爱华网全低压分子筛流程DEE? <
该流程又称为吸附净化流程。(,d
利用分子筛净化空气。hb
随着分子筛吸附剂的开发和完善，以及吸附工艺的改善，特别是吸附剂的共吸附特性，使吸附剂同时可以清除空气中的H2O，CO2，C2H2，CnHm大大简化了空气净化和空分的流程。UTW
第一节 概述-:$
一.基本知识nK
1.物态(固,液,气)W l~p
2.基本状态参数(温度,压力,比容与相对密度)k
3.空气的组成及性质|Q,6
1.物态Y1|
人们日常接触到的东西，不外是三种状态：固态、液态、气态（在常温下）。状态也称为“相”，固态、液态和气态也可分别称为固相、液相和气相。=[@
一般来说，物质都能以气态、液态或固态的形式存在，并在一定的条件下可以互相转化。例如水，平常见到的是液态；当气温低时，会结成冰，成为固态，水加热以后又可变为水蒸气。再如氧[e8
气，人们平常接触到的是气态，如果在标准大气压下将氧气冷却到-182.8℃，就变成液态氧，如果再将液态氧进一步冷却到-218.4℃，就会凝成固体。像上面所述物质从一种聚集状态变为另一种聚集状态的现象称为状态变化或相变。6I|L_v
在空气分离制氧过程中就可以看到好几咱物质以不同的状态出现，例如空气、氧、氮都会以气态或液态出现，二氧化碳会以气态或固态出现，空气中的水汽会以气态、液态或固态出现等。w:(W@T
在制氧过程中可以看到好几种物质以不同的状态出现。57y9V
例：空气.氧.氮都会以气态或液态出现。+
二氧化碳会以气态或固态出现。1G
空气中的水汽会以气态，液态或固态出现。 2.基本状态参数|"X9tG
在空分装置中经常用温度、压力、比容（或相对密度）等来说明物质的状态，这些可以用来说明气体状态的物理量就叫做状态参数，以上三种状态参数是最常用的，所以也称为基本状态参数。_JeAq[
（1）温度 温度是空分装置运转情况的重要参数之一。用温度的高低来表示物体的冷热程度，由它可以知道空气在空分装置各部位被冷却的状态。f-"7<
（1）温度51
温度是空分装置运转情况的重要参数之一。用温度的高低来表示物体的冷热程度，由它可以知道空气装置各部位被冷却的状态。T
摄氏温度是以标准大气压下冰的熔点作为0度，水的沸点为100度，在0度与100度之间等分一百份，每一等份称为1度，用℃表示。低于冰点的温度用负值表示。在空分生产中常接触到用负值表示介质的温度状态。6:m
在热力学中经常采用“绝对温度”来表示气体温度的高低。绝对温度中每一度的大小与摄氏温度完全一样，只是起点不同。它以-273℃作为温度的零度，叫做绝对零度。这种状态实际上是达不到的，因此，用绝对温度表示的温度没有负值。在工程计算中常用绝对温度，用K表示，它与摄氏温度的关系如下。q8p@i T=273 +t KFmhVKj
t=T-273 ℃ '
（2）压力_{
（2）压力（或压强） 单位面积上的作用力叫“压力”，也称为压强。常用符号P来表示。如果用P表示压强，以A表示受力面积，F表示垂直作用力。则压强P为c
P=F/A w`IlC
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由式可见，压强的大小是由压力和面积单位决定的，如果压力单位是牛顿[N]，面积单位是平方米[m2 ] ，那么压强的单位是[N/m2]，这是国际单位制中的压强单位，称为帕斯卡，简称帕，用符号Pa表示。]9k ©空分之家 -- ----空分操作和管理人员的园地。 sG
1工程大气压=1kgf/cm2=10000kgf/m2y'jfd^
1kgf/cm2=98.1kPa=735.6(mmHg)=10(mH2O)n!:Ar
1atm=101.3kPa=10336kgf/m248
1工程大气压=98.1KPa=0.0981MPa&o'9xc
绝压，表压，真空度间的关系,}|YvV
工程上常用绝对大气压、表压和真空度来表示物质的状态，其关系如下：uo2.
P绝对＝P大气+P表0,m[81
P绝对＝P大气-P真空 .>T
（3）比容与相对密度@
（3 ）比容 单位质量的气体所占的容积叫比容，用符号u表示，单位是米3/公斤（m3/kg）。设G公斤气体的容积为V米3，则该气体的比容为zNX
u＝V/G米3/公斤（m3/kg)qGFNI
单位体积气体的质量称为气体的密度，用P表示。即^Tu
P ＝G/V 公斤/米3（kg/m3)I|DH2h
根据以上关系可知比容与密度互为倒数。密度越大，比容越小。fhh-^
固体或液体的比容（或密度）对一定物质来说，基本上是一的，这是因为压力和温度对固体或液体的体积的变化影响不大，但对气体来说，却随温度和压力而变化，且比容（或密度）的变化要吧是很大的。对一定的气体，在一实际上的压力P和温度T下，u~D
就有一确定的比容。也就是说，这三个状态参数之间存在着一定的关系，只要知道这三个参数中的任意两个，就可以通过一定的关系或（状态方程式）求出第三个状态参数。o
3.空气的组成及其性质AFE@s
（1）空气的组成 空气主要是由氧和氮组成，在气体状态，它们均匀地混合在一起。空气中还含有氩、氖、氦、氪、氙、氡等气体。这些气体化学性质稳定，在空气中含量甚少，在自然界不易得{mDs>'
（1）空气的组成!B
到，所以称为稀有气体。同时空气中还含有甲烷及其他碳氢化合物、氢、臭氧、二氧化碳、水蒸气及灰尘等。在地球表面，干燥空气的组成列于表3-1中。bS=t
若不考虑水蒸气、二氧化碳和各种碳氢化合物，则地面至100km高度的空气的平均组成保持恒定值。在25km高空臭氧的含量有所增加。在更高的高空，空气的组成随高度而变，且明显地同每天的时间及太阳活动有关。但是，空气组成的局部分布是不一致的，即使在海平面上也有不同，各个工业区空气的成分和杂质会计师也各不相同。~a[E
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空分生产中对空气的质量要求如下：.F
CO2≤ 724mL/L、CO<1mL/L、CH4<10mL/L、C2H2<1mL/L、 CnHm<25mL/L、SO2<0.1mg/m3(标）、NO<1mg/m3(标)、H2S ≤0.1mg/m3（标）、Cl2<0.1mg/m3（标）、H2<1mL/L、NH3 ≤ 4mL/L&& 小链接55k
