【正文】 壓力氣體的總焓差，已表示了裝置的總的節(jié)流效應(yīng)制冷量。但是，膨脹機膨脹的溫降在進口溫度越高時，效果越大。 由此可見，在空分設(shè)備中，節(jié)流閥和膨脹機各有利弊，互相配合使用，以滿足制冷量的要求。 裝置在正常運轉(zhuǎn)時，制冷量主要是平衡裝置的冷量損失和生產(chǎn)少量液態(tài)產(chǎn)品所需的冷量。而是應(yīng)該首先找出冷損增大的原因。也可能出現(xiàn)開兩臺膨脹機的總制冷量不如一臺膨脹機滿負荷運轉(zhuǎn)時來得大的情況。回流液量與蒸發(fā)量相等時，液面保持不變。在正常情況下，它們進塔的綜合狀態(tài)都有一定的“含濕量”(液化率)。 當然，主冷液氧面是冷量是否平衡的主要標志，并不是惟一標志。但是，當下塔出現(xiàn)液體，飽和液體節(jié)流到上塔時，壓力降低，部分氣化，溫度也降低到上塔壓力對應(yīng)的飽和溫度。41. 全低壓空分設(shè)備中膨脹機產(chǎn)生的制冷量在總制冷量中占多大的比例? 答：，因此，節(jié)流效應(yīng)制冷量很小。由此可見，在總冷損中，絕大部分要靠膨脹機制冷來彌補，～，占總制冷量的83%～88%。 42. 膨脹機制冷量的大小與哪些因素有關(guān)? 答：膨脹機總制冷量Qp(kJ/h)與膨脹量V(m3/h)、單位制冷量Ah(kJ/kmol)有關(guān)： Qp=V△h/=VAht但是，對于低壓空分設(shè)備，膨脹空氣直接送入上塔參與精餾，過多的膨脹空氣量會影響精餾效果。不同的機前溫度下的單位理論制冷量如表13所示： 表13 膨脹機前溫度對單位制冷量的影響膨脹機前溫度T1/K303273243213183163143單位理論制冷量△ht/kJ 3)當機前溫度和機后壓力一定時，機前壓力越高，單位制冷量越大。 對于低壓空分設(shè)備，原先流程的膨脹機進口壓力取決于下塔壓力，即接近空壓機出口壓力。但是，由于膨脹后氣體進精餾塔，壓力變化的余地不大。因此，膨脹機的制冷量也就是指它在膨脹過程中對外作功的大小，等于氣體在膨脹過程減小的焓值。在溫熵圖(圖28)上，縱坐標為溫度T(K)，橫坐標為熵s(kJ/kmol例如，當膨脹機的進口絕對壓力P1=，進口溫度為85℃(T1=188K)時，可查到該點的比焓h1=4880kJ/kmol。例如，對于低壓空分設(shè)備，當膨脹機的進口絕對壓力p1=，進口溫度為T1=，可查到該點的比焓h1=3530kJ/kmol。其原因是節(jié)流過程不對外輸出功，溫度降低是靠分子位能增加而引起的。45. 節(jié)流效應(yīng)制冷量與哪些因素有關(guān)?答：節(jié)流效應(yīng)制冷量首先是與節(jié)流前后的壓差有關(guān)，其次與進裝置的溫度有關(guān)。進裝置的空氣溫度為30℃時，不同的進裝置壓力下的節(jié)流效應(yīng)制冷量如表12所示：并且，隨著壓力的升高，制冷量增加的幅度也在減小。46. 空氣在等溫壓縮后能量發(fā)生怎樣變化，為什么? 答：空氣在壓縮過程中，是靠消耗電能來提高空氣壓力的。在最理想的情況下，空氣壓縮后溫度不升高，與壓縮前的溫度相等，稱為“等溫壓縮”。從空氣的熱力性質(zhì)圖可查到，在同樣溫度下的空氣比焓隨壓力升高而減小。47. 為什么膨脹機膨脹的溫降效果要比節(jié)流大得多? 答：℃左右，而通過膨脹機膨脹，理論上溫降可達80～90℃，溫降效果要比節(jié)流好得多。因此，膨脹機膨脹時，氣體的溫度降低不僅是因為壓力降低，造成分子的位能增加，而使分子運動的動能減少引起的，更主要是由于對外作功造成的，所以溫降的效果要比節(jié)流時大得多。 實際上，當流體在管路及設(shè)備中流動時，也存在流動阻力而使壓力有所降低。 