空分課件-知識問答

空分裝置基礎(chǔ)知識問答

空氣分離方法空氣中的主要成分是氧和氮，它們分別以分子狀態(tài)存在。分子是保持它原有性質(zhì)的最小顆粒，直徑的數(shù)量級在10-8cm，而分子的數(shù)目非常多，并巨不停地在作無規(guī)則運(yùn)動，因此，空氣中的氧、氮等分子是均勻地相互攙混在，起的，要將它們分離開是較困難的。目前主要有3種分離方法?？諝夥蛛x方法(1)低溫法先將空氣通過壓縮、膨脹降溫.直至空氣液化，再利用氧、氮的氣化溫度(沸點)不同(在大氣壓力下，氧的沸點為90K,氮的沸點為77K）.沸點低的氮相對于氧要容易氣化這個特性，在精餾塔內(nèi)讓溫度較高的蒸氣與溫度較低的液體不斷相互接觸，液體中的氮較多地蒸發(fā)，氣體中的氧較多地冷凝.使上升蒸氣中的含氮量不斷提高，下流液體中的含氧量不斷增大，以此實現(xiàn)將空氣分離。要將空氣液化，需將空氣冷卻到100K以下的溫度，這種制冷叫深度冷凍;而利用沸點差將液空分離的過程叫精餾過程.低溫法實現(xiàn)空氣分離是深冷與精餾的組合，是目前應(yīng)用最為)一泛的空氣分離方法空氣分離方法(2)吸附法它是讓空氣通過充填有某種多孔性物質(zhì)一分于篩的吸附塔，利用分子篩對不同的分子具有選擇性吸附的特點，有的分子篩(如5A，I3X等)對氮具有較強(qiáng)的吸附性能，讓氧分子通過，因而可得到純度較高的氧氣;有的分子篩(碳分子篩等)對氧具有較強(qiáng)的吸附性能，讓氮分子通過，因而可得到純度較高的氮氣。由于吸附劑的吸附容量有限、當(dāng)吸附某種分子達(dá)到飽和時，就沒有繼續(xù)吸附的能力，需要將被吸附的物質(zhì)驅(qū)趕掉，才能恢復(fù)吸附的能力。這一過程叫“再生”。因此，為了保證連續(xù)供氣，需要有兩個以上的吸附塔交替使用。再生的方法可采用加熱提高溫度的方法(TSA)，或降低壓力的方法((PSA)。

這種方法流程簡單，操作方便，運(yùn)行成本較低，但要獲得高純度的產(chǎn)品較為因難，產(chǎn)品氧純度在93%左右。并且，它只適宜于容量不太大〔小于4000m3/h)的分離裝置?？諝夥蛛x方法（3)膜分離法

它是利用一些有機(jī)聚合膜的滲透選擇性，當(dāng)空氣通過薄膜(0.lμm)或中空纖維膜時，氧氣的穿透過薄膜的速度約為氮的4一5倍，從而實現(xiàn)氧、氮的分離‘這種方法裝置簡單，操作方便，啟動快，投資少，但富氧濃度一般適宜在28一3S腸,規(guī)模也只宜中、小型，所以只適用于富氧燃燒和慶療保健等方面。目前在玻璃窯爐巾已得到實際應(yīng)用。制氧機(jī)(空分設(shè)備)類型制氧機(jī)又叫空氣分離設(shè)備(簡稱空分設(shè)備)，它的種類很多，根據(jù)不同的分類方法，有許多不同的類型

按產(chǎn)品純度不同，可分為生產(chǎn)氣純度在99.2％以上的高純氧的裝置;生產(chǎn)氧純度為95％左右的低純氧(也叫工藝氧)的裝置;生產(chǎn)純度低于35%的富氧(也叫液化空氣)的裝置。根據(jù)產(chǎn)品種類不同，可分為單純生產(chǎn)高純氧的單高產(chǎn)品裝置;同時生產(chǎn)高純氧和高純氮的雙高產(chǎn)品裝置;附帶提取稀有氣體的提顯裝置或全提取裝置。

根據(jù)產(chǎn)品的形態(tài)，可分為生產(chǎn)氣態(tài)產(chǎn)品的裝置:生產(chǎn)液態(tài)產(chǎn)品的裝置和同時生產(chǎn)氣態(tài)、液態(tài)產(chǎn)品的裝置。制氧機(jī)(空分設(shè)備)類型按產(chǎn)品的數(shù)量不同，可分為800m3/h以下的小型設(shè)備;1000----6000m3/h的中型設(shè)備;10000rn3/h八:以上的大型設(shè)備。

