深冷制氧基礎(chǔ)知識6.13

深冷制氧基礎(chǔ)知識與工藝原理介紹第一章基本常識1.1空氣分離法空氣分離法：低溫法吸附法膜分離法將空氣壓縮、冷卻，使空氣飽和液化，利用氧、氮組分的沸點(diǎn)差，用精餾的方法將氧氮分離，從而獲得純度高的氧和氮。低溫法是深冷與精餾的組合，是目前應(yīng)用最為廣泛的空氣分離方法，在國內(nèi)外的制氧行業(yè)中占統(tǒng)治地位。1.1.1低溫法低溫法的特點(diǎn)：產(chǎn)量大：目前最大的制氧機(jī)在巴西，制氧能力為110000M3/h。氧氣和氮?dú)饧兌雀撸貉鯕獾募兌瓤蛇_(dá)99.6%以上，氮?dú)饧兌瓤蛇_(dá)99.999%；電耗低；適宜大規(guī)模生產(chǎn)；可以同時生產(chǎn)氬氣等稀有氣體。1.1.2吸附法讓空氣通過分子篩吸附塔，利用分子篩對空氣中的氧、氮組分選擇性吸附而使空氣分離獲得氧氣。吸附法的特點(diǎn)：流程簡單，常溫運(yùn)行，設(shè)備便易，投資少；全自動控制，制氧快速，能耗低，生產(chǎn)1M3氧氣的能耗只有0.4KWH；產(chǎn)品單一，不能同時生產(chǎn)氧和氮；純度低，氧純度只有90%～93%；分子篩體積大，不適合大型化生產(chǎn)，一般用在小于4000m3/h氧氣的場合；分子篩切換時間太短（兩分鐘），系統(tǒng)容易出故障，不適合連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。1.1.3膜分離法利用有機(jī)聚合膜的選擇滲透性，從氣體混合物中將氧、氮分離，獲得富氧氣體。膜分離法的特點(diǎn)產(chǎn)品純度低，氧純度只有40～50%；可以生產(chǎn)高純度的氮?dú)?；裝置簡單，操作方便；運(yùn)動元件及易損件少，運(yùn)行較平衡；分離膜易堵塞；不適合大型化生產(chǎn)。1.2氧、氮的用途1.2.1氧氣的用途：鋼鐵行業(yè)：將高純氧吹入轉(zhuǎn)爐使鐵中的碳、硫、磷、硅等雜質(zhì)氧化，可以大縮短冶煉的時間，提高鋼的質(zhì)量；化學(xué)工業(yè)：合成氨生產(chǎn)化肥過程中使用氧氣可以強(qiáng)化工藝過程，提高化肥產(chǎn)量；機(jī)械工業(yè)：金屬切割及焊接；國防工業(yè)；液氧可做火箭和超音速飛機(jī)的助燃劑，液氧浸泡的可燃物可做炸藥；醫(yī)療部門：病人的急救及輔助治療。1.2.2氮?dú)獾挠猛疽苯稹㈦娮优c石油工業(yè)：保護(hù)氣；化學(xué)工業(yè)：合成氨生產(chǎn)化肥、硝酸等；食品工業(yè)：食品的速凍、保鮮與防腐；醫(yī)療部門：冷凍劑；高科技行業(yè)：利用液氮的低溫可使某些材料獲得超導(dǎo)性能。1.3空分設(shè)備1.3.1空分設(shè)備的分類按分離方法的不同分為低溫精餾法、分子篩吸附法、薄膜滲透法按工作壓力的高低，可分為高壓（10～

20MPa）、中壓（1～

5MPa）、全低壓（0.5～

0.6MPa）裝置。按照產(chǎn)品數(shù)量的不同，分小型（<800m3/h）中型（1000m3/h～6000m3/h）、大型（>10000m3/h）設(shè)備。1.3.2空分設(shè)備的型號表示含義1.4我國對氧、氮產(chǎn)品質(zhì)量的規(guī)定1.4.1我國對氧產(chǎn)品質(zhì)量的規(guī)定

在GB3863-83中根據(jù)產(chǎn)品中的水分含量、氧純度對工業(yè)氧進(jìn)行了分類：指標(biāo)名稱指標(biāo)一類二類一級二級氧含量（體積分?jǐn)?shù)）%（≥

