【正文】 化工企業(yè)空分 工藝 培訓講義 目錄 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 空氣的性質(zhì)及分離原理 第三節(jié) 流程敘述 第四節(jié) 主要設備介紹 第一節(jié) 概述 空氣是一種取之不盡的天然資源，它由具有豐富用途的氧氣、氮氣、氬氣等氣體組成。這些氣體在空氣中是均勻地相互混合在一起的，要將他們分離開來是比較困難的，為此近百年來，隨著工業(yè)技術的發(fā)展，對空氣的分離形成了三種技術方法：吸附法、膜分離法及低溫法。 吸附法是一種利用分子篩對不同分子的選擇吸附性能來達到最終分離目的的技術，該技術流程簡單，操作方便，運行成本低，但獲得 高純度產(chǎn)品較為困難，而且裝置容量有限，所以該技術有其局限的應用范圍。 膜分離法利用的是膜滲透技術，利用氧、氮通過膜的速率的不同，實現(xiàn)兩種組分的粗分離。這種方法裝置更為簡單，操作方便，投資小但產(chǎn)品只能達到 28% 35%的富氧空氣，且規(guī)模只宜中小型化，只適用于富氧燃燒及醫(yī)療保健領域應用。 低溫法是利用空氣中各組分沸點的不同，通過一系列的工藝過程，將空氣液化，并通過精餾來達到不同組分分離的方法。這種方法較前兩種方法可實現(xiàn)空氣組分的全分離、產(chǎn)品精純化、裝置大型化、狀態(tài)雙元化（液態(tài)及氣態(tài)），故在生產(chǎn)裝置工業(yè)化方面 占據(jù)主導地位。和傳統(tǒng)的分離相比，這些氣體的分離需在 100K 以下的低溫環(huán)境下才能實現(xiàn)，所以稱之為低溫法（或深冷法）。 我們在這所要介紹的就是低溫法空氣分離技術 。 第二節(jié) 空氣的性質(zhì)及分離原理 一．空氣的一般性質(zhì) 空氣是一種混合物 ,除含有其固定的氧、氮、氦、氖、氬、氪、氙、氡組份外，還含有水蒸氣、二氧化碳、乙炔以及少量機械雜質(zhì)，其組成如表 1 所示，各組分氣體的物化參數(shù)如表 2 所示 : 表 1 空氣的組成 成分 體積 % 重量 % 成分 體積 % 重量 % 氧 氪 104 3 104 氮 氙 104 104 氬 氡 6 1010 二氧化碳 氫 104 104 氖 (1518) 104 12 104 臭氧 () 104 104 氦 () 104 104 表 2 幾種氣體的基本物化常數(shù) 名稱 分子式 分子量 氣體重度 正常沸點 (760mmHg) 臨界點 760mmHg 溫度 液體重度 溫度 壓力 kg/m3 K/℃ kg/m3(℃ ) K/℃ 大氣壓 空氣 (194) 氧 O2 32 () 氮 N2 (196) 氬 Ar (183) 二氧化碳 CO2 (50) 乙炔 C2H2 升華 (80) 氙 Xe 氪 Kr 二 . 空氣分 離的基本原理 空氣壓縮、空氣凈化、換熱、制冷與精餾是空分的五個主要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)以此來做理論介紹： 空氣是在 170℃以下的精餾塔中進行分離的 ,所以說通過制冷 ,獲得所需的低溫并維持這個環(huán)境 ,是空氣分離的基本前提條件。 制冷的方法有兩種 :節(jié)流與膨脹。為了直觀地描述這兩種熱力學過程，先引入溫 — 熵圖。 (1).溫熵圖（ TS 圖） 溫熵圖是以溫度為橫坐標，熵為縱坐標的熱力學函數(shù)圖。圖中向上凸起的曲線叫“飽和曲線”，飽和曲線有兩部分組成，左半邊稱為飽和液體線，右半部分稱為飽和蒸汽曲線 ,兩條曲線的匯合點稱 為臨界點 .在臨界點所對應的溫度稱為臨界溫度 ,對應的壓力稱為臨界壓力。臨界點是氣體與液體相互轉(zhuǎn)化的極限 (見圖 1) 圖 1 溫熵圖 (T— S圖 ) 飽和曲線和臨界點將此圖分為三個區(qū)域（見圖 2） : T III II S 圖 2 T – S 圖 I 區(qū)：臨界溫度以下，飽和液體曲線左邊的區(qū)域為過冷液相區(qū)。 I II 區(qū)：飽和液體曲線和蒸汽曲線下面的區(qū)域為氣液共存區(qū)。 