按分離方法不同，可分為低溫精餾法;分子篩吸附法和薄膜滲透法。

按工作壓力高低，可分為壓力在10.0---20.0MPa的高壓裝置;工作壓力為1.0---5.0MPa的中壓裝置;壓力為0.5--0.6MPa的全低壓裝置。

分類方法是人為的，還可以有其它的分類方法空分設(shè)備的型號意思空分設(shè)備的產(chǎn)品由于產(chǎn)量、品種、形式不同，規(guī)格繁多。為了便于辨認(rèn)，國內(nèi)編制了統(tǒng)一的產(chǎn)品型號代號。它由拼音字母與數(shù)字組成，如圖1所示。第一個(或一、二個)字母表示產(chǎn)品類別;第二個字母表示流程、結(jié)構(gòu)特點;繼后是產(chǎn)品化學(xué)元素符號;數(shù)字表示各種產(chǎn)品的產(chǎn)量，對氣體，都是指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(0℃,0.101325MPa)的體積;最后為變型設(shè)計號.與空分設(shè)備配套的設(shè)備也編制了相應(yīng)的型號。例如，分餾塔的型號:FON-6000/I3000表示;F一分餾塔:ON-氧氮產(chǎn)品;6000-氧產(chǎn)量，m3/h;13000-氮產(chǎn)量,m3/h.。液化設(shè)備的型號:YPON-200/300表示Y-液化裝置;P一膨脹機(jī);ON-氧氮產(chǎn)品;200-液氧產(chǎn)量L/h;300一液氮產(chǎn)量L/h。氧氣用途氧是地球土一切有生命的機(jī)體賴以生存的物質(zhì)。它很容易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成氧化物，在氧化反應(yīng)過程中會產(chǎn)生大量熱量。因此，氧作為氧化劑和助燃劑在冶金、化工、能源、機(jī)械、國防〕_業(yè)等部門得到廣泛應(yīng)用。⑴鋼鐵企業(yè)最大的氧氣用戶是轉(zhuǎn)爐煉鋼車間，利用吹入高純氧氣，使鐵中碳及磷、硫、硅等雜質(zhì)氧化，氧化產(chǎn)生的熱量足以維持煉鋼過程所需的溫度。純氧（＞99.2%）吹煉大大縮短了冶煉時間，井且提高了鋼的質(zhì)量。電爐煉鋼時吹氧可以加速爐料熔化和雜質(zhì)氧化，節(jié)約電能消耗，逐漸成為固定的氧氣用戶。氧氣用途高爐煉鐵采用富氧鼓風(fēng)叮以加大煤粉的噴吹量，節(jié)約焦炭，降低燃料比。雖然富氧的純度不高(含氧24~25%).但是、由于鼓風(fēng)量很大。氧氣消耗量也相當(dāng)可觀，接近煉鋼用氧的三分之一。因此，也成為主要氧氣用戶。有色金屬冶煉。重金屬冶煉中，火法冶煉占主要地位，除靠硫和鐵氧化放熱外，還需靠燃料燃燒提供熱量。為了強(qiáng)化冶煉過程，降低能耗，減少有害煙氣量，采用富氧代替空氣進(jìn)行熔煉，同時可提高設(shè)備的生產(chǎn)能力。氧濃度在35~90%。對年產(chǎn)3600t/a銅的閃速爐，需配置生產(chǎn)能力為3000m3/h,氧純度為95%的制氧機(jī)。對100000t/a鉛鋅的冶煉廠，需配置生產(chǎn)能力為1500m3/h,氧純度為95%的制氧機(jī)。由于它要求的氧純度不高，相對來說,所需制氧機(jī)的容量較小，可以采用分子篩吸附制氧裝置。氧氣用途⑵化學(xué)工業(yè)，在合成氨的生產(chǎn)化肥過程中，除氮是主要原料氣外，氧氣用于重油的高溫裂化、煤粉的氣化等工序，以強(qiáng)化工藝過程。提高化肥產(chǎn)量。一般，一套10萬t/a的合成氨裝置需配一套70000m3/h的制氧機(jī)。此外，在天然氣重整生產(chǎn)甲醇、乙烯、丙烯氧化生產(chǎn)其氧化物，脫硫及回收時，也均需要消耗大量氧氣。噸產(chǎn)品耗氧在300--1000m3/t的范圍，應(yīng)配置10000~30000m'/h的制氧氧氣用途⑶能源工業(yè)，在煤加壓氣化時，為了保持爐內(nèi)氧化層的溫度，必須供給足夠的氧氣。氧氣純度不低于95%,每千克煤的氧氣消耗童隨煤種、煤質(zhì)不同而變化。對褐煤，在0.14---0.18m3/kg的范圍;對煙煤為0.17~0.22m3/kg。氣壓力由生產(chǎn)工藝要求確定，壓力越高，氧氣消耗量越少。對煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(1GCC)裝置,1kW約需氧氣5.6m3。氧氣用途(4)機(jī)械工業(yè)。主要用于金屬切割和焊接。氧氣作為乙炔的助燃劑，以產(chǎn)生高溫火焰，使金屬熔化。氧氣用途(5)國防工業(yè)。液氧常作為火箭的助燃劑可燃物質(zhì)浸泡液氧后具有強(qiáng)烈的爆炸性，可制作液氧炸藥。此外，在醫(yī)療部門，氧氣也是病人急救和輔助治療不可缺少的物質(zhì)因此，氧氣生產(chǎn)已是國民經(jīng)濟(jì)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。氮氣用途氮的化學(xué)性質(zhì)不活潑，在平常的狀態(tài)下有很大的惰性，不容易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。囚此，氮在冶金工業(yè)、電子上業(yè)、化學(xué)工業(yè)中廣泛地用來作為保護(hù)氣體。例如冷軋、鍍鋅、鍍鉻、熱處理、連鑄用的保護(hù)氣;作為高爐爐頂轉(zhuǎn)爐煙罩的密封氣，以防可燃?xì)怏w泄漏，以及干熄焦裝置中焦炭的冷卻氣體等。一般的保護(hù)氣要求的氮純度為99.99%，有的要求氮純度在99.999%以上氮氣用途液氮是一種較方便的冷源。在食品工業(yè)、醫(yī)療事業(yè)、畜牧業(yè)以及科學(xué)研究等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。在化肥工業(yè)中生產(chǎn)合成氨時，合成氨的原料氣一氫、氮混合氣若用純液氮洗滌精制，可得到雜質(zhì)含量極微的純凈氣體，而空分裝置可以提供洗滌所需的純氮。氮氣用途在空氣中氮占了花78.03%，在采用空氣分離的方法制取氧時，同時可獲得氮產(chǎn)品.但是，由于空氣中還有0.932%的氬存在，如果只實現(xiàn)氧氮分離，則氬分別成了氧氮產(chǎn)品中的雜質(zhì)。如果要求的氮產(chǎn)量是氧產(chǎn)量4倍，則氮的純度只能在99.5%。對于采用凍結(jié)法清除空氣中的水分和CO2的全低壓空分裝置，由于要靠足夠的返流氣體將凍結(jié)的水分和CO2帶出裝置之外，所以純氮(99.999%)產(chǎn)量只有氧產(chǎn)量的1.1倍。對于抽取氬餾分的分子篩凈化空分流程，純氮的產(chǎn)量不受上述限制。氮氣產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定根據(jù)不同的用途，氮產(chǎn)品分為工業(yè)用氣態(tài)氮、純氮和高純氮3種。工業(yè)用氣態(tài)氮一般作為保護(hù)氣用，技術(shù)指標(biāo)按GB3864一83規(guī)定，工業(yè)用氣態(tài)氮技術(shù)指標(biāo)I類

