空分操作基础知识培训1

空分操作基础知识培训编写：贺智林一、空分装置：采用低温精馏法从空气中将氧、氮、氩等气体分离出来的装置；二、氧、氮、氩在国民经济产业链中的用途：氧气在冶金工业中的作用——节能提高产量和质量环保电炉用氧：可以加速炉料的融化杂质的氧化提高产量和质量电炉吹1m3标态氧节电5-10kw.h转炉炼钢法（LD法）：吹入高纯氧，与碳、磷、硫、硅等元素发生氧化反应，降低钢的含碳量，清除了磷、硫、硅等杂质，利用反应热来维持冶炼过程所需要的温度；冶炼时间短，产量高；吨钢耗氧：50-60m3；高炉富氧鼓风：可显著降低焦比，提高产量；富氧浓度24-25%；炼铁采用还原法（COREX）新工艺取代高炉炼铁，单位投资可降低20%，成本下降20-25%，不需要焦炭，废水废气排放减少，利于环境保护；吨铁耗氧：550-650m3；有色冶金为节能增产，发展自热冶炼，综合利用和保护环境，正在推广氧气冶炼法；氧气与化工：包括化工工艺用氧、化肥工业用氧、煤化工用氧；氧气与机械制造、机械加工：切割、焊接用氧；纯氧曝气工艺污水处理：通过好氧微生物对污水中的有机物进行生化反应使污水得以净化。氮气用途冶金工业：连铸、连轧、钢材退火的保护气；转炉顶底复合吹氮炼钢，转炉炼钢的密封，高炉炉顶的密封，高炉炼铁煤粉喷吹用气等。电子工业：大规模集成电路、彩电显像管、电视机和收录机元件及半导体元件处理的氮气源。金属加工：光亮淬火、光亮退火、渗氮等热处理的氮气源；焊接及粉末冶金烧结过程中的保护气等。化肥工业：氮肥原料；置换、密封、洗涤、保护触媒等用气。食品保鲜：粮食、水果等充氮贮藏与保鲜；肉类、乳酪保鲜包装；化学工业：置换、清洗、密封、检漏、干法熄焦中的保护气；催化剂再生、石油分馏、化纤生产等用气。氩气用途：氩气是目前工业上应用很广的稀有气体。对特殊金属，例如铝、镁、铜及其合金和不锈钢在焊接时，往往用氩作为焊接保护气，防止焊接件被空气氧化或氮化。在金属冶炼方面，氧、氩吹炼是生产优质钢的重要措施，每炼1t钢的氩气消耗量为1～3m3。此外，电子工业中也需要用氩作保护气。随着中国工业化进程深入和对环境保护、节能越来越重视，制氧行业在中国的发展前景广阔；第一章空分基础知识介绍：一、氧气的生产方法：化学法——将氧化物在一定条件下分解，放出氧气；能耗大、产能小，只适应于实验室。变压吸附法（PSA法）——基于分子筛对空气中氧氮组分选择性吸附而使空气分离获得氧气。此法氧提取率低，但流程简单，常温运行，可在用氧现场快速便捷获取氧气。电解法——以水为原料将水电解而生产氧气。在电解槽的水中通入直流电，使水电离，氧积聚在阳极，氢积聚在阴极，每制取1m3氧同时可制取2m3氢气；空气分离法：以空气为原料，将氧氮组分分离而得到氧气、氮气；低温法——此法将空气压缩、冷却、净化、换热，进而使空气液化，在精馏塔中利用氧氮组分沸点不同，使气液接触，进行质、热交换，从而获得高纯氧和高纯氮。此法产量大、能耗低，在工业上得到广泛利用。二、气体知识介绍：物质通常以气、液、固三态存在，每种物质在不同的温度压力条件下可处于其中任一状态。气体的基本状态参数：温度——表示物质冷热程度；温度的数值通过温标实现；---温标确定了温度的0点和单位；---常用温标介绍；摄氏温标（t）——分度的方法规定在标准大气压下水的冰点为0度，沸点为100度，把汞在这两点的液柱长度分为100等分，每一等代表1度。热力学温标（K）——又称绝对温标，分度的方法规定在标准大气压下水的三相点为273.16度，沸点与三相点间分为100格，每格代表1度，把-273.16度定为绝对零度。仪表所显示的温度均为摄氏温度，而工程计算必须采用绝对温标；两者换算关系：t=K-273.16K=t+273.16压力——单位面积上的作用力，压力的方向总是垂直于容器的器壁；---常用单位介绍；标准大气压（atm）:温度为0度时，纬度45度海平面上大气的平均压力。