KDONAr空氣分離設(shè)備空分制氧培訓教材

KDONAr空分空氣分離設(shè)備培訓教材

目錄

第一章空氣的性質(zhì)與分離的基本原理...................................................2

第一節(jié)空氣分離設(shè)備術(shù)語.........................................................2

第二節(jié)基本概念..............................................................7

第三節(jié)空氣分離的基本原理........................................................10

第二章空分設(shè)備流程組織概述.......................................................34

一、主要技術(shù)數(shù)據(jù)................................................................34

二、基本原理....................................................................34

三、工藝流程簡介................................................................35

第三章空氣的凈化................................................................37

第一節(jié)概述..................................................................37

第二節(jié)固體雜質(zhì)的清除...........................................................38

第三節(jié)空氣的純化...............................................................38

第四章空氣預冷系統(tǒng).................................................................47

一、空氣預冷系統(tǒng)的工藝流程及原理................................................48

二、空氣冷卻塔及水冷卻塔的結(jié)構(gòu)特點及其功能......................................49

三、空氣預冷系統(tǒng)的安裝、使用和維護..............................................53

四、空氣預冷系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)的問題及解決方法................................55

第五章?lián)Q熱系統(tǒng).....................................................................56

一、鋁板翅式換熱器的主要特點....................................................56

二、鋁制板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)與組成................................................56

三、鋁板翅式換熱器制造過程......................................................64

四、鋁板翅式換熱器在空分設(shè)備中的分類............................................66

五、鋁板翅式換熱器使用說明......................................................72

第六章空分機器.....................................................................75

第一節(jié)透平膨脹機...............................................................76

第二節(jié)透平壓縮機...............................................................92

第三節(jié)蒸汽透平機...............................................................99

第七章精儲裝置.....................................................................106

第一節(jié)精儲設(shè)備與操作...........................................................106

第二節(jié)故障及維護...............................................................113

第八章空分儀表控制系統(tǒng).............................................................114

第一節(jié)概述..................................................................114

第二節(jié)測量原理...............................................................116

第三節(jié)控制...................................................................118

第九章空分電器控制系統(tǒng).............................................................124

第十章空分裝置的基本操作...........................................................126

第一節(jié)啟動與操作.............................................................126

第二節(jié)空分設(shè)備操作及維護......................................................138

第十一章空分裝置的安裝及安全規(guī)程..................................................142

第一節(jié)空分設(shè)備的安裝..........................................................142

第二節(jié)空分設(shè)備安全規(guī)程........................................................151

第十二章低溫液體罐................................................................157

第一節(jié)低溫液體貯槽的基本原理、結(jié)構(gòu)及功能.....................................157

第二節(jié)低溫液體貯槽的操作....................................................160

第十三章空分閥門...................................................................168

第一節(jié)概論...................................................................168

第二節(jié)常用閥門...............................................................169

第三節(jié)閥門的使用及維修.......................................................170

第十四章空分技術(shù)問答..............................................................173

第一章空氣的性質(zhì)與分離的基本原理

第一節(jié)空氣分離設(shè)備術(shù)語

在學習空分設(shè)備基本知識之前，我們先來了解空分設(shè)備上使用的一些術(shù)語。

一、空氣分離設(shè)備術(shù)語基本術(shù)語

1、空氣

存在于地球表面的氣體混合物。接近于地面的空氣在標準狀態(tài)下的密度為

1.29kg/m3o主要成分是氧、氮和氤；以體積含量計，氧約占20.95%,氮約占78.09%,

氮約占0.932%,此外還含有微量的氫及氯、氫、氟、旅等稀有氣體。根據(jù)地區(qū)條件

不同，還含有不定量的二氧化碳、水蒸氣及乙煥等碳氫化合物。

2、加工空氣

指用來分離氣體和制取液體的原料氣。

3、氧氣

分子式。2,分子量31.9988（按1979年國際原子量），無色、無臭的氣體。在標

準狀態(tài)下的密度為1.429kg/m3,熔點為54.75K,在101.325kPa壓力下的沸點為90.17K。

化學性質(zhì)極活潑，是強氧化劑。不能燃燒，能助燃。

4、工業(yè)用工藝氧

用空氣分離設(shè)備制取的工業(yè)用工藝氧，其含氧量（體積比）一般小于98%。

5、工業(yè)用氣態(tài)氧

用空氣分離設(shè)備制取的工業(yè)用氣態(tài)氧，其氧含量（體積比）大于或等于99.2%。

6、高純氧

用空氣分離設(shè)備制取的氧氣，其氧含量（體積比）大于或等于99.995%。

7、氮氣

分子式N2,分子量28.0134（按1979年國際原子量），無色、無臭、的惰性氣體。

在標準狀態(tài)下的密度為1.251kg/m3,熔點為63.29K,在101.325kPa壓力下的沸點為

77.35K?；瘜W性質(zhì)不活潑，不能燃燒，是一種窒息性氣體。

8、工業(yè)用氣態(tài)氮

用空氣分離設(shè)備制取的工業(yè)用氣態(tài)氮，其氮含量（體積比）大于或等于98.5%。

9、純氮

用空氣分離設(shè)備制取的氮氣，其氮含蓄量（體積比）大于或等于99.995%。

10、高純氮

用空氣分離設(shè)備制取的氮氣，其氮含蓄量（體積比）大于或等于99.9995%。

11、液氧（液態(tài)氧）

液體狀態(tài)的氧，為天藍色、透明、易流動的液體。在101.325kPa壓力下的沸點

為90.17K,密度為1140kg/m3o可采用低溫法用空氣分離設(shè)備制取液態(tài)或用氣態(tài)氧加

以液化。

12、液氮（液態(tài)氮）

液體狀態(tài)的氮，為透明、易流動的液體。在101.325kPa壓力下的沸點為77.35K,

密度為810kg/m3o可采用低溫法用空氣分離設(shè)備制取液態(tài)氮或用氣態(tài)氮加以液化。

13、液空（液態(tài)空氣）

液體狀態(tài)的空氣，為淺藍色、易流動的液體。在10L325kPa壓力下的沸點為78.8K,

密度為873kg/m\液空是空氣分離過程中的中間產(chǎn)物。

14、富氧液空

指氧含量（體積比）超過的20.95%的液態(tài)空氣。

15、微分液氮（污液氮）

在下塔合適位置抽出的、氮含量（體積比）一般為95%~96%的液體。

16、污氮

由上塔上部抽出的、氮含量（體積比）一般為95%~96%的液態(tài)體。

17、標準狀態(tài)