）99.599.599.2水分每瓶游離水/mL

（≤）100露點(diǎn)℃（≥

）-43氣瓶中水分含量的測定方法：1、露點(diǎn)法：用露點(diǎn)儀測定含水情況，測量誤差不得大于±1℃2、倒置法：將充滿氧氣的氣瓶垂直倒置10min，微開瓶閥，讓水流進(jìn)清潔干燥的容器內(nèi)。當(dāng)氧氣噴出時，立即關(guān)閉瓶閥，用量筒計量流出的水量。一等品應(yīng)無游離水。1.4.2我國對氮產(chǎn)品質(zhì)量的規(guī)定根據(jù)用途的不同，分為工業(yè)用氣態(tài)氮、純氮和高純氮三種。工業(yè)用氣態(tài)氮一般用作保護(hù)氣，技術(shù)指標(biāo)按GB3864-83規(guī)定：指標(biāo)名稱指標(biāo)一類二類一級二級氮含量（體積分?jǐn)?shù)）%（≥

）99.599.598.5水分每瓶游離水/mL

（≤）100露點(diǎn)℃（≥

）-431.5電耗指標(biāo)氧氣站的主要產(chǎn)品是氧氣，消耗的能源主要是電能。制氧機(jī)的電耗指標(biāo)通常用生產(chǎn)1m3氧氣所消耗的電能（kw?h）來衡量。即kw?h/m3。1.6氧的提取率氧的提取率用來評價空氣分離的完善程度。用產(chǎn)品氧中的總氧量與進(jìn)塔加工空氣中的總氧量之比來表示。制氧機(jī)中氧的提取率決定于污氮中含氧的高低。1.7氧氣的放散率氧氣的放散率指空分設(shè)備生產(chǎn)的氧產(chǎn)品中有多少未被利用而放空的比例。放散率Φ可按扣除利用的部分來計算，即

V’q+V’y+Vc

Φ=1-

Vq+VyΦ是反映設(shè)備的配套能力和生產(chǎn)組織水平的指標(biāo)。Φ越大，能源浪費(fèi)越大，效益越差。第二章低溫?zé)崃W(xué)基礎(chǔ)2.1溫度表示物質(zhì)的冷、熱程度；溫度表示物質(zhì)內(nèi)分子熱運(yùn)動劇烈程度的度量；溫度的數(shù)值用“溫標(biāo)”來表示；溫標(biāo)是衡量物質(zhì)溫度的標(biāo)尺；常用的溫標(biāo)有：攝氏溫標(biāo)（℃）、華氏溫標(biāo)（℉）、熱力學(xué)溫標(biāo)（K）三種。2.1.1攝氏溫標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純水的冰點(diǎn)是攝氏零度，沸點(diǎn)是100度，將其分為100等分，每一等分代表攝氏1度，用符號℃標(biāo)記。儀表指示的溫度通常為攝氏溫標(biāo)。2.1.2華氏溫標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純水的冰點(diǎn)是華氏32度，沸點(diǎn)是212度，將其分為180等分，每一等分代表華氏1度，用符號℉標(biāo)記。西方國家常用華氏溫標(biāo)。2.1.3熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)又稱絕對溫標(biāo)或開爾文溫標(biāo)。絕對溫標(biāo)規(guī)定：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的三相點(diǎn)為273.16度，沸點(diǎn)與三相點(diǎn)間分為100格，每格為1度，用符號K表示。-273.16℃定為絕對零度。從絕對零度算起，絕對溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)的刻度相同。絕對零度只能接近，無法達(dá)到。2.1.4各溫標(biāo)之間的換算關(guān)系同一溫度的攝氏溫標(biāo)數(shù)值為t，華氏溫標(biāo)數(shù)值為F，熱力學(xué)溫標(biāo)的數(shù)值為T，各溫標(biāo)之間的換算關(guān)系為：t＝T-273.16

T＝t＋273.16

F＝1.8t＋32攝氏溫標(biāo)與絕對溫標(biāo)的刻度值大小相同，其溫差值也是相同的，不用換算。2.2壓力單位面積上所受的垂直作用力稱為壓力。壓力的名稱是“帕斯卡”，單位符號為Pa。每平方米面積上作用1牛頓的力而產(chǎn)生的壓力為1Pa。2.2.1常用的壓力單位2.2.1.1物理大氣壓（at）：溫度0℃、緯度45°海平面上大氣的平均壓力。物理大氣壓也稱標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓＝1.013×105Pa2.2.1.2工程大氣壓工程技術(shù)上常用的壓力單位。工程大氣壓指每平方厘米面積上作用1千克力而產(chǎn)生的壓力，單位可用kgf/cm2表示。1工程大氣壓＝9.81×104Pa2.2.1.3mmH2O柱和mmHg柱在壓力測量中，往往直接讀出水柱和水銀柱的高度，因此就直接用mm水柱和mm水銀柱來表示壓力的大小。如一個工程大氣壓就是1000mm水柱，正常人的血壓值是125/85，其實(shí)就是高壓125mm水銀柱，低壓85mm水銀柱。1mmH2O＝9.81Pa1mmHg＝133.32Pa2.2.2壓力單位換算1MPa=106Pa1kgf/cm2=9.81×104Pa≈0.1MPa1MPa≈10kgf/cm21bar=105Pa=0.1MPa≈1kgf/cm22.2.3絕對壓力與表壓力的關(guān)系絕對壓力：容器內(nèi)氣體對容器壁的絕對壓力。表壓力：容器內(nèi)氣體的實(shí)際壓力高于當(dāng)時大氣壓力的值。它們之間的關(guān)系為：