臭氧是大气中的微量气体之一，其主要浓集在平流层中20-25千米的高空，即大气的臭氧层。N~mB"+ 臭氧层对保护地球上的生命界以及调节地球的气候都具有极为重要的作用。TY>1
然而，近些年来，由于在平流层内运行的飞行器日益增多，人类活动产生的一些痕量气体如NOx和氯氟烃等进入平流层，使臭氧层遭到破坏，以至于在南极上空出现了“臭氧空气洞”。 小链接1cD
臭氧浓度降低，臭氧层的破坏，将对地球生命系统产生极大的危害。>M
首先，由于臭氧层的破坏，大量紫外光辐射将到达地面而危害人体健康。JLDD-
有人估计，如臭氧层中O3浓度减少1%，则地面紫外光辐射将增加2%，导致皮肤癌发病率增加2%-5%。(`"5z-
此外，还会使白内障发病率增高，以及对人体免疫系统功能产生抑制作用。紫外光辐射增大，也会对动、植物产生影响，而危及生态平衡。臭氧层破坏还将导致地球气候出现异常，由此带来灾害。 （ 2）空气及其各组分的性质'n9U
①空气的性质。 常温下的空气是无色无味的气体，液态空气则是一种易流动的浅蓝色液体。当空气温度降到液化温度逐渐液化qFzLaF
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时，它的性质已由量变发展到质变，与气体状态时有很大差别，在空分装置中要遇到这种质变，因此对其要有所了解。_
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空气作为混合气体，在定压下冷凝温度要连续降低。如在标准大气压（101.3KPa）下，空气于81.7K（露点）开始冷凝，温度降低到78.9K（泡点）时全部转变为饱和液体。这是由于高沸点组分（氧）开始冷凝较多，而低沸点组分（氮）到过程终了，才会较多地冷凝下来。C>
②氧和氮的性质7T
氮是一种无色无味的气体，标准状态下的密度为1.25Kgm3，比空气稍轻，难溶于水。氮的化学性质不活泼，在通常情况下很难跟其他元素化合，故可以用作保护气体，在高温下，氮能够同氢、氧及某些金属发生化学反应，其沸点比空气低，所以液氮是低温研究中最常用的安全冷却剂，但要当心窒息，液氮的蒸发温度为77.36K。在标准大气压下，液氮冷却到63.2K时转变成无色透明的结晶体。ExG!|r ©空分之家 -- ----空分操作和管理人员的园地。 f`z(
氧是一种无色无味的气体，标准状态下和密度是1.43Kgm3，比空气略重。氧较难溶解于水。氧的化学性质非常活泼，它能跟很多物质（单质和化合物）发生化学反应，同时放出热量；反应剧烈时还会燃烧发光。vu.k`
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在标准大气压下，氧在90.188K时变为易流动的淡蓝色液体；在54.4K时凝固成淡蓝色的固体结晶。>q 可燃气体（乙炔、氢、甲烷等），可与氧按一定比例混合而形成爆炸性混合物。氧还具有感磁性，也就是说，氧分子在磁力的作用下可带磁性，并可被磁极所吸引，氧的这一特性已被利用来制作氧磁性分析仪，根据磁化率的变化可以测出抗磁性气体混合物中含微量氧的浓度。4.
③ 气体的性质及其规律#=
在生产中经常可以看到这种现象，空分装置在夏天气温较高时，或在高原地区气压较低时，空压机的气量将减少，造成空分装置的压力降低。当往一恒定容积的贮气罐内充气时，罐内压力会升高，在试压时，虽然没有漏气，由于温度的变化，也会引起压力的改变，这些现象说明，气体的压力p、温度T、体积V和质时G之间存在着一定的关系。这一关系称为气体的基本定律。P[c
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（记忆）空气N2O2Ar*@
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理想气体状态方程式{tvsG{
P V= n R TE9c&
n=1L
R=1x22.4/273.15+RR7|
=0.82L • atm/K • mol4S0^+
R=1.0133x105x22.4x105/273.15Kx1molW
=8.314J/K • mol$'I$mn
.理想气体状态方程式是在温度不太低（与室温相比），压力不太高（与大气压力相比）时，由实验得到的。:?j8b
如果气体的压力很高，温度很低（接近气体液化时的温度），如真实气体就不遵守这此定律。在使用该方程式时则需校正。h'{2P
④蒸气的性质_uzY"t
任何气体当提高压力，降低温度时均可变为液态。s
通常把接近于液态的气体称为蒸气，最常见的是水蒸气。T
蒸气冷凝和液体蒸发>yLAw%
蒸气冷凝（或称液化）和液体蒸发（或称汽化）过程是两个相反的过程，它们的共同特点是液化和汽化均需在某一温度下才发生，这个温度称为“液化温度”或“汽化温度”，也称“沸点温度”，它是物质由量变到质变的转折点。
当温度低于该温度时，物质以液态存在；高于该温度时，以气态存在。对液体和气体来说，当被加热或冷却时，温度随之发生变化，而在蒸气达到液化温度产生第一滴液体开始，一直到全部变成液体时为e"Q*Q 止（叫液化阶段），整个阶段温度维持不变。因此，液化温度也叫饱和温度。温度刚达到液化温度尚未开始液化的蒸气叫“干饱和蒸气”，产生部分液体时的蒸气叫“湿饱和蒸气”；全部变成液体而温度仍维持饱和温度的液体叫“饱和液体”。温度低于饱和温度的液体叫“过饱和液体”或“过冷液体”；温度高于饱和温度的蒸气叫“过热蒸气”。(
沸点温度，气化温度，液化温度，饱和温度2ptPQ
干饱和蒸气-湿饱和蒸气d>mO
饱和液体——过饱和液体——过冷液体7,~o3B
过热蒸气EA
对于不同的物质，它们的液化温度是不同的。液化温度低的物质易挥发，液化温度高的难挥发。对同一种物质，在不同的压力下，对应的饱和温度也不同。压力越高，饱和温度也越高。即压力越高蒸气越容易液化。在同样压力下，氮的饱和温度比氧低，这表示氮比氧容易汽化。y
压力增加使饱和温度提高并不是无止境的，当温度超过某一值，即使再提高压力也无法使气体液化，只有温度低于该值时，液化才有可能。这个温度叫“临界温度”。相应于临界温度下的液化压力叫“临界压力”。对一定的物质，临界温度与临界压力有确定的数值，见表3-2。8//+h4
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由表3-2可见，要使空气液化，只有将空气冷却到它的临界温度-140.7℃以下才可能。在临界温度时，只有把空气压缩到临界压力（3.84MPa)或高于此压力时才有可能液化。s6-