工程大气压（at）：工程技术上常用的压力单位，指1cm2面积上作用1kg力而产生的压力；kg.f/cm2；国际单位：1m2的面积上1N的力而产生的压力，记作Pa（帕）换算关系：1atm=1.013*105Pa1at=0.981*105Pa1mmH2O=9.81Pa1bar=105Pa绝对压力：容器内气体对容器壁的实际压力；表压力：容器内气体实际压力高于大气压力的值；真空度：容器内气体实际压力低于大气压力的差值；换算：P绝=P表+P大气P绝=P大气-P真空度仪表显示均为表压，实际计算均用绝对压力；质量体积：质量体积——单位质量的气体所具有的容积；用“v”表示；单位：m3/kg;气体密度：单位容积的气体质量，称气体的密度；用“ρ”表示；单位：kg/m3；气体在不同的压力、温度条件下，拥有不同的质量体积和密度；气体基本定律——气体状态发生变化时，气体基本状态参数P、v、T三者之间的关系的定律；理想气体：指压力不高温度不太低的情况下，气体分子本身所占的体积和相互的作用可忽略不计，这种状态的气体。=自然界不存在理想气体；在一定温度下，气体在各状态下的压力与质量体积成反比；在压力一定下，气体在各状态下的质量体积与绝对温度成正比；在体积一定下，气体在各状态下的绝对温度与压力成正比；热力学能——工质是由分子组成，其内部分子不停的运动而具有动能，分子之间相互存在作用力因而具有位能，分子动能和位能之和叫热力学能（内能）；焓——工质在流动过程中，后面的气体对前面的气体有推动的功，因而具有流动能，焓是气体内能与流动能之和；熵——一块炽热的铁会自然冷却，水会自然从高处流向低处，它们的逆过程均不会自发进行（自发过程），这种有方向性的过程叫“不可逆过程”，熵：是可以度量“不可逆过程”前后两个状态不等价性。△S=0时，表示绝热；△S∠0时表示过程放热；△S＞0时表示过程吸热；气体的热力性质图：T-S图：等压线P=P临等焓线TST临干饱和蒸汽线饱和液体线过冷液体区ABC湿蒸汽区K临P1P2PX等压和等温线未饱和蒸汽区饱和液体汽化阶段加热时，温度不变，压力为一水平线；压力越高，汽化温度也越高；压力越高，饱和液体与饱和蒸汽的差别就越小，汽化阶段越短；湿蒸汽区，一定压力对应一定的饱和温度，但随吸热多少不同，蒸汽含量也不同；气化率：1公斤湿蒸汽中所含的饱和蒸汽的数量；已知气体的两个状态参数即可确定气体的状态；二、空气的液化任何物质在不同的条件下都可以在气态液态固态三者之间转换，这种状态变化叫“相变”。产生相变的基础是温度和压力。空气和空气中的氧、氮、氩等组分在1标准大气压下，只要温度降低到一定程度，都可以以液态固态状态呈现；→其对应的温度叫液化温度和凝固点；→如图：名称分子式重量百分比体积百分比液化温度（度）熔化温度（度）液体标态汽化量Nm3/吨密度临界度（度）（Mpa）Kg/m3Kg/L临界温度临界压力氮N275.578.09-195.8-209.866501.250.808-1473.45氧O223.120.95-183-218.48001.431.142-1195.13氩Ar1.290.932-185.7-189.21.7821.4-1224.959氦He60PPm46PPm-268.9-272.550.180.125-267.72.335氖Ne0.00110.0016-246.1-248.60.7481.204-228.72.813氪Kr32PPm11PPm-153.2-157.21.7352.155-63.75.6氙-108.0-111.81.6643.52+6.66.01空气-1926751.2928-140.63.77甲烷气体液化温度与压力有关：压力越高，其对应的液化温度就越高，就越容易液化，这是空分装置实现空气分离的原理基础；压力提高使液化温度提高是有限制的，当压力再提高液化温度也不再提高时，此时的压力即是该物质的临界压力，其对应的