空气的性质与分离设备培训教材(制氧).pdf

第一章空气的性质与分离的基本原理 第一节空气分离设备术语在学习空分设备基本知识之前，我们先来了解空分设备上使用的一 些术语。一、空气分离设备术语基本术语1、空气存在于地球表面的气体混合物。接近于地面的空气在标准状态下的 密度为1.29kg/m3。主要成分是氧、氮和氨；以体积含量计，氧约占20.95%,氮约占78.09%,瀛约占0.932%,此外还含有微量的氢及氯、氨、氯、M 等稀有气体。根据地区条件不同，还含有不定量的二氧化碳、水蒸气及 乙快等碳氢化合物。2、加工空气指用来分离气体和制取液体的原料气。3、氧气分子式分子量3 1.9988（按1979年国际原子量），无色、无臭 的气体。在标准状态下的密度为1.429kg/m3,熔点为5 4.75 K,在 101.3 25 kPa压力下的沸点为90.17K。化学性质极活泼，是强氧化剂。不 能燃烧，能助燃。4、工业用工艺氧用空气分离设备制取的工业用工艺氧，其含氧量（体积比）一般小 于 98%O5、工业用气态氧用空气分离设备制取的工业用气态氧，其氧含量（体积比）大于或 等于99.2%。6、高纯氧用空气分离设备制取的氧气，其氧含量（体积比）大于或等于99.995%O7、氮气分子式N2,分子量28.0134（按1979年国际原子量），无色、无臭、的惰性气体。在标准状态下的密度为1.25 1kg/m3,熔点为63.29K,在 101.3 25 kPa压力下的沸点为77.3 5 K。化学性质不活泼，不能燃烧，是一 种窒息性气体。8、工业用气态氮用空气分离设备制取的工业用气态氮，其氮含量（体积比）大于或 等于98.5%09、纯氮用空气分离设备制取的氮气，其氮 含蓄量（体积比）大于或等于 99.995%O10、高纯氮用空气分离设备制取的氮气，其氮 含蓄量（体积比）大于或等于 99.9995%O11、液氧（液态氧）液体状态的氧，为天蓝色、透明、易流动的液体。在101.3 25 kPa压 力下的沸点为90.17K,密度为1140kg/。可采用低温法用空气分离设 备制取液态或用气态氧加以液化。12、液氮（液态氮）液体状态的氮，为透明、易流动的液体。在101.3 25 kPa压力下的沸 点为77.3 5 K,密度为810kg/m3。可采用低温法用空气分离设备制取液态 氮或用气态氮加以液化。13、液空（液态空气）液体状态的空气，为浅蓝色、易流动的液体。在101.3 25 kPa压力下 的沸点为78.8K,密度为873 kg/m3。液空是空气分离过程中的中间产物。14、富氧液空指氧含量（体积比）超过的20.95%的液态空气。15、微分液氮（污液氮）在下塔合适位置抽出的、氮含量（体积比）一般为95%96%的液体。16、污氮由上塔上部抽出的、氮含量（体积比）一般为95%96%的液态体。17、标准状态指温度为0 C、压力为101.3 25 kPa时的气体状态。18、空气分离从空气中分离其组分以制取氧、氮和提取氨、窟、氮、氯、债等气 体的过程。19、节流流体通过锐孔膨胀而不作功来降低压力。20、节流效应（焦耳一汤姆逊效应）气体膨胀不作功产生的温度变化。21、膨胀：流体压力降低，同时体积增加。22、等嫡膨胀效应：气体在等嫡膨胀时，由于压力变化产生的温度 变化。23、空气膨胀：空气在膨胀机内绝热膨胀，同时对外作功的过程。24、氮气膨胀：氮气在膨胀机内绝热膨胀，同时对外作功的过程。25、一次节流的液化知循环（林德循环）以高压节流膨胀为基础的气体液化循环，其特点是循环气体既被液 化又起冷冻作用。26、带膨胀机的高压液化循环（海兰德循环）对外作功的绝执膨胀与节流膨胀配合使用的气体液化循环，其特点 是膨胀机进口的气体状态为高压常温。27、带膨胀机的中压液化循环（克劳特循环）对外作功的绝执膨胀与节流膨胀配合使用的气体液化循环，其特点 是膨胀机进口的气体状态为中压低温。28、带膨胀机的低压液化循环（卡皮查循环）对外作功的绝热膨胀与节流膨胀配合使用的气体液化循环，其特点 是膨胀机进口的气体状态为低压低温。29、斯特林循环：由两个等温过程和两个等容过程组成的理论热力 循环。整个循环通过等温压缩、等容冷却、等温膨胀、等容加热等四个过程 来完成。30、升华：从固相直接转变为汽相的相变过程。31、温差：指冷热流体两表面或两环境之间有热量传递时的温度差 别。32、热端温差：指冷热流体间在换热器热端的温度差。33、中部温差：指冷热流体间在换热器中部的温度差。