在临界状态下饱和液体与饱和蒸汽已没有区别，汽化或液化不再分阶段，因此，相应于临界温度与临界压力的点叫“临界点”。# D:5
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临界压力，临界温度，临界点3
任何气体当提高压力，降低温度时均可变为液态。压力提高？降低温度？h}
汽化潜热 冷凝潜热CtEH
蒸气液化或液体汽化阶段的另一特点是，该阶段温度虽然维持不变。但必须放出热量或吸收热量才能使其发生变化。这个热量叫做“潜热”。1kg饱和液体全部汽化成干饱和蒸气所需的热量叫“汽化潜热”，单位为J/kg。1kg干饱和蒸气液化成饱和液体所放出的热叫“冷凝潜热”，二者的数值相等。Em
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汽化潜热的大小与物质的种类及压力有关。压力越高，汽化潜热越小。在临界压力下，干饱和蒸气与饱
和液体已没有区别，其汽化潜热等于零。蒸气的性质比较复杂，不能简单地由状态方程式来表示压力、温度等参数之间的关系。而需将各种物质的状态参数之AJfBx
间的关系分别制成图或表，这种图或表叫“气体的热力性质图”。Ci/i
热力性质图是取两个状态参数为坐标，其它参数与它们的关系分别用等值线的方式表示在图上。D
在空分生产计算中，用的最多的是空气的温-熵图（T-S图）、焓-温图（H-T)、焓-熵图（H-S)以及氧、氮的T-S图等。-ar6
焓，熵f^T
内能:分子运动的动能和分子相互作用的位能之和.i;G
影响内能的主要因素是温度.温度升高,内能增大h'!r
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流体在流动时,后面流体对前面的流体作了功,这个功转变为流体的一部分能量,叫做流动能.在数值上等于流体的压力p与所流过的容积△V的乘积。因此流体所具有的能量等于内能和流动能之和.这二者之和通常称为焓.用符号H表示.H=U+pÄV （热效应）焓的单位是J,单位质量的焓用J/kg表示js)]
在一定温度下物质传递的热量Q与该绝对温度T之比 (Q/T) 称为熵S,单位为J/K,单位质量的熵用J/g.k表示.<
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T-S图是以温度为纵坐标，熵为横坐标，形状如图3-1所示。`1)vVV
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T-S图©空分之家 -- ----空分操作和管理人员的园地。 {ge{
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空气、氧、氮的T-S图形状相似，只是具体数值不同，图中有一组等压线，它是根据在一定压力下液体的汽化过程实验做得的。对不饱和液体进行加热时，液体吸收热量，熵增加，同时温度也升高，当液体达到饱和时，如果继续加热，则逐渐汽化，但温度<Hj7Z
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维持不变，而熵却增加了。因此，在汽化阶段的等压线为一水平线，它同时又是等温线。当液体全部汽化成为干饱和蒸气后。如果继续加热，则在熵增加的同时，温度又升高，等压线为一向右上方的倾斜曲线。3k17gC
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压力越高，汽化温度也越高。因此，在等压线组中，越上面的曲线压力越高。压力越高，饱和液体与干饱和蒸气的差别越小，汽化阶段越短，因此，水平线的长度也越短。压力为临界压力时，已没有汽化阶段，当温度达到临界温度时液体直接汽化为蒸气。因此，临界压力下的等压线已没有水平段，曲线上温度为临界温度的点叫临界点。L%
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将不同压力下饱和液体点及干饱和蒸气点连接起来，构成图下方的一条向上凸的曲线，叫“饱和曲线”。在临界点左边为饱和液体线，右边为干饱和蒸气线。饱和曲线将图分成三个区域：在饱和液体线左侧为未饱和液体区，干饱和蒸气线的右侧为热蒸气区，饱和曲线下侧为液体与蒸气的混合物，称“湿蒸气”区。% 在湿蒸气区，一定的压力对应一定的饱和温度，但随吸热多少的不同，蒸气含量也不同。图中a点在饱和液体线上，蒸气含量为0；b点在干饱和蒸气线上，蒸气含量为100％；c点如果落 在湿蒸气区，则称它为气液混合物。通常把1kg湿蒸气中所含的饱和蒸气 的数量（x公斤）叫“干度”，或“气化率”。c点越接近b点，U5
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则表示气液混合物中所含的饱和蒸气量多，汽化率越大。c点分割ab线段的长度比，即表示气液混合物中气体与液体的数量之比，即j"TXq
因此汽化率可用下式计算G
在T-S图上还给出了一组向右下方倾斜的等焓线。在一定状态下，物质的内能u是一定的，压力p及比容v也一定，因此焓的数值也就确定了。^&
根据压力和温度，很容易在图上找到一个对应点，同时可查到它的焓和熵值。%]ZAt
由于空气是氧、氮的混合物，它们的沸点不同，低沸点的氮比高沸点的氧较容易汽化，因此在汽化过程中液体的成分不断地发生变化，液化中氧的含量有所增加。这样就使饱和温度也稍有增加。所以在空气的T-S图中，湿蒸气区的等压线不是严格的等温线，而稍向上倾斜。b
焓-温图的形状如图3-2所示。m
H-T图的形状`$*N
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它是以焓为纵坐标，温度为横坐标。它与T-S图本质是一样的，都是表示物质的性质，只是为了不同场合的使用方便，所取的坐标不同。n|
在H-T图上，只画出了不同压力下等压线及饱和曲线。等压线由n段组成，在干饱和蒸气以上，为向右上方倾斜的曲线；在汽化阶段温度保持不变，为垂直线。上部等压线的压力比下部%Vrc%
低，左下角为一条饱和曲线，在临界点K以上为干饱和蒸气线，下方为饱和液体线，饱和曲线所围的区域为湿蒸气。Mt+5.+