指溫度為0°C、壓力為101.325kPa時的氣體狀態(tài)。

18、空氣分離

從空氣中分離其組分以制取氧、氮和提取氮、氯、氫、氟、包等氣體的過程。

19、節(jié)流

流體通過銳孔膨脹而不作功來降低壓力。

20、節(jié)流效應（焦耳一湯姆遜效應）

氣體膨脹不作功產(chǎn)生的溫度變化。

21、膨脹：流體壓力降低，同時體積增加。

22、等端膨脹效應：氣體在等端膨脹時，由于壓力變化產(chǎn)生的溫度變化。

23、空氣膨脹：空氣在膨脹機內(nèi)絕熱膨脹，同時對外作功的過程。

24、氮氣膨脹：氮氣在膨脹機內(nèi)絕熱膨脹，同時對外作功的過程。

25、一次節(jié)流的液化知循環(huán)（林德循環(huán)）

以高壓節(jié)流膨脹為基礎(chǔ)的氣體液化循環(huán)，其特點是循環(huán)氣體既被液化又起冷凍

作用。

26、帶膨脹機的高壓液化循環(huán)（海蘭德循環(huán)）

對外作功的絕執(zhí)膨脹與節(jié)流膨脹配合使用的氣體液化循環(huán)，其特點是膨脹機進

口的氣體狀態(tài)為高壓常溫。

27、帶膨脹機的中壓液化循環(huán)（克勞特循環(huán)）

對外作功的絕執(zhí)膨脹與節(jié)流膨脹配合使用的氣體液化循環(huán)，其特點是膨脹機進

口的氣體狀態(tài)為中壓低溫。

28、帶膨脹機的低壓液化循環(huán)（卡皮查循環(huán)）

對外作功的絕熱膨脹與節(jié)流膨脹配合使用的氣體液化循環(huán)，其特點是膨脹機進

口的氣體狀態(tài)為低壓低溫。

29、斯特林循環(huán)：由兩個等溫過程和兩個等容過程組成的理論熱力循環(huán)。

整個循環(huán)通過等溫壓縮、等容冷卻、等溫膨脹、等容加熱等四個過程來完成。

30、升華：從固相直接轉(zhuǎn)變?yōu)槠嗟南嘧冞^程。

31、溫差：指冷熱流體兩表面或兩環(huán)境之間有熱量傳遞時的溫度差別。

32、熱端溫差：指冷熱流體間在換熱器熱端的溫度差。

33、中部溫差：指冷熱流體間在換熱器中部的溫度差。

34、冷端溫差：指冷熱流體間在換熱器冷端的溫度差。

35、液氧循環(huán)量

由冷凝蒸發(fā)器底部抽出部分液氧流經(jīng)吸附器，在清除這部分液氧中的碳氫化合

物后再回入冷凝蒸發(fā)器的液氧量。

36、入上塔膨脹空氣（拉赫曼空氣）

由下塔底部抽出部分空氣、經(jīng)切換式換熱器冷段復熱，進入透平膨脹機構(gòu)熱膨

脹后直接送入上塔參加精儲的空氣。

37液汽比（回流比）：在精偏塔中下流液體量與上升蒸汽量之比。

38液泛：在精微塔中上升蒸汽速度過高，阻止了液體正常往下溢流的工況。

39、漏液：在篩孔板精儲塔中因上升蒸汽速度過低，使液體從篩孔泄漏的工況。

40、變壓吸附

利用壓力效應的吸附工藝在吸附一再生操作周期中，較高壓力下吸附，較低壓

力下（或負壓）下再生的過程。

41、跑冷損失

在低于環(huán)境溫度下工作的設(shè)備與周圍介質(zhì)存在的溫差所產(chǎn)生的冷量損失。

42、復熱不足損失

在換熱器熱端冷熱流體間存在的溫差而導致冷量回收不完全的損失。

43、冷量損失

指空氣分離設(shè)備的冷箱由于跑冷損失和復熱不足損失的冷量損失。

44、提取率：產(chǎn)品氣體組分的總含量與加工空氣中該組分的總含量之比。

45、單位能耗：指空氣分離設(shè)備生產(chǎn)單位產(chǎn)品氣體所消耗的電能。

46、低壓流程正常操作壓力大于至小于或等于LOMPa的工藝流程。

47、中壓流程正常操作壓力大于LOMPa至小于或等于5.0MPa的工藝流程。

48、高壓流程：正常操作壓力大于的5.0MPa工藝流程

49、高低壓流程：高壓流程與低壓流程相結(jié)合的流程。

50、帶分子篩吸附器低壓流程

采用分子篩吸附器來清除空氣中水分和二氧化碳及碳氫化合物的低壓流程。

51、空氣分離設(shè)備

以空氣為原料，用低溫技術(shù)把空氣分離成氧氮氮及其他稀有氣體的成套設(shè)備。

52、大型空氣分離設(shè)備

指生產(chǎn)氧氣產(chǎn)量大于或等于10000m3/h（標準狀態(tài)）的成套空氣分離設(shè)備。

53、中型空氣分離設(shè)備

指生產(chǎn)氧氣產(chǎn)量大于或等于1000m3/h至小于10000m3/h（標準狀態(tài)）的成套空

氣分離設(shè)備。

54、小型空氣分離設(shè)備

指生產(chǎn)氧氣產(chǎn)量小于1000m3/h（標準狀態(tài)）的成套空氣分離設(shè)備

二、稀有氣體提取設(shè)備的基本術(shù)語

1、稀有氣體提取設(shè)備

用以提取純氮、純氯、純氫、純氟、純流等氣體產(chǎn)品的設(shè)備。一般需與空氣分

離設(shè)備配用。

2、稀有氣體

指氮、氯、氯、氯、流五種氣體。無色，無臭的氣體。

3、氮氣分子式Ar,原子量39.948（按1983年國際原子量），是一種無色、