氮含量〔體積分?jǐn)?shù))/%≥99.5氧含量〔體積分?jǐn)?shù))/%≤0.5露點/℃

《-43Ⅱ類I級

氮含量〔體積分?jǐn)?shù))/%≥99.5氧含量〔體積分?jǐn)?shù))/%≤0.5每瓶游離水/mL(≤)100Ⅱ類Ⅱ級

氮含量〔體積分?jǐn)?shù))/%≥98.5氧含量〔體積分?jǐn)?shù))/%≤1.5每瓶游離水/mL(≤)100氮氣產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定純氮用于化工、冶金、電子等行業(yè)的置換氣或保護(hù)氣，技術(shù)要求按GB8979一88規(guī)定;高純氮主要用于電子行業(yè)或制備標(biāo)準(zhǔn)混合氣等，技術(shù)要求按GB8980一88規(guī)定。純氮及高純氮的技術(shù)要求純氮優(yōu)級

純度/%≥99.996氧含量/x10-6≤10氫含量/x10-6≤5CO含量/x10-6≤5CO2含量/x10-6≤5CH4含量/x10-6≤5水含量/x10-6≤5純氮一級

純度/%≥99.99氧含量/x10-6≤50氫含量/x10-6≤10CO含量/x10-6≤5CO2含量/x10-6≤10CH4含量/x10-6≤5

水含量/x10-6≤20高純氮優(yōu)級

純度/%≥99.9996氧含量/x10-6≤1氫含量/x10-6≤0.5CO，CO2，CH4含量/x10-6≤1水含量/x10-6≤1高純氮一級

純度/%≥99.9993氧含量/x10-6≤2氫含量/x10-6≤1CO，CO2，CH4含量/x10-6≤2水含量/x10-6≤2.6高純氮二級

純度/%≥99.999氧含量/x10-6≤3氫含量/x10-6≤1CO，CO2，CH4含量/x10-6≤3水含量/x10-6≤5空分設(shè)備對冷卻水水質(zhì)要求空分設(shè)備一般用江河湖泊或地下水作為冷卻水。這種水中通常都含有懸浮物(泥沙及其他污物)以及鈣、鎂等重碳酸鹽[Ca(HCO3)2和Mg(HCO3)2],稱為硬水懸浮物較多時，易堵塞冷卻器的通道、過濾網(wǎng)及閥門等。鈣、鎂等重碳酸鹽在水溫升高時易生成碳酸鈣CaCO3.碳酸鎂MgCO3沉淀物，即形成一般所說的水垢。一般水溫在45℃以上就要開始形成水垢，水溫越高越易結(jié)垢，水垢附著在冷卻器的管壁、氮水預(yù)冷器的填料、噴頭或篩孔等處。不僅影響換熱，降低冷卻效果，而且有礙冷卻水或空氣的流通，嚴(yán)重時會造成設(shè)備故障，空分設(shè)備對冷卻水水質(zhì)要求例如氮水預(yù)冷器帶水，使蓄冷器〔或切換式換熱器)凍結(jié)。水垢比較堅硬，附在器壁上不易清除。因此，冷卻水最好是經(jīng)過軟化處理。采用磁水器進(jìn)行軟化處理較為簡便，效果尚可。清除懸浮物應(yīng)設(shè)置沉淀池。如果冷卻水循環(huán)使用，有利于水質(zhì)的軟化，但占地面積較多，基建投資較大。空分設(shè)備對冷卻水水質(zhì)要求對壓縮機(jī)冷卻水，溫度一般要求不高于28℃，排水溫度小于40℃。對水質(zhì)要求為:pH值6.5一8

懸浮物含量

不大于50mg/L

暫時硬度

不大于17°dH.

含油量

小于5mg/L

氯離子(Cl-)〔質(zhì)量分?jǐn)?shù)〕

小于50X10-6

硫酸根(SO4-2)〔質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于50X10-6空分設(shè)備對冷卻水水質(zhì)要求氮水預(yù)冷系統(tǒng)供排水為獨立循環(huán)系統(tǒng)，因為冷卻水在塔內(nèi)溫升大，排水溫度高，結(jié)垢嚴(yán)重，所以要求該系統(tǒng)的補(bǔ)充水盡可能采用低硬度水或軟水，其暫時硬度一般應(yīng)小于8.5°dH,其他要求與壓縮機(jī)冷卻水相同.充瓶用高壓氧壓機(jī)氣缸的潤滑水，應(yīng)采用蒸餾水或軟水。氧化亞氮對空分設(shè)備危害氧化亞氮的分子式為N2O，也叫一氧化二氮，俗稱“笑氣”大氣中的氧化亞氮濃度約為3X10-9。隨著生態(tài)環(huán)境的惡化，它的含量以每年0.2%~0.3%的速度增加。氧化亞氮對空分設(shè)備危害土壤微生物在土壤及海洋中的氧化和脫氮活動生成的氧化亞氮占大氣中氧化亞氮含量的1/3，另外2/3是人為生成的。例如:礦物燃料、生物體、廢棄物的燃燒、污水處理、發(fā)酵源、汽車廢氣等都會導(dǎo)致從N2O的生成。在N2O生成源附近，大氣中N2O的含量可達(dá)到3X10-6以上。雖然N2O的化學(xué)性質(zhì)不活潑，既不會產(chǎn)生腐蝕，也不會發(fā)生爆炸，但是它的物理性質(zhì)對空氣分離具有危害。它的臨界溫度為309.7K,臨界壓力為7.27MPa，其三相點是182.3K,0.088MPa。在空氣分離裝置的壓力和溫度的條件下，它具有升華性質(zhì)。在常壓下，其沸點為185K，比N2,O2,Ar的沸點都高，因而，在氧、氮分離過程中，它將濃縮于液氧中。氧化亞氮對空分設(shè)備危害N2O在水中的溶解度很小，N2O隨加工空氣經(jīng)過空氣過濾器、壓縮機(jī)、冷卻器、水分離器后不能將其分離、除去。大部分N2O都會帶入分子篩純化器，分子篩對N2O的吸附能力小于對CO2的吸附能力。N2O先穿透吸附床層而進(jìn)人精餾塔，而且在分子篩對H2O,CO2,C2H2等碳?xì)浠衔锏墓参竭^程中，