在節(jié)流過程中，流體既未對外輸出功，又可看成是與外界沒有熱量交換的絕熱過程，根據(jù)能量守恒定律，節(jié)流前后的流體內(nèi)部的總能量(焓)應(yīng)保持不變。分子的運動速度減慢，體現(xiàn)在溫度降低。 熱量只能從高溫物體傳給低溫物體，要從低溫物體取走熱，首先要用人工的方法，造成一個更低溫度的狀態(tài)，使它具有吸收、并帶走熱量的能力。通常，節(jié)流過程將造成溫度降低，氣體所具有的帶走熱量的能力，就是低壓氣體在離開裝置時恢復(fù)到進口溫度相同時所能帶走的熱量。因此，膨脹機膨脹前后的能量(焓)之差就是膨脹機制冷量。制冷量是裝置的屬性，冷量是物質(zhì)的屬性。因此，要使空氣液化，必須有一個比該溫度更低的冷流體來冷卻空氣。但是，這種膨脹的溫降是有限的。主熱交換器是利用膨脹后的低溫、低壓氣體作為換熱器的返流氣體，來冷卻高壓正流空氣，使它在膨脹前的溫度逐步降低。例如，溫度降至190℃也仍為氣態(tài)。膨脹后進入上塔的低溫空氣在冷凝蒸發(fā)器中冷卻來自下塔的低溫壓力氣體，部分產(chǎn)生冷凝后又節(jié)流到上塔，進一步降低溫度，成為低溫、低壓返流氣體的一部分，使積累的液體量逐步增加。在標準大氣壓()下，氮的液化(氣化)℃，氧的液化(氣化)溫度為183℃。熱量是由氣氮傳給液氧。52. 為什么液氮過冷器中能用氣氮來冷卻液氮? 答：液氮過冷器利用上塔引出的低溫氣氮來冷卻從下塔引出的液氮，以減少液氮節(jié)流進入上塔時的氣化率。對應(yīng)的飽和溫度為193℃，出塔的氮飽和蒸氣的溫度也為該溫度。53. 在空分塔頂部為什么既有液氮，又有氣氮? 答：在煮開水時我們可以看到，在大氣壓力下，溫度升高到100℃，水開始沸騰。在整個汽化階段，蒸汽與水具有相同的溫度，所以又叫“飽和溫度”。對同一種物質(zhì)，在相同的壓力下，二者在數(shù)值上相等。物體內(nèi)部能量減少，是因為放出了熱量；反之，則是吸收了熱量。按照國家標準是采用焦耳(J)為單位，工程上常用千焦(kJ)。由于它的溫度低于環(huán)境溫度，就具有了自發(fā)從環(huán)境吸收熱量的能力。 由此可見，冷量只是對某一種熱量的特殊稱呼。但是水不會自發(fā)地降低到比周圍空氣更低的溫度而結(jié)冰。這種人為地獲得低溫的過程，就叫“制冷”。它是一種低沸點的物質(zhì)，常用的有氨、氟里昂等。工質(zhì)本身則在蒸發(fā)器中吸熱氣化后，又返回到壓縮機中再次壓縮。然后再來冷卻空氣本身，直至達到液化溫度而。 在制氧機中，要將空氣溫度降低到液化溫度，這也是一個制冷過程，因此，必須有壓縮機，并以消耗電能為代價。再通過節(jié)流膨脹降壓，使其飽和溫度降低到比環(huán)境更低的溫度。它必須要消耗電能，帶動壓縮機工作。 用人為的方法獲得比環(huán)境更低的溫度，是可以實現(xiàn)的。在數(shù)量上等于制冷時從低溫物體取走的熱量，也等于低溫物體所能吸收的熱量(均以環(huán)境溫度為基準)。這個吸熱能力的大小就稱為冷量。因為要獲得比環(huán)境更低的溫度，是要靠制冷機化費電能才能獲得的。熱物體相對于冷物體來說，具有放出熱量的能力；冷物體相對于熱物體來說，具有吸收熱量的能力。這是由于高溫物體有能量傳遞給低溫物體。但是，相同溫度下的飽和液體及飽和蒸氣屬于不同的狀態(tài)。在汽、液共存的階段，叫“飽和狀態(tài)”。抽出的飽和液氮也為該溫度。壓力越低，對應(yīng)的飽和溫度也越低(見圖8)。在上述溫度下，氧的氣化潛熱為207kJ/kg，氮的冷凝潛熱為168kJ/kg。相應(yīng)的氣氮冷凝溫度為177℃；，相應(yīng)的氣化溫度為179℃。這說明在冷凝蒸發(fā)器中，氣氮的溫度是高于液氧的。