深冷空分基本知识.docx

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深冷空分基本知识

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深冷空分基础知识

1、露点（Dewpoint），又称露点温度（Dewpointtemperature），在气象学中是指在固定气压之下，空气中所含的气态水达到饱和而凝结成液态水所需要降至的温度。

在这温度时，凝结的水飘浮在空中称为雾、而沾在固体表面上时则称为露，因而得名露点。

2、饱和温度和饱和压力

如果在一密闭的容器中未充满液体，则部分液体分子将进入上部空间，称为“蒸发”。

随着空间内蒸气分子数目增加，它所产生的蒸气压力也提高，到一定的时候，空间内的蒸气分子数目不再增加，此时，离开液体的分子数与从空间返回液体的分子数达到了动态平衡，也叫达到了“饱和状态”。

这时蒸气所产生的压力叫“饱和压力”。

对同一种物质，饱和压力的高低与温度有关。

温度越高，分子具有的能量越大，越容易脱离液体而气化，相应的饱和压力也越高。

一定的温度，对应一定的饱和压力，二者不是独立的。

因此，在饱和状态下，饱和压力所对应的温度也叫“饱和温度”。

3、临界温度和临界压力

临界温度就是某种气体能压缩成液体地最高温度，高于这个温度，无论多大压力都不能使它液化。

这个温度对应地压力就是临界压力。

1869年Andrews首先发现临界现象.任何一种物质都存在三种相态----气相、液相、固相。

三相呈平衡态共存的点叫三相点。

液、气两相呈平衡状态的点叫临界点。

在临界点时的温度和压力称为临界温度和临界压力。

不同的物质其临界点所要求的压力和温度各不相同。

定义或解释①物质处于临界状态时的温度。

②物质以液态形式出现的最高温度。

③温度不超过某一数值，对气体进行加压，可以使气体液化，而在该温度以上，无论加多大压力都不能使气体液化，这个温度叫该气体的临界温度。

在临界温度下，使气体液化所必须的最小压力叫临界压力。

简单定义使物质由气相变为液相的最高温度叫临界温度。

说明①每种物质都有一个特定的温度，在这个温度以上，无论怎样增大压强，气态物质不会液化，这个温度就是临界温度。

降温加压，是使气体液化的条件。

但只加压，不一定能使气体液化，应视当时气体是否在临界温度以下。

因此要使物质液化；首先要设法达到它自身的临界温度。

水的临界温度为374℃，远比常温度要高，因此，平常水蒸汽极易冷却成水，有些物质如氨、二氧化碳等，它们的临界温度高于或接近室温，对这样的物质在常温下很容易压缩成液体。

有些物质如氧、氮、氢、氦等的临界温度很低，其中氦气的临界温度为一268℃。

要使这些气体液化，必须相应的要有一定的低温技术，以使能达到它们各自的临界温度，然后再用增大压强的方法使它液化。

②通常把在临界温度以上的气态物质叫做气体，把在临界温度以下的气态物质叫做汽体。

氧氮氩的临界温度临界压力表

物质名称

空气

氧气

氮气

氩气

水

二氧化碳

氨

临界温度/℃

-140.65-140.75

-118.40

-146.90

-122.4℃

-374.15

31.00

132.4

临界压力/MPa

3.868-3.876

5.079

3.394

4.864

22.565

7.530

11.58

  在临界温度及临界压力下，气态与液态已无明显差别；超过临界压力时，温度降至临界温度以下就全部变为液体，没有相变阶段和相变潜热。

反之的气化过程也相同。

对内压缩流程，液氧在装置内压缩到所需的压力后再在高压热交换器中复热气化。

如果液氧的压缩压力低于临界压力（例如炼钢用氧压力3.0MPa），则在热交换器的气化过程中，有一段吸收热量、温度不变的气化阶段，然后才是气体温度升高的过热阶段；如果液氧的压缩压力高于临界压力（例如化学工业用氧压力6.0MPa或更高），则在热交换器的气化过程中，没有一个温度不变的气化阶段。

