空分培訓教材

第一章概述

空氣分離三種技術方法：吸附法、膜分離法及低溫法。吸附法：

利用分子篩對不同分子的選擇吸附效能來達到最終分離目的，該技術流程簡單，操作方便，執行成本低，但獲得高純度產品較為困難，而且裝置容量有限，所以該技術有其侷限的應用範圍。膜分離法：利用膜滲透技術，利用氧、氮通過膜的速率的不同，實現兩種組分的粗分離。

這種方法裝置更為簡單，操作方便，投資小但產品只能達到28% --35%的富氧空氣，且規模只宜中小型化，只適用於富氧燃燒及醫療保健領域應用。低溫法：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，並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空氣組分的全分離、產品精純化、裝置大型化、狀態雙元化（液態及氣態），故在生產裝置工業化方面佔據主導地位。和傳統的分離相比，這些氣體的分離需在100k以下的低溫環境下才能實現，所以稱之為低溫法（或深冷法）。

空氣的組成

幾種氣體的基本物化常數

空氣分離的基本原理

空氣壓縮、空氣淨化、換熱、製冷與精餾是空分的五個主要環節。

製冷製冷的方法有兩種:節流與膨脹。

溫熵圖（t---s圖）

圖中向上凸起的曲線叫「飽和曲線」，飽和曲線由兩部分組成，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化的極限。

飽和曲線和臨界點將此圖分為三個區域

tiii

i ii

i區：臨界溫度以下，飽和液體曲線左邊的區域為過冷液相區。

ii區：飽和液體曲線和蒸汽曲線下面的區域為氣液共存區。

iii區：臨界溫度以上，飽和蒸汽曲線右測區域為過熱蒸汽區。

臨界點的存在說明：只有氣體的溫度低於其臨界溫度時，該氣體才可能變成液體。

焓、熵與壓力溫度一樣，都是狀態引數，當物質的狀態確定後，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（單位質量的焓）＝比內能＋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。

流體的內能由內動能與內位能組成。溫度越高，內動能越大。內位能不僅與溫度有關，更主要的取決於分子間的距離，即決定於比容，比容越大內位能越大。

流體的熵的變化等於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，則當流體由狀態1→狀態2的熵變應為s=∫12dq/ t

熵的絕對值和焓及內能一樣,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。

節流過程

因流體流動遇到區域性阻力而造成的降壓過程稱之為節流。從能量轉換的觀點來看，由於工質流經節流閥的速度很快，膨脹後來不及與周圍環境進行熱量交換，並且節流閥安裝在保冷箱內，四周傳給的熱量可以忽略不計，因此節流過程可看成是絕熱過程。同時，流體流經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，流體在節流前後的能量應不變，即節流前後的焓值相等i1=i2,這說明節流本身並不產生冷量。

節流過程是乙個等焓過程，理想氣體的焓只是溫度的函式，所以理想氣體節流後溫度並不發生變化。而實際氣體的焓值是溫度和壓力的函式，因此實際氣體節流後的溫度存在變化，歸納為三種情況：下降、不變、上公升。

溫度變化與否同節流工質的性質和節流前的狀態有關。圖中給出的是由實驗方法得到的空氣節流轉化曲線。轉化曲線將座標分割成兩部分,內側為製冷區，即工質節流前處於該區域的某個狀態，經節流後溫度將下降；外側為制熱區，即工質在節流前處於該區域的某個狀態，節流後溫度將公升高。

氧、氮、氫、二氧化碳等工質均存在相似的轉化曲線。

從圖可以得知，在相當大的範圍內，空氣節流後溫度都會下降（氧、氮也是如此）。

在常溫範圍內，空氣節流後的溫度變化，可以用每降低乙個大氣壓所降低的溫度ai來表示:

ai=(0.268－0.00086p)(273/t)2 ℃/大氣壓

式中p、t分別表示節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節流到p2時，產生的溫降為:

△t＝ai（p1-p2）=ai△p

從溫降的表示式可以看出，節流前的氣體溫度越低，節流前後壓差越大，節流所獲得的溫降就越大。氧、氮氣節流溫降的計算經驗公式也與此類似。

等溫節流製冷量

通過節流可以降低溫度，節流後的工質相對於節流前的溫度就具備一定的製冷能力，這個製冷能力稱為等溫節流製冷量。

單位質量工質的製冷量: q=cp1△t

即： q= cp1 ai（p1-p2）＝h3 – h2( h1=h2 ，h0=h3)

h0 – h1

(cp1：工質在p1下的平均定壓比熱)

從計算結果來看，等溫節流製冷量等於壓縮機等溫壓縮前後的焓差。事實上，如前所述，節流並不產生冷量，只是通過節流，把工質在等溫壓縮時已具備的製冷量表現出來而已。真正的製冷量是在等溫壓縮過程中產生的，即冷卻水從壓縮機帶走的能量大於驅動機傳給壓縮機的能量，致使壓縮機出口工質的焓值h1小於入口工質的焓值h0 。