對于小型中、高壓制氧機，在啟動階段的后期，在主熱交換器的下部，就會有部分液體產(chǎn)生，起到液化器的作用；對于低壓空分設(shè)備，另設(shè)有液化器，利用膨脹后的低溫低壓空氣來冷卻正流高壓()低溫空氣，使之部分液化。空分設(shè)備在啟動階段的降溫過程就是這樣一個逐步冷卻的過程?！?，還遠遠達不到空氣液化所需的溫度?？諝庖蛎?，首先就要進行壓縮，壓縮就要消耗能量。50. 節(jié)流膨脹及膨脹機膨脹的溫降有限，空氣在空分設(shè)備中是如何被液化的? 答：在空分裝置中要實現(xiàn)氧氮分離，首先要使空氣液化，這就必須設(shè)法將空氣溫度降至液化溫度。這是由空分設(shè)備外部提供的制冷量，就是指冷凍水從空氣帶走的熱量，它可使所需的節(jié)流效應(yīng)和膨脹機制冷量減少。 (2)膨脹機制冷量 壓力較高的氣體經(jīng)過膨脹機膨脹時，由于氣體推動葉輪旋轉(zhuǎn)，對外輸出功，因而氣體本身的能量(焓)減小，溫度顯著降低。根據(jù)制冷造成低溫的方式不同，制冷量可分為以下三種，如圖22所示。節(jié)流后壓力降低，質(zhì)量比容積增大，分子之間的距離增加，分子相互作用的位能增大。而節(jié)流閥的節(jié)流過程壓降較大，并是突然變化的。流體要流過閥門，必須克服這些阻力，表現(xiàn)在閥門后的壓力P2比閥門前的壓力P1低得多。氣體在膨脹機內(nèi)膨脹時，氣體要推動葉輪旋轉(zhuǎn)，或推動活塞對外作功，而且膨脹過程進行很快，外界沒有能量輸入，理想情況下可以看成是一個絕熱過程。根據(jù)能量平衡，如果能量的支出大于收入，則只能靠減少內(nèi)部積余來彌補。而壓力升高后的質(zhì)量比體積縮小，分子之間的距離縮小，分子相互作用的位能減小。隨著氣體溫度升高，氣體體積要膨脹，壓縮更困難，要壓縮到同樣的壓力需要消耗更多的能量。 進裝置的空氣溫度提高，節(jié)流效應(yīng)制冷量略有減少。kmol1 188 285 586 795 938節(jié)流后排出裝置的壓力是接近于大氣壓力，變化的范圍有限。根據(jù)能量守恒定律，輸出的功只有靠減少氣體的能量(焓)來維持平衡，使得氣體分子運動的動能急劇減少，反映在溫度大幅度下降。膨機的單位制冷量為△h=h1h2=3530(kJ/kmol)2540(kJ/kmol)=990kJ/kmol。膨脹機的單位制冷量為△h=(h1h2)=4880(kJ/km01)4040(kJ/km01)=840kJ/kmol。在圖上畫有等壓線、等焓線。已知膨脹機進、出口氣體的溫度和壓力，可以從氣體的熱力性質(zhì)圖上查到相應(yīng)的比焓值。43. 什么叫膨脹機制冷量，如何確定? 答：膨脹機對外輸出功造成氣體的壓力、溫度降低，焓值減小。在所需的總制冷量一定的情況下，就可以減少膨脹空氣量，有利于上塔的精餾。 表14膨脹機前壓力對單位制冷量的影響膨脹機前壓力p1/MPa單位理論制冷量△ht/kJ 但是，機前溫度提高，膨脹后的溫度也會提高，氣體直接進入上塔會破壞精餾工況。 2)進、出口壓力一定時，機前溫度越高，單位制冷量越大。而單位理論制冷量取決于膨脹前的壓力、溫度和膨脹后的壓力。 當裝置在啟動時，或生產(chǎn)部分液態(tài)產(chǎn)品時，則全靠增大膨脹機的制冷量來彌補，這時將占更大的比例?！?，熱交換不完全損失當熱端溫差為3℃時。此外，上塔底部的液氧溫度為180℃左右，在氣化上升過程中，與塔板上的液體進行熱、質(zhì)交換，氮組分蒸發(fā)，氣體溫度降低，待氣體經(jīng)過數(shù)十塊塔板，上升到塔頂時，氣體已達到純氮，溫度也降到與該處的液體溫度(193℃)相等。但是，這不是冷量不平衡造成的，而是上、下塔的液量分配不當引起的，液面的波動也是暫時的。 