空分培訓(xùn)深冷法制氧.ppt

深冷法制氧低溫?zé)崃W(xué)原理 O2 N2 Ar Kr Xe Ne He 物性和用途 空氣分離 變壓吸附 膜分離 深冷精餾 深冷空分設(shè)備工作原理 動 靜設(shè)備的協(xié)調(diào)統(tǒng)一體 問題一 一個高壓氧氣瓶 向外放氣 一段時間后 用手觸摸鋼瓶會有什么感覺 絕熱膨脹過程 問題二 家里的電冰箱是怎樣工作的 您知道嗎 問題三 用空調(diào)和暖風(fēng)機加熱房間 那個更省電 為什么 問題四 深冷法制氧為什么要采用膨脹機 高溫物體和低溫物體長時間接觸后 溫度會趨與一致 T1 T2 T1 T2 T1 T2T1 T2 這一過程是自然發(fā)生的 換熱器 冷損 為了使我們室內(nèi)空氣變得比外面溫度更低 我們開了空調(diào) T1 T2 T1 T2 T1 T2 可是在享受室內(nèi)涼快的時候 您可曾想到此時外邊站在空調(diào)室外機附近的人是何感受 T1 T1T2 T2 制冷 人工制冷都有一個共同的特點 即利用某種物質(zhì)狀態(tài)變化 從較低溫度吸取一定的熱量Q0 通過一個消耗功W的補償過程 向較高溫度的物體放出熱量Qh 并且它們在數(shù)量上符合熱力學(xué)第一定律 即Q0 W Qh 人類經(jīng)過長期的實踐總結(jié) 發(fā)現(xiàn)功和熱能互相轉(zhuǎn)化 熱可以變成功 功也可以變成熱 一定量的熱消失后 必定產(chǎn)生一定量的功 消耗一定量的功時 必定出現(xiàn)與之對應(yīng)的一定量的熱 這就是熱力學(xué)第一定律 實際上 熱和功的互相轉(zhuǎn)化總是要通過某種工質(zhì) 即熱和功的轉(zhuǎn)化過程中 工質(zhì)的能量也是改變的 只是熱和功轉(zhuǎn)換時在數(shù)量上一定守恒 可見 熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在熱量傳遞過程中的應(yīng)用 熱 功 熱力學(xué)第一定律 熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第一定律說明了能量傳遞及轉(zhuǎn)化時的數(shù)量關(guān)系 但并未說明究竟誰傳給誰 在什么條件下方能傳遞以及過程進(jìn)行到何時為止 當(dāng)熱能和機械能互相轉(zhuǎn)換時 第一定律也只是說明了兩者之間的數(shù)量上的當(dāng)量關(guān)系 而并未說明轉(zhuǎn)化的方向 條件及深度 克勞休斯于1850年提出了完整的熱力學(xué)第二定律 熱不可能自發(fā)的 不付代價的從一個低溫物體傳給另一個高溫物體 熱能從低溫傳向高溫的過程或熱能轉(zhuǎn)化為機械能的過程是不會自發(fā)進(jìn)行的 要使它們成為可能 必須同時有其它一些過程 如機械能轉(zhuǎn)化為熱能 或熱能從高溫傳向低溫 或工質(zhì)膨脹等過程同時進(jìn)行 后面一些過程則可以無條件的自發(fā)進(jìn)行 叫做自發(fā)過程 前面一些過程叫做非自發(fā)過程 非自發(fā)過程的進(jìn)行必須有自發(fā)過程的同時進(jìn)行為條件 溫度 T 壓力 P 比容 v 內(nèi)能 U 熵 S 焓 H 氣體的基本狀態(tài)參數(shù) 直接測量 不能測量 氣體基本定律氣體幾個狀態(tài)參數(shù)間的關(guān)系例子 氣球被擠爆 熱水瓶軟木塞彈出可見 氣體三個基本參數(shù)間存在一定的關(guān)系 這一關(guān)系可以用數(shù)學(xué)方程描述出來 氣體的分子間距較大 