34、冷端温差：指冷热流体间在换热器冷端的温度差。35、液氧循环量由冷凝蒸发器底部抽出部分液氧流经吸附器，在清除这部分液氧中 的碳氢化合物后再回入冷凝蒸发器的液氧量。36、入上塔膨胀空气（拉赫曼空气）由下塔底部抽出部分空气、经切换式换热器冷段复热，进入透平膨 胀机构热膨胀后直接送入上塔参加精微的空气。37液汽比（回流比）：在精微塔中下流液体量与上升蒸汽量之比。38液泛：在精储塔中上升蒸汽速度过高，阻止了液体正常往下溢流 的工况。39、漏液：在筛孔板精微塔中因上升蒸汽速度过低，使液体从筛孔 泄漏的工况。40、变压吸附利用压力效应的吸附工艺在吸附一再生操作周期中，较高压力下吸 附，较低压力下（或负压）下再生的过程。41、跑冷损失在低于环境温度下工作的设备与周围介质存在的温差所产生的冷量 损失。42、复热不足损失在换热器热端冷热流体间存在的温差而导致冷量回收不完全的损 失。43、冷量损失指空气分离设备的冷箱由于跑冷损失和复热不足损失的冷量损失。44、提取率：产品气体组分的总含量与加工空气中该组分的总含量 之比。45、单位能耗：指空气分离设备生产单位产品气体所消耗的电能。46、低压流程：正常操作压力大于至小于或等于1.OMPa的工艺流程。47、中压流程：正常操作压力大于1.OMPa至小于或等于5.OMPa的 工艺流程。48、高压流程：正常操作压力大于的5.OMPa工艺流程49、高低压流程：高压流程与低压流程相结合的流程。50、带分子筛吸附器低压流程采用分子筛吸附器来清除空气中水分和二氧化碳及碳氢化合物的低 压流程。51、空气分离设备以空气为原料，用低温技术把空气分离成氧氮氨及其他稀有气体的 成套设备。52、大型空气分离设备指生产氧气产量大于或等于lOOOOn f/h（标准状态）的成套空气分离 设备。53、中型空气分离设备指生产氧气产量大于或等于1000m7h至小于10000m7h（标准状态）的成套空气分离设备。54、小型空气分离设备指生产氧气产量小于1000n）7h（标准状态）的成套空气分离设备二、稀有气体提取设备的基本术语1、稀有气体提取设备用以提取纯筑、纯窟、纯氢、纯氯、纯氤等气体产品的设备。一般 需与空气分离设备配用。2、稀有气体指瀛、窟、氮、氮、包五种气体。无色,无臭的气体。3、瀛气 分子式Ar,原子量3 9.948（按1983年国际原子量），是一种无色、无臭的气体。空气中的体积含量为0.932%。在标准状态下 的密度为1.784kg/m3,熔点为84KO在101.325压力下的沸点为87.291K。不活泼，不能燃烧，也不能助燃。主要用于焊接、冶炼等。4、纯气：用空气分离设备提取的纯气，其筑含量（体积比）大于或 等于 99.99%O5、液氨：液体状态的氮，是一种无色、无臭、呈透明的液体。6、气:分子式Ne,原子量20.179（按1983年国际原子量），是一种无色、无臭的气体。空气中的体积含量为1.8X10%。在标准状态下的密度为 0.8713 kg/m3,熔点为 24.5 7K。在 101.3 25 kPa 压力下的沸点为 27.09K。不活泼，不能燃烧，也不助燃。主要应用于照明技术等。7、纯窟：用空气分离设备提取的纯窟，其就含量（体积比）大于 或等于99.99%o8、液氮：液体状态的宏阳一种无色、无臭呈透明的液体。液就常用 作低温源。9、氮气：分子式He,原子量4.0026（按1983年国际原子量），是一种无色、无臭的气体。空气中的体积含为5.24X1CT%。在标准状态下的密度为 0.1769kg/m3o在10L 3 25 kPa压力下的沸点为4.215 K。不活泼，不能燃 烧，也不助燃。主要用于检漏、焊接、低温研究、特种重金属冶炼、色 谱分析载气、潜水呼吸气等。10、纯氮：用空气分离设备提取的纯氮，其氮含量（体积比）大于 或等于99.99%011液氮：液体状态的氮，为无色透明的液体，沸点最低，是一种最主要的低 温源。12、氯气：分子式Kr。原子量83.80（按1983年国际原子量）是一种无色、无 臭的气体。空气中的体积含量为1.0X10%。在标准状态下的密度为 3.643 1kg/m3o 熔点 116.2K。在 101.3 25 kPa 压力下的沸点为 119.79K。不活泼，不能燃烧，也不助燃。主要用于电真空及电光源等工业。13、纯氮：用空气分离设备提取的纯氮，其氮含量（体积比）大于 或等于99.95%O14、气:分子式Xe。原子量13 1.80（按1983年国际原子量）是一种无色、无臭的气体。