化工企業(yè)空分工藝培訓(xùn)講義-在線瀏覽
2024-10-26 12:32本頁(yè)面
【正文】 性質(zhì)和節(jié)流前的狀態(tài)有關(guān)。轉(zhuǎn)化曲線將坐標(biāo)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(gè)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(gè)狀態(tài)，節(jié)流后溫度將升高。 圖 4 空氣轉(zhuǎn)化曲線 從上圖可以得知，在相當(dāng)大的范圍內(nèi)，空氣節(jié)流后溫度都會(huì)下降（氧、氮也是如此）。這樣，當(dāng)空氣從壓力 P1節(jié)流到 P2時(shí)，產(chǎn)生的溫降為 : △ T＝ ai（ P1P2） =ai△ P 從溫降的表達(dá)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)流所獲得的溫降就越大。利用以上公式，可以指導(dǎo)我們進(jìn)行空氣節(jié)流制冷的實(shí)際應(yīng)用。事實(shí)上，如前所述，節(jié)流并不產(chǎn)生冷量，只是通過(guò)節(jié)流，把工質(zhì)在等溫壓縮時(shí)已具備的制冷量表現(xiàn)出來(lái)而已。 另外，等溫節(jié)流制冷量與節(jié)流前有無(wú)換熱器無(wú)關(guān)，壓縮工質(zhì)經(jīng)換熱后，在節(jié)流時(shí)，并不增加制冷量，而是影響節(jié)流前后的溫度。 (4).膨脹制冷 利用透平膨脹機(jī)制冷是空分裝置制取冷量獲得低溫的主要途徑，工質(zhì)在膨脹機(jī)內(nèi)膨脹，同時(shí)對(duì)外作功，使膨張后的工質(zhì)大大降溫，膨脹機(jī)安置在保冷箱內(nèi)，而且由于過(guò) 程進(jìn)行的很快，來(lái)不及與外界進(jìn)行熱交換．所以膨脹過(guò)程近似可以 看成是絕熱過(guò)程，在理想狀況下（即工質(zhì)在膨脹機(jī)內(nèi)沒(méi)有任何摩擦 ） ，膨脹過(guò)程 熵 值不發(fā)生變化。實(shí)際的絕熱膨脹過(guò)程應(yīng)如圖 6 中 1→ 3 所示，實(shí)際的絕熱膨脹焓降為 i1— i3,它比理想的絕熱膨脹焓降i1— i2要小。正常情況下，現(xiàn)在的透平膨脹機(jī)的等熵效率一般都能達(dá)到 85％以上。 膨脹機(jī)前后的壓差及膨脹機(jī)進(jìn)口的工質(zhì)溫度，直接影響著膨脹機(jī)的制冷效果。 對(duì)于理想氣體，膨脹溫降可以用下面的關(guān)系式精確表達(dá)： (雙原子的理想氣體 R=) 對(duì)于實(shí)際氣體，膨脹過(guò)程的溫降常用熱力學(xué)圖（ T 一 S 圖 ） 查找。所以單位質(zhì)量的膨脹工質(zhì)的制冷量分為兩部分：見(jiàn)圖 7 圖 7 膨脹機(jī)制冷循環(huán)示意圖 q＝等溫節(jié)流制冷量 +膨脹機(jī)的輸出功 =(i1 – i4)+(i2 – i3)． (6).膨脹機(jī)工作時(shí)的能量轉(zhuǎn)移 壓力工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)行絕熱膨脹后，以較低的溫度和壓力排出機(jī)外，同時(shí)膨脹機(jī)對(duì)外作功?，F(xiàn)在往往用單級(jí)離心壓縮機(jī) (增壓器 )作為制動(dòng)裝置。隨著膨脹機(jī)入口壓力增加，單位質(zhì)量的工質(zhì)制冷量也將增大。 圖 8 膨脹機(jī)工作能量轉(zhuǎn)移示意圖 另外，采用增壓器這種制動(dòng)方式還避免了機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能所導(dǎo)致的損失，提高了膨脹功的回收效率。 膨脹機(jī)在絕熱條件下工作，根據(jù)能量守恒： G 膨 i1 = W 膨十 G 膨 i2 所以 ： W 膨 = G 膨 (i1 i2) (7).節(jié)流制冷與膨脹制冷的比較 : ，膨脹制冷要比節(jié)流制冷強(qiáng)烈得多。 ，節(jié)流閥適用于氣液兩相區(qū)內(nèi)工作，即節(jié)流閥出口可以允許有很大的帶液量，但目前帶液的兩相膨脹機(jī)，其帶液量尚不能很大。 (8).裝置的冷量平衡 維持系統(tǒng)的冷量平衡，是空分裝置正常運(yùn)行的基本保證，空分裝置的冷量損失主要包括以下幾項(xiàng)： ：透過(guò)保冷層，周?chē)髿鈧鬟f給冷箱內(nèi)低溫設(shè)備及管道的熱量，即相對(duì)冷箱而言損失了的冷量，叫跑冷損失。 （如果不生產(chǎn)液態(tài)產(chǎn)品，就沒(méi)有這項(xiàng)冷損 ） 。 在正常生產(chǎn)過(guò)程中，空分裝置處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。 如圖 9 所示。 ) 圖 9 空分裝置其它冷損示意圖 該等式也可以用焓值來(lái)表示： 跑冷損失十進(jìn)入冷箱各項(xiàng)工質(zhì)的焓值之和 = 離開(kāi)冷箱的各項(xiàng)工質(zhì)的焓值之和十膨脹機(jī)的輸出功，即： 空氣在低溫下變成液體，由于其中氧和氮的蒸發(fā)溫度不同，就可以通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)備（精餾塔），將它們彼此分離。其他微量氣體可以忽略不計(jì)，即認(rèn)為空氣中含氧 %，含氮%（體積比） 在介紹精餾分離過(guò)程中，為方便起見(jiàn)，我們把空氣當(dāng)做兩元體系。當(dāng)氣 液處于平衡狀態(tài)時(shí)，液面上方的蒸汽叫飽和蒸汽，飽和蒸汽壓力稱為飽和壓力，其對(duì)應(yīng)溫度稱飽和溫度，也叫沸點(diǎn)。 不同的物質(zhì)，在同一溫度下，有不同的飽和蒸汽壓。氧與氮相比，氧就是相對(duì)難揮發(fā)的物質(zhì)，在相同溫度下，氮的飽和蒸汽壓總是大于氧的飽和蒸汽壓。 圖 10 氧、氮、氬飽和壓力與溫度的關(guān)系 當(dāng)壓力不很高時(shí)．氧一氮二元溶液可以看作理想溶液 ，該理想溶液的蒸發(fā)氣體可以看作理想氣體。 下面將借助兩種相平衡圖加深對(duì)這個(gè)結(jié)論的認(rèn)識(shí)。縱坐標(biāo)為與液相相平衡的氣相中的氮濃度，用 Y 表示。從圖中看出，平衡曲線上任一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo) Yn 總是大于橫坐標(biāo) Xn，而且壓力越大．曲線越平癟，氣液相之間的濃度差越小。直到它們達(dá)到平衡狀態(tài)為止。所以蒸發(fā)的液體量近似等于冷凝的液體量 )。多次這樣的蒸發(fā)、冷凝過(guò)程就構(gòu)成了空氣的精餾。 圖 12 X – Y 圖 氣液是在塔板上充分接觸的。并且從下往上塔板上液體中的易揮發(fā)組分 (氮 )的濃度依次階躍地增加。 雙級(jí)精餾塔是由下塔、上塔及上、下塔之間的冷疑蒸發(fā)器組成的。在塔頂部得到高純度的氮?dú)?，在下塔底部得到富氧液?(38— 40％ O2)。 在下塔底部的液空經(jīng)節(jié)流后送入上塔中部，由上往下沿塔板逐塊流下，與上升的蒸汽接觸，在塔板上進(jìn)行傳質(zhì)傳熱，液體中的氧組成逐漸富集，只要塔板數(shù)足夠多，在低 壓塔底部便可得到純液氧，部分液氧在冷凝蒸發(fā)器中蒸發(fā)，作為上升蒸汽，部分作為產(chǎn)品引出。 另外，還從下塔抽出液氮，送入上塔頂部，作為上塔頂部的回流液（針對(duì)二期流程）。雖然在同等的壓力下，氧的沸點(diǎn)比氮高，但下塔的工作壓力高于上塔，使氮在下塔壓力下的沸點(diǎn)大于上塔壓力下液氧的沸點(diǎn)，這樣氮?dú)庥隼淅淠聛?lái)，同時(shí)將冷凝熱傳給液氧，作為液氧的蒸發(fā)熱。對(duì)于冷凝蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)考慮保證傳熱溫差。“回流比”在一定程度上代表了塔板上汽液之間進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱過(guò)程的推動(dòng)力。但是增大回流比是以增加能耗為代價(jià)的。 從回流比的定義式來(lái)看，回流比可以在零至無(wú)窮大之間變化。 理論計(jì)算與實(shí)際操作均表明，在一般雙級(jí)精餾塔中，上塔的實(shí)際氣液比比精餾所需要的氣液比大，存在富裕的回流比。 (6).抽取氬組分的雙級(jí)精餾塔 氬是一種重要的工業(yè)氣體，從空分裝置中提取氬，不僅能 夠帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且也有利于上塔內(nèi)的氧、氮分離。 由于氬的沸點(diǎn)處于氧、氮之間，當(dāng)氬隨液空進(jìn)上塔后，在提餾段由于氮相對(duì)氬和氧是易揮發(fā)組分。待到經(jīng)過(guò)一定數(shù)量的塔板精餾后，氮含量已很少，則主要是實(shí)現(xiàn)氧氬的分離，而氬相對(duì)于氧來(lái)說(shuō)是易揮發(fā)組分，隨著液體繼續(xù)下流，氬濃度將減少。 由于在提餾段主要是實(shí)現(xiàn)氧、氬分離，而氬是易揮發(fā)組分，所以在同一截面上氣相中的氬濃度將高于液相中的氬濃度。經(jīng)一定塔板數(shù)后，氬相對(duì)于氮是難揮發(fā)組分，因而它的濃度沿塔自下而上流動(dòng)時(shí)又減少。 提氬原料一般在提留段的氬富集區(qū)偏下的地方抽取。從雙級(jí)精餾塔抽取的氬餾分作為制氬的原料氣，先經(jīng)兩段粗氬塔提取，脫除餾分中的氧氣，一段粗氬 塔粗脫氧，經(jīng)提取粗氬后，底部的氧氬混合液返回主塔（上塔）；二段精脫氧，制得不含氧的氬餾分供給精氬。 如前所述：在上塔中有兩個(gè)氬富集區(qū)，為提高氬提取率。但在精餾段的氬富集區(qū)，氮濃度太高，故應(yīng)在 提餾段的氬富集區(qū)抽取氬餾分，并且由于在提餾段氬富集區(qū)的 氬含量最高截面上，氮濃度仍較高，所以一般應(yīng)在其最高截面偏下的位置上抽取。如果讓這些雜質(zhì)進(jìn)入空分裝置，將是非常有害的。降
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