这将影响高压热交换器的传热性能，在设计时需要充分考虑。

4.显热与潜热

显热：

对固态、液态或气态的物质加热，只要它的形态不变，则热量加进去后，物质的温度就升高，加进热量的多少在温度上能显示出来，即不改变物质的形态而引起其温度变化的热量称为显热。

潜热：

潜热是物质发生相变过程吸收或放出的热量。

比如对液态的水加热，水的温度升高，当达到沸点时，虽然热量不断的加入，但水的温度不升高，一直停留在沸点，加进的热量仅使水变成水蒸气，即由液态变为气态。

这种不改变物质的温度而引起物态变化（又称相变）的热量称为潜热。

1Kg液体完全变为同温度下的饱和蒸气所吸收的热量，称为该温度下的汽化潜热，用符号r表示，单位kJ/kg。

两个概念：

显热是物质不发生相变（固、液、气转变）吸收或放出热量潜热是物质发生相变过程吸收或放出的热量。

如1mol水（100℃）蒸发成1mol水蒸汽（100℃）需要吸收40.62kj的热量，这部分热量就是潜热；而1mol60℃水升温至100℃（无水蒸汽生成）需要吸收的热量（约3.014kj）就是显热。

5、饱和蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽

当液体在有限的密闭空间中蒸发时，液体分子通过液面进入上面空间，成为蒸汽分子。

由于蒸汽分子处于紊乱的热运动之中，它们相互碰撞，并和容器壁以及液面发生碰撞，在和液面碰撞时，有的分子则被液体分子所吸引，而重新返回液体中成为液体分子。

开始蒸发时，进入空间的分子数目多于返回液体中分子的数目，随着蒸发的继续进行，空间蒸汽分子的密度不断增大，因而返回液体中的分子数目也增多。

当单位时间内进入空间的分子数目与返回液体中的分子数目相等时，则蒸发与凝结处于动平衡状态，这时虽然蒸发和凝结仍在进行，但空间中蒸汽分子的密度不再增大，此时的状态称为饱和状态。

在饱和状态下的液体称为饱和液体，其对应的蒸汽是饱和蒸汽，但最初只是湿饱和蒸汽，待蒸汽中的水分完全蒸发后才是干饱和蒸汽。

蒸汽从不饱和到湿饱和再到干饱和的过程温度是不增加的，干饱和之后继续加热则温度会上升，成为过热蒸汽。

6、何为饱和蒸汽压？

答：

在一定的温度下，与同种物质的液态（或固态）处于平衡状态的蒸汽所产生的压强叫饱和蒸汽压，它随温度的升高而增加。

众所周知，放在杯子里的水，会因不断蒸发变得愈来愈少。

如果把纯水放在一个密闭容器里，并抽走上方的空气，当水不断蒸发时，水面上方气相的压力，即水的蒸汽所具有的压力就不断增加。

但是，当温度一定时，气相压力最中将稳定在一个固定的数值上，这时的压力称为水在该温度下的饱和蒸汽压。

应当注意的是，当气相压力的数值达到饱和蒸汽压力的数值是，液相的水分子仍然不断地气化，气相中的水分子也不断地冷凝成液体，只是由于水的气化速度等于水蒸汽的冷凝速度，液体量才没有减少，气体量也没有增加，气体和液体达到平衡状态。