CO2能夠?qū)⒎钟诤Y已吸附的N2O分子置換出來.所以，分子篩也不能清除N2O.在主換熱器中，加工空氣被冷卻到接近液化溫度，N2O首先冷凝成固體，會造成空氣通道阻塞。在加工空氣壓力為0.6MPa,N2O含量為1X10-6時，N2O的凝結(jié)析出溫度為113K。氧化亞氮對空分設(shè)備危害在精餾塔中，因為N2O相對N2,O2,Ar組分為高沸點組分，故它將溶解在液氧中，致使在上塔底無法獲得高純度的液氧和氣氧產(chǎn)品。據(jù)測定，氧產(chǎn)品純度為99.5%時，N2O的平均平均儲量為1.4×10-6。并且，在液氧排放不充分時，N2O在液氧中不斷積累，當(dāng)液氧中的N2O含量大于50×10-6時，就會呈固態(tài)析出，阻塞主冷凝蒸發(fā)器通道。氧化亞氮對空分設(shè)備危害在稀有氣體氪、氙的生產(chǎn)中，隨著氪、氙的濃縮，N2O也濃縮。N2O的含量可達(dá)100×10-6~150×10-6。N2O本身不然燒，但可以熱分解。這將影響對粗氪、氙中CH4的催化然燒的清除以及利用分子篩對生成的水和二氧化碳的吸附。氧化亞氮對空分設(shè)備危害由于環(huán)境的問題，空氣中的N2O的濃度不斷增加。況且電子等行業(yè)對氧產(chǎn)品的純度要求越來越高（99.99%~99.9999%),因此，對加工空氣中的N2O的清除比過去更重要。較好的清除方法是尋找合適的分子篩，在分子篩純化器中將加工空氣中的H2O，CO2,C2H2,N2O共吸附而清除。壓力單位面積上的作用力叫壓力。對靜止的氣體，壓力均勻地作用在與它相接觸的容器(氣瓶、儲氣罐)的壁面上；對于液體，由于液體本身受到重力的作用，底部的壓力高于表面的壓力，而且隨深度增加而增大。壓力按國家標(biāo)準(zhǔn)，力的單位為牛(N)，面積的單位為m2，則壓力的單位為N/m2，叫帕(Pa)。工程上應(yīng)用此單位嫌太小，實際常用它的106倍，即1MPa=106Pa。

以前工程上習(xí)慣用大氣壓作為壓力單位，并用液柱高度來測量壓差。它與MPa的關(guān)系為：1工程大氣壓(at)=1kgf/cm2=0.098MPa≈0.1MPa1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)=760mmHg=1.033工程大氣壓=0.1013MPa壓力表側(cè)的壓力壓力表測量的壓力數(shù)值反映壓力的高低，但并不是實際的壓力。根據(jù)壓力表的工作原理，測得的壓力是實際壓力(絕對壓力)與周圍大氣壓力的差值。如圖2所示，當(dāng)實際壓力高于大氣壓力時，測得的壓力叫表壓力。絕對壓力應(yīng)等于表壓力加上大氣壓力：

絕對壓力=表壓力+大氣壓力當(dāng)實際壓力低于大氣壓力時，測得的壓力叫真空度，也叫負(fù)壓。絕對壓力等于大氣壓力減掉真空度：

絕對壓力=大氣壓力-真空度

由于大氣壓力近似等于0.1MPa，所以當(dāng)壓力較高時，表壓力加上該數(shù)值就近似等于絕對壓力。例如，下塔的表壓力為0.48MPa，則絕對壓力為0.48MPa+0.1MPa=0.58MPa。溫度通俗地說，溫度反映物體冷熱的程度。從本質(zhì)上說，溫度反映物質(zhì)內(nèi)部分子運(yùn)動激烈的程度。溫度降低到一定程度，水可以變成固體，空氣也可以變成液體。定量地表示溫度的高低有不同的溫標(biāo)。最常用的是攝氏溫標(biāo)℃，取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的冰點為0℃，水的沸點為100℃。將其間分為100等分，每一等分為1度。低于冰點的溫度則為負(fù)。例如，氧在標(biāo)準(zhǔn)壓力下的液化溫度為-182.8℃。

另一種溫標(biāo)為開爾文溫標(biāo)，也叫熱力學(xué)溫標(biāo)，記為K。它與攝氏溫標(biāo)的分度相同，但零點不同。0℃相當(dāng)于273.15K。即OK=-273.15℃。他們的關(guān)系如圖3所示。T(K)=t(℃)+273.15t(℃)=T(K)-273.15

