工業(yè)氣體知識課件

1、工業(yè)氣體基本知識 ASUOctober 2005Liu Jian-min1.溫度 表示物體冷熱程度的物理量(物質(zhì)分子運(yùn)動平均動能的度量)華 氏溫標(biāo)(Fanrlenheit)-1714年規(guī)定:水冰點(diǎn)為320F-水沸點(diǎn)為2120F-兩點(diǎn)間180等分為1度攝氏溫標(biāo)(Celsius)-1742年規(guī)定:水冰點(diǎn)為00C-水沸點(diǎn)為1000C-兩點(diǎn)間100等分為1度開氏溫標(biāo)(Kelvin)-1848年 熱力學(xué)溫標(biāo)規(guī)定純水三相點(diǎn)為273.16K(=0.010C),分度值同攝氏溫標(biāo)換算關(guān)系: 0C=5/9(0F-32) 0F=9/5 0C+32 K=0C+273.15 0C=K-273.152.壓力單位面積上所受

2、的垂直作用力。(氣體分子不規(guī)則運(yùn)動對容器壁撞擊產(chǎn)生的一種作用的宏觀表現(xiàn)，垂直于容器壁)基本單位帕斯卡Pa=N/m2 牛頓/平方米(常用 MPa, KPa)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(物理大氣壓) 地心引力對大氣層作用的結(jié)果規(guī)定緯度45度,海平面上常年平均空氣壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 1atm=101325Pa工程大氣壓公斤力/平方厘米at=kgf/cm2 =9.8104 Pa=98 kPa(1kgf=1kg*9.8m/s2=9.8N-1 cm2 =1 m210-4)PSI磅力/平方英寸lbf/in2（=6894.74Pa)PSI (Pounds per Square Inch)1MPa=145 PSI2.壓力(其他壓

3、力單位)巴BAR氣象常用壓力單位1bar=0.1MPa=100Kpa毫米汞柱mmHg133.32 Pa毫米水柱mmH2O 9.81 Pa (10)英寸水柱InchH2O249.17 Pa(250)1bar = 750 mmHg = 10194 mmH2O = 401.33 InchH2O絕壓與表壓絕壓= 表壓 + 當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)大氣壓 atmgaugeg表壓 absolutea絕壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 1atm=101325Pa3.密度,體積 ,流量 密度 - 單位體積物質(zhì)所具有的質(zhì)量d=kg/m3流量 - 單位時(shí)間內(nèi)通過流體的量(體積/質(zhì)量)m3/h, kg/h, Nm3/h質(zhì)量 - 表示物質(zhì)的多少的物理量

4、kg, g , lb, pound 0.4536 kg體積 - 表示氣體所占體積 大小m3, L, mL, Cubic Foot一定體積內(nèi)的氣體量隨氣體的壓力和溫度變化 ,給出氣體體積時(shí)必須指出在什么溫度和壓力下。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài):0 0C, 101325Pa=1atm（700F,101.325kPa=1atm）Nm3(Normal Cubic Meter) SCF(Standard Cubic Foot) 1Nm3（氧=1.43kg；氮=1.25kg；氬=1.78kg；氫=0.09kg；氦=0.18kg；甲烷=0.72kg；丙烷=2.0kg；二氧化碳=1.98kg）標(biāo)準(zhǔn)立方米Nm3 實(shí)際上不是一個(gè)體

5、積單位，它表示氣體的質(zhì)量。4.純度濃度 - 混合氣體中某種成分的多少% （體積或質(zhì)量）純度 - 對于產(chǎn)品，其成分占絕大多數(shù)，一般稱之為純度%對于純度較高的氣體,一般是指出某些雜質(zhì)的含量PPM, PPBPPM=1/1000000 百萬分之一; PPB=1/1000000000 十億分之一對于氣體純度，除了工業(yè)氧，醫(yī)用氧和乙炔等采用直接分析法外，大部分純氣和高純氣都采用差減法，即通過分析各種雜質(zhì)含量，求和，并減以100%而得到氣體純度。所以，在提出99.99或99.999等純度指標(biāo)時(shí)，必須同時(shí)提供雜質(zhì)含量控制表，或指出該純度所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)號。露點(diǎn)露點(diǎn)或水分露點(diǎn)是在恒定壓力下，使氣體中的水蒸汽飽和時(shí)的