所以，液态纯物质蒸汽所具有的压力为其饱和蒸汽压时，气液两相即达到了相平衡。

7、什么是露点？

答：

把气体混合物在压力不变的条件下降温冷却，当冷却到某一温度时，产生的第一个微小的液滴，此温度叫做该混合物在指定压力下的露点温度，简称露点。

处于露点温度下的气体称为饱和气体。

从精馏塔顶蒸出的气体温度，就是处在露点温度下。

值得注意的是：

第一个野地不是纯组分，塔时露点温度下与气相平衡的液相，其组成有相平衡关系决定。

由此可见，不同组成的气体混合物，塔的露点是不同的。

8、什么是泡点？

答：

液体混合物在一定压力下加热到某一温度时，液体中出现的第一个很小的气泡，即刚开始沸腾时的温度叫该液体在指定压力下的泡点温度，简称泡点。

处于泡点温度下的液体称为饱和液体，即精馏塔的釜温温度。

应该说明，这第一个很小的气泡，也不是纯组分，它的组成也是有相平衡关系决定的。

9、什么是沸点？

答：

当纯液体物质的饱和蒸汽压等于外压时，液体就会沸腾，此时的温度叫做该液体在指定压力下的沸点。

纯物质的沸点是随外界压力的变化而改变的。

当外界压力增大时，沸点升高，外界压力降低时，沸点降低。

对于纯物质来说，在一定压力下，泡点、露点、沸点均为一个数值。

10、何为相和相平衡：

答：

相就是指在系统中具有相同物理性质和化学性质的均匀部分，不同相之间往往有一个相界面，把不同的相分别开。

系统中相数的多少与物质的数量无关。

如水和冰混合在一起，水为液相，冰为固相。

一般情况下，物料在精馏塔内是气、液两相。

在一定的温度和压力下，如果物料系统中存在两个或两个以上的相，物料在各相的相对量以及物料中各组分在各个相中的浓度不随时间变化，我们称系统处于平衡状态。

平衡时，物质还是在不停地运动，但是，各个相的量和各组分在各项的浓度不随时间变化，当条件改变时，将建立起新的相平衡，因此相平衡是运动的、相对的，而不是静止的、绝对的。

比如：

在精馏系统中，精馏塔板上温度较高的气体和温度较低的液体相互接触时，要进行传热、传质，其结果是气体部分冷凝，形成的液相中高沸点组分的浓度不断增加。

塔板上的液体部分气化，形成的气相中低沸点组分的浓度不断增加。

但是这个传热、传质过程并不是无止境的，当气液两相达到平衡时，其各组分的两相的组成就不再随时间变化了。

11、何为精馏，精馏的原理是什么？

答：

把液体混合物进行多次部分汽化，同时又把产生的蒸汽多次部分冷凝，使混合物分离为所要求组分的操作过程称为精馏。

为什么把液体混合物进行多次部分汽化同时又多次部分冷凝，就能分离为纯或比较纯的组分呢？

对于一次汽化，冷凝来说，由于液体混合物中所含的组分的沸点不同，当其在一定温度下部分汽化时，因低沸点物易于气化，故它在气相中的浓度较液相高，而液相中高沸点物的浓度较气相高。