因此，采用開爾文溫標(biāo)，溫度均為正值。氧在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的液化溫度為-182.8℃，開爾文溫度為：-182.8℃+273.15=90.35K制氧機(jī)容量的大小制氧機(jī)容量的大小通常用每小時生產(chǎn)的氧氣數(shù)量來表示，m3/h。但是，對氣體來說，由于氣體有很大的可壓縮性，同樣數(shù)量的氣體，當(dāng)壓力和溫度變化時，體積也會發(fā)生變化。因此，當(dāng)用體積表示氣體數(shù)量時，必須指明是在什么溫度和壓力下的體積。通常把1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(0.1013MPa)、0℃的狀態(tài)稱為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，在該狀態(tài)下占的體積叫標(biāo)準(zhǔn)立方米。因此，表示制氧機(jī)各種產(chǎn)品用每小時的體積產(chǎn)量m3/h為單位時，實際都是指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積。制氧機(jī)容量的大小1標(biāo)準(zhǔn)立方米的不同氣體的質(zhì)量是不同的，對氧氣為1.429kg；對氮氣為1.25kg；空氣為1.293kg。但是，對不同的氣體，當(dāng)它的質(zhì)量等于它的分子相對質(zhì)量時，則都具有相同的標(biāo)準(zhǔn)體積。即32kg氧氣，28kg氮氣，39.95kg氬氣等氣體都占22.4m3的標(biāo)準(zhǔn)體積。焓焓是表示物質(zhì)內(nèi)部具有的一種能量的物理量，也就是一個表示物質(zhì)狀態(tài)的參數(shù)。單位是能量的單位：kJ或kJ/kg。焓=熱力學(xué)能+流動能H=U+pV或h=p+pv熵熵這個物理量可以表示過程的方向性，自然界自發(fā)進(jìn)行的過程總是朝著總熵增加的方向進(jìn)行，理想的可逆過程總熵保持不變。熵的單位為J/(mol·K)或kJ/(kmol·K)。但是，通常關(guān)心的不是熵的數(shù)值，而是熵的變化趨勢。對實際的絕熱膨脹過程，熵必然增加。熵增加的幅度越小，說明損失越小，效率越高。產(chǎn)品純度在生產(chǎn)中，會遇到要求氧產(chǎn)品純度不小于99.5%，氮純度不小于99.99%，氬純度不小于99.999%等指標(biāo)。這些指標(biāo)表示了產(chǎn)品中主要物質(zhì)的含量。由于產(chǎn)品要做到絕對純是很困難的，或多或少有些雜質(zhì)，因此，其純凈的程度稱為純度。氣態(tài)混合物中某種物質(zhì)的含量有兩種表示方法，一種叫質(zhì)量分?jǐn)?shù)；另一種叫體積分?jǐn)?shù)。質(zhì)量分?jǐn)?shù)是指某種成分的質(zhì)量占混合物總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)；體積分?jǐn)?shù)是指某種成分的體積占混合物總體積的百分?jǐn)?shù)。同樣的含量，兩種分?jǐn)?shù)的數(shù)值是不同的。例如，空氣中氧的體積分?jǐn)?shù)是20.93%，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)則是23.1%。露點在日常生活中我們可以看到，到夜間空氣溫度降低時，空氣中的水分會有一部分析出，形成露水或霜。這說明在水蒸氣含量不變的情況下，由于溫度的降低，能夠使空氣中原來未達(dá)飽和的水蒸氣可變成飽和蒸氣，多余的水分就會析出。使水蒸氣達(dá)到飽和時的溫度就叫作“露點”。露點測得露點溫度，就可以從水蒸氣的飽和含量表中查得其水蒸氣含量。由于溫度降低過程中水蒸氣含量并沒有改變，因此，測定露點實際上就是測定了空氣中的絕對濕度。如果露點越低，表示空氣中的水分含量越少。

露點可用專用的露點儀測定。例如，空氣經(jīng)干燥器后的露點為-50℃，可查得：與-50℃對應(yīng)的飽和水分含量為0.038g/m3，說明空氣中尚含有這些水分。如果露點為-60℃，則飽和水分含量為0.011g/m3。露點越低，說明干燥程度越高。相對濕度在許多實際問題中，即使絕對濕度相同，由于溫度不同，對應(yīng)的飽和含量也不同，即在空氣中能容納的水分?jǐn)?shù)量也不同。因此，蒸發(fā)的快慢就不一樣。為了能表示空氣中水分含量離飽和狀態(tài)的遠(yuǎn)近，采用了相對濕度的概念。相對濕度是指每立方米空氣中的水蒸氣含量ρw(g/m3)與當(dāng)時溫度下最大允許含量(飽和含量)ρs(g/m3)之比}若用ψ表示相對濕度，則Ψ=(ρw/ρs)×100%相對濕度由于水蒸氣的含量與它的分壓力成正比，所以相對濕度也可以表示為空氣中水蒸氣的分壓力Pw與當(dāng)時溫度下飽和水蒸氣的分壓力Ps之比。即：Ψ=(Pw/Ps)×100%相對濕度例如，空氣的溫度為8℃時，水蒸氣的分壓力Pw=800Pa(6mm汞柱)，由表8可查得8℃時的飽和水蒸氣壓力為Ps=1066Pa(8mm汞柱)。這說明水蒸氣含量尚未達(dá)到飽和，其相對濕度為ψ=800/1066×100%=75%

當(dāng)空氣中水分達(dá)到飽和時，則相對濕度為100%；干燥空氣的相對濕度為0%。因此，相對濕度是在0%～100%之間。相對濕度由于飽和蒸氣壓隨溫度降低而減小，因此，即使相對濕度均為100%，但是，在不同溫度下空氣中的水分含量(絕對濕度)是不同的。例如，在空分裝置的切換式換熱器中，空氣溫度不斷降低，雖然空氣的相對濕度始終為100%，但是絕對濕度卻不斷在減少，最終能使空氣中的水分全部析出，幾乎不含水分。飽和含量空氣中所能容納的水蒸氣含量是有一定限度的。當(dāng)達(dá)到某一數(shù)值時，含量不能繼續(xù)增多，多余部分會以液態(tài)水的狀態(tài)析出。這個最大允許含量叫飽和含量。

