全低压分子筛流程.docx

全低压分子筛流程G2l6该流程又称为吸附净化流程。1p2ks#l利用分子筛净化空气。l875l随着分子筛吸附剂的开发和完善，以及吸附工艺的改善，特别是吸附剂的共吸附特性，使吸附剂同时可以清除空气中的H2O，CO2，C2H2，CnHm大大简化了空气净化和空分的流程。5p第一节 概述l一.基本知识Cl1.物态(固,液,气)Sl2.基本状态参数(温度,压力,比容与相对密度)ol3.空气的组成及性质X+w1.物态nWm,l人们日常接触到的东西，不外是三种状态：固态、液态、气态（在常温下）。状态也称为“相”，固态、液态和气态也可分别称为固相、液相和气相。0Cl一般来说，物质都能以气态、液态或固态的形式存在，并在一定的条件下可以互相转化。例如水，平常见到的是液态；当气温低时，会结成冰，成为固态，水加热以后又可变为水蒸气。再如氧气，人们平常接触到的是气态，如果在标准大气压下将氧气冷却到-182.8，就变成液态氧，如果再将液态氧进一步冷却到-218.4，就会凝成固体。像上面所述物质从一种聚集状态变为另一种聚集状态的现象称为状态变化或相变。jBd T=273 +t K$ t=T-273 88（2）压力+/w$0l（2）压力（或压强）单位面积上的作用力叫“压力”，也称为压强。常用符号P来表示。如果用P表示压强，以A表示受力面积，F表示垂直作用力。则压强P为9F9LzlP=F/Ad=+cJa空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。5由式可见，压强的大小是由压力和面积单位决定的，如果压力单位是牛顿N，面积单位是平方米m2 ，那么压强的单位是N/m2，这是国际单位制中的压强单位，称为帕斯卡，简称帕，用符号Pa表示。%J空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。6P1l1工程大气压=1kgf/cm2=10000kgf/m2C;2dl1kgf/cm2=98.1kPa=735.6(mmHg)=10(mH2O)l l1atm=101.3kPa=10336kgf/m2jal1工程大气压=98.1KPa=0.0981MPaeF&绝压，表压，真空度间的关系4#(工程上常用绝对大气压、表压和真空度来表示物质的状态，其关系如下：ABP绝对P大气+P表fD wP绝对P大气-P真空Xn（3）比容与相对密度u.Jk-l （3 ）比容单位质量的气体所占的容积叫比容，用符号u表示，单位是米3/公斤（m3/kg）。设G公斤气体的容积为V米3，则该气体的比容为o15luV/G米3/公斤（m3/kg)kOl单位体积气体的质量称为气体的密度，用P表示。即Hl P G/V 公斤/米3（kg/m3)$+z2l 根据以上关系可知比容与密度互为倒数。密度越大，比容越小。.Tl固体或液体的比容（或密度）对一定物质来说，基本上是一的，这是因为压力和温度对固体或液体的体积的变化影响不大，但对气体来说，却随温度和压力而变化，且比容（或密度）的变化要吧是很大的。对一定的气体，在一实际上的压力P和温度T下，El就有一确定的比容。也就是说，这三个状态参数之间存在着一定的关系，只要知道这三个参数中的任意两个，就可以通过一定的关系或（状态方程式）求出第三个状态参数。$DJ3h$3.空气的组成及其性质M:l（1）空气的组成空气主要是由氧和氮组成，在气体状态，它们均匀地混合在一起。空气中还含有氩、氖、氦、氪、氙、氡等气体。这些气体化学性质稳定，在空气中含量甚少，在自然界不易得if_0Q（1）空气的组成/l到，所以称为稀有气体。同时空气中还含有甲烷及其他碳氢化合物、氢、臭氧、二氧化碳、水蒸气及灰尘等。在地球表面，干燥空气的组成列于表3-1中。dbEocl若不考虑水蒸气、二氧化碳和各种碳氢化合物，则地面至100km高度的空气的平均组成保持恒定值。在25km高空臭氧的含量有所增加。在更高的高空，空气的组成随高度而变，且明显地同每天的时间及太阳活动有关。但是，空气组成的局部分布是不一致的，即使在海平面上也有不同，各个工业区空气的成分和杂质会计师也各不相同。d空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。Tl空分生产中对空气的质量要求如下：agCO2 724mL/L、CO1mL/L、CH410mL/L、C2H21mL/L、 CnHm25mL/L、SO20.1mg/m3(标）、NO1mg/m3(标)、H2S 0.1mg/m3（标）、Cl20.1mg/m3（标）、H21mL/L、NH3 4mL/L小链接xI/l 臭氧是大气中的微量气体之一，其主要浓集在平流层中20-25千米的高空，即大气的臭氧层。rl臭氧层对保护地球上的生命界以及调节地球的气候都具有极为重要的作用。