空分工艺

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第二章 空气的液化
第五节 几种典型的深度冷冻液化循环
以等熵膨胀和节流为基础的循环-克劳特循环
通过等熵膨胀获得的温降比通过节流获得的 温降大得多。如空气由40ata,245K节流至1ata 时温降仅降到233K,温降ΔTT=12K,若用等熵膨 胀,以40ata,245K等熵膨胀到1ata时,温度降
到85K,温降ΔTS=160K,ΔTS 为ΔTT 的十倍多,
热力性质图
对未饱和液体的 加热过程,液体 吸收热量,因此 熵值增加,
临界点
第一章 热工基础
第四节 蒸汽的性质
在一定压力下蒸气形成(或液化)过程
液体的预热阶段——液体的汽化阶段——液体的过热阶段
图中a点表示未饱和液氧(过冷状态)。它所对 应的温度为80K,在预热阶段,由于吸收热量则熵 应增大,同时温度上升。 图中b点表示饱和液体点,在汽化阶段温度保持 不变,但需吸收热量,直至液体全部汽化成饱和 蒸气的状态d,在该线上的任意点C表示是湿蒸气 (汽液混合物)。 d点以后继续加热,温度又开始升高,即过热阶 段在T-S图上表示也为一条向右上方倾斜的曲线 (de线)。
——理想气体的内能只是温度的函数
焓(H)
在制氧生产的过程中,加工空气、产品气体都在不断 地流动,气体不仅具有热力学能,而且在流动中能量也在 不停的变化。流动中的气体所具有的总能量应
等于气体的推动功(pυ)与其热力学能 (U)之和,用符号i或h来表示,H=U+pυ,
称之为焓。焓表征了流动系统中流体工质的总能量,它的 数值为热力学能和流动时的推动功之和。流动时的推动功 pυ,压力和质量热容都是状态函数,热力学能U也是状态 函数,因此焓也是一个状态函数。
第二章 空气的液化
第五节 几种典型的深度冷冻液化循环
以节流为基础的循环-林德循环
对于临界温度较低的气体,如空气在室温下通过一次节流膨胀 不可能使它液化,必须在低温(180K)下节流才能液化。随着节流 前温度的降低,节流后产生冷效应增大,获得的液体量增大。 林德采用逆流换热器,利用所谓冷量 回收原理解决这个问题.即使已经节流膨 胀的低压冷气体返回,通过逆流换热器冷 却随后去节流膨胀的新压缩气体,使其温 度降低,然后再去节流膨胀,这次节流将 比前一次节流获得更低的温度。
空气的液化
第一节
绪论
深度冷冻方法分离空气来制取氧气,任务有二: 把难于液化的气体变成液体; 把混合气体——空气用深度冷冻的办法分离成氧、氮等。 空分装置为达到制冷的目的.由以下一 些主要设备组成: (l)原料空气压缩机一将空气压缩到一定的 压力。 (2)热交换器(蓄冷器或可逆式换热器)— —将空气冷却到近液化的温度; (3)节流网——进一步降低空气的温度; (4)膨胀机——靠对外作功制取冷量,降低 空气的温度。
几种典型的深度冷冻液化循环
深度冷冻液化循环(后称深冷循环)基本上有三种类型: 以节流过程为基础,如林德循环。


以等熵膨胀和节流为基础的循环,又称带膨胀机的循环如克劳特
循环等。 气体绝热膨胀输出功以及一些回热式过程获得低温的循环如斯特
林一麦克马洪循环等(用于液化氢、氦等难液化气体)。
本节讨论第一、第二大类循环的组织系统。
节流膨胀是一个不可逆过程。
对于膨胀机,其叶轮对外作功, 使气体的压力降低,内部能量减 少,在理想情况下,如果将所作 出的功利用压缩机加以回收,则 仍然可以将气体由 压缩至且没 有消耗外界的能量
膨胀机的理想绝热膨 胀过程是一可逆过程。
节流与膨胀机膨胀后的压力虽然相同, 但是这两个状态是不等价的。它们的不等 价性通过理论证明可用熵来度量。对于节 流过程来说,是绝热的不可逆过程,熵是 增大的;对于膨胀机来说,在理想绝热情 况下,为一可逆过程,熵不变。即节流后 的熵值比膨胀机膨胀后的熵值要大,其差 值说明了不可逆的程度。
——理想气体的焓只是温度的函数
熵(S)
自然界有许多现象有方向性,即向某 一个方向可以自发地进行,反之则不能。 热量只能从高温物体传给低温物体 高压气体会自发地向低压方向膨胀 不同性质的气体会自发地均匀混合 一块赤热的铁会自然冷却 …它们的逆过程则均不能自发进行。这种
有方向性的过程称之为“不可 逆过程”。
0.03
氮氧 化物 水
23.1
75.6
1.286
0.046
1.429
1.250
1.734
1.97 7 -78.44 (升)
- 182.9 7
- 195.7 9
- 185.8 6
- 246.08
空气的组成