在日常生活中我們可以看到，在密封容器中，水蒸發(fā)到一定程度就不再繼續(xù)蒸發(fā)。這是因為在開始時，空間中水蒸氣的分子數(shù)目較少，液體中有較多水分子可跑到空間中去，使空間的水蒸氣分子數(shù)目增多。與此同時，也有一部分水蒸氣分子會跑到液體中去。當(dāng)離開液體的分子數(shù)目與跑回到液體中去的分子數(shù)目相等時，空間的蒸氣分子數(shù)目不再增加，即蒸氣的含量達(dá)到最大值。在飽和含量下蒸氣不再增加，即蒸氣的含量達(dá)到最大值。在飽和含量下蒸氣分子所產(chǎn)生的分壓力叫飽和分壓力。在敞開的大空間內(nèi)，當(dāng)空氣較潮濕時，衣服不易晾干，這也是因為空間中的水蒸氣分子達(dá)到了飽和，即空氣中水蒸氣的分壓力達(dá)到飽和分壓力，濕衣服上水分無法再蒸發(fā)到空間中去的緣故。飽和含量隨著溫度的升高，分子運(yùn)動的能量增加，有更多的分子可以脫離液體表面的引力而進(jìn)入空間，變成蒸氣，這就可使蒸發(fā)過程加劇。溫度降低時則相反，分子運(yùn)動的能量減少到一定程度，因互相吸引而冷凝成液體。所以，隨著溫度的升高，空氣中能夠容納的水蒸氣越多。溫度越高，所對應(yīng)的水蒸氣最大含量(飽和含量)也越大；在飽和含量時水蒸氣所產(chǎn)生的分壓力(飽和水蒸氣壓)也越高。它們之間有一一的對應(yīng)關(guān)系，可通過實驗測定(見表8)。圖7是以曲線形式表示了飽和水蒸氣壓與溫度的關(guān)系。絕對濕度由于水的不斷蒸發(fā)，空氣中總含有部分水蒸氣。這種含有水蒸氣的空氣稱為“濕空氣”。一定體積的空氣中含有的水蒸氣越多，空氣就越潮濕；含有的水蒸氣越少，空氣就越干燥。因此，空氣的干濕程度可以用每立方米空氣內(nèi)所含的水蒸氣數(shù)量來表示，這叫空氣的“絕對濕度”，單位為kg/m3(或g/m3)。臨界溫度臨界壓力對同一種物質(zhì)來說，較高的飽和壓力對應(yīng)較高的飽和溫度。提高壓力則可以提高液化溫度，使氣體變得容易液化。即在一定溫度下，可以通過提高壓力來使它液化。但是，對每一種物質(zhì)來說，當(dāng)溫度超過某一數(shù)值時，無論壓力提得多高，也不可能再使它液化。這個溫度叫“臨界溫度”。臨界溫度是該物質(zhì)可能被液化的最高溫度。與臨界溫度對應(yīng)的液化壓力叫臨界壓力。臨界溫度臨界壓力在臨界溫度及臨界壓力下，氣態(tài)與液態(tài)已無明顯差別；超過臨界壓力時，溫度降至臨界溫度以下就全部變?yōu)橐后w，沒有相變階段和相變潛熱。反之的氣化過程也相同。

對內(nèi)壓縮流程，液氧在裝置內(nèi)壓縮到所需的壓力后再在高壓熱交換器中復(fù)熱氣化。如果液氧的壓縮壓力低于臨界壓力(例如煉鋼用氧壓力3.0MPa)，則在熱交換器的氣化過程中，有一段吸收熱量、溫度不變的氣化階段，然后才是氣體溫度升高的過熱階段；如果液氧的壓縮壓力高于臨界壓力(例如化學(xué)工業(yè)用氧壓力6.0MPa或更高)，則在熱交換器的氣化過程中，沒有一個溫度不變的氣化階段。這將影響高壓熱交換器的傳熱性能，在設(shè)計時需要充分考慮。分壓力由幾種不同的氣體均勻地混合在一起，所組成的氣體混合物叫“混合氣體”。空氣就是一種混合氣體。組成混合氣體的每一種成分在混合氣體中，各種組分的氣體分子分別占有相同的體積(即容器的總空間)和具有相同的溫度?；旌蠚怏w的總壓力是各種分子對器壁產(chǎn)生撞擊的共同作用的結(jié)果。每一種組分所產(chǎn)生的壓力叫分壓力，它可看作在該溫度下各組分分子單獨存在于容器中時所產(chǎn)生的壓力Pn。叫“組分”。實驗證明，混合氣體的總壓力戶等于各組分的分壓力Pn之和：P=P1+P2+……+Pn飽和溫度、飽和壓力，它們與沸點、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度關(guān)系飽和溫度與飽和壓力是氣液平衡中的術(shù)語。如果在一密閉的容器中未充滿液體，則部分液體分子將進(jìn)入上部空間，稱為“蒸發(fā)”。隨著空間內(nèi)蒸氣分子數(shù)目增加，它所產(chǎn)生的蒸氣壓力也提高，到一定的時候，空間內(nèi)的蒸氣分子數(shù)目不再增加，此時，離開液體的分子數(shù)與從空間返回液體的分子數(shù)達(dá)到了動態(tài)平衡，也叫達(dá)到了“飽和狀態(tài)”。這時蒸氣所產(chǎn)生的壓力叫“飽和壓力”。對同一種物質(zhì)，飽和壓力的高低與溫度有關(guān)。溫度越高，分子具有的能量越大，越容易脫離液體而氣化，相應(yīng)的飽和壓力也越高。一定的溫度，對應(yīng)一定的飽和壓力，二者不是獨立的。因此，在飽和狀態(tài)下，飽和壓力所對應(yīng)的溫度也叫“飽和溫度”。通常可從手冊中查到各種物質(zhì)的飽和溫度與飽和壓力的關(guān)系。飽和溫度、飽和壓力，它們與沸點、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度關(guān)系平常見到的水在空氣中的氣化過程可分為蒸發(fā)和沸騰兩類。蒸發(fā)是在水的表面進(jìn)行，沸騰是在液體內(nèi)部同時發(fā)生氣化的過程。在一定的壓力下，當(dāng)液體溫度升高到產(chǎn)生沸騰時的溫度叫“沸點ts”。飽和溫度、飽和壓力，它們與沸點、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度關(guān)系對純物質(zhì)來說，蒸發(fā)與沸騰沒有本質(zhì)的區(qū)別，沸點也叫“蒸發(fā)溫度”。例如對圖6中密閉在定壓容器內(nèi)的液體進(jìn)行加熱時，開始液體的溫度t低于沸點ts，全部處于液態(tài)，叫過冷液體；當(dāng)對液體加熱溫度升高到沸點時，液體將開始?xì)饣酗柡鸵后w；在氣化階段，蒸氣的數(shù)量不斷增加，溫度維持沸點不變(圖6c)，直至液體全部氣化成蒸氣(圖6d)，叫飽和蒸氣。在氣化階段容器內(nèi)的氣液具有相同的溫度。沸點與壓力的關(guān)系，和飽和溫度與飽和壓力的關(guān)系相同。因此，沸點就是同樣壓力下的飽和溫度。二者具有相同的意義，只是不同的說法。把氣液共存的狀態(tài)叫處于飽和狀態(tài)。對飽和蒸氣繼續(xù)加熱，蒸氣的溫度才升高，超過飽和溫度，叫過熱蒸氣。

