yōu)橥瑴囟认碌娘柡驼魵馑盏臒崃?，稱為該溫度下的汽化潛熱，用符號(hào)r表示，單位kJ/kg。兩個(gè)概念：顯熱是物質(zhì)不發(fā)生相變（固、液、氣轉(zhuǎn)變）吸收或放出熱量潛熱是物質(zhì)發(fā)生相變過(guò)程吸收或放出的熱量。如1mol水（100℃）蒸發(fā)成1mol水蒸汽（100℃）需要吸收40.62kj的熱量，這部分熱量就是潛熱；而1mol60℃水升溫至100℃（無(wú)水蒸汽生成）需要吸收的熱量（約3.014kj）就是顯熱。5、飽和蒸汽、干飽和蒸汽、過(guò)熱蒸汽當(dāng)液體在有限的密閉空間中蒸發(fā)時(shí)，液體分子通過(guò)液面進(jìn)入上面空間，成為蒸汽分子。由于蒸汽分子處于紊亂的熱運(yùn)動(dòng)之中，它們相互碰撞，并和容器壁以及液面發(fā)生碰撞，在和液面碰撞時(shí)，有的分子則被液體分子所吸引，而重新返回液體中成為液體分子。開(kāi)始蒸發(fā)時(shí)，進(jìn)入空間的分子數(shù)目多于返回液體中分子的數(shù)目，隨著蒸發(fā)的繼續(xù)進(jìn)行，空間蒸汽分子的密度不斷增大，因而返回液體中的分子數(shù)目也增多。當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入空間的分子數(shù)目與返回液體中的分子數(shù)目相等時(shí)，則蒸發(fā)與凝結(jié)處于動(dòng)平衡狀態(tài)，這時(shí)雖然蒸發(fā)和凝結(jié)仍在進(jìn)行，但空間中蒸汽分子的密度不再增大，此時(shí)的狀態(tài)稱為飽和狀態(tài)。在飽和狀態(tài)下的液體稱為飽和液體，其對(duì)應(yīng)的蒸汽是飽和蒸汽，但最初只是濕飽和蒸汽，待蒸汽中的水分完全蒸發(fā)后才是干飽和蒸汽。蒸汽從不飽和到濕飽和再到干飽和的過(guò)程溫度是不增加的，干飽和之后繼續(xù)加熱則溫度會(huì)上升，成為過(guò)熱蒸汽。6、何為飽和蒸汽壓？

答：在一定的溫度下，與同種物質(zhì)的液態(tài)（或固態(tài)）處于平衡狀態(tài)的蒸汽所產(chǎn)生的壓強(qiáng)叫飽和蒸汽壓，它隨溫度的升高而增加。眾所周知，放在杯子里的水，會(huì)因不斷蒸發(fā)變得愈來(lái)愈少。如果把純水放在一個(gè)密閉容器里，并抽走上方的空氣，當(dāng)水不斷蒸發(fā)時(shí)，水面上方氣相的壓力，即水的蒸汽所具有的壓力就不斷增加。但是，當(dāng)溫度一定時(shí)，氣相壓力最中將穩(wěn)定在一個(gè)固定的數(shù)值上，這時(shí)的壓力稱為熱力學(xué)中表示物質(zhì)系統(tǒng)能量的一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，常用符號(hào)H表示。數(shù)值上等于系統(tǒng)的內(nèi)能U加上壓強(qiáng)p和體積V的乘積，即H=U+pV。焓的變化是系統(tǒng)在等壓可逆過(guò)程中所吸收的熱量的度量。焓的物理意義可以理解為恒壓和只做體積功的特殊條件下，Q=ΔH，即反應(yīng)的熱量變化。因?yàn)橹挥性诖藯l件下，焓才表現(xiàn)出它的特性。例如恒壓下對(duì)物質(zhì)加熱，則物質(zhì)吸熱后溫度升高，ΔH>0，所以物質(zhì)在高溫時(shí)的焓大于它在低溫時(shí)的焓。又如對(duì)于恒壓下的放熱化學(xué)反應(yīng)，ΔH<0，所以生成物的焓小于反應(yīng)物的焓。