氧、氮、氩和其他物质一样,具有气、液和固三态。在常

温常压下它们呈气态。在标准大气压下,氧被冷凝至- 183℃,氮被冷凝至-196℃,氩被冷凝至-186℃即会变 为液态,氧和氮的沸点相差13 ℃,氩和氮的沸点相差10 ℃,空气的分离就是充分利用其沸点的不同来将其进行分 离。 空气中除氧、氮和氩外,还有氖、氦、氪、氙等稀有气体, 这些稀有气体广泛应用在国防、科研及工业上,稀有气体 的提取也直接关系到空分装置氧气的提取率和生产运行能 耗。目前大型的空分装置都普遍带无氢制氩工艺。
第一章 热工基础
第四节 蒸汽的性质
基本概念
如果将密闭在容器中的液体上部的可动顶盖上移一 距离,在该空间,由于开始没有蒸汽,压力为0,可以 容纳的蒸汽数目多,分子很容易从液体中飞逸出来。随 着蒸气数目的增多,它可以继续容纳的蒸气分子数目也 逐渐减少。最后,空间中蒸气分子的数目不再增加,蒸 气压力维持一定。通常说是达到了平衡,或达到了“饱 和”。这时的蒸气压叫饱和蒸气压。 饱和蒸气压的对应的温度就是该压力下的沸点,也
第一章 热工基础
第四节 蒸汽的性质
气体的热力性质图
不同压力下的汽化过程。当压力低 于临界压力时均由前述的三个阶段所组 成。因此,等压线是由三段折线构成、
对液体预热阶段,不同压力下的等压线
基本重合。由于压力越高,对应的饱和 温度也越高,因此在T-S图上,上部的 温一熵图(T—S图)
等压线表示的压力越高。

空气分离的方法和原理
利用沸点差将液态空气分离为氧、氮、氩的过程称之为精馏过程。深冷 与精馏的组合是目前工业上应用最广泛的空气分离方法;
2)吸附法:利用多孔性物质分子筛对不同的气体分子具有选择性咐附的 特点,对气体分子不同组分有选择性的进行吸附,达到单高纯度的产品。 吸附法分离空气流程简章,操作方便运行成本较低,但不能获得高纯度 的的双高产品。
制冷原理
制冷分类: 按照制冷所得到的低温范围,制冷技术划分为以 下4个领域: 普通制冷 120K以上 深度制冷 120K~20K 低温制冷 20K~0.3K 低温制冷 超低温制冷 0.3K以下 制冷方法: 制冷的方法很多,常见的主要是以下四种: 液体汽化制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷及其热电 制冷。 在空气分离装置是节流和膨胀制冷结合使用。
3)膜分离法:利用一些有机聚合膜的潜在选择性,当空气通过薄膜或中 空纤维膜时,氧气穿过膜的速度比氮快的多的特点,实现氧、氮的分离。 这种分离方法得到的产品纯度不高,规模也较小,目前只适用于生产富 氧产品。
二、空气的组成
组 分
分子 式
体积 含量 重量 含量 气体 密度 沸点

O2

N2

Ar

Ne

把该压力对应的温度叫‘饱和温度”
第一章 热工基础
第四节 蒸汽的性质
基本概念
临界温度:对不同的物质都存在着这样一个温度,只有低于这个温度,
才可能采用提高压力的方法使它液化,这个液化的最高温度 叫临界温度。
临界压力:在临界温度下,所需要的液化压力叫“临界压力”,如果低
于该压力,气体也不能液化。
T-S图
等熵膨胀的一个优点是:在获得较大温降的同时 能回收部分压缩空气的功。
第二章 空气的液化
第五节 几种典型的深度冷冻液化循环
以等熵膨胀和节流为基础的循环-克劳特循环
克劳特循环中,空气P1=1㎏/cm2被压缩机等温压缩 到P2ata,经换热器Ⅰ被冷却,然后分为二部份,一部份 为Mkg进入换热器Ⅱ继续冷却,经换热器Ⅲ后在节流阀中 节流到1ata,其中Zkg气体变成液体,(M一Z)㎏的气体 变成饱和蒸气返回,经各换热器冷却正向高压热气流, 另一部分为(1一M)kg(设总气流为1㎏),进入膨胀机, 由P2ata膨胀到P1ata。降低了温度并输出功,膨胀后的 (1一M)㎏气体在换热器的冷端与返回的冷气流汇合, 通过换热器Ⅱ冷却去节流的M㎏高压气流,然后通过换热 器I冷却从压缩机出来的全部高压气流。
He