冷凝過程是蒸發(fā)的反過程。對純物質(zhì)，冷凝溫度也叫液化溫度，它等于相同壓力下的蒸發(fā)溫度。飽和溫度則可將二者統(tǒng)一起來。常見流程種類及特點低溫法分離空氣設(shè)備均由以下四大部分組成：空氣壓縮、膨脹制冷；空氣中水分、雜質(zhì)等凈除；空氣通過換熱冷卻、液化；空氣精餾、分離；低溫產(chǎn)品的冷量回收及壓縮。各部分實現(xiàn)的方式和采用的設(shè)備不同，組成不同的流程。常見流程種類及特點(1)根據(jù)制冷方式分類1)按工作壓力分為高壓流程、中壓流程和低壓流程。高壓流程的工作壓力高達(dá)10.0～20.0MPa，制冷量全靠節(jié)流效應(yīng)，不需膨脹機(jī)，操作簡單，只適用于小型制氧機(jī)或液氮機(jī)。中壓流程的工作壓力在1.0～5.0MPa，對于小型空分裝置由于單位冷損大，需要有較大的單位制冷量來平衡，所以要求工作壓力較高，此時，制冷量主要靠膨脹機(jī)，但是節(jié)流效應(yīng)制冷量也占較大的比例。低壓流程的工作壓力接近下塔壓力，它是目前應(yīng)用最廣的流程，該裝置具有低的單位能耗；常見流程種類及特點2)按膨脹機(jī)的型式分為活塞式、透平式和增壓透平式?；钊脚蛎浟啃?，效率低，只用于一部分舊式小型裝置。透平式由于效率高，得到最廣泛的應(yīng)用。對低壓空分裝置，由于膨脹后的空氣進(jìn)入上塔參與精餾，希望在滿足制冷量要求的情況下膨脹量盡可能地小，以提高精餾分離效果。增壓透平是利用膨脹機(jī)的輸出功，帶動增壓機(jī)壓縮來自空壓機(jī)的膨脹空氣，進(jìn)一步提高壓力后再供膨脹機(jī)膨脹，以增大單位制冷量，減少膨脹量。這在新的低壓空分流程中得到越來越廣泛的應(yīng)用；常見流程種類及特點3)按膨脹氣體分為空氣膨脹流程和氮膨脹流程。膨脹后空氣進(jìn)上塔會影響精餾；氮氣膨脹使主冷中氮的冷凝量減少，即進(jìn)入上塔的回流液減少，同樣對上塔精餾有影響，二者各有優(yōu)缺點。常見流程種類及特點(2)按凈化方式分類1)凍結(jié)法凈除水分和CO2?？諝庠诶鋮s過程中，水分和CO2在換熱器通道內(nèi)析出、凍結(jié)；經(jīng)一定時間后將通道切換，由返流污氮氣體將凍結(jié)的雜質(zhì)帶走。根據(jù)換熱器的型式不同，又分為蓄冷器和板翅式切換式換熱器。這種方式切換動作頻繁，啟動操作較為復(fù)雜，技術(shù)要求高，運(yùn)轉(zhuǎn)周期為1年左右；常見流程種類及特點(2)按凈化方式分類2)分子篩吸附凈化流程。空氣在進(jìn)入主換熱器前，已由吸附器將雜質(zhì)凈除干凈。吸附器的切換周期長，使操作大大簡化，純氮產(chǎn)品量不再受返流氣量要求的限制，運(yùn)轉(zhuǎn)周期可達(dá)兩年或兩年以上，目前受到越來越廣泛的應(yīng)用。常見流程種類及特點(3)按分離方式分類

低溫法分離空氣是靠精餾塔內(nèi)的精餾過程。1)根據(jù)產(chǎn)品的品種分為生產(chǎn)單高產(chǎn)品、雙高產(chǎn)品、同時提取氬產(chǎn)品或全提取稀有氣體等流程；