根据已知的压力和温度，可在图上找到一个点，由纵坐标查出它的焓值。在湿蒸气区，它的干度（汽化率）同样可由线段长度之比来确定。(fWl
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焓-熵图的形状如图3-3所示。;Q
它是取焓H为纵坐标，熵S为横坐标。在图上给出了一组向右上方倾斜的较陡的等压线，最下面的一条压力最低，P=1atm。同时画出了一A|,
组较平坦的等温线。由于H-S图主要用于膨胀机的计算，因此没有将整个湿蒸气画出。图中的干饱和蒸气线以下为湿蒸气，在该区域，等压线即不等温线。温度可由同样压力下a5
H-S图的形状@
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的干饱和蒸气温度确定。为了使用方便，在湿蒸气区还画出了一组待干度线，直接可从图上查出它的干度；[
应用这些图，可对空分装置中的各种过程进行具体分析计算。CbY3z
综述©空分之家 -- ----空分操作和管理人员的园地。 dR7mu
1.基本概念:;!eW*
物质的性质是由物质的组成和所处的状态决定的.Fh&D^
决定物质状态的参数主要有温度,压力,体积,密度,内能,焓,熵等./(
内能:分子运动的动能和分子相互作用的位能之和.9qL
影响内能的主要因素是温度.温度升高,内能增大.X
©空分之家 -- ----空分操作和管理人员的园地。 R&
流体在流动时,后面流体对前面的流体作了功,这个功转变为流体的一部分能量,叫做流动能.在数值上等于流体的压力p与所流过的容积b<)I
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在一定温度下物质传递的热量Q与该绝对温度T之比 (Q/T) 称为熵S,单位为J/K,单位质量的熵用J/g.k表示.Hh{
复习与思考,LBt
1.空分的具体方法是什麽？=
2.目前空分采用的工艺方法是什麽？Ki
3.何谓状态参数?空分中常用的基本状态参数有哪些? 4.氧和氮的性质？AH
5.熟记绝压，表压，真空度间的关系？;b4pS{
©空分之家 -- ----空分操作和管理人员的园地。 Ebf&|
6.熟记空气N2O2Ar物性？brX<p
7.物质的性质是由什麽决定的？e]'W
8.决定物质状态的参数主要有哪些？K[;
9.何谓何谓内能?d@4^
10何谓焓，熵？o3D
©空分之家 -- ----空分操作和管理人员的园地。 w G
11.空气温-熵图的构成及应用?}g
12.何谓液化?如何液化?d
13.液化温度—饱和温度—干饱和蒸气—LCja
湿饱和蒸气？o%Y<m
14.饱和液体—过饱和液体—过冷液体—3/
过热蒸气？yJ
理解下列概念wEsQ
临界压力，临界温度，临界点T
蒸气冷凝和液体蒸发#C<
汽化潜热 冷凝潜热ghdl
认识与应用-(R
气体的热力性质图h.*p_
空气的温-熵图（T-S图）、N24v"
氧、氮的T-S图(
第二节 空气的液化与分离^.2
一.温熵图的构成和应用G.
在空气的液化过程中用T-S图可表示物系的变化过程.并可以直接从图上求出温度,压力,焓和熵的变化值.^ 图5－1为空气的T-S（简图）。+-hh{M
图中向右上方的一组斜线为等压线；?
向右下方的一组线为焓线；Z#Xr
图下部山形曲线为饱和曲线，山形曲线的顶点K是临界点，通过临界点的等温线称临界等温线。8e ©空分之家 -- ----空分操作和管理人员的园地。 jeY
在临界点左边的山形曲线为饱和液体线，临界点右边的山形曲线为饱和气体线。z,fG
临界等温线下侧和饱和液体线左侧的区域为液体状态区；Gn
临界等温线下侧和饱和气体线右侧，以及临界等温线以上的区域是气相区；F`?SN
©空分之家 -- ----空分操作和管理人员的园地。 e:`Zf.
山形曲线的内部是气液两相共存区亦称为湿蒸气区。1pH
两相共存区任意一点表示一个气液混合物。6+D
例如：e点为气体g和液体空气f组成的气液混合物，线段fe和ef的长度比表示气液混合物中气体与液体的数量之比。即fe∶eg#>9\
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在温度、压力、熵、焓四个状态函数中已知任意两个，便可利用空气的T-S图确定空气的状态。r 例如，当空气压力为0.1MPa，温度为30℃时，在T-S图上可用点a表示，点a的状态呈气态。AJ 利用空气的T-S图还可以表示各种变化前后的状态。7~V
0b!RIc
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例如，线段ab表示由压力为0.1MPa，温度为30℃的a点，等温加压到压力为12MPa的b点的等温加压过程。曲线bc表示由压力为12MPa的b点，等焓膨胀到c点的等焓膨胀过程。曲线bd表示当压力为12MPa时，空气由b点冷却到d点的等压冷却过程。'MZg
小思考pn5}
1.何谓空气的温熵图？Z1Nv
2.温熵图如何构成的？Jh
3.在空气的温熵图上表示出等压加热，等焓膨胀和等熵膨胀的过程？<
4.温熵图有何作用？@]2~-
用T-S图可表示物系的变化过程.OB
可以直接从图上求出温度,压力,焓和熵的变化值.3Pc
利用空气的T-S图可以表示各种变化前后的状态。a
二.空气液化的基本原理z9[zM_
所谓液化，就是把一种物质从气体状态变成液体状态的过程。要将气体液化，必须把气体的温度降低到它的临界温度以下。一些气体的临界温度及沸点如表5-2所示。Az;
由表5－2可知，要使空气液化，必须首先将空气的温度降到临界温度－140.6 ℃以下。在临界温度时，只有把空气压缩到临界压力（3.89 MPa）或高于此压力时才能使它液化。02<C
当空气压力低于临界压力时，就必须将空气冷却到比临界温度更低的温度才能使它液化。FY<Bq 思考©空分之家 -- ----空分操作和管理人员的园地。 Yl?0t
使空气液化的方法是什麽？z9RJ
（一）获得低温的方法f
在深冷技术上，获得低温的方法主要有两种：一种是不作外功的绝热膨胀，即节流膨胀；另一种是作外功的绝热膨胀，即等熵膨胀。/@1F
1.节流膨胀 连续流动的高压气体，在绝热和不作外功的情况下，经过节流阀急剧地膨胀到低压的过程，称为节流膨胀。W"B8.