無臭的氣體?？諝庵械捏w積含量為0.932%。在標準狀態(tài)下的密度為1.784kg/m3,熔點

為84K。在101.325壓力下的沸點為87.291K。不活潑，不能燃燒，也不能助燃。主

要用于焊接、冶煉等。

4、純氨：用空氣分離設(shè)備提取的純氤，其僦含量（體積比）大于或等于99.99%。

5、液氤：液體狀態(tài)的氤，是一種無色、無臭、呈透明的液體。

6、嵐氣:

分子式Ne,原子量20.179（按1983年國際原子量），是一種無色、無臭的氣體。

空氣中的體積含量為1.8X10-3%。在標準狀態(tài)下的密度為（）8713kg/m3,熔點為24.57K。

在101.325kPa壓力下的沸點為27.09K。不活潑，不能燃燒，也不助燃。主要應用于

照明技術(shù)等。

7、純窟：用空氣分離設(shè)備提取的純氮，其氟含量（體積比）大于或等于99.99%。

8、液氯：液體狀態(tài)的窗陽一種無色、無臭呈透明的液體。液筑常用作低溫源。

9、氮氣：

分子式He,原子量4.0026（按1983年國際原子量），是一種無色、無臭的氣體。

空氣中的體積含為5.24X10-4%。在標準狀態(tài)下的密度為01769kg/m3。在101.325kPa

壓力下的沸點為4.215K。不活潑，不能燃燒，也不助燃。主要用于檢漏、焊接、低

溫研究、特種重金屬冶煉、色譜分析載氣、潛水呼吸氣等。

10、純氮:用空氣分離設(shè)備提取的純氫，其氫含量（體積比）大于或等于99.99%。

11、液氨：

液體狀態(tài)的氫，為無色透明的液體，沸點最低，是一種最主要的低溫源。

12、氮氣：

分子式Kr。原子量83.80（按1983年國際原子量）是一種無色、無臭的氣體。

空氣中的體積含量為1.0XIOX%。在標準狀態(tài)下的密度為3.6431kg/m3。熔點116.2K。

在101.325kPa壓力下的沸點為119.79K。不活潑，不能燃燒，也不助燃。主要用于

電真空及電光源等工業(yè)。

13、純氟:用空氣分離設(shè)備提取的純氮，其氟含量（體積比）大于或等于99.95%。

14＞債氣:

分子式Xe。原子量131.80（按1983年國際原子量）是一種無色、無臭的氣體。

空氣中的體積含量為8.0X10-6%。在標準狀態(tài)下的密度為5.89kg/nA熔點161.65K。

在壓力下的沸點為165.02Ko不活潑，不能燃燒，也不助燃。主要用于電光源工業(yè),

也用于醫(yī)療、電真空、激光等領(lǐng)域。

15、純急：用空氣分離設(shè)備提取的純氤，其很含量（體積比）大于或等于99.95%。

16、氤儲分：

從上塔合適部位提取一股氧、氤、氮混合氣作為氤提取設(shè)備的原料氣體。其組

分（體積含量）氤為7%~10%,氮一般小于0.06%,其余為氧。

17、氤回流液:

在粗氮塔中精儲洗滌下來的氧、氯、氮混合液，其組分與氤偏分氣體成相平衡。

18、粗敏:

由粗氮塔塔頂獲得的氤含量（體積比）大于或等于96%,其余為氧和氮的混合

氣體。

19、富氧液空蒸汽：由粗氮塔冷凝器蒸發(fā)側(cè)的富氧液空蒸發(fā)形成的蒸汽。

20、富氧液空回流液：

為避免粗氮冷凝器蒸發(fā)側(cè)富氧液空中碳氫化合物的濃縮，排放一部分富氧液空

返回上塔。

21、氯氫儲分：從冷凝蒸發(fā)器頂部抽取的氯、氫、氮混合氣體，作為氟氯提取

設(shè)備的原料氣。

22、粗氯儲分：

筑氫儲分經(jīng)粗氟氫塔分離而獲得氯氫濃縮物。其氟和氫的總含量（體積比）為

30%~50%,其余為氮及少量氫的混合氣體。

23、筑氮混合氣：

經(jīng)除氫和氮后所獲得的氟氫混合氣體，其組分含量（體積比）氯約為75%,氫

約為25%o

24、貧氟：

指貧氟塔塔底蒸發(fā)器中獲得的濃縮物。其氟和猷的總含量（體積比）為0.1~0.3%,

其余為氧（甲烷含量0.1?0.3%,）的混合氣體。

25、粗氟：

指粗氮塔塔底蒸發(fā)器中獲得的濃縮物。其氟、債的總含量（體積比）約為50%,

其余為氧的混合氣體（含有少量甲烷）。

26、工藝旅:

指粗氟氣體通過純氟塔進一步分離后獲得的債氣，其債含量（體積比）為99%

左右。

第二節(jié)基本概念

1、液化：氣體變成液體的過程。

2、汽化：氣態(tài)化如果只是從液體的外部自由表面產(chǎn)生，并且在任何一個溫度下

可以取某一個速度進行。

3、蒸發(fā)：在某種溫度下，液體的外露界面上進行的汽化過程。

4、沸騰：液體內(nèi)部發(fā)生汽化過程，即液體內(nèi)部不斷產(chǎn)生汽泡而上升，變成蒸汽

而跑到上部空間去。

5、飽和蒸汽壓：

空間中蒸氣分子的數(shù)目不再增加，蒸汽壓力維持一定，達到平衡。

6、飽和溫度：飽和蒸汽壓所對應的液化溫度。

7、易揮發(fā)組份：

在同一壓力下所對應的飽和溫度越低，表示該物質(zhì)越容易被汽化。

8、臨界溫度:

只有低于這個溫度才可能采用提高壓力的方法使它液化，這個液化的最高溫度。

9、臨界壓力：在臨界溫度下，所需要的液化壓力。

10、汽化潛熱：在飽和溫度下，使液體分子變成蒸汽分子所需的熱量。

11、過熱蒸汽：超過飽和溫度的蒸氣，亦叫未飽和蒸氣。

12、過冷液體：溫度低于該壓力所對應飽和溫度的液體，也叫未飽和液體。

*任何物質(zhì)都能以氣液固的形式出現(xiàn)，并在一定條件下發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。

13、溫度（T）：是物體冷熱程度的標志，對物體的熱運動狀態(tài)有關(guān)。

T（k）=t（℃）+273

K為國際溫標（也叫絕對溫標），t為攝氏溫標

14、壓力（P）：單位面積上所受到的垂直作用力。工程上通常使用的壓力為表

壓（即壓力表直接讀?。?，物性計算時常用絕對壓力，通常P（絕）=P（表）+1個

大氣壓。

壓力單位的換算見表1-2

數(shù)值物理大氣壓工程大氣壓巴毫米汞柱

1物理大氣壓11.03321.013760

1工程大氣壓0.96810.98735.6

1巴0.9871.021750

1000毫米汞柱1.3151.361.331000

1工程大氣壓=1(公斤/厘米2)=735.6(mmHg)=10米水柱

15、比容與重度：單位重量工質(zhì)所具有的容積。(丫)

單位體質(zhì)的工質(zhì)所具有的重量。(P)

體積V,重量G(Kg)

則有丫=V/G(m3/Kg),P=G/V(Kg/m3)

16、氣體：指遠離液體的氣態(tài)物質(zhì)。

*任何氣體都可以液化，只是液化的難易不同而已。

17、蒸汽：指剛由液態(tài)轉(zhuǎn)變過來偏離液態(tài)不遠的氣體物質(zhì)。

18、理想氣體：

假定氣體分子是完全彈性的不占體積的質(zhì)點。分子間沒有相互作用力，即是一

群被此完全自由運動著的質(zhì)點的集合體。理想氣體實際上是氣體在壓力P->0,

比容丫-8時，這一極限狀態(tài)下的氣體。

*理想是不存在的，一般說來，只要工質(zhì)相對地處于低壓高溫狀態(tài)，且計算在允

許誤差范圍內(nèi)者可作為理想氣體處理。

19、自然界中的一些氣體在一般的壓力溫度范圍內(nèi)，氣體的三個狀態(tài)參數(shù)P、V、

T之間存在特殊的關(guān)系，其中一個狀態(tài)參數(shù)不變，另外兩個狀態(tài)參數(shù)之間存在一個簡

單的關(guān)系。

*丁不變時，對一定量的氣體，壓力越高，則氣體所占體積越小，壓力降低，體

積增大。

P|V1=P2V2=......................=PV=常數(shù)

*P不變時，對一定數(shù)量的氣體，溫度升高時氣體體積增大，反之縮小；

V,/T1=V2/T2=...................=V/T=常數(shù)

*丫不變時，一定量的氣體，溫度升高壓力則增高，反這則下降。

Pi/Ti=p2/r2=......................=P/T=常數(shù)

20、理想氣體的狀態(tài)方程：

PlV1/T1=P2V2/T2=......................=PV/T=常數(shù)R

氣體0,N,AreN.Air

K,x?.H2

R(Kg.m/Kg.K)26.530.221.242.0211.10.29.46420.29.8

662826

21、理想氣體的比熱:

使單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高一度所吸收的熱量稱為比熱，工質(zhì)在等壓或等容過

程中的比熱叫做和等容比熱。

等壓比熱=等容比熱+2（Kcal/mol.K）

單原子氣體（He、Ne、Ar、Kr、Xe）是等壓比熱=5,等容比熱=3

雙原子氣體（。2、N2、He）的比熱均與溫度有關(guān)

多原子氣體的比熱與溫度和壓力有關(guān)。

22、熱力學第一定律：

當某一定量機械能產(chǎn)生時（即完成了功），必有相當?shù)臒崃肯У?，反這，當消

耗了一定量的功時，（即消耗了機械功），必發(fā)生相當?shù)臒崃俊?△□=口2-口kQ—

AW

A.絕熱過程：Q=0,則△□=—AW

B.等容過程W=0,則△u=Q

C.當工質(zhì)完成熱力循環(huán)后，系統(tǒng)回到原狀態(tài)"2=口1，則、=人\￥

23、熱力學第二定律：

熱量不可能獨自地，不付代價地（沒有補償?shù)模妮^冷的物體傳向較熱的物體。

24、涉晚.

氣泡的生成如果不僅在液體的自由表面，并且在整個體積內(nèi)進行，與汽化的區(qū)