空气中的体积含量为8.0X10%。在标准状态下的密度为 5.89kg/m3o熔点161.65 K。在压力下的沸点为165.02K。不活泼，不能 燃烧，也不助燃。主要用于电光源工业，也用于医疗、电真空、激光等 领域。15、纯债：用空气分离设备提取的纯氤，其氤含量（体积比）大于 或等于99.95%016、瀛微分：从上塔合适部位提取一股氧、僦、氮混合气作为就提取设备的原料 气体。其组分（体积含量）瀛为79n0%,氮一般小于0.06%,其余为氧。17、一回流液:在粗氨塔中精储洗涤下来的氧、僦、氮混合液，其组分与筑储分气 体成相平衡。18、粗筑:由粗筑塔塔顶获得的筑含量（体积比）大于或等于96%,其余为氧和氮的混合气体。19、富氧液空蒸汽：由粗气塔冷凝器蒸发侧的富氧液空蒸发形成的 蒸汽。20、富氧液空回流液：为避免粗氨冷凝器蒸发侧富氧液空中碳氢化合物的浓缩，排放一部 分富氧液空返回上塔。21、窟氢微分：从冷凝蒸发器顶部抽取的窟、氮、氮混合气体，作 为就氮提取设备的原料气。22、粗就微分：就氮微分经粗速氮塔分离而获得氨氮浓缩物。其窟和氮的总含量（体 积比）为30%50%,其余为氮及少量氢的混合气体。23、速氢混合气：经除氢和氮后所获得的就氮混合气体，其组分含量（体积比）氛约 为75%,氢约为25%。24、贫氮:指贫氟塔塔底蒸发器中获得的浓缩物。其氮和默的总含量（体积比）为0.10.3%,其余为氧（甲烷含量0.10.3%,）的混合气体。25、粗氯:指粗氮塔塔底蒸发器中获得的浓缩物。其氯、债的总含量（体积比）约为50%,其余为氧的混合气体（含有少量甲烷）。26、工艺猷:指粗氮气体通过纯氟塔进一步分离后获得的伍气，其包含量（体积 比）为99%左右。第二节 基本概念1、液化：气体变成液体的过程。2、汽化：气态化如果只是从液体的外部自由表面产生，并且在任何 一个温度下可以取某一个速度进行。3、蒸发：在某种温度下，液体的外露界面上进行的汽化过程。4、沸腾：液体内部发生汽化过程，即液体内部不断产生汽泡而上升,变成蒸汽而跑到上部空间去。5、饱和蒸汽压：空间中蒸气分子的数目不再增加，蒸汽压力维持一定，达到平衡。6、饱和温度：饱和蒸汽压所对应的液化温度。7、易挥发组份：在同一压力下所对应的饱和温度越低，表示该物质越容易被汽化。8、临界温度：只有低于这个温度才可能采用提高压力的方法使它液化，这个液化 的最iWj温度。9、临界压力：在临界温度下，所需要的液化压力。10、汽化潜热：在饱和温度下，使液体分子变成蒸汽分子所需的热 量。11、过热蒸汽：超过饱和温度的蒸气，亦叫未饱和蒸气。12、过冷液体：温度低于该压力所对应饱和温度的液体，也叫未饱 和液体。*任何物质都能以气液固的形式出现，并在一定条件下发生相互转 化。13、温度(T)：是物体冷热程度的标志，对物体的热运动状态有关。T(k)=t()+273K为国际温标(也叫绝对温标)，t为摄氏温标14、压力(P)：单位面积上所受到的垂直作用力。工程上通常使用 的压力为表压(即压力表直接读取)，物性计算时常用 绝对压力，通常 P(绝)=P(表)+1个大气压。压力单位的换算见表1-2数值物理大气工程大气巴毫米汞柱压压1物理大气压11.03321.0137601工程大气压0.96810.9873 5.61巴0.9871.0217501000毫米汞 柱1.3151.361.3 310001工程大气压二1(公斤/厘米2)=73 5.6(mmHg)=10米水柱15、比容与重度：单位重量工质所具有的容积。(Y)单位体质的工质所具有的重量。(P)体积V,重量G(Kg)则有丫二V/G(m3/Kg),P=G/V(Kg/m3)16、气体：指远离液体的气态物质。*任何气体都可以液化，只是液化的难易不同而已。17、蒸汽：指刚由液态转变过来偏离液态不远的气体物质。18、理想气体：假定气体分子是完全弹性的不占体积的质点。分子间没有相互作用 力，即是一群被此完全自由运动着的质点的集合体。理想气体实际上是 气体在压力P T 0,比容丫-8时，这一极限状态下的气体。*理想是不存在的，一般说来，只要工质相对地处于低压高温状态,且计算在允许误差范围内者可作为理想气体处理。19、自然界中的一些气体在一般的压力温度范围内，气体的三个状 态参数P、V、T之间存在特殊的关系，其中一个状态参数不变，另外两 个状态参数之间存在一个简单的关系。*丁不变时，对一定量的气体，压力越高，则气体所占体积越小，压 力降低，体积增大。