这就改变了气液两相的组成。

当对部分汽化所得蒸汽进行部分冷凝时，因高沸点物易于冷凝，使冷凝液中高沸点物的浓度较气相高，而为冷凝气中低沸点物的浓度比冷凝液中要高。

这样经过一次部分汽化和部分冷凝，使混合液通过各组分浓度的改变得到了初步分离。

如果多次的这样进行下去，将最终在液相中留下的基本上是高沸点的组分，在气相中留下的基本上是低沸点的组分。

由此可见，多次部分汽化和多次部分冷凝同时进行，就可以将混合物分离为纯或比较纯的组分。

液体气化要吸收热量，气体冷凝要放出热量。

为了合理的利用热量，我们可以把气体冷凝时放出的热量供给液体气化时使用，也就是使气液两相直接接触，在传热同时进行传质。

为了满足这一要求，在实践中，这种多次部分汽化伴随多次部分冷凝的过程是逆流作用的板式设备中进行的。

所谓逆流，就是因液体受热而产生的温度较高的气体，自下而上地同塔顶因冷凝而产生的温度较低的回流液体（富含低沸点组分）作逆向流动。

塔内所发生的传热传质过程如下1）气液两相进行热的交换，利用部分汽化所得气体混合物中的热来加热部分冷凝所得的液体混合物；2）气液两相在热交换的同时进行质的交换。

温度较低的液体混合物被温度较高的气体混合物加热二部分汽化。

此时，因挥发能力的差异（低沸点物挥发能力强，高沸点物挥发能力差），低沸点物比高沸点物挥发多，结果表现为低沸点组分从液相转为气相，气相中易挥发组分增浓；同理，温度较高的气相混合物，因加热了温度较低的液体混合物，而使自己部分冷凝，同样因为挥发能力的差异，使高沸点组分从气相转为液相，液相中难挥发组分增浓。

精馏塔是由若干塔板组成的，塔的最上部称为塔顶，塔的最下部称为塔釜。

塔内的一块塔盘只进行一次部分汽化和部分冷凝，塔盘数愈多，部分汽化和部分冷凝的次数愈多，分离效果愈好。

通过整个精馏过程，最终由塔顶得到高纯度的易挥发组分，塔釜得到的基本上是难挥发的组分。

9什么是回流比

答：

在精馏过程中，混合液加热后所产生的蒸汽由塔顶蒸出，进入塔顶冷凝器。

蒸汽在此冷凝（或部分冷凝）成液体，将其一部分冷凝液返回塔顶沿塔板下流，这部分液体叫做回流液；将另一部分冷凝液（或未凝蒸汽）从塔顶采出，作为产品。

回流比就是回流液量与采出量的重量比，通常以通常以R来表示，即 R=L/D  

式中R-回流比

L-单位时间内塔顶回流液体量，公斤/小时。

D-单位时间内塔顶采储量，公斤/小时。

10、什么是最小回流比？

答：

在规定的分离精度要求下，即塔顶、塔釜采出的组成一定时，逐渐减少回流比，此时所谓的理论板数逐渐增加。

当回流比减少到某一数值时，所需的理论板数增加至无数多，这个回流比的数值，成为完成该项预定分离任务的最小回流比。

通常操作时的实际回流比取为最小回流比的1.3～2倍。

11、什么是全回流：

在精馏操作中，把停止塔进料、塔釜出料和塔顶出料，将塔顶冷凝液全部作为回流液的操作，成为全回流。

全回流操作，多半用在精馏塔的开车初期，或用在生产不正常时精馏塔的自生循环操作中。

12、什么是液泛：

液泛分溢流液泛和夹带液泛。

在精馏操作中，下层塔板上的液体涌至上层塔板，破坏了塔的正常操作，这种现象叫做液泛。

液泛形成的原因：

a由于塔内上升蒸汽的速度过大，超过了最大允许速度所造成;b也常常遇到液体负荷太大，使溢流管内液面上升，以至上下塔板的液体连在一起，破坏了塔的正常操作的现象。

13、雾沫夹带：

雾沫夹带是指气体自下层塔板带至上层塔板的液体雾滴。

在传质过程中，大量雾沫夹带会使不应该上到塔顶的重组分带到产品中，从而降低产品的质量，同时会降低传

14、精馏塔压降：

所谓精馏塔的压力降，就是平时所说的塔釜和塔顶的压力差。

对板式塔来说，塔板压降主要是由三部分组成的，即干板压力降、液层压力降和克服液体表面张力的压力降。

塔釜与塔顶的压力差是全塔每块塔板压力降的总和。

15、物理性爆炸：

指仅仅由于设备内压力超过设备机械强度所能承受的限度而引起的爆炸。

16、化学性爆炸：

指由于物质在瞬间发生化学反应，产生大量热和气体产物，使设备内压力急剧上升而引起的爆炸。

17、热力学第一定律 即 能量守恒定律：

         自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同形式，能够从一种形式转化为另一种形式，但在转化过程中，能量的总值不变。