另外，等溫節流製冷量與節流前有無換熱器無關，壓縮工質經換熱後，在節流時，並不增加製冷量，而是影響節流前後的溫度。

膨脹製冷

利用透平膨脹機製冷是空分裝置製取冷量獲得低溫的主要途徑，工質在膨脹機內膨脹，同時對外作功，使膨脹後的工質大大降溫，膨脹機安置在保冷箱內，而且由於過程進行的很快，來不及與外界進行熱交換，所以膨脹過程近似可以看成是絕熱過程，在理想狀況下（即工質在膨脹機內沒有任何摩擦），膨脹過程熵值不發生變化，如圖中1→2所示。實際上，由於氣體與氣體之間，氣體與機器壁面之間不可避免地要產生摩擦，摩擦熱又傳給氣體，使膨脹後氣體的溫度及焓值增加，熵也增加。實際的絕熱膨脹過程應如圖中1→3所示，實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。

t –s 圖

通常把氣體實際的絕熱膨脹焓降與理想的絕熱膨脹焓降之比，稱為膨脹機的等熵效率，用ηs表示；

ηs=(i1-is)/(i1-i2)

透平膨脹機的等熵效率與設計製造的質量有關，同時與安裝、維修也密切相關。正常情況下，透平膨脹機的等熵效率一般都能達到85％以上。

經膨脹機膨脹後的降溫效果要比節流好的多，這是由於當氣體經膨脹機膨脹時，除了產生節流降溫效果，氣體還同時在膨脹機中對外作功，消耗氣體自身的能量，使分子的動能進一步減少，因此降溫更顯著。

膨脹機前後的壓差及膨脹機進口的工質溫度，直接影響著膨脹機的製冷效果。如果膨脹機的等熵效率保持不變，進口溫度一定時，當壓差越大，那麼單位質量的工質膨脹後的焓降也越大，對外作功也越多，溫度降低越顯著，當膨脹機前後的壓差一定時，提高進膨脹機的溫度，膨脹後的工質溫度公升高，則降溫效果變大，單位質量工質的製冷量增加。

對於理想氣體，膨脹溫降可以用下面的關係式精確表達：

(雙原子的理想氣體r=1.4)

對於實際氣體，膨脹過程的溫降常用熱力學圖（t一s圖）查詢。

膨脹機的製冷量

膨脹機的作用相當於—個對外作功的節流閥。所以單位質量的膨脹工質的製冷量分為兩部分：q＝等溫節流製冷量+膨脹機的輸出功=(i1 –i4)+(i2 –i3)。

膨脹機製冷迴圈示意圖

膨脹機工作時的能量轉移

壓力工質進入膨脹機進行絕熱膨脹後，以較低的溫度和壓力排出機外，同時膨脹機對外作功。過去常用電機或風機作為膨脹機的制動裝置。現在往往用單級離心壓縮機(增壓器)作為制動裝置。

增壓器獲得膨脹功後，將送入膨脹機的工質進一步公升壓。隨著膨脹機入口壓力增加，單位質量的工質製冷量也將增大。當空分裝置的冷量要求一定時，膨脹量就可以因此減少。

另外，採用增壓器這種制動方式還避免了機械能轉變成電能所導致的損失，提高了膨脹功的**效率。

膨脹機在絕熱條件下工作，根據能量守恆：

g膨i1 = w膨十g膨i2

所以： w膨 = g膨(i1- i2)

節流製冷與膨脹製冷的比較

a.從降溫效果看，膨脹製冷要比節流製冷強烈得多。

b.從結構來看，節流閥結構很簡單，操作也方便，而膨脹機是一套機組，結構複雜，操作、維修要求高。

c.從使用範圍來看，節流閥適用於氣液兩相區內工作，即節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，其帶液量尚不能很大。

根據以上特點，在全低壓空分裝置中．一般都同時採用節流製冷與膨脹製冷，互補所缺。

裝置的冷量平衡

維持系統的冷量平衡，是空分裝置正常執行的基本保證，空分裝置的冷量損失主要包括以下幾項：

a.跑冷損失：透過保冷層，周圍大氣傳遞給冷箱內低溫裝置及管道的熱量，即相對冷箱而言損失了的冷量，叫跑冷損失。

b.熱交換不完全損失：低溫氣體離開冷箱時，在理想狀態下它應復熱到正流工質進入冷箱的溫度，這樣冷量可全部**，但由於存在傳熱溫差，在換熱器熱端，復熱工質不能達到正流工質的進口溫度而帶走的冷量損失。

c.生產液態產品帶走的冷損（如果不生產液態產品，就沒有這項冷損）。

d.其它冷損：當裝置有洩漏時，損失了一部分低溫液體或氣體，這種損失屬於其它冷損。

在正常生產過程中，空分裝置處於穩定流動狀態。根據能量守恆定律，則有：等溫節流製冷量+膨脹機製冷量=跑冷損失+熱交換不完全損失+液體產品帶走的冷損。

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