P1V1 P2 V2 .PV 二常数*p不变时，对一定数量的气体，温度升高时气体体积增大，反 之缩小；Vi/TiV2/T2.V/T 二常数到不变时，一定量的气体，温度升高压力则增高，反这则下降。Pi/TfP2/T2=.P/T 二常数20、理想气体的状态方程：Pi%/丑 V2/T2=.PV/T二常数 R气体N1Are%HeKrXeh2AirR(Kg.m/Kg.K)26.53 0.2621.2642.02211.810.229.46420.629.821、理想气体的比热：使单位质量的物质温度升高一度所吸收的热量称为比热，工质在等 压或等容过程中的比热叫做和等容比热。等压比热二等容比热+2（Kcal/mol.K）单原子气体（He、Ne、Ar、Kr、Xe）是等压比热二5,等容比热二3双原子气体（。2、N2 He）的比热均与温度有关多原子气体的比热与温度和压力有关。22、热力学第一定律：当某一定量机械能产生时（即完成了功），必有相当的热量消失掉，反这，当消耗了一定量的功时，（即消耗了机械功），必发生相当的热量。*口二 口 2U 1=QAWA.绝热过程：Q=0,则Au二一AWB.等容过程归0,则二QC.当工质完成热力循环后，系统回到原状态口2二u 则Q二AW23、热力学第一定律：热量不可能独自地，不付代价地（没有补偿的）从较冷的物体传向 较热的物体。24、涉犀.气泡的生成如果不仅在液体的自由表面，并且在整个体积内进行，与汽化的区别在于沸腾是在特定的温度（所谓的涉啰温层或沸卓）下进行。25、物相：如果系统状态的参数值在系统所有各点都是一致或者作连续的变化 而没有突变，那末这种系统就称为单相的或均一的系统。具有一定数量 并在整个质量中是物理性质均一的物质称为物相。如果用任意的方法将 物相分成几部分，那么所有部分的状态是相同的。26、气液相平衡：在封闭容器中，如图1所示。在一定条件下，液相中各 组分均有部分分子从界面逸出进入液面上方气相空间，而 气相也有部分分子返回液面进入液相内。经长时间接触，当每个组分的分子从液相逸出与气相返回的速度相同，或达到动平衡时，即该过程达到了相平衡。图1气液相平衡平衡时气液两相的组成之间的关系称为相平衡关系。它取决于体系的热力学性质，是蒸储过程的热力学基础和基本依据。相平衡是物质在各相之间分布的平衡。达到平衡之后，各相的组成和数量不随时间改变。第三节空气分离的基本原理空气组成空气是多种气体的混合物，其组成如表1所示。主要成分是氧和氮，还 有少量的其它气体：氮、气、氯、氟、标、氢，以及二氧化碳、乙快和 水蒸汽。氮、器、氯、氟、氤在空气中的含量很少，称为稀有气体。空 气的各种成分在气体状态下是均匀混合，很难将它们分开。表1空气的组成名称分子式体积沸点OK沸点氧0220.9590.19-182.97氮n278.0977.3 5-195.81Ar0.9387.46-185.7Ne1.8x10-327.26-245.9氢He5.24x10 44.21-268.95MKrIxlO-4119.96-15 1.8氢h25 x1 O-520.41-25 2.75Xe0.8xl(y5164.06-109.1二氧化 碳co20.03-0.04194.96-72.8（升 华）乙快c2H20.01 0.02PPm189.5 6-83.6（升 华）水蒸汽h2o随当地气象 条件而变273.160空气一78.81-194.3 5目前，空气分离方法有吸附分离法、膜分离法、精微法。吸附分离法与膜分离法主要用于低纯度、小型空气分离装置。大、中型空气分离 设备采用精编法。一 制冷空气是在一170C以下的精编塔中进行分离的，所以说通过制冷，获 得所需的低温并维持这个环境,是空气分离的基本前提条件。制冷的方法有两种：节流与膨胀。为了直观地描述这两种热力学过 程，先引入温一燃图。（1）.温嫡图（T-S图）温燧图是以温度为纵坐标，燧为横坐标的热力学函数图。图中向上 凸起的曲线叫“饱和曲线”，饱和曲线由两部分组成，左半边称为饱和液 体线，右半部分称为饱和蒸汽曲线,两条曲线的汇合点称为临界点.在临 界点所对应的温度称为临界温度,对应的压力称为临界压力。临界点是气 体与液体相互转化的极限（见图1）饱和曲线和临界点将此图分为三个区域（见图2）:S图2T-S图I区：临界温度以下，饱和液体曲线左边的区域为过冷液相区。II区：饱和液体曲线和蒸汽曲线下面的区域为气液共存区。in区：临界温度以上，饱和蒸汽曲线右测区域为过热蒸汽区。