Kr

Xe
二氧 其 化碳 它
CO2
20.93
78.03
0.932
1.5~1.8 × 10-3 1.2 ×10-3 0.9
4.6~5.3 × 10-4 7 × 10-3 0.17 8 - 268.938
1.08 × 10-4 3 × 10-4 3.74 3 - 153.4
8 × 10-6 4 × 10-5 5.89 6 - 108.11
第二章 空气的液化
第五节 几种典型的深度冷冻液化循环
以节流为基础的循环-林德循环
这样,节流前及节流后的温度均不断降低,直至节流后达到液化
温度,进入湿蒸气区,并使整个系统处于稳定工况,取出液空为止。
林德循环系统由压缩机、逆流换热 器、节流阀及液化器等组成,气体经
压缩净化、干燥、换热、节流、液化
等过程最后获得低温液体。
熵可以用来度量不可逆过程前后两个状态的不等价性
不可逆过程前、后的两个状态是不等价的
不可逆过程
节流膨胀
膨胀机膨胀 理想膨胀机膨胀 为可逆过程
空气通过节流阀和膨胀机时,压力 从p1降到p2,在理想情况下,两个 过程均可看成是绝热过程。但是, 由于节流过程没有对外作机械功, 压力完全消耗在节流阀的摩擦、涡 流及气流撞击损失上,要使气体自 发地从低压处(p2)反向流至高压 处(p1)是不可能的,




对其它绝热过程来说,自然过程总是朝着熵增大的方向进行,或者说, 熵增加的大小反映了过程的不可逆程度,因此,熵就是表示过程方向性 的一个状态参数。 熵是从热力学理论的数学分析中得来的,定义也是用数学式子给出的, 正像焓一样,熵在热工理论计算及热力理论中有很重要的作用,它表征 工质状态变化时其热量的传递程度。熵值不能通过仪器直接测量,只能 通过计算得出。 熵可定义为dS = dq / T。式中表明,熵的增量等于系统在可逆过程中从 外界传入的热量,除以传热当时的绝对温度所得的商。或者说,物质熵 的变化可用过程中物质得到的热量除以当时的绝对温度来计算。(如果过 程中温度不是常数,熵的增减需用数学积分计算)。熵的单位是J / K。 从熵的定义可以看出,dS=0,或△S=0,表示绝热,△S>0表示过程吸 热,△S <0表示过程放热,而工程热力学中又规定向工质传入热量为正, 从工质对外传出热量为负。熵的绝对值和内能与焓一样,在一般的热工 计算中无关紧要,所感兴趣的是熵的增加或减少。熵给热量的分析和计 算带来了方便,利用绘制的熵的有关线图,是熵的一个用途。
空分工艺
二〇〇九年八月二十五日
一、空气分离的方法和原理
空分的含义:简单说就是利用物理或者化学方法将将空气混合物各组进 行分开,获得高纯氧气和高纯氮气以及一些稀有气体的过程。 空分分离的方法和原理: 空气中的主要成分是氧和氮,它们分别以分子状态存在,均匀地混 合在一起,通常要将它们分离出来比较困难,目前工业上主要有3种实 现空气分离方法。 1)深冷法(也称低温法):先将混合物空气通过压缩、膨胀和降温,直 至空气液化,然后利用氧、氮汽化温度(沸点)的不同(在标准大气压 下,氧的沸点为﹣183℃;氮的沸点为﹣196 ℃,沸点低的氮相 对于氧要容易汽化这个特性,在精馏塔内让温度较高的蒸气与温度较低 的液体不断相互接触,低沸点组分氮较多的蒸发,高沸点组分氧较多的 冷凝的原理,使上升蒸气氮含量不断提高,下流液体中的氧含量不断增 大,从而实现氧、氮的分离。要将空气液化,需将空气冷却到﹣173 ℃以下的温度,这种制冷叫深度冷冻(深冷);而
内能(U)
工质是由分子组成的,其内部分子不停的运动而具有动能,工质 分子之间存在着作用力而具有位能。分子的动能和位能之和
称为工质的热力学能,通常用U来表示,单位为焦耳
(J)。用△U表示工质热力学能的变化。分子动能和位能变化都会引 起热力学能的变化。分子动能的大小与工质的温度有关,温度越高分 子的动能越大。而工质的位能大小取决于分子之间的距离,即由气体 工质的质量体积也就是比容υ来决定。由于温度与比容都是状态函数, 所以热力学能也是状态参数。也就是热力学能只与状态有关而与变化 过程无关。这与功和热量两个过程参数不同。热力学能的改变通常通 过传热和做功两种方式来完成。
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