2)根據(jù)精餾設(shè)備分為篩板塔和規(guī)整填料塔等。常見流程種類及特點(4)按產(chǎn)品的壓縮方式分類

可分為分離裝置外壓縮和裝置內(nèi)壓縮兩類。裝置外壓縮是單獨設(shè)置產(chǎn)品氣體壓縮機(jī)，對裝置的工作沒直接影響。裝置內(nèi)壓縮是用泵壓縮液態(tài)產(chǎn)品，再經(jīng)復(fù)熱、氣化后送至裝置外。相對來說內(nèi)壓縮較為安全，但是，液體泵是否正常將直接影響到裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)。用深冷法制氧的設(shè)備在安全上特點利用深冷法制氧，首先要將空氣液化，再根據(jù)氧、氮沸點不同將它們分離開來?？諝庖夯仨殞囟冉档?140.6℃以下。一般空氣分離是在-172～-194℃的溫度范圍進(jìn)行的。用深冷法制氧的設(shè)備具有以下特點：用深冷法制氧的設(shè)備在安全上特點1)低溫?fù)Q熱器、精餾塔等低溫容器及管道置于保冷箱內(nèi)，并充填有熱導(dǎo)率低的絕熱材料，防止從周圍傳入熱量，減少冷損，否則設(shè)備無法運(yùn)行；2)用于制造低溫設(shè)備的材料，要求在低溫下有足夠的強(qiáng)度和韌性，以及有良好的焊接、加工性能。常用鋁合金、銅合金、不銹鋼等材料；3)空氣中高沸點的雜質(zhì)，例如水分、二氧化碳等，應(yīng)在常溫時預(yù)先清除。否則會堵塞設(shè)備內(nèi)的通道，使裝置無法工作；用深冷法制氧的設(shè)備在安全上特點4)空氣中的乙炔和碳?xì)浠衔镞M(jìn)入空分塔內(nèi)，積聚到一定程度，會影響安全運(yùn)行，甚至發(fā)生爆炸事故。因此，必須設(shè)置凈化設(shè)備將其清除；5)貯存低溫液體的密閉容器，當(dāng)外界有熱量傳入時，會有部分低溫液體吸熱而氣化，壓力會自動升高。為防止超壓，必須設(shè)置可靠的安全裝置；6)低溫液體漏入基礎(chǔ)，會將基礎(chǔ)凍裂，設(shè)備傾斜。因此必須保證設(shè)備、管道和閥門的密封性，要考慮熱脹冷縮可能產(chǎn)生的應(yīng)力和變形；用深冷法制氧的設(shè)備在安全上特點7)被液氧浸漬過的木材、焦炭等多孔有機(jī)物質(zhì)，當(dāng)接觸火源或給以一定的沖擊力時，會發(fā)生激烈的燃爆。因此，冷箱內(nèi)不允許有多孔性的有機(jī)物質(zhì)。對液氧的排放，應(yīng)預(yù)先考慮有專門的液氧排放管路和容器，不能走地溝；8)低溫液體長期沖擊碳素鋼板，會使鋼板脆裂。因此，排放低溫液體的管道及排放槽不能采用碳素鋼制品；9)氮氣、氬氣是窒息性氣體，其液體排放管應(yīng)引至室外。氣體排放管應(yīng)有一定的排放高度，排放口不能朝向平臺樓梯；10)氧氣是強(qiáng)烈的助燃劑，其排放管不能直接排在不通風(fēng)的廠房內(nèi)。大、中型空分設(shè)備適合采用全低壓流程降低空分設(shè)備的工作壓力，可以降低產(chǎn)品的單位能耗。全低壓空分設(shè)備的工作壓力接近下塔的工作壓力，而小型空分設(shè)備的工作壓力是遠(yuǎn)高于下塔的壓力。工作壓力低，膨脹產(chǎn)生的單位制冷量也少。為了保持冷量平衡，首先要求單位冷損也小。對大型空分設(shè)備，單位跑冷損失隨著裝置容量增大而減小，同時，設(shè)計時也選取較小的熱端溫差，單位熱交換不完全冷損失相對也較小，這為降低工作壓力創(chuàng)造了有利條件。大、中型空分設(shè)備適合采用全低壓流程此外，工作壓力低，就要求膨脹機(jī)有高的效率，以便在同樣壓差的情況下能產(chǎn)生較大的制冷量。透平膨脹機(jī)隨著容量增大，最佳轉(zhuǎn)速降低，效率提高。因此，它對大型空分設(shè)備最為適合，使降低工作壓力成為可能。大、中型空分設(shè)備適合采用全低壓流程對于小型空分設(shè)備，相對的冷損大，即使采用透平膨脹機(jī)，轉(zhuǎn)速高達(dá)105r/min以上，效率也較低，維護(hù)管理要求很高。此外，對于大型空分設(shè)備，膨脹量相對于加工空氣量較小，膨脹制冷后的空氣仍可參與精餾，從中提取氧。而小型空分設(shè)備若采用低壓流程，因為產(chǎn)生制冷量所需的膨脹氣量大，不能全部參與精餾，氧的提取率就很低，單位產(chǎn)品的能耗仍然會很大。因此，全低壓流程對大、中型空分裝置最為適合。大、中型空分設(shè)備適合采用全低壓流程目前，隨著分子篩吸附凈化和增壓透平流程的采用，以及板翅式熱交換器技術(shù)的進(jìn)步，低壓空分設(shè)備的最小容量已設(shè)計到340m3/h氧產(chǎn)量，800m3/h氮產(chǎn)量(KDON-340/800)，空壓機(jī)的排氣壓力為0.59MPa?？諝忸A(yù)冷系統(tǒng)型式1)帶低溫水的空氣冷卻塔。用噴淋水與空氣直接接觸來