P絕=P表+P大氣

2.2.4絕對壓力與真空度的關(guān)系真空度：容器內(nèi)氣體的實(shí)際壓力比大氣壓力低時，其差值就是真空度。它們之間的關(guān)系為：

P絕=P大氣-P真空度2.3比容比容又稱為質(zhì)量體積，指單位質(zhì)量氣體所具有的容積。用符號υ表示，單位m3/kg。

υ=V/G，υ?ρ=1。

以上的溫度、壓力、比容是氣體的三大基本狀態(tài)參數(shù)。2.4氣體基本定律氣體基本定律表示氣體狀態(tài)發(fā)生變化時，氣體的三個基本狀態(tài)參數(shù)p、υ、T之間關(guān)系的定律。摩爾（mol）：化學(xué)中物質(zhì)的量的基本單位。任何物質(zhì)都由原子、分子組成。注：1、不同的分子具有不同的質(zhì)量，通常用相對分子質(zhì)量表示。

2、標(biāo)況下，相同mol的不同氣體，具有相同的體積，相同的分子數(shù)，但不具有相同的質(zhì)量。

a、波義耳定律：一定質(zhì)量的氣體，在溫度不變時，他的壓強(qiáng)與體積成反比。即P1V1=P2V2b、查理定律：一定質(zhì)量的氣體，在體積不變時，他的壓強(qiáng)與熱力學(xué)溫度成正比。即P1/T1=P1/T2c、蓋.呂薩克定律：一定質(zhì)量的氣體，在壓強(qiáng)不變時，他的體積與熱力學(xué)溫度成正比。即V1/T1=V2/T2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，p、υ、T三者間的關(guān)系，也就是氣體狀態(tài)方程：

pυ=RT或pV=mRT

式中：P——?dú)怏w的絕對壓力，Paυ——?dú)怏w的質(zhì)量體積,m3/kgT——?dú)怏w的絕對溫度，KR——?dú)怏w常數(shù)，J/Kg℃例：40L的氧氣瓶，充裝壓力為14.7MPa,瓶內(nèi)氧氣體積為6m3的習(xí)慣叫法是怎么算出來的？解：由氣體狀態(tài)方程知：P1V1/T1=P2V2/T2其中：T1、T2均為環(huán)境溫度

P1=14.7MPa=14.7X106/9.81X104=150kgf/cm2P2=大氣壓力=1kgf/cm2V1=40L=0.04m3

V2=P1V1/P2=150X0.04/1=6m32.5混合氣體——空氣空氣——是制氧的原料氣，是由多種氣體混合而成的混合氣體。其主要組成是氮、氧、氬。組成混合氣體的每一種成份叫組分。

2.5.1干空氣干空氣主要組成：組分分子式體積%質(zhì)量%氮N278.08475.52氧O220.9523.15氬Ar0.931.282二氧化碳CO20.030.046氫H20.5X10-40.035碳?xì)浠衔锏菴xHy等————

在混合氣體中，各組分具有相同的體積和溫度，每一組分產(chǎn)生的壓力為分壓力

P=∑Pi,例：總壓力為1.01x105Pa的空氣中二氧化碳含量為300x10-6，則二氧化碳的分壓力為多少？解：Pi=Pxyi=1.01x105x300x10-6

=30.3Pa2.5.2蒸氣接近于液態(tài)的氣態(tài)物質(zhì)稱為蒸汽飽和溫度：指液體沸騰時的溫度，又叫沸點(diǎn)，冷凝溫度。1工程大氣壓（9.81×104Pa）下，水的沸點(diǎn)為100℃，液氧的沸點(diǎn)為-183℃（90K），液氮的沸點(diǎn)為-196℃（77K）。蒸氣的形成以液氧為例：圖示為1Kg液氧，壓力為1工程大氣壓，開始溫度為83K,低于沸點(diǎn)，成為過冷液體。臨界點(diǎn)當(dāng)壓力達(dá)到某值時，飽和蒸汽點(diǎn)和飽和液體點(diǎn)匯成一點(diǎn)，該點(diǎn)就稱為臨界點(diǎn)。這時的溫度稱為臨界溫度，與該溫度對應(yīng)的壓力則稱為臨界壓力。2.5.3濕度濕度表示濕空氣中水蒸氣含量的多少。表示方法：絕對濕度、含濕量、相對濕度露點(diǎn)絕對濕度指單位容積的空氣中所含的水蒸氣質(zhì)量。