1.节流膨胀-dhn
由于节流前后气体压力差较大，因此节流过程是不可逆过程。气体在节流过程即无能量收入，又无能量支出，节流前后能量不变，故节流膨胀为等焓过程。LYcz
气体经过节流膨胀后，一般温度是会降低的。温度降低的原因是因为气体分子间具有吸引力，气体膨胀后压力降低，体积膨胀，分子间距离增大，必须消耗一部分动能及分子间吸引力，因而温度下降。TW${@J 利用气体的T-S图能十分方便地计算出节流膨胀前后温度的变化。例如在图5-2中，为了求出气体从状态2（T2, p2)节流膨胀到压力为p1时的温度，只要由2点作等焓线H2,与等压压线p1相交于1点，线段2-1表示膨胀过程，1点的温度T1即为节流膨胀后的温度，T2-T1为节流膨胀前后的温度差。8H ©空分之家 -- ----空分操作和管理人员的园地。 :$Nd,y
练习©空分之家 -- ----空分操作和管理人员的园地。 5VF
1.何谓节流膨胀？MG55
2.压力为6MPa，温度为270C的空气节流膨胀到0.1MPa，用空气的T-S图求节流膨胀前后空气的温度？hH3z`I
2.等熵膨胀N3#
2、等熵膨胀 压缩气体经过膨胀机在绝热下膨胀到低压，同时输出外功的过程，称为等熵膨胀。由于气体在膨胀机内以微小的推动力逐渐膨胀。因此过程是可逆的。根据热力学第二定律可知，可逆绝热过程的熵不变，故为等熵过程。oe,%7,
膨胀机分活塞式和透平式两种，压缩气体使活塞移动或使叶轮旋转，然后再驱动发电机或风机。_K&L_ 气体经过等熵膨胀后温度总是降低的，主要原因是气体通过膨胀对外作功，消耗了气体的内能，另一个原因是膨胀时为了克服气体分子间的吸引力，消耗了分子的动能。2"$s
在图5－2中，线段2-3表示气体的压力为P2，温度为的T2的2点等熵膨胀到P1时的过程，T2-T3为膨胀前后气体的温度差。%1/
由图5-2可见，气体同样从状态2（P2、T2）膨胀到低压时，等熵膨胀前后的温差（T2-T3）大于节流膨胀前后温差（T2-T1），同时等熵膨胀的降温效果比节流膨胀的降温效果好，但膨胀机的结构比节流阀复杂。~q
练习[)
1.何谓等熵膨胀？kHW}v
2.压力为12MPa，温度为270C的空气等熵膨胀到0.2MPa，用空气的T-S图求等熵膨胀前后空气的温度？) ©空分之家 -- ----空分操作和管理人员的园地。 O|-&N5
（二）空气的液化;z
工业上液化空气的方法分为两大类：一类为是以节流膨胀为基础的深度冷冻循环，称为节流循环；另一类是以等熵膨胀和节流膨胀为基础的深度冷冻循环，称为带膨胀机的循环。JHsD(=
1.一次节流膨胀d""9Oo
图5－3为一次节流循环的流程及T-S图。空气（状态1）经压缩机C从压力P1压缩到高压P2，并经中间冷却器M被水冷至初温T1。压力P2、温度T1的空气（状态2vfbL
经换热器E被节流后的低温空气（状态5）冷却到状态3，然后再经节流阀减压到P1（状态4）。节流的结果使空气的温度降低，同时有部分bA
空气被液化（状态0），从分离器下部得到产品液体空气。x%puLo
未被液化的空气（状态5）经分离器F与液体空气分离后进入换热器E，冷却高压空气而自身被加热。如果换热器是理想的，换热器热端没有温差，未被液化空气等压加热后仍回到原始状态1。tz`
由上述可知，利用未液化的低温空气作为冷冻剂冷却高压空气，然后低温的高压空气再经节流膨胀，使部分空气液化，这是深度冷冻循环的特点。L
如果是理想状态，换热器热端没有温差，未被液化空气等压加热后仍回到原状态T1.8WyP
实际上在冷冻循环开始时，由初温经过一次节流膨胀后不能立即达到空气的液化温度，需要一个冷却过程，称为启动阶段。;
在深度冷冻循环开始时，由初温T1经过一次节流膨胀后不能立即达到空气的液化温度，需要有一个冷却的过程，称为启动阶段。图5－4表示节流循环的启动阶段，空气由状态1等温压缩到状态2，然后节流膨胀到a。节流后的低压冷空气本身又被加热到T1。当状态b的高压空气节流到c时，温度由Tb降到Te。温度为Te的低压冷空气再回到换热器，将高压空气的温度由T2降到T3，再由d节流到e，如此反复进行。当高压空气被冷却到状态3时，再经节流膨胀，将有液体空气产生，冷冻循环的操作达到稳定，启动阶段结束。-~|
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2.带膨胀机的低压循环h1M.