5mM,xul然而，近些年来，由于在平流层内运行的飞行器日益增多，人类活动产生的一些痕量气体如NOx和氯氟烃等进入平流层，使臭氧层遭到破坏，以至于在南极上空出现了“臭氧空气洞”。 小链接gl臭氧浓度降低，臭氧层的破坏，将对地球生命系统产生极大的危害。pzK)|l首先，由于臭氧层的破坏，大量紫外光辐射将到达地面而危害人体健康。E.e8l有人估计，如臭氧层中O3浓度减少1%，则地面紫外光辐射将增加2%，导致皮肤癌发病率增加2%-5%。l此外，还会使白内障发病率增高，以及对人体免疫系统功能产生抑制作用。紫外光辐射增大，也会对动、植物产生影响，而危及生态平衡。臭氧层破坏还将导致地球气候出现异常，由此带来灾害。 （ 2）空气及其各组分的性质#n5aul空气的性质。 常温下的空气是无色无味的气体，液态空气则是一种易流动的浅蓝色液体。当空气温度降到液化温度逐渐液化B=空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。rRnE l时，它的性质已由量变发展到质变，与气体状态时有很大差别，在空分装置中要遇到这种质变，因此对其要有所了解。Bq空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。_/l空气作为混合气体，在定压下冷凝温度要连续降低。如在标准大气压（101.3KPa）下，空气于81.7K（露点）开始冷凝，温度降低到78.9K（泡点）时全部转变为饱和液体。这是由于高沸点组分（氧）开始冷凝较多，而低沸点组分（氮）到过程终了，才会较多地冷凝下来。NqWk*氧和氮的性质B3+rl 氮是一种无色无味的气体，标准状态下的密度为1.25Kgm3，比空气稍轻，难溶于水。氮的化学性质不活泼，在通常情况下很难跟其他元素化合，故可以用作保护气体，在高温下，氮能够同氢、氧及某些金属发生化学反应，其沸点比空气低，所以液氮是低温研究中最常用的安全冷却剂，但要当心窒息，液氮的蒸发温度为77.36K。在标准大气压下，液氮冷却到63.2K时转变成无色透明的结晶体。7r;t/R空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。4jryl氧是一种无色无味的气体，标准状态下和密度是1.43Kgm3，比空气略重。氧较难溶解于水。氧的化学性质非常活泼，它能跟很多物质（单质和化合物）发生化学反应，同时放出热量；反应剧烈时还会燃烧发光。x空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。fYl在标准大气压下，氧在90.188K时变为易流动的淡蓝色液体；在54.4K时凝固成淡蓝色的固体结晶。i?Gl 对于不同的物质，它们的液化温度是不同的。液化温度低的物质易挥发，液化温度高的难挥发。对同一种物质，在不同的压力下，对应的饱和温度也不同。压力越高，饱和温度也越高。即压力越高蒸气越容易液化。在同样压力下，氮的饱和温度比氧低，这表示氮比氧容易汽化。l压力增加使饱和温度提高并不是无止境的，当温度超过某一值，即使再提高压力也无法使气体液化，只有温度低于该值时，液化才有可能。这个温度叫“临界温度”。相应于临界温度下的液化压力叫“临界压力”。对一定的物质，临界温度与临界压力有确定的数值，见表3-2。/p#.o空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。_X0l 由表3-2可见，要使空气液化，只有将空气冷却到它的临界温度-140.7以下才可能。在临界温度时，只有把空气压缩到临界压力（3.84MPa)或高于此压力时才有可能液化。#l 在临界状态下饱和液体与饱和蒸汽已没有区别，汽化或液化不再分阶段，因此，相应于临界温度与临界压力的点叫“临界点”。e空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。.M&l临界压力，临界温度，临界点ge(Kl任何气体当提高压力，降低温度时均可变为液态。压力提高？降低温度？lqdT-汽化潜热 冷凝潜热,+Jxil蒸气液化或液体汽化阶段的另一特点是，该阶段温度虽然维持不变。但必须放出热量或吸收热量才能使其发生变化。这个热量叫做“潜热”。1kg饱和液体全部汽化成干饱和蒸气所需的热量叫“汽化潜热”，单位为J/kg。1kg干饱和蒸气液化成饱和液体所放出的热叫“冷凝潜热”，二者的数值相等。h空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。C-wNl汽化潜热的大小与物质的种类及压力有关。压力越高，汽化潜热越小。在临界压力下，干饱和蒸气与饱和液体已没有区别，其汽化潜热等于零。蒸气的性质比较复杂，不能简单地由状态方程式来表示压力、温度等参数之间的关系。而需将各种物质的状态参数之uGl间的关系分别制成图或表，这种图或表叫“气体的热力性质图”。,kI*1空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。