當裝置的冷損增大時，制冷量不足，使得進下塔的空氣含濕量減小，要求在主冷中冷凝的氮氣量增加，主冷的熱負荷增大，相應(yīng)地液氧蒸發(fā)量也增大，液氧面下降；如果制冷量過多，例如中壓裝置的工作壓力過高時，空氣進下塔的含濕量增大，主冷的熱負荷減小，液氧蒸發(fā)量減少，液氧面會上升。大部分空氣將在主冷中液化。39. 為什么說主冷液氧面的變化是判斷制氧機冷量是否充足的主要標志? 答：空分設(shè)備的工況穩(wěn)定時，裝置的產(chǎn)冷量與冷量消耗保持平衡，裝置內(nèi)各部位的溫度、壓力、液面等參數(shù)不再隨時間而變化。同時，多取液體還會影響塔內(nèi)換熱器的工況及精餾塔的回流比等，所以也是受到限制的。當開一臺膨脹機不能維持正常液面時，一定是有內(nèi)部泄漏等非正常的冷量損失。38. 能否靠多開一臺膨脹機來增加制冷量? 答：膨脹機的制冷量是根據(jù)整個空分設(shè)備對冷量的需求量來確定的。 因此，對于中壓空分設(shè)備，出主熱交換器的低溫空氣是采用節(jié)流膨脹進入下塔的，以保證進塔空氣有一定的含濕。37. 節(jié)流閥與膨脹機在空分設(shè)備中分別起什么作用? 答：氣體通過膨脹機作外功膨脹，要消耗內(nèi)部能量，溫降效果比節(jié)流不作外功膨脹時要大得多。 氣體在膨脹機中膨脹時，計算膨脹機的制冷量只考慮對外作功而產(chǎn)生的焓降。那么，是否只有通過節(jié)流閥的那部分氣體(或液體)才產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)制冷量呢?實際上并非如此。除上述兩種冷損外，在對低溫吸附器進行再生和預(yù)冷時，在排放液體時，或當裝置、閥門發(fā)生泄漏時，都需要額外消耗一部分冷量，或損失掉一部分低溫液體(或氣體)的冷量。外部傳入的熱量，實際上就是使低溫氣體的同樣數(shù)量的冷量沒有得到充分利用。在熱端的溫差△t反映了出裝置的低溫氣體溫度低于進裝置的空氣溫度，即冷量不可能得到充分回收，該冷量損失叫“熱交換不完全損失”。在理想情況下，低溫返流氣體在離開裝置時，應(yīng)該復(fù)熱到與正流氣體進裝置時的溫度相等。這種低溫的獲得是花費了一定的代價——壓縮氣體消耗功，將氣體壓縮后再進行膨脹獲得的。即 Q=Q2+Q3+Q1+Q0 如果冷量消耗大于制冷量，則為“冷量不足”；冷量消耗小于制冷量，則為“冷量過?！?。產(chǎn)生的冷量首先要彌補跑冷和熱交換不完全這兩項冷損，以保持工況的穩(wěn)定。尤其是當發(fā)現(xiàn)熱端溫差擴大，超過規(guī)定值時，應(yīng)注意尋找原因，采取相應(yīng)的措施。 表15熱端溫差對熱交換不完全損失的影響熱端溫差/℃每1m3加工空氣的熱交換不完全損失/kJ它們與正流空氣在熱端的溫差不完全相同，流量及比熱容也不同，在計算熱交換不完全損失時，應(yīng)分別計算后再相加，得出總的熱交換不完全損失。 33. 熱端溫差對熱交換不完全損失有多大影響? 答：熱交換不完全冷損是返流低溫氣體在出主熱交換器的熱端時，不能復(fù)熱到正流空氣進熱交換器的溫度而引起的。這時應(yīng)檢查空氣進塔溫度升高的原因，予以消除之。這時，就需要對主換熱器進行加溫吹掃，才能使其恢復(fù)正常。由于分子篩吸附器進水，或者由于受到氣流沖擊，分子篩粉化，將粉末帶入熱交換器，粘附在換熱器通道表面，影響傳熱性能，造成熱端溫差擴大。如果熱端溫差擴大，說明返流氣體的冷量在換熱器內(nèi)沒有能夠得到充分回收。 對不同容量和型式的空分設(shè)備，相對于每立方米加工空氣的單位跑冷損失q3大致如下： 小型設(shè)備 8～12kJ/m3 1000m3/h板式 3200m3/h管式 板式 6000m3/h管式 板式 1000