由于等熵膨胀的降温效果比节流膨胀好，因此在深度冷冻循环中，利用等熵膨胀较利用节流膨胀要经济得多。但膨胀机不能在低温下操作，否则空气液化后将引起液击现象，对膨胀机不利，故一般不单独采用膨胀机，常与节流阀配合使用。b4;
带膨胀机低压循环的流程及T-S图如衅5-5所示。1kg状态为1的空气经压缩机C从压力P1tZ
(0.1MPa)等温压缩到压力p2（0.5～0.6MPa）的状态2，再经换热器E2等压冷却到状态3后分成两部分：其中（1-m)kg空气进入透平膨胀机C，膨胀到p1（状态4）；另一部分空气进入液化器E3管间，由于管内是透平膨胀机来的膨胀气，温度较低，因此可使管间0.5～0.6MPa的空气液化（状态5）。然后，将液化的空气经节流阀减压至0.10MPa。于是，部X
分液化空气（状态0）由液化器E3排出，未液化的空气（状态4）与膨胀气汇合，经换热器E2冷却高压空气而自身被加热到初始状态1，供再次压缩之用。U
在T-S图上1-2表示等温压缩，2-3表示高压空气在换热器E2被等压冷却过程，3-5表示mkg空气在液
化器E3中被冷凝的过程，5-6表示mkg空气的节流膨胀过程，3-4表示(1-m)kg空气在膨胀机中的膨胀过程。$
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1.为什么工业上液化空气的节流循环深冷方法有一启动阶段？/xiIU
2.（ ）带膨胀机的低压循环的降温效果比节流膨胀好。0
3.为什么膨胀机常与节流阀配合使用？tk2$
三、液体空气的精馏lOY4
（一）液体空气精馏的原理9jL4J{
在研究空气的分离时，可以把空气看作氮-氧二元系统。在0.101MPa压力下，氧的沸点为-182.9℃，氮的沸点为-195.8℃，两者相比，氮是易挥发的组分。k6sm
由氮、氧组成的混合液体在吸收热量而部分蒸发时，易挥发组分氮将较多的蒸发；而混合蒸汽在放出热量部分冷凝时，难挥发组分氧将较多地冷凝。x
所以当混合液体部分蒸发或混合蒸气部分冷凝后，液相中氧的含量总是大于气相中氧的含量，而气相中氮的含量总是大于液相中氮的含量。sj
利用氮、氧沸点的不同，经多次部分蒸发和部分冷凝后，可以将液体空气分离为氮和氧，这一过程称为空气的精馏。_#_N
精馏过程是在具有若干层塔板的精馏塔内进行的。weMv?a
塔内的蒸气向上升，在塔板上与温度较低的液体互相接触，蒸气将放出热量给液体。蒸气放出热量而部分冷凝，液体吸收热量而部分蒸发。蒸气在部分冷凝时，由于氧冷凝得较多，所以蒸气中氮的浓度有所提高。X/^a^
液体在部分蒸发过程中，由于氮较多地蒸发，使液体中氧的浓度有所提高。;
如塔足够高，上升的蒸气经过多次部分冷凝，向下流动的液体经过多次部分蒸发，最后在塔顶可得到纯氮，在塔底可得到纯氧。vJI4-
精馏塔的塔板有筛板、泡罩等形式，目前空分装置多采用筛板塔。筛板的结构如图5-6所示。筛板由带有许多孔径为0.7～1.3mm小孔的平板构成，其上设有溢流管。蒸气经过小孔呈鼓泡形式空过液体层，并进行热量交换和质量交换。筛板上的液体通过溢流管排到下一塔板。在正常生产中，只要通KU
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过小孔的蒸气速度足够大，液体就不会从小孔中漏下来。GW-
空气的精馏一般可分为单级精馏与双级精馏。单级精馏操作方便，但所得产品纯度差，而且能量消耗高，因此，目前普遍采用双级精馏。K$
（二）双级精馏塔<f-9e
双级精馏塔的结构如图5-7所示，由上塔、下塔和上下塔之间的冷凝蒸发器组成。在上塔及下塔中均设有若干块筛板。冷凝蒸发器是列管式热交换器，管内与下塔相通，管间与上塔相通。已被预冷的高压空气进入下塔询问的蛇管冷凝成液体，经节流阀减压后进入下塔中部，节流后产生的1:ee"
蒸气向上升，液体沿塔板往下流。在下塔内，上升的蒸气中氧含量逐渐减少，在下塔顶部得到纯的氮气。氮气进入冷凝蒸发器的管内被冷凝不液氮，一部分作为下塔的回流液，自上而下沿塔板逐块流下，至下塔塔釜得到含氧36％～40％的液体富氧空气；另一部分液体氮聚在液氮贮槽，经节流减压后送入上塔顶部，作为上塔的回流液。因此，下塔的作用是将空气进行初步分离，得到液体氮和液体富氧空气。N(|gWL 下塔底部的液体富氧空气经节流阀减压后送至上塔中部，液体顺塔板往下流，与上升的蒸气接触，液体中氧含量增加，在上塔底部得到纯的液氧。纯的液氧在冷凝蒸发器的管间蒸发，导出部分氧气作为产品，其余在上塔内上升，上塔内上升的蒸气中氮含量逐渐增加，在加料口以上，蒸气被塔顶流下的液体氮冲洗，结果在塔顶得到纯氧气。因此上塔的作用是将空气进一步分离，得到纯氧和纯氮。o~`[
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必须指出，图5－7所示双级精馏塔，只能提取高纯度的氧气，不能获得高纯度的氮气，需在上塔顶部设
置一副塔，由上塔顶部出来的氮气进入副塔，经进入步精馏后才可获得高纯度的氮气。m
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在冷凝蒸发器中，管间的液氧吸收热量而蒸发，成为上塔的蒸发器，又是下塔的冷凝器。当液氧的蒸发压力和气体氮的冷却压力相等时，液氧的蒸气温度总是高于气体氮的冷却温度，即在压力相同的情况下，不能通过冷凝蒸发器用液氧使气体氮冷凝成液体氮。但气体的冷凝"+yu_B
温度随压力升高，例如0.101 MPa下，液氧的蒸发温度为-182℃，气氮的冷凝温度为-195.8 ℃，而氮气在0.608 MPa的冷凝温度为-117 ℃。因此为使气体氮的冷凝温度高于液体氧的蒸发温度，必须使气体氮的冷凝压力高于液氧的蒸发压力，既下塔的压力必须高于上塔的压力，上、下塔压差愈大，其温差也愈大。气体氮的冷凝压力与液体氧蒸发压力及传热平均温度差的关系如表5-3所示。!
下塔的作用是：将空气进行预分离，得到液体氮和液体富氧空气（O2=36-40%）。u8<23
上塔的作用是：将空气进行进一步分离，得到纯氧和纯氮。><$-
冷凝蒸发器作用：An]
管内：氮气被冷凝成液氮，部分作下塔的回流液，部分汇集在液氮贮槽。M
管间：氧气的蒸发器，导出部分氧气作为产品。MQB
P=0.101MPa,]
液氧蒸发温度-182.9 oCS
气氮冷凝温度-195.8 oC7?