關(guān)于焓的幾點(diǎn)說(shuō)明：

①

是狀態(tài)函數(shù)，廣度性質(zhì)；

②

絕對(duì)值無(wú)法求；

③

雖然具有能量的單位，但焓不是能量，也不遵守能量守恒定律，隔離體系中焓值不一定守恒；

④

U有明確的物理意義，而焓則無(wú)明確的物理意義,它只是為了解決實(shí)際問(wèn)題的方便而定義的一個(gè)物理量。

20、熵的定義熵在熱力學(xué)中是表征物質(zhì)狀態(tài)的參量之一，通常用符號(hào)S表示。在經(jīng)典熱力學(xué)中，可用增量定義為dS＝(dQ/T)，式中T為物質(zhì)的熱力學(xué)溫度；dQ為熵增過(guò)程中加入物質(zhì)的熱量。下標(biāo)“可逆”表示加熱過(guò)程所引起的變化過(guò)程是可逆的。若過(guò)程是不可逆的，則dS＞(dQ/T)不可逆。從微觀上說(shuō)，熵是組成系統(tǒng)的大量微觀粒子無(wú)序度的量度，系統(tǒng)越無(wú)序、越混亂，熵就越大。熱力學(xué)過(guò)程不可逆性的微觀本質(zhì)和統(tǒng)計(jì)意義就是系統(tǒng)從有序趨于無(wú)序，從概率較小的狀態(tài)趨于概率較大的狀態(tài)。單位質(zhì)量物質(zhì)的熵稱為比熵，記為s。熵最初是根據(jù)熱力學(xué)第二定律引出的一個(gè)反映自發(fā)過(guò)程不可逆性的物質(zhì)狀態(tài)參量。熱力學(xué)第二定律是根據(jù)大量觀察結(jié)果總結(jié)出來(lái)的規(guī)律，有下述表述方式：①熱量總是從高溫物體傳到低溫物體，不可能作相反的傳遞而不引起其他的變化；②功可以全部轉(zhuǎn)化為熱，但任何熱機(jī)不能全部地、連續(xù)不斷地把所接受的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣?而不產(chǎn)生其他任何影響（即無(wú)法制造第二類永動(dòng)機(jī)）；③在孤立系統(tǒng)中，實(shí)際發(fā)生的過(guò)程總使整個(gè)系統(tǒng)的熵值增大，此即熵增原理。摩擦使一部分機(jī)械能不可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，使熵增加。熱量dQ由高溫(T1)物體傳至低溫(T2)物體，高溫物體的熵減少dS1=dQ/T1，低溫物體的熵增加dS2=dQ/T2，把兩個(gè)物體合起來(lái)當(dāng)成一個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，熵的變化是dS＝dS2+dS1＞0，即熵是增加的。21、絕熱節(jié)流過(guò)程

節(jié)流是高壓流體氣體、液體或氣液混合物)在穩(wěn)定流動(dòng)中，遇到縮口或調(diào)節(jié)閥門等阻力元件時(shí)由于局部阻力產(chǎn)生，壓力顯著下降的過(guò)程。節(jié)流膨脹過(guò)程由于沒(méi)有外功輸出，而且工程上節(jié)流過(guò)程進(jìn)行得很快，流體與外界的熱交換量可忽略，近似作為絕熱過(guò)程來(lái)處理。根據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程:

δq=dh+δw（2.1）

得出絕熱節(jié)流前后流體的比焓值不變，由于節(jié)流時(shí)流體內(nèi)部存在摩擦阻力損耗，所以它是一個(gè)典型的不可逆過(guò)程，節(jié)流后的熵必定增大。絕熱節(jié)流后，流體的溫度如何變化對(duì)不同特性的流體而言是不同的。對(duì)于任何處于氣液兩相區(qū)的單一物質(zhì)，節(jié)流后溫度總是降低的。這是由于在兩相區(qū)飽和溫度和飽和壓力是一一對(duì)應(yīng)的，飽和溫度隨壓力的降低而降低。對(duì)于理想氣體，焓是溫度的單值函數(shù)，所以絕熱節(jié)流后焓值不變，溫度也不變。對(duì)于實(shí)際氣體，焓是溫度和壓力的函數(shù)，經(jīng)過(guò)絕熱節(jié)流后，溫度降低、升高和不變3種情況都可能出現(xiàn)。這一溫度變化現(xiàn)象稱為焦耳-湯姆遜效應(yīng)，簡(jiǎn)稱J-T效應(yīng)。從物理實(shí)質(zhì)出發(fā)，可以用氣體節(jié)流過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系來(lái)解釋著三種情況的出現(xiàn)，由于節(jié)流前后氣體的焓值不變，所以節(jié)流前后內(nèi)能的變化等于進(jìn)出推動(dòng)功的差值：