6、溫度。在一定壓力下,氣體中的含水量（絕對濕度-g/m3或ppm）與露點(diǎn)一一對應(yīng)，可以通過測定露點(diǎn)來確定氣體的絕對濕度。（含水量愈低，露點(diǎn)也愈低）所以，氣體露點(diǎn)雖然用溫度表示，但其物理含義是該氣體水分含量！露點(diǎn)與濕度的對應(yīng)關(guān)系 露點(diǎn) 克/立方米PPM20的相對濕度3030.4418682017.323079100%109.41211752.5%04.8602026%-102.27256011.5%-200.910204.41%-300.3453761.63%-400.1251270.56%-500.0439.4-600.01110.6-700.00282.55-800.00060.5265.熱,

7、功,能熱量-衡量傳熱過程中物體吸收或 放出能量大小的物理量J 焦耳冷量-吸收熱量的能力J 焦耳功-力與在其作用方向位移的乘積J =N*M 焦耳=牛頓*米功率-單位時(shí)間所作的功W =J/S 瓦=焦耳/秒能量-作功的能力或本領(lǐng)(動能,位能等)內(nèi)能-物體內(nèi)部所具有的能量:氣體分子熱運(yùn)動動能溫度氣體分子 間相互作用壓力/比容當(dāng)氣體加熱或作功時(shí)會改變氣體的內(nèi)能,表現(xiàn)為溫度,壓力等的變化6.理想氣體定律 玻意爾-馬略特定律: 當(dāng)一定質(zhì)量氣體溫度不變時(shí),壓力與比容成反比pv=常數(shù)查理定律當(dāng)一定質(zhì)量的氣體體積不變時(shí),絕對溫度與壓力成正比p/T=常數(shù)蓋.呂薩克定律當(dāng)一定質(zhì)量氣體壓力不變時(shí),絕對溫度與比容成正比v

8、/T=常數(shù)以上三個(gè)定律的綜合即為理想氣體定律pv-RT所謂理想氣體即完全符合理想氣體定律的氣體。實(shí)際上真正的理想氣體是不存在的, 當(dāng)氣體的壓力不太大；溫度不太低時(shí)可近似地看作是理想氣體。7.空氣的組成 7.空氣的組成空氣氧氮?dú)搴淠孰措?O2N2ArHeH2NeKrXe100%20.9378.10.9335PMV0.5PMV17PMV1PMV0.1PM比重和分子量1.0001.1050.96691.3800.1380.06950.69582.8984.5628.9631.998828.013439.9484.00262.0159420.18383.80131.30飽和液體密度 kg/M3-11

9、41.6808.31393.6124.970.78120724123056正常沸點(diǎn) -194-183.0-195.8-185.9-268.9-252.78-246-153.2-108.1臨界壓力/溫度 BARG/-50.7933.9448.622.2912.9326.5355.0158.75-118.4-146.9-122.4-267.95-240.2-228.7-63.816.68.獲得低溫的方法： 壓縮氣體的節(jié)流對外不作功，也不進(jìn)行熱交換，壓縮氣體由于流動遇到局部阻力而造成壓力有較大降低的過程。影響因素1節(jié)流前后壓差 2節(jié)流前溫度氣體作外功等熵膨脹壓縮氣體在膨脹機(jī)內(nèi)膨脹，并對外作功，使氣體

10、本身能量減小，溫度降低。影響因素膨脹機(jī)效率、進(jìn)出口壓力、進(jìn)口溫度、膨脹量氣體液化循環(huán)由一系列熱力過程組成的持續(xù)的循環(huán)，目的是使氣體工質(zhì)冷卻、液化并補(bǔ)償循環(huán)過程中的冷量損失。1895年德國的林德和英國的漢普森分別獨(dú)立地提出一次節(jié)流循環(huán)，是最早在工業(yè)上采用的氣體液化循環(huán)。1902年法國的克勞特首先實(shí)現(xiàn)了帶有活塞式膨脹機(jī)的空氣液化循環(huán)，是目前工業(yè)上采用的各種液化循環(huán)的基礎(chǔ)。9.物態(tài)變化任何物質(zhì)分子都可能以氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)存在，簡稱為物質(zhì)的三態(tài)在一定條件下，物質(zhì)的狀態(tài)可以相互轉(zhuǎn)化，稱為物態(tài)變化（相變）：氣化液體變?yōu)闅鈶B(tài)的過程（蒸發(fā)表面、沸騰內(nèi)部）液化氣體變?yōu)橐簯B(tài)的過程凝固液體變?yōu)楣虘B(tài)的過程溶解固體變?yōu)?/p>

