KDONAr空气分离设备空分制氧培训教材

KDONAr空分空气分离设备培训教材

目录

第一章空气的性质与分离的基本原理...................................................2

第一节空气分离设备术语.........................................................2

第二节基本概念..............................................................7

第三节空气分离的基本原理........................................................10

第二章空分设备流程组织概述.......................................................34

一、主要技术数据................................................................34

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

三、工艺流程简介................................................................35

第三章空气的净化................................................................37

第一节概述..................................................................37

第二节固体杂质的清除...........................................................38

第三节空气的纯化...............................................................38

第四章空气预冷系统.................................................................47

一、空气预冷系统的工艺流程及原理................................................48

二、空气冷却塔及水冷却塔的结构特点及其功能......................................49

三、空气预冷系统的安装、使用和维护..............................................53

四、空气预冷系统在运行过程中出现的问题及解决方法................................55

第五章换热系统.....................................................................56

一、铝板翅式换热器的主要特点....................................................56

二、铝制板翅式换热器的结构与组成................................................56

三、铝板翅式换热器制造过程......................................................64

四、铝板翅式换热器在空分设备中的分类............................................66

五、铝板翅式换热器使用说明......................................................72

第六章空分机器.....................................................................75

第一节透平膨胀机...............................................................76

第二节透平压缩机...............................................................92

第三节蒸汽透平机...............................................................99

第七章精储装置.....................................................................106

第一节精储设备与操作...........................................................106

第二节故障及维护...............................................................113

第八章空分仪表控制系统.............................................................114

第一节概述..................................................................114

第二节测量原理...............................................................116

第三节控制...................................................................118

第九章空分电器控制系统.............................................................124

第十章空分装置的基本操作...........................................................126

第一节启动与操作.............................................................126

第二节空分设备操作及维护......................................................138

第十一章空分装置的安装及安全规程..................................................142

第一节空分设备的安装..........................................................142

第二节空分设备安全规程........................................................151

第十二章低温液体罐................................................................157

第一节低温液体贮槽的基本原理、结构及功能.....................................157

第二节低温液体贮槽的操作....................................................160

第十三章空分阀门...................................................................168

第一节概论...................................................................168

第二节常用阀门...............................................................169

第三节阀门的使用及维修.......................................................170

第十四章空分技术问答..............................................................173

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/m3o主要成分是氧、氮和氤；以体积含量计，氧约占20.95%,氮约占78.09%,

氮约占0.932%,此外还含有微量的氢及氯、氢、氟、旅等稀有气体。根据地区条件

不同，还含有不定量的二氧化碳、水蒸气及乙焕等碳氢化合物。

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。2,分子量31.9988（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54.75K,在101.325kPa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%。

5、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%。

7、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1.251kg/m3,熔点为63.29K,在101.325kPa压力下的沸点为

77.35K。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%。

9、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%。

10、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%。

11、液氧（液态氧）

液体状态的氧，为天蓝色、透明、易流动的液体。在101.325kPa压力下的沸点

为90.17K,密度为1140kg/m3o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101.325kPa压力下的沸点为77.35K,

密度为810kg/m3o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10L325kPa压力下的沸点为78.8K,

密度为873kg/m\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101.325kPa时的气体状态。

18、空气分离

从空气中分离其组分以制取氧、氮和提取氮、氯、氢、氟、包等气体的过程。

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、等端膨胀效应：气体在等端膨胀时，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储的空气。

37液汽比（回流比）：在精偏塔中下流液体量与上升蒸汽量之比。

38液泛：在精微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：在筛孔板精储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LOMPa的工艺流程。

47、中压流程正常操作压力大于LOMPa至小于或等于5.0MPa的工艺流程。

48、高压流程：正常操作压力大于的5.0MPa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氮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10000m3/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1000m3/h至小于10000m3/h（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1000m3/h（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

用以提取纯氮、纯氯、纯氢、纯氟、纯流等气体产品的设备。一般需与空气分

离设备配用。

2、稀有气体

指氮、氯、氯、氯、流五种气体。无色，无臭的气体。

3、氮气分子式Ar,原子量39.948（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84K。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、纯氨：用空气分离设备提取的纯氤，其僦含量（体积比）大于或等于99.99%。

5、液氤：液体状态的氤，是一种无色、无臭、呈透明的液体。

6、岚气:

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1.8X10-3%。在标准状态下的密度为（）8713kg/m3,熔点为24.57K。

在101.325kPa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氮，其氟含量（体积比）大于或等于99.99%。