$RlT-S图是以温度为纵坐标，熵为横坐标，形状如图3-1所示。NkI空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。66RT-S图空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。0&K=空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。Al空气、氧、氮的T-S图形状相似，只是具体数值不同，图中有一组等压线，它是根据在一定压力下液体的汽化过程实验做得的。对不饱和液体进行加热时，液体吸收热量，熵增加，同时温度也升高，当液体达到饱和时，如果继续加热，则逐渐汽化，但温度!7eLf空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。Jzul维持不变，而熵却增加了。因此，在汽化阶段的等压线为一水平线，它同时又是等温线。当液体全部汽化成为干饱和蒸气后。如果继续加热，则在熵增加的同时，温度又升高，等压线为一向右上方的倾斜曲线。kG空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。+;l 压力越高，汽化温度也越高。因此，在等压线组中，越上面的曲线压力越高。压力越高，饱和液体与干饱和蒸气的差别越小，汽化阶段越短，因此，水平线的长度也越短。压力为临界压力时，已没有汽化阶段，当温度达到临界温度时液体直接汽化为蒸气。因此，临界压力下的等压线已没有水平段，曲线上温度为临界温度的点叫临界点。%iBhLp空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。l将不同压力下饱和液体点及干饱和蒸气点连接起来，构成图下方的一条向上凸的曲线，叫“饱和曲线”。在临界点左边为饱和液体线，右边为干饱和蒸气线。饱和曲线将图分成三个区域：在饱和液体线左侧为未饱和液体区，干饱和蒸气线的右侧为热蒸气区，饱和曲线下侧为液体与蒸气的混合物，称“湿蒸气”区。!(|l 在湿蒸气区，一定的压力对应一定的饱和温度，但随吸热多少的不同，蒸气含量也不同。图中a点在饱和液体线上，蒸气含量为0；b点在干饱和蒸气线上，蒸气含量为100；c点如果落 在湿蒸气区，则称它为气液混合物。通常把1kg湿蒸气中所含的饱和蒸气 的数量（x公斤）叫“干度”，或“气化率”。c点越接近b点，L 空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。IN-FyR则表示气液混合物中所含的饱和蒸气量多，汽化率越大。c点分割ab线段的长度比，即表示气液混合物中气体与液体的数量之比，即*n因此汽化率可用下式计算l-l 在T-S图上还给出了一组向右下方倾斜的等焓线。在一定状态下，物质的内能u是一定的，压力p及比容v也一定，因此焓的数值也就确定了。wl根据压力和温度，很容易在图上找到一个对应点，同时可查到它的焓和熵值。GE由于空气是氧、氮的混合物，它们的沸点不同，低沸点的氮比高沸点的氧较容易汽化，因此在汽化过程中液体的成分不断地发生变化，液化中氧的含量有所增加。这样就使饱和温度也稍有增加。所以在空气的T-S图中，湿蒸气区的等压线不是严格的等温线，而稍向上倾斜。A 焓-温图的形状如图3-2所示。V?RbhH-T图的形状$3Z.空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。GL1l它是以焓为纵坐标，温度为横坐标。它与T-S图本质是一样的，都是表示物质的性质，只是为了不同场合的使用方便，所取的坐标不同。9l 在H-T图上，只画出了不同压力下等压线及饱和曲线。等压线由n段组成，在干饱和蒸气以上，为向右上方倾斜的曲线；在汽化阶段温度保持不变，为垂直线。上部等压线的压力比下部l9.何谓何谓内能?cl10何谓焓，熵？g.=O空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。!wHrEfl11.空气温-熵图的构成及应用?6*)ekl12.何谓液化?如何液化?K:l13.液化温度饱和温度干饱和蒸气cxr9#l湿饱和蒸气？tS:tl14.饱和液体过饱和液体过冷液体;6&l过热蒸气？理解下列概念B6#ml临界压力，临界温度，临界点/l蒸气冷凝和液体蒸发!Su!E7l汽化潜热 冷凝潜热&认识与应用HmXl气体的热力性质图VayAl空气的温-熵图（T-S图）、*l氧、氮的T-S图g/sF第二节 空气的液化与分离1Dl一.温熵图的构成和应用abl在空气的液化过程中用T-S图可表示物系的变化过程.并可以直接从图上求出温度,压力,焓和熵的变化值.vKCwl图51为空气的T-S（简图）。