11、液態(tài)的過程升華固態(tài)物質(zhì)不經(jīng)過液態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程（反之為結(jié)晶）臨界溫度：只有將氣體溫度降低到臨界溫度以下，才能將其液化。二氧化碳的相圖主要工業(yè)氣體的飽和曲線10.氣液相平衡整個(gè)氣液系統(tǒng)在相等壓力與溫度下，各部分狀態(tài)參數(shù)保持不變，這種狀態(tài)稱為氣液相平衡狀態(tài)。平衡是相對的，動態(tài)的，與一定的條件有關(guān)。如條件（壓力、溫度、組分）改變了，原來的平衡將破壞，重新建立起與新條件相適應(yīng)的相平衡。當(dāng)氣液處于相平衡狀態(tài)時(shí)，液面上方的蒸氣叫飽和蒸氣，其壓力稱為飽和蒸氣壓，相應(yīng)的溫度叫沸點(diǎn)。沸點(diǎn)隨蒸氣壓的升高而升高。在一定壓力和溫度下，處于平衡狀態(tài)的混合物的氣相組成與液相組成有關(guān)。氧氮二元混合物的氣液平衡關(guān)系如下

12、：1、平衡后液相中的氧濃度大于氣相中的氧濃度?；驓庀辔镏械头悬c(diǎn)組分的濃度大于液相中低沸點(diǎn)組分的濃度。2、壓力越低，飽和氣體與飽和液體中的濃度差越顯著How Does Distillation Work? 精餾過程氮-氧氣液平衡相圖（1bar） 蒸汽部分冷凝時(shí)產(chǎn)生的液體富含高沸點(diǎn)組分。液體部分蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的氣體富含低沸點(diǎn)組分。氣-液平衡數(shù)據(jù)給出一次性過程可達(dá)到的富集（濃度變化）程度。Single Flash Operation 一次閃蒸Example: remove heat to condense 50% of air at 1 bar使空氣在1巴壓力下冷凝50%Staged Flash Ope

13、rations 多級閃蒸供給蒸汽 condense 50% of feed at each stage at 1 bar每級將供給的氣體冷凝50%供給液體 boil 50% of feed at each stage at 1 bar每級將供給的液體汽化50%11.空氣精餾 同時(shí)并多次運(yùn)用部分蒸發(fā)與部分冷凝過程，使達(dá)到平衡狀態(tài)的氣相和液相分開并又進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，使氮逐漸地從液體中分離出來摻入到氣體中去；同時(shí)氧逐漸從氣體中分離出來混入到液體中去。AIRGOWNRLPLLower Column(High PressureColumn)下塔Upper Column(Lower PressureCo

14、lumn) 上塔HEAT IN加熱HEAT OUT放熱通過適宜的溫度設(shè)計(jì)，可將蒸發(fā)和冷凝的功能合為一體。這個(gè)單元的尺寸及由其而達(dá)到的溫度對循環(huán)的功率影響極大。RL=Rich Liquid富氧液PL=Poor Liquid貧氧液WN=Waste Nitrogen廢氮Double Column System 雙塔系統(tǒng)22空氣分離系統(tǒng)的工藝過程BASIC ASU 基本空氣分離流程24INTERNAL COMPRESSION PLANT 內(nèi)壓縮裝置25Integrated Air Separation Process 完整的空分流程N(yùn)2Air 空壓機(jī)CompressorHP高壓塔 ColumnRebo

15、iler -Condenser 冷凝蒸發(fā)器Turbo膨脹機(jī)ExpandersLP低壓塔ColumnWasteN2廢氮液氧泵Pure ArgonMain HeatExchanger主熱交換器Air Booster 增壓機(jī)N2RemovalColumn除氮塔Air凈化器 PurifierPureAr/O2Column精氬塔ImpureAr/O2Column粗氬塔Compressed O2壓縮氧Liquid N2Subcooler過冷器Typical Column Layout within Coldbox 冷箱中的塔Trayed Columns 篩板塔蒸氣穿過孔板上的液體形成成泡沫。氣-液接觸良好

16、，但壓力降相對較大。 Distillation Column Internals: Structured Packing 精餾塔內(nèi)部：填料結(jié)構(gòu) Sulzer Mellapak 750.Y Structured Packing for the 1.425 m Diameter ICO C-30 ColumnPacking Used in Air Separation:在空氣分離中使用的填料Mellapak 750.Y500.Y and 350.Y新近的設(shè)計(jì)使用更多較低表面積的填料（更小的直徑，塔更高）Trayed and Packed Column Characteristics 篩板塔和填料塔的性能比較Trayed Columns 篩板塔shorter, fatter shape矮胖limited turndown range變工況范圍小relatively high pressure drop 壓力降較大feeds and draws easily accommodated物料進(jìn)、出易于安排demanding fabrication需要工廠制造Pa