氣體分子在它們所占的容積內(nèi)以很快的速度運動著 并且每次碰撞之間都做直線運動 在壓力不高與溫度不太低的的情況下 氣體分子本身所占的體積與相互作用可以忽略不計 這種狀態(tài)下的氣體稱為理想氣體 對于理想氣體 我們常常用幾個氣體定律確定地描述其性質(zhì) 這幾個氣體的定律統(tǒng)稱為理想氣體定律 對于理想氣體有 在一定溫度下 氣體在各狀態(tài)下的壓力p與比容 成反比 即p 常數(shù) 在壓力不變時 氣體在各狀態(tài)下的比容與絕對溫度成正比 即 T 常數(shù) 在體積恒定時 氣體在各狀態(tài)下的絕對溫度與壓力成正比 即p T 常數(shù) 實驗表明 不同氣體遵守上述三個公式的范圍是不同的 可以假設(shè)一種在任何情況下完全符合上述三個公式的氣體存在 這種氣體稱為理想氣體 根據(jù)分子運動論分析 所謂理想氣體 就是指這樣一種假想的氣體 其分子不具有體積 可以完全看作彈性質(zhì)點 分子間無作用力 實際上 自然界不存在理想氣體 但是當(dāng)氣體的壓力不太高 與大氣壓力相比 溫度不太低 與該氣體的液化溫度相比 時 可以近似看作理想氣體 為此氧氣 氮氣 空氣等在壓力不太高 溫度不太低時可作為理想氣體看待 根據(jù)上述三個關(guān)系式 可得到理想氣體在狀態(tài)變化時壓力p 溫度T 比容 之間的關(guān)系 即理想氣體狀態(tài)方程 p RT式中p 氣體的絕對壓力 Pa 氣體的比容 m3 kg T 氣體的絕對溫度 K R 氣體常數(shù) J kg 對于實際氣體有p ZRTZ為壓縮因子 不同氣體在不同條件下的壓縮因子是不同的 內(nèi)能 U 工質(zhì)是由分子組成的 其內(nèi)部分子不停的運動而具有動能 工質(zhì)分子之間存在著作用力而具有位能 分子的動能和位能之和稱為工質(zhì)的熱力學(xué)能 通常用U來表示 單位為焦耳 J 用 U表示工質(zhì)熱力學(xué)能的變化 分子動能和位能變化都會引起熱力學(xué)能的變化 分子動能的大小與工質(zhì)的溫度有關(guān) 溫度越高分子的動能越大 而工質(zhì)的位能大小取決于分子之間的距離 即由氣體工質(zhì)的質(zhì)量體積也就是比容 來決定 由于溫度與比容都是狀態(tài)函數(shù) 所以熱力學(xué)能也是狀態(tài)參數(shù) 也就是熱力學(xué)能只與狀態(tài)有關(guān)而與變化過程無關(guān) 這與功和熱量兩個過程參數(shù)不同 熱力學(xué)能的改變通常通過傳熱和做功兩種方式來完成 理想氣體的內(nèi)能只是溫度的函數(shù) 焓 H 在制氧生產(chǎn)的過程中 加工空氣 產(chǎn)品氣體都在不斷地流動 氣體不僅具有熱力學(xué)能 而且在流動中能量也在不停的變化 流動中的氣體所具有的總能量應(yīng)等于氣體的推動功 p 與其熱力學(xué)能 U 之和 用符號i或h來表示 H U p 稱之為焓 焓表征了流動系統(tǒng)中流體工質(zhì)的總能量 它的數(shù)值為熱力學(xué)能和流動時的推動功之和 流動時的推動功p 壓力和質(zhì)量熱容都是狀態(tài)函數(shù) 熱力學(xué)能U也是狀態(tài)函數(shù) 因此焓也是一個狀態(tài)函數(shù) 理想氣體的焓只是溫度的函數(shù) 熵 S 自然界有許多現(xiàn)象有方向性 即向某一個方向可以自發(fā)地進(jìn)行 反之則不能 熱量只能從高溫物體傳給低溫物體高壓氣體會自發(fā)地向低壓方向膨脹不同性質(zhì)的氣體會自發(fā)地均勻混合一塊赤熱的鐵會自然冷卻 它們的逆過程則均不能自發(fā)進(jìn)行 這種有方向性的過程稱之為 