別在于沸騰是在特定的溫度（所謂的涉瞥遢度或涉初下進行。

25、物相：

如果系統(tǒng)狀態(tài)的參數(shù)值在系統(tǒng)所有各點都是一致或者作連續(xù)的變化而沒有突變,

那末這種系統(tǒng)就稱為單相的或均一的系統(tǒng)。具有一定數(shù)量并在整個質(zhì)量中是物理性

質(zhì)均一的物質(zhì)稱為物和。如果用任意的方法將物相分成幾部分，那么所有部分的狀

態(tài)是相同的。

26、氣液相平衡：

在封閉容器中，如圖1所示。在一定條件下，液相中各組分均有

部分分子從界面逸出進入液面上方氣相空間，而氣相也有部分分子

返回液面進入液相內(nèi)。經(jīng)長時間接觸，當每個組分的分子從液相逸

出與氣相返回的速度相同，或達到動平衡時，即該過程達到了相平

衡。圖1氣液相平衡

平衡時氣液兩相的組成之間的關(guān)系稱為相平衡關(guān)系。它取決于

體系的熱力學性質(zhì)，是蒸儲過程的熱力學基礎(chǔ)和基本依據(jù)。

相平衡是物質(zhì)在各相之間分布的平衡。達到平衡之后，各相的組成和數(shù)量不隨

時間改變。

第三節(jié)空氣分離的基本原理

一.空氣組成

空氣是多種氣體的混合物，其組成如表1所示。主要成分是氧和氮，還有少量的其

它氣體：氮、敏、氯、氟、氤、氫，以及二氧化碳、乙烘和水蒸汽。氮、弱、氯、

氟、債在空氣中的含量很少，稱為稀有氣體?？諝獾母鞣N成分在氣體狀態(tài)下是均勻

混合，很難將它們分開。

表1空氣的組成

名稱分子式體積％沸點°K沸點c

20.9590.19-182.97

氧02

氮78.0977.35-195.81

N2

氤Ar0.9387.46-185.7

Ne1.8x1O-327.26-245.9

氨He5.24x1O-44.21-268.95

氟Krlxl（y4119.96-151.8

氫5x10-520.41-252.75

H2

債Xe0.8x1O-5164.06-109.1

二氧化

0.03-0.04

C02194.96-72.8（升華）

碳

0.01-

乙煥C2H2189.56-83.6（升華）

0.02PPm

隨當?shù)貧庀?/p>

水蒸汽H20273.160

條件而變

空氣—78.81-194.35

目前，空氣分離方法有吸附分離法、膜分離法、精儲法。吸附分離法與膜分離

法主要用于低純度、小型空氣分離裝置。大、中型空氣分離設(shè)備采用精儲法。

二.制冷

空氣是在一170℃以下的精微塔中進行分離的，所以說通過制冷，獲得所需的低

溫并維持這個環(huán)境，是空氣分離的基本前提條件。

制冷的方法有兩種:節(jié)流與膨脹。為了直觀地描述這兩種熱力學過程，先引入溫

一牖圖。

（1）.溫燧圖（T-—S圖）

溫端圖是以溫度為縱坐標，帽為橫坐標的熱力學函數(shù)圖。圖中向上凸起的曲線

叫“飽和曲線”，飽和曲線由兩部分組成，左半邊稱為飽和液體線，右半部分稱為飽

和蒸汽曲線，兩條曲線的匯合點稱為臨界點.在臨界點所對應的溫度稱為臨界溫度，對

應的壓力稱為臨界壓力。臨界點是氣體與液體相互轉(zhuǎn)化的極限（見圖1）

圖1溫熠圖（T—S圖）

飽和曲線和臨界點將此圖分為三個區(qū)域（見圖2）:

S

圖2T-S圖

I區(qū)：臨界溫度以下，飽和液體曲線左邊的區(qū)域為過冷液相區(qū)。

II區(qū)：飽和液體曲線和蒸汽曲線下面的區(qū)域為氣液共存區(qū)。

m區(qū)：臨界溫度以上，飽和蒸汽曲線右測區(qū)域為過熱蒸汽區(qū)。

臨界點的存在說明：只有氣體的溫度低于其臨界溫度時，該氣體才可能變成液

體。

焰、端與壓力溫度一樣，都是狀態(tài)參數(shù)，當物質(zhì)的狀態(tài)確定后，它的焰、

燧也隨之確定。燧代表了流體在流動時所攜帶的能量，單位是KJ/Kmol。

焙（單位質(zhì)量的焙）=比內(nèi)能+PV,其中PV為流體受到的推動力，P為流體的

壓力，V為流體的比容。

流體的內(nèi)能由內(nèi)動能與內(nèi)位能組成。溫度越高，內(nèi)動能越大。內(nèi)位能不

僅與溫度有關(guān)，更主要的取決于分子間的距離，即決定于比容，比容越大內(nèi)位能越

大。

流體的蠟的變化等于外界傳遞進來的熱量與傳熱時流體的絕對溫度之比：

△S=AQ/T

如果傳遞熱量過程中溫度不是常數(shù)，則當流體由狀態(tài)1一狀態(tài)2的端變應為：

△S=/i2dQ/T

端的絕對值和焰及內(nèi)能一樣，在工程計算中無關(guān)緊要，我們所關(guān)心的只是它們的

相對變化量.

（2）.節(jié)流過程：

當一定壓力的流體在管內(nèi)流經(jīng)一個縮孔或閥門時，由于流通截面突然縮小，流體

中會發(fā)生激烈擾動，產(chǎn)生旋渦、碰撞、摩擦，流體在克服這些阻力的過程中，壓力下

降，使閥門后的壓力P2低于閥門前的壓力Pi（見圖3）,我們把這種因流體流動遇到局

部阻力而造成的降壓過程稱之為節(jié)流。流體在管道內(nèi)流動和流經(jīng)各種設(shè)備時也存在

著流動阻力，壓力也有所下降，所以如果泛指節(jié)流過程，也包括流體流經(jīng)管道與設(shè)