温度叫临界温度，其对应的点叫临界点；产生相变的原因：物质均是由分子组成，分子相互间具有作用力，当分子间相互作用力增强，使它无法自由乱跑时，这时物质呈液态或固态存在；因此物质所处状态是取决于内部分子能量大小；空气实现液化的前提条件：→获取冷量；自然界规律：热只能从高温物体传给低温物体，其逆过程不能自发进行；用人工的方法，付出一定代价，靠消耗功对气体进行压缩再膨胀获得低温，这个过程叫制冷；获取冷量的方法：节流效应制冷量膨胀机制冷量氟利昂冷冻机制冷量冷冻机制冷量——靠氟利昂冷冻机从装置内带走的一部分热量；（预干燥）膨胀机制冷量——膨胀机靠高压气流推动叶轮，带动同轴增压机而对外做功，使装置内能量减少的数值叫膨胀机制冷量；节流效应制冷量——进装置压力较高的气体在装置内经过各个设备、管路、阀门后，最后成为压力较低的气体离开装置带走的一部分能量；如图：A、1-2是等温压缩过程(T不变P升高，气体内部动能不变，位能减少）；→B、2-3是等焓节流过程；→C、3-1空气换热过程；等温压缩节流循环焓-温图123P2P1hTh1h2冷却T1P1P2T2T1aP1ah1a换热器T3P3h3节流过程：流体流动遇到局部阻力而造成压力有较大的降落过程，实现这一过程的设备叫节流装置；节流特点——节流后，压力、温度降低；温降是靠节流后动能减少，位能增加获得；未对外做功；节流过程速度快，可视为绝热过程；节流后动能减少位能增加，所以节流前后总能量未变（焓值未变），因此节流过程又叫等焓节流；节流阀结构简单，可工作在气液两相区；影响节流温降的大小因素：节流前温度越低，温降越大，液体节流伴随相变温降更大；节流前后压差越大温降越大；节流效应制冷量大小与进装置的空气温度有关：温度越高（相同压力下）节流效应制冷量越小；膨胀机制冷的特点——对外做功，焓值降低，温度、压力大幅下降；对外做功通过增压机回收，绝热膨胀过程熵不变，等熵膨胀过程；膨胀机单位制冷量——每公斤膨胀气体的制冷量；膨胀机总制冷量——膨胀量*单位制冷量+节流效应制冷量；膨胀机制冷效果与那些因素有关：膨胀量大制冷量大；进出口压力一定时，机前温度高，单位制冷量大；机后温度和机后压力一定时，机前温度低，单位制冷量少；膨胀机后压力越低，则膨胀机内压降越大，单位制冷量越大；液化循环：要使空气液化必须经历一个“低温液化循环”过程才能实现。等温压缩绝热膨胀降温等压换热低温液化循环获得冷量必须耗功，耗功的大小代表着循环的经济性。由于制冷存在摩擦损失、换热存在传热温差，所以，实际液化循环耗功，永远大于理论液化循环耗功；→循环效率提高循环效率：压缩机等温效率膨胀机等熵效率换热器换热效率装置保温效率空气液化循环类型：以节流为基础的液化循环。德国：林德以等熵膨胀和节流为基础的液化循环。法国：克劳特以等熵膨胀为基础的液化循环。苏联：卡皮查（低压透平膨胀机循环）卡皮查液化循环示意图：641123451123456TS1-2表示等温压缩；2-3表示高压空气在换热器换热被冷却；3-5表示高压空气在液化器继续冷却；3-4表示高压空气在膨胀机膨胀；5-6表示高压空气在节流膨胀；4-1表示未液化空气在换热器复热；现代大中型制氧装置均是在卡皮查液化循环的基础上发展而来；P1P2h1h2h3三、空气的分离低温法分离空气制氧主要分为两个步骤：首先使加工空气液化继而利用氧氮等组分的沸点差，采用精馏的方法使空气分离获得氧氮；过冷液体：低于沸点的液体；过冷液体的温度与沸点的差值叫过冷度；沸点（饱和温度）：液体沸腾（蒸汽凝结）时的温度，其对应的压力叫饱和压力；过热蒸汽：高于沸点的蒸汽；过热蒸汽的温度与沸点的差值叫过热度；液体在沸腾时，液体温度不变，所加热量全部转为液体分子逸出液相所需的能量；蒸汽液化和液体汽化，该阶段温度虽维持不变，但必须放出热量或吸收热量才能让物态发生变化，这个热量无法按公式用热容的方法来计算，习惯上叫“潜热”；1kg饱和液体全部汽