临界点的存在说明：只有气体的温度低于其临界温度时，该气体才 可能变成液体。焰、燧与压力温度一样，都是状态参数，当物质的状态确定后，它 的焰、熠也随之确定。燧代表了流体在流动时所携带的能量，单位是KJ/Kmol。焰（单位质量的焰）=比内能+PV,其中PV为流体受到的推动力，P为流体的压力，V为流体的比容。流体的内能由内动能与内位能组成。温度越高，内动能越大。内位 能不仅与温度有关，更主要的取决于分子间的距离，即决定于比容，比容越 大内位能越大。流体的焰的变化等于外界传递进来的热量与传热时流体的绝对温度 之比：AS=AQ/T如果传递热量过程中温度不是常数，则当流体由状态1 一状态2的 燧变应为：ZS=JVdQ/T燧的绝对值和焰及内能一样,在工程计算中无关紧要,我们所关心的 只是它们的相对变化量.（2）.节流过程：当一定压力的流体在管内流经一个缩孔或阀门时，由于流通截面突 然缩小，流体中会发生激烈扰动，产生旋涡、碰撞、摩擦，流体在克服这 些阻力的过程中，压力卜降，使阀门后的压力P2低于阀门前的压力H（见 图3）,我们把这种因流体流动遇到局部阻力而造成的降压过程称之为节 流。流体在管道内流动和流经各种设备时也存在着流动阻力，压力也有 所下降，所以如果泛指节流过程，也包括流体流经管道与设备时的压降 过程。从能量转换的观点来看，由于工质流经节流阀的速度很快，膨胀 后来不及与周围环境进行热量交换，并且节流阀安装在保冷箱内，四周 传给的热量可以忽略不计，因此节流过程可看成是绝热过程。同时，流 体流经阀门时与外界没有功交换，在既无能量收入又无支出的情况下，流体在节流前后的能量应不变，即节流前后的焰值相等iki2,这说明节 流本身并不产生冷量。节流过程是一个等焰过程，理想气体的焰只是温度的函数，所以理 想气体节流后温度并不发生变化。而实际气体的焰值是温度和压力的函 数，因此图3 节流示意图实际气体节流后的温度存在变化，归纳为三种情况：下降、不变、上升。温度变化与否同节流工质的性质和节流前的状态有关。图4给出的是由 实验方法得到的空气节流转化曲线。转化曲线将坐标分割成两部分，内侧 为制冷区，即工质节流前处于该区域的某个状态，经节流后温度将下降；外侧为制 热区，即工质在节流前处于该区域的某个状态，节流后温度将升高。氧、氮、氢、二氧化碳等工质均存在相似的转化曲线。图4 空气转化曲线从上图可以得知，在相当大的范围内，空气节流后温度都会下降(氧、氮也是如此)。在常温范围内，空气节流后的温度变化，可以用每降低一个大气压 所降低的温度ai来表示：ai=(O.268-0.00086P)(273/T)2/大气压式中P、T分别表示节流前空气的绝对压力(大气压)和绝对温度(K)。这样，当空气从压力P节流到P2时，产生的温降为：T=ai（P-P2）=aiAP从温降的表达式可以看出，节流前的气体温度越低，节流前后压差 越大，节流所获得的温降就越大。氧、氮气节流温降的计算经验公式也与此类 似。利用以上公式，可以指导我们进行空气节流制冷的实际应用。（3）.等温节流制冷量图5 一次节流循环示意图既然通过节流可以降低温度，那么节流后的工质相对于节流前的温 度就具备一定的制冷能力，我们把这个制冷能力称为等温节流制冷量（图 5）单位质量工质的制冷量：q=CP1AT即：q二 Cpi ai（PiP2）=Hs-H2（Hi=H2,Ho=Hs）=H（）-Hi（Cpi：工质在Pi下的平均定压比热）从计算结果来看，等温节流制冷量等于压缩机等温压缩前后的焰差。事实上，如前所述，节流并不产生冷量，只是通过节流，把工质在等温 压缩时已具备的制冷量表现出来而已。真正的制冷量是在等温压缩过程 中产生的，即冷却水从压缩机带走的能量大于驱动机传给压缩机的能量,致使压缩机出口工质的焰值乩小于入口工质的焰值Ho。另外，等温节流制冷量与节流前有无换热器无关，压缩工质经换热 后，在节流时，并不增加制冷量，而是影响节流前后的温度。（4）.膨胀制冷利用透平膨胀机制冷是空分装置制取冷量获得低温的主要途径，T.质在膨胀机内膨胀，同时对外作功，使膨张后的工质大大降温，膨胀机 安置在保冷箱内，而且由于过程进行的很快，来不及与外界进行热交 换.所以膨胀过程近似可以 看成是绝热过程，在理想状况下（即工质 在膨胀机内没有任何摩擦），膨胀过程燧值不发生变化。如图6中1-2所示：实际上，由于气体与气体之间，气体与机器壁面之间不可避免地要产生摩擦，摩擦热又传给气体，使膨胀后气体的温 度及焰值增加，燧也增加。