備時的壓降過程。從能量轉(zhuǎn)換的觀點來看，由于工質(zhì)流經(jīng)節(jié)流閥的速度很快，膨脹

后來不及與周圍環(huán)境進行熱量交換，并且節(jié)流閥安裝在保冷箱內(nèi)，四周傳給的熱量

可以忽略不計，因此節(jié)流過程可看成是絕熱過程。同時，流體流經(jīng)閥門時與外界沒

有功交換，在既無能量收入又無支出的情況下，流體在節(jié)流前后的能量應不變，即

節(jié)流前后的焰值相等i產(chǎn)i2,這說明節(jié)流本身并不產(chǎn)生冷量。

節(jié)流過程是一個等焙過程，理想氣體的焰只是溫度的函數(shù)，所以理想氣體節(jié)流

后溫度并不發(fā)生變化。而實際氣體的熔值是溫度和壓力的函數(shù)，因此

I,,I

Pi

Pl

圖3節(jié)流示意圖

實際氣體節(jié)流后的溫度存在變化，歸納為三種情況：下降、不變、上升。溫度變化

與否同節(jié)流工質(zhì)的性質(zhì)和節(jié)流前的狀態(tài)有關(guān)。圖4給出的是由實驗方法得到的空氣

節(jié)流轉(zhuǎn)化曲線。轉(zhuǎn)化曲線將坐標分割成兩部分，內(nèi)側(cè)為制冷區(qū)，

即工質(zhì)節(jié)流前處于該區(qū)域的某個狀態(tài)，經(jīng)節(jié)流后溫度將下降；外側(cè)為制熱區(qū)，即工

質(zhì)在節(jié)流前處于該區(qū)域的某個狀態(tài)，節(jié)流后溫度將升高。氧、氮、氫、二氧化碳等

工質(zhì)均存在相似的轉(zhuǎn)化曲線。

圖4空氣轉(zhuǎn)化曲線

從上圖可以得知，在相當大的范圍內(nèi)，空氣節(jié)流后溫度都會下降(氧、氮也是

如此)。

在常溫范圍內(nèi)，空氣節(jié)流后的溫度變化，可以用每降低一個大氣壓所降低的溫

度ai來表示：

ai=(0.268-0.00086P)(273/T)2℃/大氣壓

式中P、T分別表示節(jié)流前空氣的絕對壓力(大氣壓)和絕對溫度(K)。這樣，

當空氣從壓力Pi節(jié)流到P2時，產(chǎn)生的溫降為：

△T=ai(Pi-P2)=aiAP

從溫降的表達式可以看出，節(jié)流前的氣體溫度越低，節(jié)流前后壓差越大，

節(jié)流所獲得的溫降就越大。氧、氮氣節(jié)流溫降的計算經(jīng)驗公式也與此類似。利用以

上公式，可以指導我們進行空氣節(jié)流制冷的實際應用。

(3).等溫節(jié)流制冷量

圖5一次節(jié)流循環(huán)示意圖

既然通過節(jié)流可以降低溫度，那么節(jié)流后的工質(zhì)相對于節(jié)流前的溫度就具備一

定的制冷能力，我們把這個制冷能力稱為等溫節(jié)流制冷量(圖5)

單位質(zhì)量工質(zhì)的制冷量：q=CPiAT

即：q=CP)ai(P1-P2)=H3-H2(H,=H2,H0=H3)

=Ho-Hi

(CPI：工質(zhì)在Pi下的平均定壓比熱)

從計算結(jié)果來看，等溫節(jié)流制冷量等于壓縮機等溫壓縮前后的焰差。事實上，

如前所述，節(jié)流并不產(chǎn)生冷量，只是通過節(jié)流，把工質(zhì)在等溫壓縮時已具備的制冷

量表現(xiàn)出來而已。真正的制冷量是在等溫壓縮過程中產(chǎn)生的，即冷卻水從壓縮機帶

走的能量大于驅(qū)動機傳給壓縮機的能量，致使壓縮機出口工質(zhì)的焰值Hi小于入口工

質(zhì)的焰值Ho0

另外，等溫節(jié)流制冷量與節(jié)流前有無換熱器無關(guān)，壓縮工質(zhì)經(jīng)換熱后，在節(jié)流

時，并不增加制冷量，而是影響節(jié)流前后的溫度。

⑷膨脹制冷

利用透平膨脹機制冷是空分裝置制取冷量獲得低溫的主要途徑，工質(zhì)在膨脹機

內(nèi)膨脹，同時對外作功，使膨張后的工質(zhì)大大降溫，膨脹機安置在保冷箱內(nèi)，而且

由于過程進行的很快，來不及與外界進行熱交換.所以膨脹過程近似可以看成是

絕熱過程，在理想狀況下(即工質(zhì)在膨脹機內(nèi)沒有任何摩擦)，膨脹過程燧值不發(fā)生

變化。

如圖6中1—2所示：實際上，由于氣體與氣體之間，氣體與機器壁面之間不可

避免地要產(chǎn)生摩擦，摩擦熱又傳給氣體，使膨脹后氣體的溫度及焙值增加，爆也增

加。實際的絕熱膨脹過程應如圖6中1一3所示，實際的絕熱膨脹焰降為ii—i3,它比

理想的絕熱膨脹焰降i1一i2要小。

通常把氣體實際的絕熱膨脹焰降與理想的絕熱膨脹焰降之比，稱為膨脹機的等

端效率，用ns表示；

ns=(ii-is)/(ii-i2)

透平膨脹機的等燧效率與設(shè)計制造的質(zhì)量有關(guān)，同時與安裝、維修也密

切相關(guān)。正常情況下，現(xiàn)在的透平膨脹機的等燧效率一般都能達到85%以上。

經(jīng)膨脹機膨脹后的降溫效果要比節(jié)流好的多，這是由于當氣體經(jīng)膨脹機膨脹時,

除了產(chǎn)生節(jié)流降溫效果.氣體還同時在膨脹機中對外作功，消耗氣體自身的能量，

使分子的動能進一步減少，因此降溫更顯著。

膨脹機前后的壓差及膨脹機進口的工質(zhì)溫度，直接影響著膨脹機的制冷效果。

如果膨脹機的等端效率保持不變，進口溫度一定時，當壓差越大，那么單位質(zhì)量的

工質(zhì)膨脹后的焰降也越大，對外作功也越多，溫度降低越顯著，當膨脹機前后的壓

差一定時，提高進膨脹機的溫度，膨脹后的工質(zhì)溫度升高，則降溫效果變大，單位

質(zhì)量工質(zhì)的制冷量增加。

對于理想氣體，膨脹溫降可以用下面的關(guān)系式精確表達：

△T.=Tt-Tt=T?[(^)?T1-11

(雙原子的理想氣體R=1.4)

對于實際氣體，膨脹過程的溫降常用熱力學圖(T-S圖)查找。

(5).膨脹機的制冷量：

膨脹機的作用相當于一個對外作功的節(jié)流閥。所以單位質(zhì)量的膨脹工質(zhì)的制冷

量分為兩部分：見圖7

圖7膨脹機制冷循環(huán)示意圖

q=等溫節(jié)流制冷量+膨脹機的輸出功=(ii-i4)+&-i3).