u2-u1=p1v1-p2v2

氣體的內(nèi)能包括內(nèi)動(dòng)能和內(nèi)位能兩部分，而氣體溫度是降低、升高、還是不變，僅取決于氣體內(nèi)動(dòng)能是減小、增大、還是不變。因氣體節(jié)流后壓力總是降低，比容增大，其內(nèi)位能總是增大的。由于實(shí)際氣體與玻義耳定律存在偏差，在某個(gè)溫度下節(jié)流后，pv值的變化可能有以下3種情況:

①p1v1<p2v2時(shí)u2<u1即節(jié)流后內(nèi)能減小。由于內(nèi)位能總是增大的，所以內(nèi)動(dòng)能必定減小，那么節(jié)流后氣體溫度降低。

②p1v1=p2v2時(shí)u2=u1即節(jié)流后內(nèi)能不變。此時(shí)，內(nèi)位能的增加等于內(nèi)動(dòng)能的減少，節(jié)流后氣體溫度仍然降低。

③p1v1>p2v2時(shí)u2>u1即節(jié)流后內(nèi)能增大。此時(shí)，若內(nèi)能的增加小于內(nèi)位能的增加，則內(nèi)動(dòng)能是減小的，溫度仍是降低;若內(nèi)能的增加大于內(nèi)位能的增加，則內(nèi)動(dòng)能必然要增大，溫度要上升。

22、氣體膨脹制冷是利用高壓氣體的絕熱膨脹來(lái)達(dá)到低溫，并利用膨脹后的氣體在低壓下的復(fù)熱過(guò)程來(lái)制冷的，由于氣體絕熱膨脹的設(shè)備不同，一般有兩種方式:一種是將高壓氣體經(jīng)膨脹機(jī)膨脹，有外功輸出，因而氣體的溫降大，復(fù)熱時(shí)制冷量也大，但膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，另一種方式是令氣體經(jīng)節(jié)流閥膨脹，無(wú)外功輸出，氣體的溫降小，制冷量也小，但節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，便于進(jìn)行氣體流量的調(diào)節(jié)。23、氣體的等熵膨脹

高壓氣體等熵膨脹時(shí)向外輸出機(jī)械功，這樣消耗了大量氣體內(nèi)能（焓值減?。Ａ硗?，還由于膨脹時(shí)，氣體體積增大，分子距離也要增大，但是分子間有吸引力，為了克服分子間的吸引力而又要消耗氣體分子的一些動(dòng)能（動(dòng)能減?。?。這樣氣體分子的內(nèi)能和動(dòng)能在等熵膨脹時(shí)大量消耗，從而降低了氣體溫度。所以等熵膨脹后，氣體溫度總是下降的。24、節(jié)流效應(yīng)制冷量與哪些因素有關(guān)?

答：節(jié)流效應(yīng)制冷量首先是與節(jié)流前后的壓差有關(guān)，其次與進(jìn)裝置的溫度有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，節(jié)流前后的壓差越大，節(jié)流溫降也越大，所具有的吸收熱量的能力也越大，即節(jié)流效應(yīng)制冷量越大。節(jié)流后排出裝置的壓力是接近于大氣壓力，變化的范圍有限。因此，節(jié)流壓降的大小主要取決于壓縮機(jī)壓縮后的壓力。當(dāng)排出裝置的氣體壓力為0.1MPa，進(jìn)裝置的空氣溫度為30℃時(shí)，不同的進(jìn)裝置壓力下的節(jié)流效應(yīng)制冷量如表12所示：