空分操作基础知识培训1

0.808 1.142
1.4 0.125 1.204 2.155 3.52
-147 -119 -122 -267.7 -228.7 -63.7 +6.6 -140.6
3.45 5.13 4.959 2.335 2.813 5.6 6.01 3.77
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气体液化温度与压力有关：压力越高，其对应的液化温度就越高，就越容 易液化，这是空分装置实现空气分离的原理基础；
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2020/11/24
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一、空分装置：
采用低温精馏法从空气中将氧、氮、氩等气体分离出来的装置；
二、氧、氮、氩在国民经济产业链中的用途：
氧气在冶金工业中的作用——节能 提高产量和质量 环保
电炉用氧：可以加速炉料的融化 杂质的氧化 提高产量和质量 电炉吹 1m3标态氧节电5-10kw.h
程”，熵：是可以度量“不可逆过程”前后两个状态不等价性。
✓ △ S=0时，表示绝热； △ S∠0时表示过程放热； △ S＞0时表示过程 吸热；
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气体的热力性质图：
T-S图：
T
P1 P2
等 压 线 P=P临
✓ 饱和液体汽化阶段加热时，温 度不变，压力为一水平线；
PX ✓ 压力越高，汽化温度也越高；
压力提高使液化温度提高是有限制的，当压力再提高液化温度也不再提高 时，此时的压力即是该物质的临界压力，其对应的温度叫临界温度，其对 应的点叫临界点；
产生相变的原因：物质均是由分子组成，分子相互间具有作用力，当分子 间相互作用力增强，使它无法自由乱跑时，这时物质呈液态或固态存在； 因此物质所处状态是取决于内部分子能量大小；
1mmH2O=9.81Pa 1bar=105Pa
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✓ 绝对压力：容器内气体对容器壁的实际压力； ✓ 表压力：容器内气体实际压力高于大气压力的值；
✓ 真空度：容器内气体实际压力低于大气压力的差值；
✓ 换算：P绝= P表+ P大气 P绝= P大气-P真空度 仪表显示均为表压， 实际计算均用绝对压力；
❖随着中国工业化进程深入和对环境保护、节能越来 越重视，制氧行业在中国的发展前景广阔；
第一章 空分基础知识介绍：
一、氧气的生产方法：
化学法——将氧化物在一定条件下分解，放出氧气；能耗大、产能小，只 适应于实验室。
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电解法——以水为原料将水电解而生产氧气。在电解槽的水中通入直流电， 使水电离，氧积聚在阳极，氢积聚在阴极，每制取1m3氧同时可制取2m3氢 气；
名称
氮 氧 氩 氦 氖 氪 氙 空气 甲烷
ห้องสมุดไป่ตู้
分子式
N2 O2 Ar He Ne Kr
重量 百分比
75.5 23.1 1.29 60PPm 0.0011 32PPm
体积 百分比
78.09 20.95 0.932 46PPm 0.0016 11PPm
液化温度 （度）
-195.8 -183 -185.7 -268.9 -246.1 -153.2 -108.0 -192
空气分离法：以空气为原料，将氧氮组分分离而得到氧气、氮气；
✓ 低温法——此法将空气压缩、冷却、净化、换热，进而使空气液化，在精馏 塔中利用氧氮组分沸点不同，使气液接触，进行质、热交换，从而获得高纯 氧和高纯氮。此法产量大、能耗低，在工业上得到广泛利用。
✓ 变压吸附法（PSA法）——基于分子筛对空气中氧氮组分选择性吸附而使 空气分离获得氧气。 此法氧提取率低，但流程简单，常温运行，可在用 氧现场快速便捷获取氧气。
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膨胀机制冷效果与那些因素有关： ✓ 膨胀量大制冷量大； ✓ 进出口压力一定时，机前温度高，单位制冷量大； ✓ 机后温度和机后压力一定时，机前温度低，单位制冷量少； ✓ 膨胀机后压力越低，则膨胀机内压降越大，单位制冷量越大； 液化循环： 要使空气液化必须经历一个“低温液化循环”过程才能实现。 等温压缩 绝热膨胀降温 等压换热
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二、空气的液化
任何物质在不同的条件下都可以在气态 液态 固态三者之间转换，这种状 态变化叫“相变”。
产生相变的基础是温度和压力。
空气和空气中的氧、氮、氩 等组分在1标准大气压下，只要温度降低到一
→ 定程度，都可以以液态 固态状态呈现； 其对应的温度叫液化温度和凝
固点； →如图：
熔化温度 （度）
-209.86 -218.4 -189.2 -272.55 -248.6 -157.2 -111.8
液体标态 汽化量 Nm3/吨 650 800
675
密度
临界度（度）（Mpa）
Kg/m3 Kg/L 临界温度 临界压力