实际的绝热膨胀过程应如图6中1-3所示，实际的绝热膨胀焰降为。一i3,它比理想的绝热膨胀焰降。一i2要小。通常把气体实际的绝热膨胀焰降与理想的绝热膨胀烙降之比，称为 膨胀机的等埔效率，用n s表示；n s=(i-is)/(i-i2)透平膨胀机的等端效率与设计制造的质量有关，同时与安装、维修 也密 切相关。正常情况下，现在的透平膨胀机的等燧效率一般都能达到85%以上。经膨胀机膨胀后的降温效果要比节流好的多，这是由于当气体经膨 胀机膨胀时，除了产生节流降温效果.气体还同时在膨胀机中对外作功,消耗气体自身的能量，使分子的动能进一步减少，因此降温更显著。膨胀机前后的压差及膨胀机进口的工质温度，直接影响着膨胀机的 制冷效果。如果膨胀机的等嫡效率保持不变，进口温度一定时、当压差 越大，那么单位质量的工质膨胀后的焰降也越大，对外作功也越多，温 度降低越显著，当膨胀机前后的压差一定时，提高进膨胀机的温度，膨 胀后的工质温度升高，则降温效果变大，单位质量工质的制冷量增加。对于理想气体，膨胀温降可以用下面的关系式精确表达：丁=7-1=呢拧-1(双原子的理想气体R=L 4)对于实际气体，膨胀过程的温降常用热力学图(T-S图)查找。(5).膨胀机的制冷量：膨胀机的作用相当于一个对外作功的节流阀。所以单位质量的膨胀 工质的制冷量分为两部分：见图7图7膨胀机制冷循环示意图口=等温节流制冷量+膨胀机的输出功二(。-i4)+(i2-i3).(6).膨胀机工作时的能量转移压力工质进入膨胀机进行绝热膨胀后，以较低的温度和压力排出机 外，同时膨胀机对外作功。过去常用电机或风机作为膨胀机的制动设备。现在往往用单级离心压缩机(增压器)作为制动装置。增压器获得膨胀功 后，将送入膨胀机的工质进一步升压。随着膨胀机入口压力增加，单位 质量的工质制冷量也将增大。当空分装置的冷量要求一定时，膨胀量就 可以因此减少。另外，采用增压器这种制动方式还避免了机械能转变成电能所导致 的损失，提高了膨胀功的回收效率。所以说它是先进的。图8膨胀机工作能量转移示意图膨胀机在绝热条件下工作，根据能量守恒：G膨。二W膨十G膨i2所以：W膨二G膨(ii2)(7).节流制冷与膨胀制冷的比较：a.从降温效果看，膨胀制冷要比节流制冷强烈得多。b.从结构来看，节流阀结构很简单，操作也方便，而膨胀机是一套 机组，结构复杂，操作、维修要求高。c.从使用范围来看，节流阀适用于气液两相区内工作，即节流阀出口可以允许有很大的带液量，但.目前带液的两相膨胀机，其带液 量尚不能很大。根据以上特点，在全低压空分装置中.一般都同时采用节流制冷与 膨胀制冷，互补所缺。（8）.装置的冷量平衡：维持系统的冷量平衡，是空分装置正常运行的基本保证，空分装置 的冷量损失主要包括以下几项：a.跑冷损失：透过保冷层，周围大气传递给冷箱内低温设备及管道 的热量，即相对冷箱而言损失了的冷量，叫跑冷损失。b.热交换不完全损失：低温气体离开冷箱时，在理想状态下它应复 热到正流工质进入冷箱的温度，这样冷量可全部回收，但由于存在传热 温差，在换热器热端，复热工质不能达到正流工质的进口温度而带走的 冷量损失。c.生产液态产品带走的冷损（如果不生产液态产品，就没有这项冷 损）。d.其它冷损：当装置有泄漏时，损失了一部分低温液体或气体，这 种损失属于其它冷损。在正常生产过程中，空分装置处于稳定流动状态。根据能量守恒定 律，则有：等温节流制冷量+膨胀机制冷量=跑冷损失+热交换不完全损 失+液体产 品带走的冷损。如图9所示。（注：对于内压流程而言，冷损中还包括高压氧气带走 的冷，该项冷量相当于等温压缩制冷的逆过程。）图9空分装置其它冷损示意图该等式也可以用焰值来表示：跑冷损失十进入冷箱各项工质的焰值之和二离开冷箱的各项工质 的焰值之和十膨胀机的输出功，即：T 产（茎岸 7 三.精储的基本原理1.单组分汽一液相平衡对单组分汽一液两相系统，可以将压力表示为温度的函数：P=W(T)此方程式所决定的压力P称为汽一液两相系统的平衡压力。方程式 在(P,T)平面上表示成一条曲线，称为蒸汽压曲线(图2饱和蒸汽压曲 线)。这条曲线上的点对应于两个平衡共存的液相与汽相。蒸汽压曲线也 是汽一液相平衡曲线，因为稳定的两相平衡状态只能是位于曲线的点所 表示的状态。平面上其余的点或对应于两相系统的不平衡状态，或对应 于单相的平衡状态。图2饱和蒸汽压曲线图4氮蒸汽压与温度曲线图5氮蒸汽压与温度曲线2.