第一类永动机是不能实现的。

所谓第一类永动机是一种循环作功的机器，它不消耗任何能量或燃料而能不断对外作功。

18、 热力学能  

物体中所有分子做热运动的动能和分子势能的总和叫做物体的热力学能，也叫做内能

热力学能，也称为内能 。

 是指系统内部能量的总和，包括分子运动的平动能、分子内的转动能、振动能、电子能、核能以及各种粒子之间的相互作用位能等。

物体中所有分子做热运动的动能和分子势能和分子、原子内部所具有的能量等的总和叫做物体的热力学能，也叫做内能。

热力学能与动能、势能一样，是物体的一个状态量

分子动能与温度有关，温度越高，分子的平均动能就越大，反之越小

分子间存在相互作用力，即化学上所说的分子间作用力（范德华力）。

分子间作用力是分子引力与分子斥力的合力，因为分子间存在相互作用力，所以分子间具有由它们相对位置决定的势能，叫做分子势能。

19、焓的定义

热力学中表示物质系统能量的一个状态函数，常用符号H表示。

数值上等于系统的内能U加上压强p和体积V的乘积，即H=U+pV。

焓的变化是系统在等压可逆过程中所吸收的热量的度量。

焓的物理意义可以理解为恒压和只做体积功的特殊条件下，Q=ΔH，即反应的热量变化。

因为只有在此条件下，焓才表现出它的特性。

例如恒压下对物质加热，则物质吸热后温度升高，ΔH>0，所以物质在高温时的焓大于它在低温时的焓。

又如对于恒压下的放热化学反应，ΔH<0，所以生成物的焓小于反应物的焓。

关于焓的几点说明：

① 是状态函数，广度性质； ② 绝对值无法求； 

③ 虽然具有能量的单位，但焓不是能量，也不遵守能量守恒定律，隔离体系中焓值不一定守恒； 

④ U有明确的物理意义，而焓则无明确的物理意义,它只是为了解决实际问题的方便而定义的一个物理量。

20、熵的定义

熵在热力学中是表征物质状态的参量之一，通常用符号S表示。

在经典热力学中，可用增量定义为dS＝（dQ/T），式中T为物质的热力学温度；dQ为熵增过程中加入物质的热量。

下标“可逆”表示加热过程所引起的变化过程是可逆的。

若过程是不可逆的，则dS＞（dQ/T）不可逆。

从微观上说，熵是组成系统的大量微观粒子无序度的量度，系统越无序、越混乱，熵就越大。

热力学过程不可逆性的微观本质和统计意义就是系统从有序趋于无序，从概率较小的状态趋于概率较大的状态。

单位质量物质的熵称为比熵，记为s。

熵最初是根据热力学第二定律引出的一个反映自发过程不可逆性的物质状态参量。

　热力学第二定律是根据大量观察结果总结出来的规律，有下述表述方式：

　　①热量总是从高温物体传到低温物体，不可能作相反的传递而不引起其他的变化；

　　②功可以全部转化为热，但任何热机不能全部地、连续不断地把所接受的热量转变为功,而不产生其他任何影响（即无法制造第二类永动机）；

　　③在孤立系统中，实际发生的过程总使整个系统的熵值增大，此即熵增原理。

摩擦使一部分机械能不可逆地转变为热，使熵增加。

热量dQ由高温（T1）物体传至低温（T2）物体，高温物体的熵减少dS1=dQ/T1，低温物体的熵增加dS2=dQ/T2，把两个物体合起来当成一个系统来看，熵的变化是dS＝dS2+dS1＞0，即熵是增加的。

21、绝热节流过程  

 节流是高压流体气体、液体或气液混合物）在稳定流动中，遇到缩口或调节阀门等阻力元件时由于局部阻力产生，压力显著下降的过程。

节流膨胀过程由于没有外功输出，而且工程上节流过程进行得很快，流体与外界的热交换量可忽略，近似作为绝热过程来处理。

根据稳定流动能量方程:

  δq=dh+δw（2.1）      

  得出绝热节流前后流体的比焓值不变，由于节流时流体内部存在摩擦阻力损耗，所以它是一个典型的不可逆过程，节流后的熵必定增大。

绝热节流后，流体的温度如何变化对不同特性的流体而言是不同的。

对于任何处于气液两相区的单一物质，节流后温度总是降低的。

这是由于在两相区饱和温度和饱和压力是一一对应的，饱和温度随压力的降低而降低。

对于理想气体，焓是温度的单值函数，所以绝热节流后焓值不变，温度也不变。

对于实际气体，焓是温度和压力的函数，经过绝热节流后，温度降低、升高和不变3种情况都可能出现。

这一温度变化现象称为焦耳-汤姆逊效应，简称J-T效应。

从物理实质出发，可以用气体节流过程中的能量转化关系来解释着三种情况的出现，由于节流前后气体的焓值不变，所以节流前后内能的变化等于进出推动功的差值：

u2-u1=p1v1-p2v2  

气体的内能包括内动能和内位能两部分，而气体温度是降低、升高、还是不变，仅取决于气体内动能是减小、增大、还是不变。

因气体节流后压力总是降低，比容增大，其内位能总是增大的。

由于实际气体与玻义耳定律存在偏差，在某个温度下节流后，pv值的变化可能有以下3种情况:

     ①p1v1

由于内位能总是增大的，所以内动能必定减小，那么节流后气体温度降低。

  ②p1v1=p2v2时u2=u1即节流后内能不变。

此时，内位能的增加等于内动能的减少，节流后气体温度仍然降低。

  ③p1v1>p2v2时u2>u1即节流后内能增大。

此时，若内能的增加小于内位能的增加，则内动能是减小的，温度仍是降低;若内能的增加大于内位能的增加，则内动能必然要增大，温度要上升。

22、气体膨胀制冷

是利用高压气体的绝热膨胀来达到低温，并利用膨胀后的气体在低压下的复热过程来制冷的，由于气体绝热膨胀的设备不同，一般有两种方式:

一种是将高压气体经膨胀机膨胀，有外功输出，因而气体的温降大，复热时制冷量也大，但膨胀机结构比较复杂，另一种方式是令气体经节流阀膨胀，无外功输出，气体的温降小，制冷量也小，但节流阀的结构比较简单，便于进行气体流量的调节。

23、气体的等熵膨胀 

高压气体等熵膨胀时向外输出机械功，这样消耗了大量气体内能（焓值减小）。

另外，还由于膨胀时，气体体积增大，分子距离也要增大，但是分子间有吸引力，为了克服分子间的吸引力而又要消耗气体分子的一些动能（动能减小）。

这样气体分子的内能和动能在等熵膨胀时大量消耗，从而降低了气体温度。

所以等熵膨胀后，气体温度总是下降的。

24、节流效应制冷量与哪些因素有关?

答：

节流效应制冷量首先是与节流前后的压差有关，其次与进装置的温度有关。

一般说来，节流前后的压差越大，节流温降也越大，所具有的吸收热量的能力也越大，即节流效应制冷量越大。

节流后排出装置的压力是接近于大气压力，变化的范围有限。

因此，节流压降的大小主要取决于压缩机压缩后的压力。

当排出装置的气体压力为0.1MPa，进装置的空气温度为30℃时，不同的进装置压力下的节流效应制冷量如表12所示：

 表12进空分装置压力对节流效应制冷量的影响 

进装置空气压力/MPa 

 0.6 

 3.0 

 5.0 

 10.0 

 15.0 

  20.0 

节流效应制冷量/kJ·kmol-1 

30.6 

 188 

 285 

586 

795 

  938 

但是，进装置的空气压力越高，相应地空压机消耗的电能越大，对管路、设备的安全性及强度的要求也越高。

并且，随着压力的升高，制冷量增加的幅度也在减小。

所以，小型高压制氧机的最高压力一般也不超过20MPa，并且，在正常生产时，要尽量降低工作压力。

进装置的空气温度提高，节流效应制冷量略有减少。