(6).膨脹機工作時的能量轉(zhuǎn)移

壓力工質(zhì)進入膨脹機進行絕熱膨脹后，以較低的溫度和壓力排出機外，同時膨

脹機對外作功。過去常用電機或風機作為膨脹機的制動設(shè)備?，F(xiàn)在往往用單級離心

壓縮機(增壓器)作為制動裝置。增壓器獲得膨脹功后，將送入膨脹機的工質(zhì)進一步升

壓。隨著膨脹機入口壓力增加，單位質(zhì)量的工質(zhì)制冷量也將增大。當空分裝置的冷

量要求一定時，膨脹量就可以因此減少。

另外，采用增壓器這種制動方式還避免了機械能轉(zhuǎn)變成電能所導致的損失，提

高了膨脹功的回收效率。所以說它是先進的。

圖8膨脹機工作能量轉(zhuǎn)移示意圖

膨脹機在絕熱條件下工作，根據(jù)能量守恒：

G膨ii=W膨十G膨i2

所以：W膨=6膨("12)

(7).節(jié)流制冷與膨脹制冷的比較：

a.從降溫效果看，膨脹制冷要比節(jié)流制冷強烈得多。

b.從結(jié)構(gòu)來看，節(jié)流閥結(jié)構(gòu)很簡單，操作也方便，而膨脹機是一套機組，結(jié)構(gòu)復

雜，操作、維修要求高。

c.從使用范圍來看，節(jié)流閥適用于氣液兩相區(qū)內(nèi)工作，即節(jié)流閥出口可以允許有

很大的帶液量，但目前帶液的兩相膨脹機，其帶液量尚不能很大。

根據(jù)以上特點，在全低壓空分裝置中.一般都同時采用節(jié)流制冷與膨脹制冷，

互補所缺。

（8）.裝置的冷量平衡：

維持系統(tǒng)的冷量平衡，是空分裝置正常運行的基本保證，空分裝置的冷量損失

主要包括以下幾項：

a.跑冷損失：透過保冷層，周圍大氣傳遞給冷箱內(nèi)低溫設(shè)備及管道的熱量，即相

對冷箱而言損失了的冷量，叫跑冷損失。

b.熱交換不完全損失：低溫氣體離開冷箱時，在理想狀態(tài)下它應復熱到正流工質(zhì)

進入冷箱的溫度，這樣冷量可全部回收，但由于存在傳熱溫差，在換熱器熱端，復

熱工質(zhì)不能達到正流工質(zhì)的進口溫度而帶走的冷量損失。

c.生產(chǎn)液態(tài)產(chǎn)品帶走的冷損（如果不生產(chǎn)液態(tài)產(chǎn)品，就沒有這項冷損）。

d.其它冷損：當裝置有泄漏時，損失了一部分低溫液體或氣體，這種損失屬于其

它冷損。

在正常生產(chǎn)過程中，空分裝置處于穩(wěn)定流動狀態(tài)。根據(jù)能量守恒定律，則有：

等溫節(jié)流制冷量+膨脹機制冷量=跑冷損失+熱交換不完全損失+液體產(chǎn)

品帶走的冷損。

如圖9所示。（注：對于內(nèi)壓流程而言，冷損中還包括高壓氧氣帶走的冷，該項

冷量相當于等溫壓縮制冷的逆過程。）

h*til<?q隨冷損失）

/冷箱邊界

圖9空分裝置其它冷損示意圖

該等式也可以用焰值來表示：

跑冷損失十進入冷箱各項工質(zhì)的焰值之和=離開冷箱的各項工質(zhì)的焰值之和

十膨脹機的輸出功，即：

三.精儲的基本原理

1.單組分汽一液相平衡

對單組分汽一液兩相系統(tǒng)，可以將壓力表示為溫度的函數(shù)：

P=6(T)