8、液氯：液体状态的窗阳一种无色、无臭呈透明的液体。液筑常用作低温源。

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5.24X10-4%。在标准状态下的密度为01769kg/m3。在101.325kPa

压力下的沸点为4.215K。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氢，其氢含量（体积比）大于或等于99.99%。

11、液氨：

液体状态的氢，为无色透明的液体，沸点最低，是一种最主要的低温源。

12、氮气：

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1.0XIOX%。在标准状态下的密度为3.6431kg/m3。熔点116.2K。

在101.325kPa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、纯氟:用空气分离设备提取的纯氮，其氟含量（体积比）大于或等于99.95%。

14＞债气:

分子式Xe。原子量131.80（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8.0X10-6%。在标准状态下的密度为5.89kg/nA熔点161.65K。

在压力下的沸点为165.02Ko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、纯急：用空气分离设备提取的纯氤，其很含量（体积比）大于或等于99.95%。

16、氤储分：

从上塔合适部位提取一股氧、氤、氮混合气作为氤提取设备的原料气体。其组

分（体积含量）氤为7%~10%,氮一般小于0.06%,其余为氧。

17、氤回流液:

在粗氮塔中精储洗涤下来的氧、氯、氮混合液，其组分与氤偏分气体成相平衡。

18、粗敏:

由粗氮塔塔顶获得的氤含量（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：由粗氮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：

为避免粗氮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、氯氢储分：从冷凝蒸发器顶部抽取的氯、氢、氮混合气体，作为氟氯提取

设备的原料气。

22、粗氯储分：

筑氢储分经粗氟氢塔分离而获得氯氢浓缩物。其氟和氢的总含量（体积比）为

30%~50%,其余为氮及少量氢的混合气体。

23、筑氮混合气：

经除氢和氮后所获得的氟氢混合气体，其组分含量（体积比）氯约为75%,氢

约为25%o

24、贫氟：

指贫氟塔塔底蒸发器中获得的浓缩物。其氟和猷的总含量（体积比）为0.1~0.3%,

其余为氧（甲烷含量0.1〜0.3%,）的混合气体。

25、粗氟：

指粗氮塔塔底蒸发器中获得的浓缩物。其氟、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、工艺旅:

指粗氟气体通过纯氟塔进一步分离后获得的债气，其债含量（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，这个液化的最高温度。

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（℃）+273

K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

数值物理大气压工程大气压巴毫米汞柱

1物理大气压11.03321.013760

1工程大气压0.96810.98735.6

1巴0.9871.021750

1000毫米汞柱1.3151.361.331000

1工程大气压=1(公斤/厘米2)=735.6(mmHg)=10米水柱

15、比容与重度：单位重量工质所具有的容积。(丫)

单位体质的工质所具有的重量。(P)

体积V,重量G(Kg)

则有丫=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->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。

P|V1=P2V2=......................=PV=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；

V,/T1=V2/T2=...................=V/T=常数

*丫不变时，一定量的气体，温度升高压力则增高，反这则下降。

Pi/Ti=p2/r2=......................=P/T=常数

20、理想气体的状态方程：

PlV1/T1=P2V2/T2=......................=PV/T=常数R

气体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=等容比热+2（Kcal/mol.K）

单原子气体（He、Ne、Ar、Kr、Xe）是等压比热=5,等容比热=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2-口kQ—

AW

A.绝热过程：Q=0,则△□=—AW

B.等容过程W=0,则△u=Q

C.当工质完成热力循环后，系统回到原状态"2=口1，则、=人\¥

23、热力学第二定律：

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、涉晚.

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（所谓的涉瞥遢度或涉初下进行。

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和。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

一.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、敏、氯、氟、氤、氢，以及二氧化碳、乙烘和水蒸汽。氮、弱、氯、

氟、债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°K沸点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

氢5x10-520.41-252.75

H2

债Xe0.8x1O-5164.06-109.1

二氧化

0.03-0.04

C02194.96-72.8（升华）

碳

0.01-

乙焕C2H2189.56-83.6（升华）

0.02PPm

随当地气象

水蒸汽H20273.160

条件而变

空气—78.81-194.35

目前，空气分离方法有吸附分离法、膜分离法、精储法。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储法。

二.制冷

空气是在一170℃以下的精微塔中进行分离的，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

一牖图。

（1）.温燧图（T-—S图）

温端图是以温度为纵坐标，帽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）

图1温熠图（T—S图）

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。

m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、端与压力温度一样，都是状态参数，当物质的状态确定后，它的焰、