不可逆過程 熵可以用來度量不可逆過程前后兩個狀態(tài)的不等價性不可逆過程前 后的兩個狀態(tài)是不等價的 節(jié)流膨脹 膨脹機膨脹 不可逆過程 理想膨脹機膨脹為可逆過程 空氣通過節(jié)流閥和膨脹機時 壓力從p1降到p2 在理想情況下 兩個過程均可看成是絕熱過程 但是 由于節(jié)流過程沒有對外作機械功 壓力完全消耗在節(jié)流閥的摩擦 渦流及氣流撞擊損失上 要使氣體自發(fā)地從低壓處 p2 反向流至高壓處 p1 是不可能的 節(jié)流膨脹是一個不可逆過程 對于膨脹機 其葉輪對外作功 使氣體的壓力降低 內(nèi)部能量減少 在理想情況下 如果將所作出的功利用壓縮機加以回收 則仍然可以將氣體由壓縮至且沒有消耗外界的能量 膨脹機的理想絕熱膨脹過程是一可逆過程 節(jié)流與膨脹機膨脹后的壓力雖然相同 但是這兩個狀態(tài)是不等價的 它們的不等價性通過理論證明可用熵來度量 對于節(jié)流過程來說 是絕熱的不可逆過程 熵是增大的 對于膨脹機來說 在理想絕熱情況下 為一可逆過程 熵不變 即節(jié)流后的熵值比膨脹機膨脹后的熵值要大 其差值說明了不可逆的程度 對其它絕熱過程來說 自然過程總是朝著熵增大的方向進(jìn)行 或者說 熵增加的大小反映了過程的不可逆程度 因此 熵就是表示過程方向性的一個狀態(tài)參數(shù) 熵是從熱力學(xué)理論的數(shù)學(xué)分析中得來的 定義也是用數(shù)學(xué)式子給出的 正像焓一樣 熵在熱工理論計算及熱力理論中有很重要的作用 它表征工質(zhì)狀態(tài)變化時其熱量的傳遞程度 熵值不能通過儀器直接測量 只能通過計算得出 熵可定義為dS dq T 式中表明 熵的增量等于系統(tǒng)在可逆過程中從外界傳入的熱量 除以傳熱當(dāng)時的絕對溫度所得的商 或者說 物質(zhì)熵的變化可用過程中物質(zhì)得到的熱量除以當(dāng)時的絕對溫度來計算 如果過程中溫度不是常數(shù) 熵的增減需用數(shù)學(xué)積分計算 熵的單位是J K 從熵的定義可以看出 dS 0 或 S 0 表示絕熱 S 0表示過程吸熱 S 0表示過程放熱 而工程熱力學(xué)中又規(guī)定向工質(zhì)傳入熱量為正 從工質(zhì)對外傳出熱量為負(fù) 熵的絕對值和內(nèi)能與焓一樣 在一般的熱工計算中無關(guān)緊要 所感興趣的是熵的增加或減少 熵給熱量的分析和計算帶來了方便 利用繪制的熵的有關(guān)線圖 是熵的一個用途 已知氣體的兩個狀態(tài)參數(shù)即可確定氣體的狀態(tài) 以兩個狀態(tài)參數(shù)為坐標(biāo) 將氣體的某些狀態(tài)參數(shù)的相互關(guān)系繪制在坐標(biāo)圖上 這就是熱力性質(zhì)圖 通常影響氣體熱力性質(zhì)的因素很多 尤其是蒸氣的性質(zhì)比較復(fù)雜 不能簡單的由pV nRT來表示壓力 溫度 比容等參數(shù)間的關(guān)系 通常是通過實驗研究及理論分析 將各種物質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系繪制成圖或表 便于工程實際應(yīng)用 在空分裝置的計算中 用得最多的有空氣的溫 熵圖 T S圖 焓 熵圖 H S或h S 焓 溫圖 H T或h S 以及氧 氮的溫 熵圖 熱力性質(zhì)圖 T S圖 對未飽和液體的加熱過程 液體吸收熱量 因此熵值增加 臨界點 圖中有等焓線和等壓線 等壓線是依據(jù)在一定的壓力下液體的汽化過程實驗數(shù)據(jù)而繪制的 同時溫度也升高 當(dāng)液體達(dá)到飽和時 如果繼續(xù)加熱 