双组分理想溶液的气液相平衡2.1拉乌尔定律根据溶液中同分子间的与异分子问的作用力的差异，可将溶液分为 理想溶液和非理想溶液两种。实验表明，理想溶液的气液平衡关系遵循 拉乌尔定律（Raoults Law）,即：Pa=Paxa=Pax Pb=Pb xb Pa（1-%）式中p溶液上方组分的平衡分压，Pa；p同温度下纯组分的饱和蒸气压，Pa；x溶液中组分的摩尔分率。（下标A表示易挥发组分，B表示难挥发组分）为简单起见，常略去上式中的下标，习惯上以x表示液相中易挥发 组分的摩尔分率，以（1-x）表示难挥发组分的摩尔分率；以y表示气相 中易挥发组分的摩尔分率，（1-y）表示难挥发组分的摩尔分率。2.2相律相律表示平衡物系中的自由度数、相数及独立组分数间的关系，即：F=C-（/+2式中 F自由度数；C独立组分数；6相数。式中的数字2是假定外界只有温度和压强达两个条件可以影响物系 的平衡状态。对两组分的气液平衡物系，其中组分数为2,相数为2,而 可以变化的参数有四个，即温度t、压强P、一组分在液相和气相中的组 成x和y（另一组分的组成不独立），故：F=2 2+2=2由此可知，两组分气液平衡物系中只有两个自由度，即在t、P、x 和y四个变量中，任意确定其中的二个变量，此平衡状态也就确定了。又若固定某个变量（例如外压），则仅有一个独立变量，而其它变量部是它 的函数，因此两组分的气液平衡可以用一定压强下的tx（或y）或Xy 的函数关系或相图来表示。2.3两组分气一液相平衡图（1）（泡点）关系式液相为理想溶液，服从拉乌尔定律:OPa=Pa xa=Pa xPb=Pb，xb=Pa（1一1）气相为理想气体，符合道尔顿分压定律:混合液沸腾的条件是各组分的蒸汽压之和等于外压，即P=Pa+Pb=%）P-PbPa0-Pb纯组分的蒸汽压p。与温度的关系式可用安托因方程表示，即o Blog p=A-t+c故X与的关系为非线性 关系，已知/求工用上式很方 便，但是已知X求泡点/要用 试差法（迭代法）求。（2）y-（露点）关系 式指定/用卜.述方法求出x 后用道尔顿分压定律求 即X（或川（3）/-%（或y）图将用上述方法求出的一（或y）的数据画在同一张图上，就得到一（或y）图。图6 tzy图此图的的特点如下：两端点A与B.端点A代表纯易挥发A组分（1=1）,端点B代表纯 难挥发B组分（=0）。沸点 沸点。两线：一1线为泡点线，泡点与组成有关；丫线为露点线，露点 与组成y有关。3区：x线以下为过冷液体区；一y线以上为过热蒸汽区；在一与 y 线之间的区域为气液共存区，在此区域内气液组成，与是成平衡 关系，气液两相的量符合杠杆定律。只有设法使体系落在汽液共存区这 才能实现一定程度的分离。例如将组成为冷的过冷溶液加热至c点，产 生第1滴气泡，故c点所对应的温度称为泡点，气泡组成为力,维持加 热升温至G点，溶液部分汽化，气相组成为VF（尸点），液相部分分离,y与成平衡关系，g点所对应的温度为气液相的平衡温度；反之将组成为力的过热混合气体冷却至D点，第1滴冷凝液出现，D点所对应的温 度为露点，液滴组成为修，继续冷却至G点气相部分冷凝，液相组成为孙 气相组成为，故部分冷凝亦可实现一定程度的分离。由此可见，将液体混合物进行一次部分气化的过程，只能起到部分 分离的作用，因此这种方法只适用于要求粗分或初步加工的场合。显然,要使混合物中的组分得到几乎完全的分离，必须进行多次部分气化和部 分冷凝的操作过程。（4）y一%在蒸储计算中广泛应用的是一定总 压下的y-%图。因P：/P1,故在任一工 下总是相平衡曲线y一%必位于对 角线、二%上方。若平衡曲线离对角线越 远，越有利于精保分离。注意：y一曲01.图7相平衡曲线线上各点对应不同的温度。、y值越大，泡、露点温度越低。（5）相对挥发度和相平衡方程相对挥发度。纯组分的饱和蒸汽压只能反映纯液体挥发性的大小。某组分与其 它组分组成溶液后其挥发性将受其它组分的影响。溶液中各个组分的挥 发性大小应该怎样表达才符合实际情况呢？对了，要用各组分的平衡蒸 汽分压与其液相的摩尔分数的比值，即挥发度/表示。“一 Pa”一 Pb,、-Ya=7 b=挥发度 以，与在蒸储中表示分离难易程度要用两组分挥发度之比，称为相对挥发 度戊a=%=Pa/以=-/4=-/%=y/（D相对挥发度 九 Pb/xB yB/xB XA/XBaxy-相平衡方程 l+（a-1）%此式表示互成平衡的气液两相组成间的关系，称为相平衡方程。如能得知。