1.25 1.43 1.782 0.18 0.748 1.735 1.664 1.2928
有色冶金为节能增产，发展自热冶炼，综合利用和保护环境，正在推广氧气 冶炼法；
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氧气与化工：包括化工工艺用氧、化肥工业用氧、煤化工用氧；
氧气与机械制造、机械加工：切割、焊接用氧；
纯氧曝气工艺污水处理：通过好氧微生物对污水中的有机物进行 生化反应使污水得以净化。
氮气用途
冶金工业：连铸、连轧、钢材退火的保护气；转炉顶底复合吹氮炼钢，转炉 炼钢的密封，高炉炉顶的密封，高炉炼铁煤粉喷吹用气等。
热力学能——工质是由分子组成，其内部分子不停的运动而具有动能，
分子之间相互存在作用力因而具有位能，分子动能和位能之和叫热力学
能（内能）；
焓——工质在流动过程中，后面的气体对前面的气体有推动的功，因而
具有流动能，焓是气体内能与流动能之和；
熵——一块炽热的铁会自然冷却，水会自然从高处流向低处，它们的逆
过程均不会自发进行（自发过程），这种有方向性的过程叫“不可逆过
节流特点——节流后，压力、温度降低；温降是靠节流后动能减少，位能 增加获得； 未对外做功； 节流过程速度快，可视为绝热过程； 节流后 动能减少位能增加，所以节流前后总能量未变（焓值未变），因此节流过 程又叫等焓节流； 节流阀结构简单，可工作在气液两相区；
影响节流温降的大小因素：
✓ 节流前温度越低，温降越大，液体节流伴随相变温降更大；
T
21 1
3 5
4
6
5 6 h3
P1 P2
2
1
3
h1 4
转炉炼钢法（LD法）：吹入高纯氧，与碳、磷、硫、硅等元素发生氧化反应， 降低钢的含碳量，清除了磷、硫、硅等杂质，利用反应热来维持冶炼过程所 需要的温度； 冶炼时间短，产量高；吨钢耗氧：50-60m3；
高炉富氧鼓风：可显著降低焦比，提高产量；富氧浓度24-25%；
炼铁采用还原法（COREX）新工艺取代高炉炼铁，单位投资可降低20%，成 本下降20-25%，不需要焦炭，废水废气排放减少，利于环境保护； 吨铁耗 氧：550-650m3；
✓ 膨胀机制冷量——膨胀机靠高压气流推动叶轮，带动同轴增压机而对外做 功，使装置内能量减少的数值叫膨胀机制冷量；
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✓ 节流效应制冷量——进装置压力较高的气体在装置内经过各个设备、管路、
阀门后，最后成为压力较低的气体离开装置带走的一部分能量； 如图：
等温压缩节流
h
1 P1
循环焓-温图
理想气体：指压力不高温度不太低的情况下，气体分子本身所占的体积 和相互的作用可忽略不计，这种状态的气体。= 自然界不存在理想气体；
✓ 在一定温度下，气体在各状态下的压力与质量体积成反比； ✓ 在压力一定下，气体在各状态下的质量体积与绝对温度成正比；
✓
在体积一定下，气体在各状态下的绝对温度与压力成正比；
低温液化循环获得冷量必须耗功，耗功的大小代表着循环的经济性。
由于制冷存在摩擦损失、换热存在传热温差，所以，实际液化循环耗功，
→ 永远大于理论液化循环耗功； 循环效率
提高 循环效率：压缩机等温效率 膨胀机等熵效率 换热器换热效率 装置保温效率
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空气液化循环类型： 以节流为基础的液化循环。德国：林德 以等熵膨胀和节流为基础的液化循环。法国：克劳特 以等熵膨胀为基础的液化循环。苏联：卡皮查（低压透平膨胀机循环） ➢ 卡皮查液化循环示意图：
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氩气用途：
氩气是目前工业上应用很广的稀有气体。 对特殊金属，例如铝、镁、铜及其合金和不锈钢在焊接时，往往用氩作为
焊接保护气，防止焊接件被空气氧化或氮化。 在金属冶炼方面，氧、氩吹炼是生产优质钢的重要措施，每炼1t钢的氩气
消耗量为1～3m3。此外，电子工业中也需要用氩作保护气。
→ 空气实现液化的前提条件： 获取冷量；
自然界规律：热只能从高温物体传给低温物体，其逆过程不能自发进行；
用人工的方法，付出一定代价，靠消耗功对气体进行压缩再膨胀获得低温， 这个过程叫制冷；
获取冷量的方法：节流效应制冷量 膨胀机制冷量 氟利昂冷冻机制冷量
✓ 冷冻机制冷量——靠氟利昂冷冻机从装置内带走的一部分热量；（预干燥）
二、气体知识介绍：
物质通常以气、液、固三态存在，每种物质在不同的温度压力条件下可处 于其中任一状态。
气体的基本状态参数：
温度——表示物质冷热程度；温度的数值通过温标实现；--- 温标确定了温 度的0点和单位；--- 常用温标介绍；
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✓ 摄氏温标（t）——分度的方法规定在标准大气压下水的冰点为0度，沸点 为100度，把汞在这两点的液柱长度分为100等分，每一等代表1度。
✓ 热力学温标（K）——又称绝对温标，分度的方法规定在标准大气压下水的三 相点为273.16度，沸点与三相点间分为100格，每格代表1度，把-273.16度定 为绝对零度。
； ✓ 仪表所显示的温度均为摄氏温度，而工程计算必须采用绝对温标