P=0.608MPaJsD
气氮冷凝温度-117 oC_/lzL
双级精馏塔的操作压力：-/@/H
上塔0.132-0.152 MPa&N8S;:
下塔0.51-0.66 MPaqy/o1B
（三）氩对空气精馏的影响J
在生产中，为克服氮，氧产品在流经各换热器和管道时的阻力，上塔在略高于大气压力的情况下操作，其压力（绝对）一般为0.132~0.152 Mpa.为使冷凝的气体氮和蒸发的液体氧之间形成所需要的温度，下塔的操作压力（绝对）一 般 为 0.51~0.65 Mpa。ar<
（三）氩对空气精馏的影响]^
空气中含有0.932%的氩，它的沸点介于氮氧之间，因而在分离空气时，它不是混在氮气*i ©空分之家 -- ----空分操作和管理人员的园地。 k^ws}
中就是混在氧气中，要同时制得纯氮及氧是不可能的。例如，理论上当氮氧完全分离时，若氮气的纯度是100％，则氧气含氩量为：0.932/20.93+0.932＝4.25％，即氧的纯度为95.75％；若氧的纯度是100％，则氮中含氩量为：0.932/78.03+0.932=1.18%，即氮的纯度为98.82％6Gvy2
为了同时获得较纯的氮气和氧气，必须采取一定的措施，对于小型高、中压空分装置可采取上塔抽出氩馏分的措施。对于大中型低压空分装置，一般采用在上塔顶部抽出含氧量较少的不纯氮气（通称污氮）的措施，使空气带入的大部分氩随这股不纯氮气带出精馏塔。(p
四.空气的净化D.
空气中含有灰尘、水蒸气、二氧化碳和乙炔等物质。在空气液化分离过程中，灰尘能磨损压缩机，堵塞管道；水蒸气、二氧化碳在低温下会凝固成冰和干冰，堵塞管道和设备；乙炔在含氧介质中受到摩擦、冲击或静电作用，会引起爆炸。为了保证分离过程顺利进行和装置长期安全运转。，首先必须将这些物质彻底清除。D}$
空气中的灰尘一般采用油浸式过滤器或干代式过滤器清除.A:gUt
脱除二氧化碳，水蒸气的方法一般有吸附法和冻结法。mS<N
吸附法是空气通过装有硅胶或分子筛的吸附器，二氧化碳和水蒸气被硅胶或分子筛吸附，达到清除的目的。1v$LH
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冻结法是在低温下，水分和二氧化碳以固态形式冻结在切换式换热器（蓄冷器或可逆式换热器）的通道内而被除去，经过一定时间间隔后，自动将通道切换，让干燥的返流气体通过该能通道，使前一阶段冻结的水分和二氧化碳在该气流中蒸发、升华而被带出装置。%
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此外，也可采用8％～10％的氢氧化钠溶液洗涤空气中的二氧化碳。Y0O
清除空气中的乙炔是采用吸附法。在低温下乙炔 呈固体微粒状浮在液体空气或液体氧中，当它们通过装有硅胶的吸附器时，乙炔被硅胶吸附而除去。)NTxr
五.空气液化分离工艺流程J)4
空分流程根据操作压力不同，可分为高压（7.1～20.3MPa）、中压（1.5～2.5MPa）和低压（低于1MPa，一般为0.6MPa左右）三种类型。目前大、中型空分装置，普遍采用低压流程。本节以KDON3200/3200型空分装置为例，介绍空分液化分离的工艺流程。2
KDON-3200/3200型空分装置采用全低压流程，每小时可同时制取（标准状态）氧气（99.5％）3200m3和氮气（99.99％）3200m3，其工艺流程如图5-8所示。空气由吸入塔吸入，经空气过滤器清除灰尘后，至透平空气压缩机压缩到0.6MPa 左右，再经空气冷却塔被水冷却至30℃以下。预冷后的空气进入两组可逆式换热器的热段和冷段。热段设有纯氧、纯氮、污氮和空气四种通道，冷段设有纯氧、纯氮、污氮、空气和环流空气五种通道。热段和冷段的x`#*|=
通道相应串联，其中污氮和空气通道每隔10mm切换一次，空分在可逆式换热器内被返流的纯氧、纯氮和污氮冷至－172℃左右后进入下塔，并将空气中的水分和二氧化碳凝结在可逆式换热器的通道上，被下周期通过的污氮所带走。}+W[|j
由下塔底部引出经洗涤的空气，分别进入三个液化后流回下塔底部，未液化的空气大部分作为环流空气进入可逆式换热器的冷段，以缩小冷段空气与返流气体之间的温差，保证污氮能将通道中冻结的水分和二氧化碳全部带走。环流空气与另一部分未液化的空气汇合，经膨胀机膨胀至0.14～0.16MPa后，进入上塔中部参加精馏。[6lsD*
下塔精馏的结果得到液体富氧空气和液氮。含36％～40％的液体富氧空气自下塔底部抽出，经液空吸附器及液空过冷器过冷后，再经节流膨胀后送到上塔中部。CWc*
自冷凝蒸发器引出的液氮，一部分流回下塔作为下塔的回流液，一部分经液氮过冷器、节流阀送至上塔的顶部。为使下塔能得到纯氮气，自下塔第20块塔板引出部分污氮，经污氮过冷器、节流阀送至上塔的上部。B=)
上塔精馏的结果得到纯氧、纯氮和污氮，纯氧自上塔底部引出，经液化器（氧侧）、可逆式换热器复热后送入氧气总管。纯氮由副塔顶部引出，经液氮过冷器、液化器（纯氮侧）、可逆式换热器复热后送往氮气总管。jVt
含氮约94％的污氮自上塔上部引出，经液空过冷器、污氮过冷器、液化器（污氮侧）和可逆式换热器复热，并带走前一周期空气凝结的二氧化碳和水分，进入冷却塔 。TJYd|
由于污氮温度较低，含湿量亦较小，与塔顶喷下来的水相遇，进行热交换，并且水蒸发吸收热量，从而使水的温度降低，然后污氮由塔顶放空。[Rh7%
为保证安全。自冷凝蒸发器底部引出部分液氧，经液氧泵送至液氧吸附器除去乙炔后，再返回上塔下部，形成液氧循环。Kn+w?