Z=mq/V含濕量指濕空氣中與1Kg干空氣同時并存的水蒸氣質(zhì)量。d=mq/mg相對濕度指空氣中水蒸氣分壓力與同溫度下飽和水蒸氣分壓力之比。Φ=Pq/Pqb露點(diǎn)：水蒸氣含量不變時，隨著溫度的降低，未飽和的水蒸氣變成飽和蒸汽，多余的水析出來，使水蒸氣達(dá)到飽和時的溫度就是露點(diǎn)。用tl表示2.6焓2.6.1熱力學(xué)能工質(zhì)由分子組成，其內(nèi)部分子不停的運(yùn)動具有動能，分子之間存在著作用力具有位能。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表示，單位為焦耳（J）氣體的動能的大小與其溫度有關(guān)，可通過熱量傳遞來改變。而氣體位能的大小由分子間的距離決定，與其壓力和比容有關(guān)，可通過外界做功來改變。2.6.2流動能在制氧過程中，加工空氣、產(chǎn)品氣體都在不停的流動，使這些流體發(fā)生流動的推動功，稱為流動能。焓是熱力學(xué)能與流動能的和。

H=U+PV2.7熵熵表示過程的方向性的物理量。自然界中自發(fā)進(jìn)行的過程總是朝著熵增的方向進(jìn)行?？赡孢^程總熵保持不變。制氧中的節(jié)流過程和膨脹過程，可近似看作絕熱等熵膨脹過程。2.6熱力學(xué)定律熱力學(xué)第一定律又叫能量守恒定律。（自發(fā)過程）熱力學(xué)第二定律（非自發(fā)過程）傳熱的三種基本方式：傳導(dǎo)、對流、輻射在低溫?zé)崃W(xué)中，通常只涉及到傳導(dǎo)、對流兩種傳熱方式。傳熱基本方程式： Q=KFΔtK—傳熱系數(shù)，W/(m2K)F—傳熱面積，