則逐漸汽化 但溫度維持不變 而熵仍增加 因此 在汽化階段的等壓線為一水平線 它同時又是等溫線 當(dāng)液體全部汽化成干飽和蒸氣后 如果繼續(xù)加熱 則在熵增加的同時 溫度又升高等壓線為一向右上方傾斜的曲線 在不同的壓力下進(jìn)行實驗 可畫出不同壓力的等壓線 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 此外 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 水平線的長度也越短 壓力為臨界壓力下的等壓線已沒有水平段 曲線上溫度為臨界溫度的點K叫臨界點 將不同壓力下飽和液體點及干飽和蒸氣點連接起來 構(gòu)成圖下方的一條向上凸的曲線 叫 飽和曲線 在臨界點左邊為飽和液體線 右邊為飽和蒸氣線 飽和曲線將圖分成三個區(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)為過熱蒸氣區(qū) 飽和曲線下側(cè)為液體與蒸氣的混合物 稱 濕蒸氣 區(qū) 在T S圖上 能夠確定任意狀態(tài)點的焓值 熵值 壓力及溫度值 熱力性質(zhì)圖 H T 節(jié)流膨脹 臨界點 H T圖的橫坐標(biāo)是溫度 縱坐標(biāo)是焓值 根據(jù)定壓下汽化過程的實驗數(shù)據(jù) 得出一組等壓線 每條等壓線由3段構(gòu)成 隨著壓力升高 飽和溫度提高 等壓線在H T圖中逐漸右移 最右邊的等壓線壓力最高 由不同壓力下的飽和液體點和蒸氣點連成飽和曲線 二線相交于臨界點K 飽和曲線將圖分成三個區(qū) 在飽和曲線內(nèi)為濕蒸氣區(qū) 飽和液體線下的為未飽和液體區(qū) 飽和蒸氣線以上及臨界溫度線以右為過熱蒸氣區(qū) 所以H T圖對節(jié)流過程的計算提供了方便 H S 膨脹機制冷 膨脹前 膨脹后 氣體絕熱膨脹制冷 節(jié)流膨脹制冷 膨脹機膨脹制冷 絕熱放氣制冷 節(jié)流膨脹效應(yīng)節(jié)流過程基本特點 節(jié)流前后焓值相等實際氣體的節(jié)流通常把高壓流體流經(jīng)管道中的小孔后壓力顯著降低的過程稱為節(jié)流 節(jié)流前的狀態(tài)參數(shù)為p1 T1 1 節(jié)流后的狀態(tài)參數(shù)為p2 T2 2 節(jié)流孔徑越小 則局部阻力越大 節(jié)流前后的壓力變化 p1 p2 也越大 反之 就越小 在實際工作中 為了便于調(diào)節(jié) 通常用節(jié)流閥代替固定的節(jié)流孔氣體在節(jié)流時 既無能量輸出 也無能量輸入 所以氣體節(jié)流前后的能量保持不變 即節(jié)流前后的焓值相等h1 h2 這是節(jié)流過程的基本特點 因此節(jié)流過程可看作是近似的絕熱過程 實際氣體的焓值是溫度和壓力的函數(shù) 所以實際氣體節(jié)流后的溫度是發(fā)生變化的 這種現(xiàn)象稱做節(jié)流效應(yīng) 焦耳 湯姆遜效應(yīng) 它分為微分節(jié)流效應(yīng)和積分節(jié)流效應(yīng) 微分節(jié)流效應(yīng)是指氣體節(jié)流時溫度的變化 與壓力降 所成比例關(guān)系 即稱為微分節(jié)流效應(yīng) 對于空氣及氧氣 當(dāng)接近于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的溫度范圍及壓力在100個大氣壓以下進(jìn)行試驗 得到如下經(jīng)驗公式空氣 2 73 10 3 0 0895 10 6氧氣 3 19 10 3 0 0884 10 62