精馏塔为筛板塔，下塔有36块塔板，上塔有70块塔板，全塔由铝合金制成。p4fi
可逆式换热器也称为板翅换热器，是由隔板、波形翅片和封条三部分组成，在相邻两隔板之间放置翅片及封条，组成一夹层，称为通道。I?Cb
也可采用以石头或铝代替填料的蓄冷器，来代替可逆式换热器。Mm
在低温下，碳钢变硬、变脆，失去抵抗冲击荷重的能力，而钢和铝却具有良好的机械强度和塑性，因此空分装置中的低温设备一般用铜或铝的合金制成。VmuGa
为了防止冷损失，将所有设备和管道全部装在保温冷箱内，并装填保温材料。常用的保温材料有珠光砂、矿渣棉和碳酸镁等。L
冷箱©空分之家 -- ----空分操作和管理人员的园地。 Yv
为了防止冷损失，将双级精馏塔，液空过冷器、污氮过冷器、液化器等所有的低温设备和管道全部装填在保温材料封装的低温箱，谓之冷箱。_Mtdxd
复习与思考*Dr#
1.（ ）带膨胀机的低压循环的降温效果比节流膨胀好？sPE
2.（ ）在空分中把空气看作氮-氧二元系统？cK<s;
3.双级精馏塔的结构？BeR
4.简述双级精馏塔各部分的作用？_Qznx
5.简述双级精馏塔冷凝蒸发器的作用？BzG
6.空分的双级精馏塔可分离出纯氧和纯氮吗 ？为什么？S"1I
7.空气中有那些杂质？如何的净化的？D/@>|f
8.何谓冷箱及其作用？G
9.通常空分装置采用何种材质？为什么？o
第三节本厂空分工艺流程说明e
一、流程简述vuu
见KDON-52000/43000型空分设备工艺流程图HaI2_
本空分设备采用分子筛吸附预净化、增压透平膨胀机、全填料精馏及双泵内压缩工艺。L
整套设备包括：空气过滤系统、空气压缩系统、空气预冷系统、分子筛纯化系统、分馏塔系统、全精馏制氩系统、液体贮存系统、仪控系统、电控系统等。3cBZM
1.空气过滤和压缩8
空气首先进入自洁式空气吸入过滤器，在空气吸入过滤器中除去灰尘和其它颗粒杂质，然后进入主空压机，经过多级压缩后进入空冷塔，压缩机级间的热量被中间冷却器中的冷却水带走。/
2.空气的冷却和净化QO
空气在进入分子筛吸附器前在空冷塔中冷却，以尽可能降低空气温度减少空气中水含量从而降低分子筛吸附器的工作负荷，并对空气进行洗涤。进入空冷塔上部的冷冻水，首先在水冷塔中利用干燥的出分馏塔污氮气和氮气进行冷却，然后再进入空冷塔上部。4
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分子筛纯化系统由两台分子筛吸附器和一台双管板蒸加热器组成，分子筛吸附器吸附空气中的水份、二氧化碳和一些碳氢化合物，两台分子筛吸附器一台工作，另一台再生。再生气的加热由蒸汽在蒸汽加热器中完成。T!Xf
3.空气的精馏4
出吸附器的空气分为两股。一股直接进入主换热器冷却后进入下塔；另一股通过空气增压机进一步压缩，并经增压机冷却器闪动后送入冷箱经高压主换热器冷却变为液体后节流进入下塔。F iC
膨胀空气自空气增压机中部抽出，首先经过膨胀机增压端的压缩及后冷却器的冷却，再进入主换热器被冷却，经膨胀机膨胀后进入下塔。d|t
下塔中的上升气体通过与回流液体接触含氮量增加。所需的回流液氮来自下塔顶部的冷凝蒸发器，在这里氧得到蒸发，而氮得到冷凝。*!
1)、下塔从上到下产生以下产品：GEbQp
纯液氮|=&&H
纯氮气funcr~
污液氮4@p
～22％O2的贫液空*}3I
～38％O2的富氧液空 下塔各产品去向如下：vFYBv,
②富氧液空经过冷器过冷节流后：Ij2afY
一部分进入上塔，作为其回流液，^*+h5
另一部分进入粗氩塔冷凝器被汽化后送入上塔K=L-T
③ 贫液空f
大部分进入上塔，作为其回流液。s9'
一部分进入精氩塔冷凝器被汽化后送入上塔，<A&
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④污液氮xVv
自下塔中上部抽出，去上塔中上部}
⑤纯液氮{
大部分纯液氮在过冷器中过冷后送入上塔顶部作回流液。dfl;8
少部分纯液氮作为产品抽出。~/0K~{
部分纯液氮在液氮泵中被压缩至所需压力。然后送到高压换热器中通过与高压空气进行热交换而得到高压氮气。_
⑥纯氮气：L]
部分纯氮气经主换热器复热作为产品抽出。R!
2）、在上塔从上到下产生以下产品：M-eco
顶部产生纯氮气F
上部产生污氮气?0
中部抽取氩馏分&'S/96
底部产生液氧c{
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上塔各产品去向如下： 纯氮气从上塔顶部抽出后经过冷器和主换热器复热至设计温度出冷箱；AhP'=c ①污氮气从上塔上部抽出后经过冷器和主换热复热至设计温度出冷箱；z:kN/D
②氩馏份从上塔中部抽出，经粗氩塔精馏在顶部产生工艺氩；f]
③液氮从上塔低部抽出。zH
在液氮泵中被压缩至所需压力，然后送到高压换热器中通过与高压空气惊醒热交换而得到高压氧气。z9
二.产品的分布RN/H
需要时部分液氧可作为产品送出冷箱;3!(p
3）、在粗氩塔顶部产生工艺氩。N7
4）、在精氩塔低部产生纯液氩。cyV^#)
二、产品的分布V<lyf<
气氧回路 气氧以所需压力4.7MPa（G）直接从冷箱输出。
气氮回路28nI^_
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低压气氮 上塔低压气出冷箱后送到水冷塔对其进行冷却。y
压力气氮 下塔压力氮气出冷箱后送出界区（0.5MPa（G））。7%>C4
高压氮气 下塔顶部液氮出液氮泵加压，经高压板式汽化复热送出。5y
液氩 从精氩塔低部抽出去贮槽。,ylf`
污氮回路 一股污氮用于分子筛吸附器的再生，另一股送到水冷塔进行冷却，还有一小部分进入冷箱，对冷箱充气。gV
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仪表及解冻用的干燥空气O
空分设备仪表及解冻（处于正常工作状态）用的干燥空气从分子筛吸附器的出口抽出后送至仪表空气网络。GBpC
液态排放 从冷箱排出的所有低温液体汇集后送至喷射蒸发器与蒸汽混合蒸发后排入大气。1-jo 排气 设备的排气先送至各消音器再排入大气。}j*68?
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