值，便可算出气液两相平衡时易挥发组分浓度，一%的对应关系 对理想溶液，将拉乌尔定律带入口的定义式可得a=Pa/Xa=pjYb Pb/xb Pj即理想溶液的。值仅依赖 于各纯组分的性质。纯组分的饱 和蒸汽压Pa、Pb均系温度，的 函数，且随温度的升高而加大,因此。原则上随温度（也即随%）而变化。但Pa/Pb与温度 的关系较八或Pb单独与温度 的关系小得多，因而可在操作的 图8相对挥发度为定值的相平衡曲线温度范围内取一平均的相对挥发度。并将其视为常数，这样利用相平衡 方程就可方便地算出y-X平衡关系。换句话说相平衡方程仅对“为常数 的理想溶液好用。那么怎么取。的平均值呢？a为常数时，溶液的相平衡曲线如图8所示。戊=1时，（即对 角线），戊值越大，同一液相组成%对应的丁值越大，可获得的提浓程度 越大，分离程度越好。因此，。的大小可作为用蒸储分离某物系的难易 程度的标志。3.精福原理3.1多次部分汽化和多次部分冷凝I一 XI1-加热器 2-分陶器 3-冷凝器图9 一次部分汽化示意图y）一图10 一次部分汽化t-x-y图设想将图9所示的单级分离加以组合，变成如图11所示的多级分离 流程（图中以三级为例）。若将第一级溶液部分气化所得气相产品在冷凝器 中加以冷凝，然后再将冷凝液在第二级中部分气化，此时所得气相组成 为y2,且y2必大于yl,这种部分气化的次数（即级数）愈多，所得到的蒸 汽浓度也愈高，最后几乎可得到纯态的易挥发组分。同理，若将从各分 离器所得的液相产品分别进行多次部分气化和分离，那么这种级数愈多,得到的液相浓度也愈低，最后可得到几乎纯态的难挥发组分。图H没有 画出这部分的情况。1、2、3一分离器 4加热器 5-冷粮器图11多次部分汽化示意图x（X）图12多次部分汽化t-x-y图根据t-x-y图，在恒压条件下，通过多次部分汽化和多次部分冷凝，最终虽然可以获得几乎纯态的易挥发组分和难挥发组份，但得到的气相 量和液相量却越来越少。且采用如图11所示的流程用于工业生产，则会 带来许多实际困难，如流程过于庞大，设备费用极高；部分汽化需要加 热剂，部分冷凝需要冷却剂，能量消耗大；纯产品的收率很低。3.2连续精微装置流程为了克服上述缺点，采用图13所示带回流的流程。图13有回流多次部分汽化示意图工业生产中常常采用图14所示的流程进行操 作。原料从塔中部适当位置进塔，将塔分为两段，上段为精储段，不含进料，下段含进料板为提留段,冷凝器从塔顶提供液相回流，再沸器从塔底提供气 相回流。气、液相回流是精储重要特点。连续精微装置主要包括精微塔，蒸储釜（或称 再沸器）等。精储塔常采用板式塔，也可采用填料塔。加料板以上的塔 段，称为精储段；加料板以下的塔段（包括加料板），称为提储段。连续 精储装置在操作过程中连续加料，塔顶塔底连续出料，故是一稳定操作 过程。在精微段，气相在上升的过程中，气相轻组分不断得到精制，在气 相中不断地增浓，在塔顶获轻组分产品。在提储段，其液相在下降的过 程中，其轻组分不断地提储出来，使重组分在液相中不断地被浓缩，在 塔底获得重组分的产品，如图13所示。冷凝器塔顶提供高纯度的液相回流，再沸器在塔底提供纯度高的上 升，为精储过程提供了传质的必要条件。提供高纯度的回流，使在相同 理论板的条件下，为精镭实现高纯度的分离时，始终能保证一定的传质 推动力。所以，只要理论板足够多，回流足够大时，在塔顶可能得到高 纯度的轻组分产品，而在塔底获得高纯度的重组分产品。3.3塔板的作用塔板的作用是提供气液分离的场所；每一块塔板是一个混合分离器,并且足够多的板数可使各组分较完全分离。因此每一块塔板是一个混合 分离器，经过若干块塔板上的传质后（塔板数足够多），即可达到对溶液 中各组分进行较完全分离的目的。3.4回流的作用回流的主要作用就是提供不平衡的汽液两相，而构成汽液两相接触 传质的必要条件。精储塔内由于塔顶的液相回流和塔底的汽相回流，为每块塔板提供 了汽、液来源。4.氧、氮混合物气一液相平衡曲线为便于讨论问题.把空气作为氧和氮的混合物，把筑的含量归入氮 组分，其它气体忽略不计，即认为空气中含氧20.9%,含氮79.1%。氧和氮无论是在气态还是液态都能以任何比例均匀的混合在一起。在同样的压力下，由于氧的冷凝温度高，氮的冷凝温度低，在混合气体 小含氧成份多，则混合气体开始冷凝的温度就高。在一定压力下，当氧、氮混合汽冷凝时，氧比较容易凝结成液体，冷凝下来的量多，所以，在 冷凝的过程中蒸汽中氧的含量逐渐降低，氮的含量增加，冷凝温度也随 着下降，直到气体全部冷凝为液体。所以，空气开始冷凝的温度