此方程式所決定的壓力P稱為汽一液兩相系統(tǒng)的平衡壓力。方程式在(P,T)平

面上表示成一條曲線，稱為蒸汽壓曲線(圖2飽和蒸汽壓曲線)。這條曲線上的點對

應于兩個平衡共存的液相與汽相。蒸汽壓曲線也是汽一液相平衡曲線，因為穩(wěn)定的

兩相平衡狀態(tài)只能是位于曲線的點所表示的狀態(tài)。平面上其余的點或?qū)趦上嘞?/p>

統(tǒng)的不平衡狀態(tài)，或?qū)趩蜗嗟钠胶鉅顟B(tài)。

圖2飽和蒸汽壓曲線

圖3氧蒸汽壓與溫度曲線

圖4氮蒸汽壓與溫度曲線

圖5氫蒸汽壓與溫度曲線

2.雙組分理想溶液的氣液相平衡

2.1拉烏爾定律

根據(jù)溶液中同分子間的與異分子問的作用力的差異，可將溶液分為理想溶液和

非理想溶液兩種。實驗表明，理想溶液的氣液平衡關(guān)系遵循拉烏爾定律（Raoult，sLaw）,

即：

PA=PA°XA=PA°X

PB=PBXB=PA"（1-X）

式中p一一溶液上方組分的平衡分壓，Pa；

p°——同溫度下純組分的飽和蒸氣壓，Pa；

x——溶液中組分的摩爾分率。

（下標A表示易揮發(fā)組分，B表示難揮發(fā)組分）

為簡單起見，常略去上式中的下標，習慣上以x表示液相中易揮發(fā)組分的摩爾

分率，以（1-x）表示難揮發(fā)組分的摩爾分率；以y表示氣相中易揮發(fā)組分的摩爾分

率，（1-y）表示難揮發(fā)組分的摩爾分率。

2.2相律

相律表示平衡物系中的自由度數(shù)、相數(shù)及獨立組分數(shù)間的關(guān)系，即：

F=C-（/）+2

式中F——自由度數(shù)；

C一一獨立組分數(shù)；

4>-----相數(shù)。

式中的數(shù)字2是假定外界只有溫度和壓強達兩個條件可以影響物系的平衡狀態(tài)。

對兩組分的氣液平衡物系，其中組分數(shù)為2,相數(shù)為2,而可以變化的參數(shù)有四個，

即溫度t、壓強P、一組分在液相和氣相中的組成x和y（另一組分的組成不獨立），故：

F=2-2+2=2

由此可知，兩組分氣液平衡物系中只有兩個自由度，即在t、P、x和y四個變量

中，任意確定其中的二個變量，此平衡狀態(tài)也就確定了。又若固定某個變量（例如外

壓），則僅有一個獨立變量，而其它變量部是它的函數(shù)，因此兩組分的氣液平衡可以

用一定壓強下的t—x（或y）或x-y的函數(shù)關(guān)系或相圖來表示。

2.3兩組分氣一液相平衡圖

（1）x—r（泡點）關(guān)系式

液相為理想溶液，服從拉烏爾定律：

PA=PAXA=

PB=PB'，XB=PA"^~X）

氣相為理想氣體，符合道爾頓分壓定律:

、，PA_PAx

y=一=---

APP

混合液沸騰的條件是各組分的蒸汽壓之和等于外壓，即

P=PA+PB

=P：'X+PJ（1_X）

,P-PB

A-

PA°-PB°

純組分的蒸汽壓p°與溫度/的關(guān)系式可用安托因方程表示，即

logp0-A———

t+c

故X與，的關(guān)系為非線性關(guān)

系，已知f求尤用上式很方便，但120

是已知X求泡點/要用試差法（迭B

110

代法）求。

（2）y-r（露點）關(guān)系式L

‘wo

指定，用上述方法求出X后?

M90

用道爾頓分壓定律求力即s

pA°x80

乃=-----

P

70

（3）r-x（或y）圖

將用上述方法求出的

r-x（或y）的數(shù)據(jù)畫在同一張圖上，

就得到f-x（或y）圖。

此圖的的特點如下：

兩端點A與B.端點A代表純易揮發(fā)A組分（x=1）,端點B代表純難揮發(fā)B組

沸點＜沸點

分（％=°）。'A,’B,

兩線：x線為泡點線，泡點與組成x有關(guān)；‘一丁線為露點線，露點與組成y有

關(guān)。

3區(qū)：f-x線以下為過冷液體區(qū)；線以上為過熱蒸汽區(qū)；在r-x與f-y

線之間的區(qū)域為氣液共存區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)氣液組成y與％是成平衡關(guān)系，氣液兩

相的量符合杠桿定律。只有設(shè)法使體系落在汽液共存區(qū)這才能實現(xiàn)一定程度的分離。

例如將組成為4的過冷溶液加熱至C點，產(chǎn)生第1滴氣泡，故C點所對應的溫度稱

為泡點，氣泡組成為X,維持加熱升溫至G點，溶液部分汽化，氣相組成為）'F（F

點），液相部分分離，丁與x成平衡關(guān)系，G點所對應的溫度為氣液相的平衡溫度；

反之將組成為力的過熱混合氣體冷卻至D點，第1滴冷凝液出現(xiàn)，D點所對應的溫

度為露點，液滴組成為西，繼續(xù)冷卻至G點氣相部分冷凝，液相組成為工,氣相組

成為九故部分冷凝亦可實現(xiàn)一定程度的分離。

由此可見，將液體混合物進行一次部分氣化的過程，只能起到部分分離的作用，

因此這種方法只適用于要求粗分或初步加工的場合。顯然，要使混合物中的組分得

到幾乎完全的分離，必須進行多次部分氣化和部分冷凝的操作過程。

（4）y-x

在蒸儲計算中廣泛應用的是一定總壓下的I.,-------------------0

y-x圖。因故在任一x下總是y>x,

相平衡曲線y—X必位于對角線y=x上方。若I//

平衡曲線離對角線越遠，越有利于精儲分離。i//乂；’

總壓恒定

注意：y—x曲線上各點對應不同的溫度。X、y

值越大，泡、露點溫度越低。

圖7相平衡曲線

（5）相對揮發(fā)度a和相平衡方程

相對揮發(fā)度a

純組分的飽和蒸汽壓P”只能反映純液體揮發(fā)性的大小。某組分與其它組分組成

溶液后其揮發(fā)性將受其它組分的影響。溶液中各個組分的揮發(fā)性大小應該怎樣表達

才符合實際情況呢？對了，要用各組分的平衡蒸汽分壓與其液相的摩爾分數(shù)的比值,

即揮發(fā)度7表示。

揮發(fā)度

在蒸儲中表示分離難易程度要用兩組分揮發(fā)度之比，稱為相對揮發(fā)度戊

。=區(qū)=&&叢"(i)

/XXX

相對揮發(fā)度YBPBB%//XA/XB/(1-)

ax

y二

相平衡方程l+(a-l)x

此式表示互成平衡的氣液兩相組成間的關(guān)系，稱為相平衡方程。如能得知a值,

便可算出氣液兩相平衡時易揮發(fā)組分濃度y-x的對應關(guān)系。

對理想溶液，將拉烏爾定律帶入夕的定義式可得

a=〃_PA/XA_

BXB

YBP/PB°

即理想溶液的a值僅依賴于各

純組分的性質(zhì)。純組分的飽和蒸汽壓

PA"、PB”均系溫度/的函數(shù)，且隨溫

度的升高而加大，因此a原則上隨溫

度（也即隨》）而變化。但PA7PB”

與溫度的關(guān)系較PA"或PB"單獨與溫

度的關(guān)系小得多，因而可在操作的溫

度范圍內(nèi)取一平均的相對揮發(fā)度。

X

圖8相對揮發(fā)度為定值的相平衡曲線

并將其視為常數(shù)，這樣利用相平衡方程就可方便地算出）一》平衡關(guān)系。換句話說相

平衡方程僅對a為常數(shù)的理想溶液好用。

那么怎么取