III 區(qū)：臨界溫度 以上，飽和蒸汽曲線右測區(qū)域為過熱蒸汽區(qū)。 臨界點的存在說明：只有氣體的溫度低于其臨界溫度時，該氣體才可能變成液體。 焓、熵與壓力溫度一樣，都是狀態(tài)參數(shù)，當物質(zhì)的狀態(tài)確定后，它的焓、熵也隨之確定。熵代表了流體在流動時所攜帶的能量，單位是 KJ/Kmol。 焓（單位質(zhì)量的焓）＝比內(nèi)能＋ PV，其中 PV 為流體受到的推動力， P 為流體的壓力， V 為流體的比容。 流體的內(nèi)能由內(nèi)動能與內(nèi)位能組成。溫度越高，內(nèi)動能越大。內(nèi)位能不僅與溫度有關，更主要的取決于分子間的距離，即決定于比容，比容越大內(nèi)位能越大。 流體的熵的變化等于外界傳 遞進來的熱量與傳熱時流體的絕對溫度之比： △ S=△ Q/T 如果傳遞熱量過程中溫度不是常數(shù)，則當流體由狀態(tài) 1→狀態(tài) 2的熵變應為： △ S=∫ 12dQ/ T 熵的絕對值和焓及內(nèi)能一樣 ,在工程計算中無關緊要 ,我們所關心的只是它們的相對變化量 . (2).節(jié)流過程 當一定壓力的流體在管內(nèi)流經(jīng)一個縮孔或閥門時 ,由于流通截面突然縮小 ,流體中會發(fā)生激烈擾動 ,產(chǎn)生旋渦、碰撞、摩擦，流體在克服這些阻力的過程中，壓力下降，使閥門后的壓力 P2低于閥門前的壓力 P1(見圖 3)，我們把這種因流體流動遇到局部阻力而造成的降壓過程稱之為節(jié)流。 流體在管道內(nèi)流動和流經(jīng)各種設備時也存在著流動阻力，壓力也有所下降，所以如果泛指節(jié)流過程，也包括流體流經(jīng)管道與設備時的壓降過程。從能量轉(zhuǎn)換的觀點來看，由于工質(zhì)流經(jīng)節(jié)流閥的速度很快，膨脹后來不及與周圍環(huán)境進行熱量交換，并且節(jié)流閥安裝在保冷箱內(nèi)，四周傳給的熱量可以忽略不計，因此節(jié)流過程可看成是絕熱過程。同時，流體流經(jīng)閥門時與外界沒有功交換，在既無能量收入又無支出的情況下，流體在節(jié)流前后的能量應不變，即節(jié)流前后的焓值相等 i1=i2,這說明節(jié)流本身并不產(chǎn)生冷量。 節(jié)流過程是一個等焓過程，理想氣體的焓只是溫度的函數(shù)，所 以理想氣體節(jié)流后溫度并不發(fā)生變化。而實際氣體的焓值是溫度和壓力的函數(shù)，因此實際氣體 圖 3 節(jié)流示意圖 節(jié)流后的溫度存在變化，歸納為三種情況：下降、不變、上升。溫度變化與否同節(jié)流工質(zhì)的性質(zhì)和節(jié)流前的狀態(tài)有關。 圖 4 給出的是由實驗方法得到的空氣節(jié)流轉(zhuǎn)化曲線。轉(zhuǎn)化曲線將坐標分割成兩部分 ,內(nèi)側(cè)為制冷區(qū)，即工質(zhì)節(jié)流前處于該區(qū)域的某個狀態(tài)，經(jīng)節(jié)流后溫度將下降；外側(cè)為制熱區(qū)，即工質(zhì)在節(jié)流前處于該區(qū)域的某個狀態(tài)，節(jié)流后溫度將升高。氧、氮、氫、二氧化碳等工質(zhì) 均存在相似的轉(zhuǎn)化曲線。 圖 4 空氣轉(zhuǎn)化曲線 從上圖可以得知，在相當大的范圍內(nèi)，空氣節(jié)流后溫度都會下降（氧、氮也是如此）。 在常溫范圍內(nèi)，空氣節(jié)流后的溫度變化，可以用每降低一個大氣壓所降低的溫度 ai 來表示 : ai=(－ )(273/T)2 ℃ /大氣壓 式中 P、 T 分別表示節(jié)流前空氣的絕對壓力（大氣壓）和絕對溫度（ K）。這樣，當空氣從壓力 P1節(jié)流到 P2時，產(chǎn)生的溫降為 : △ T＝ ai（ P1P2） =ai△ P 從溫降的表達式可以看出，節(jié)流前的氣體溫度越低 ，節(jié)流前后壓差越大，節(jié)