燧也随之确定。燧代表了流体在流动时所携带的能量，单位是KJ/Kmol。

焙（单位质量的焙）=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。

流体的蜡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：

△S=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的端变应为：

△S=/i2dQ/T

端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，压力下

降，使阀门后的压力P2低于阀门前的压力Pi（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i产i2,这说明节流本身并不产生冷量。

节流过程是一个等焙过程，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。而实际气体的熔值是温度和压力的函数，因此

I,,I

Pi

Pl

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=(0.268-0.00086P)(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Pi节流到P2时，产生的温降为：

△T=ai(Pi-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=CPiAT

即：q=CP)ai(P1-P2)=H3-H2(H,=H2,H0=H3)

=Ho-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Hi小于入口工

质的焰值Ho0

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。

⑷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，工质在膨胀机

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焙值增加，爆也增

加。实际的绝热膨胀过程应如图6中1一3所示，实际的绝热膨胀焰降为ii—i3,它比

理想的绝热膨胀焰降i1一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焰降之比，称为膨胀机的等

端效率，用ns表示；

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

透平膨胀机的等燧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。

如果膨胀机的等端效率保持不变，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：

△T.=Tt-Tt=T»[(^)?T1-11

(双原子的理想气体R=1.4)

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

q=等温节流制冷量+膨胀机的输出功=(ii-i4)+&-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ii=W膨十G膨i2

所以：W膨=6膨("12)

(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。）

h*til<•q随冷损失）

/冷箱边界

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=离开冷箱的各项工质的焰值之和

十膨胀机的输出功，即：

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=6(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3氧蒸汽压与温度曲线

图4氮蒸汽压与温度曲线

图5氢蒸汽压与温度曲线

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（Raoult，sLaw）,

即：

PA=PA°XA=PA°X

PB=PBXB=PA"（1-X）

式中p一一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一一独立组分数；

4>-----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t—x（或y）或x-y的函数关系或相图来表示。

2.3两组分气一液相平衡图

（1）x—r（泡点）关系式

液相为理想溶液，服从拉乌尔定律：

PA=PAXA=

PB=PB'，XB=PA"^~X）

气相为理想气体，符合道尔顿分压定律:

、，PA_PAx

y=一=---

APP

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：'X+PJ（1_X）

,P-PB

A-

PA°-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

logp0-A———

t+c

故X与，的关系为非线性关

系，已知f求尤用上式很方便，但120

是已知X求泡点/要用试差法（迭B

110

代法）求。

（2）y-r（露点）关系式L

‘wo

指定，用上述方法求出X后?

M90

用道尔顿分压定律求力即s

pA°x80

乃=-----

P

70

（3）r-x（或y）图

将用上述方法求出的

r-x（或y）的数据画在同一张图上，

就得到f-x（或y）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（x=1）,端点B代表纯难挥发B组

沸点＜沸点

分（％=°）。'A,’B,

两线：x线为泡点线，泡点与组成x有关；‘一丁线为露点线，露点与组成y有

关。

3区：f-x线以下为过冷液体区；线以上为过热蒸汽区；在r-x与f-y

线之间的区域为气液共存区，在此区域内气液组成y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4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X,维持加热升温至G点，溶液部分汽化，气相组成为）'F（F

点），液相部分分离，丁与x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，液滴组成为西，继续冷却至G点气相部分冷凝，液相组成为工,气相组

成为九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-x

在蒸储计算中广泛应用的是一定总压下的I.,-------------------0

y-x图。因故在任一x下总是y>x,

相平衡曲线y—X必位于对角线y=x上方。若I//

平衡曲线离对角线越远，越有利于精储分离。i//乂；’

总压恒定

注意：y—x曲线上各点对应不同的温度。X、y

值越大，泡、露点温度越低。

图7相平衡曲线

（5）相对挥发度a和相平衡方程

相对挥发度a

纯组分的饱和蒸汽压P”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7表示。

挥发度

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

。=区=&&丛"(i)

/XXX

相对挥发度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气液两相组成间的关系，称为相平衡方程。如能得知a值,

便可算出气液两相平衡时易挥发组分浓度y-x的对应关系。

对理想溶液，将拉乌尔定律带入夕的定义式可得

a=〃_PA/XA_

BXB

YBP/PB°

即理想溶液的a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a原则上随温

度（也即随》）而变化。但PA7PB”

与温度的关系较PA"或PB"单独与温

度的关系小得多，因而可在操作的温

度范围内取一平均的相对挥发度。

X

图8相对挥发度为定值的相平衡曲线

并将其视为常数，这样利用相平衡方程就可方便地算出）一》平衡关系。换句话说相

平衡方程仅对a为常数的理想溶液好用。

那么怎么取