Δt—傳熱溫差。強(qiáng)化傳熱，提高換熱器效果的途徑：增大傳熱面積（采用板翅式換熱器）；加大平均溫差（盡可能采用逆流）；提高傳熱系數(shù)（選導(dǎo)熱系數(shù)高的材料如銅、鋁等）。制氧工藝原理制氧工藝基本原理是利用液化空氣中氧、氮等組分沸點(diǎn)的不同，采用精餾的方法將各組分分離?？辗种蒲跹b置流程由制冷和精餾組成。分為以下過程：空氣壓縮、空氣凈化、制冷液化、精餾和危險雜質(zhì)的清除等。3.1空氣的凈化空氣中的主要雜質(zhì)：水蒸氣、二氧化碳、乙炔和其他碳?xì)浠衔锊⑶矣猩倭炕覊m等固體雜質(zhì)。3.1.1固體雜質(zhì)清除：固體雜質(zhì)對空壓機(jī)和空分裝置危害很大，會磨損空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)部件，堵塞換熱器，降低換熱效率。清除對象：100～0.1um的塵粒，顯然，顆粒越小的塵埃越難以清除，空氣過濾器主要捕集的是10～0.1um的塵粒。過濾除塵原理：對于大于10um的塵粒利用其重力或慣性力、離心力使之沉降。對于小于10um的塵粒利用擴(kuò)散粘附力或庫倫力的作用加以清除。分類：按照除塵原理把空氣過濾器分為干式和濕式兩種。其中干式過濾器織物網(wǎng)眼阻擋塵粒；濕式過濾器靠油膜粘附灰塵。過濾器的性能指標(biāo)：除塵效率、阻力、容塵量3.1.2空氣中水份和二氧化碳的清除加工空氣的水份和二氧化碳由于凝固點(diǎn)較高，在進(jìn)入空分裝置低溫設(shè)備后將會形成冰和干冰，堵塞低溫設(shè)備的通道而影響空分裝置的正常工作。為此需要利用純化器預(yù)先把空氣中的水份和二氧化碳清除掉。最常用的水和二氧化碳清除方法：凍結(jié)法、吸附法凍結(jié)法凍結(jié)法：空氣經(jīng)過切換式換熱器時把所含的水分和二氧化碳凍結(jié)下來，然后被干燥的返流氣體帶出裝置，即自清除。吸附法吸附劑：硅膠、鋁膠、分子篩。分子篩：是人工合成的的鋁硅酸鹽，天然的稱為泡沸石。分子篩的特性：吸附性強(qiáng)，選擇性吸附好；干燥度強(qiáng)，對氣流有良好的干燥能力，水蒸氣含量就越少，吸附能力越顯著；穩(wěn)定性好，在200℃以下能保持正常的吸附容量對水份、二氧化碳、乙炔和其他碳?xì)浠衔镉泄参阶饔?，吸附順序?yàn)椋菏紫仁撬?，其次乙炔，再次是二氧化碳。分子篩純化器分子篩純化器是以分子篩為吸附劑，目前普遍應(yīng)用于全低壓制氧機(jī)的凈化裝置。分子篩純化器對吸附介質(zhì)溫度要求高。因?yàn)闇囟仍礁?，空氣中水分含量越大，增大了純化器的清除?fù)荷。而分子篩的吸附能力隨溫度升高而降低，所以壓縮空氣進(jìn)入純化器前需要把溫度控制在5～15℃才能正常工作，而普通冷卻水很難達(dá)到這樣的效果所以要增加預(yù)冷機(jī)進(jìn)行預(yù)冷。為了確保制氧機(jī)安全通常設(shè)置兩只純化器輪流使用，一只工作時，另一只進(jìn)行再生。3.2制冷與液化冷量：由于低溫物體地域環(huán)境溫度，就具有自發(fā)從環(huán)境吸收熱量的能力，直到與環(huán)境溫度相同為止，這個吸熱能力的大小稱為冷量。冷損：氣體通過壓縮進(jìn)行膨脹后獲得的冷量中，未能加以回收利用的部分?？諝庖夯h(huán)空氣液化循環(huán)是將空氣連續(xù)不斷的冷卻到工作壓力下的飽和溫度，又要提供潛熱，補(bǔ)償冷損，維持液化工況，為空氣精餾創(chuàng)造條件。液化循環(huán)的原理高壓流程的液化循環(huán)是以節(jié)流為基礎(chǔ)的低溫循環(huán)；中壓流程的液化循環(huán)是以克勞特循環(huán)為基礎(chǔ)的；低壓流程的液化循環(huán)基礎(chǔ)是卡皮查循環(huán)，這種循環(huán)是一種低壓帶膨脹機(jī)，以等熵膨脹為主導(dǎo)的液化循環(huán)。使空氣達(dá)到液化工況要通過制冷的方法，被壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入預(yù)冷機(jī)再從分子篩出來的空氣，必須通過換熱器換熱才能液化?？諝獾囊夯沁M(jìn)行氧、氮分離的首要條件，在主換熱器中，空氣被冷卻到接近液化溫度后進(jìn)入分餾塔。冷量的制取為了確保、維持液化工況所需的熱量平衡，克服由于絕熱跑冷、換熱器復(fù)熱不足及直接從冷箱中向外排放低溫液體等引起的冷量損失，需要不斷地向裝置補(bǔ)充冷量。裝置所需的補(bǔ)充冷量是由等焓節(jié)流效應(yīng)和壓縮空氣在膨脹機(jī)中經(jīng)絕熱膨脹對外作功而制取的。3.3空氣的精餾空氣的精餾指同時并多次地運(yùn)用混合液體部分氣化和混合蒸汽部分冷凝的過程，使低沸點(diǎn)的氮不斷的從液相蒸發(fā)到氣相中去，同時使高沸點(diǎn)的氧不斷的從氣相冷凝到液相中來，最后實(shí)現(xiàn)氮、氧的分離。易揮發(fā)組分：在同一溫度下，混合物液體中，飽和蒸汽壓高的組分蒸發(fā)得多，就是容易揮發(fā)，叫做易揮發(fā)組分；反之，就是難揮發(fā)組分。液空中，主要組分是氧和氮。氮相對于氧來說，飽和蒸汽壓高，是易揮發(fā)組分。同樣，氧相對于氮來說，就是難揮發(fā)組分?；亓鞅然亓魇蔷s的必要條件，沒有回流，部分蒸發(fā)和部分冷凝就不可能持續(xù)進(jìn)行，精餾就無法實(shí)現(xiàn)。回流比：指分餾塔內(nèi)下流的液體量與上升的蒸汽量之比?；亓鞅葘Ξa(chǎn)品純度的影響回流比對產(chǎn)品純度有影響：回流比大時，所得到的氣相氮的純度高，