wRl图中向右上方的一组斜线为等压线；1a4Q/l向右下方的一组线为焓线；;XSXhl图下部山形曲线为饱和曲线，山形曲线的顶点K是临界点，通过临界点的等温线称临界等温线。v4Y空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。!Rl在临界点左边的山形曲线为饱和液体线，临界点右边的山形曲线为饱和气体线。n6$l临界等温线下侧和饱和液体线左侧的区域为液体状态区；rzbeAl临界等温线下侧和饱和气体线右侧，以及临界等温线以上的区域是气相区；jKn&w空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。4hl山形曲线的内部是气液两相共存区亦称为湿蒸气区。4Al两相共存区任意一点表示一个气液混合物。Rjc5!l例如：e点为气体g和液体空气f组成的气液混合物，线段fe和ef的长度比表示气液混合物中气体与液体的数量之比。即feegD u=z空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。Al在温度、压力、熵、焓四个状态函数中已知任意两个，便可利用空气的T-S图确定空气的状态。T!El例如，当空气压力为0.1MPa，温度为30时，在T-S图上可用点a表示，点a的状态呈气态。l利用空气的T-S图还可以表示各种变化前后的状态。+%?vl-g=空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。UhRl例如，线段ab表示由压力为0.1MPa，温度为30的a点，等温加压到压力为12MPa的b点的等温加压过程。曲线bc表示由压力为12MPa的b点，等焓膨胀到c点的等焓膨胀过程。曲线bd表示当压力为12MPa时，空气由b点冷却到d点的等压冷却过程。!X7?_小思考%l1.何谓空气的温熵图？|Sl2.温熵图如何构成的？S6DwC2l3.在空气的温熵图上表示出等压加热，等焓膨胀和等熵膨胀的过程？xl4.温熵图有何作用？Cydl用T-S图可表示物系的变化过程.4Xl可以直接从图上求出温度,压力,焓和熵的变化值.UZa Pl利用空气的T-S图可以表示各种变化前后的状态。UOil1.何谓节流膨胀？E=al2.压力为6MPa，温度为270C的空气节流膨胀到0.1MPa，用空气的T-S图求节流膨胀前后空气的温度？.2.等熵膨胀!y(yl2、等熵膨胀 压缩气体经过膨胀机在绝热下膨胀到低压，同时输出外功的过程，称为等熵膨胀。由于气体在膨胀机内以微小的推动力逐渐膨胀。因此过程是可逆的。根据热力学第二定律可知，可逆绝热过程的熵不变，故为等熵过程。Lzl膨胀机分活塞式和透平式两种，压缩气体使活塞移动或使叶轮旋转，然后再驱动发电机或风机。4.oD;l气体经过等熵膨胀后温度总是降低的，主要原因是气体通过膨胀对外作功，消耗了气体的内能，另一个原因是膨胀时为了克服气体分子间的吸引力，消耗了分子的动能。ql在图52中，线段2-3表示气体的压力为P2，温度为的T2的2点等熵膨胀到P1时的过程，T2-T3为膨胀前后气体的温度差。5V|HX.l由图5-2可见，气体同样从状态2（P2、T2）膨胀到低压时，等熵膨胀前后的温差（T2-T3）大于节流膨胀前后温差（T2-T1），同时等熵膨胀的降温效果比节流膨胀的降温效果好，但膨胀机的结构比节流阀复杂。3+Sx#l练习%5 l1.何谓等熵膨胀？mUul2.压力为12MPa，温度为270C的空气等熵膨胀到0.2MPa，用空气的T-S图求等熵膨胀前后空气的温度？TN空分之家 - -空分操作和管理人员的园地。ZNuBM（二）空气的液化ozIC5l工业上液化空气的方法分为两大类：一类为是以节流膨胀为基础的深度冷冻循环，称为节流循环；另一类是以等熵膨胀和节流膨胀为基础的深度冷冻循环，称为带膨胀机的循环。M1.一次节流膨胀Qel图53为一次节流循环的流程及T-S图。空气（状态1）经压缩机C从压力P1压缩到高压P2，并经中间冷却器M被水冷至初温T1。压力P2、温度T1的空气（状态2)1At2经换热器E被节流后的低温空气（状态5）冷却到状态3，然后再经节流阀减压到P1（状态4）。节流的结果使空气的温度降低，同时有部分sQl空气被液化（状态0），从分离器下部得到产品液体空气。6l未被液化的空气（状态5）经分离器F与液体空气分离后进入换热器E，冷却高压空气而自身被加热。如果换热器是理想的，换热器热端没有温差，未被液化空气等压加热后仍回到原始状态1。pY3l3.为什么膨胀机常与节流阀配合使用？_dP三、液体空气的精馏nl（一）液体空气精馏的原理WJTIOl在研究空气的分离时，可以把空气看作氮-氧二元系统。在0.101MPa压力下，氧的沸点为-182.9，氮的沸点为-195.8，两者相比，氮是易挥发的组分。HuG?l由氮、氧组成的混合液体在吸收热量而部分蒸发时，易挥发组分氮将较多的蒸发；而混合蒸汽在放出热量部分冷凝时，难挥发组分氧将较多地冷凝。&ZHl所以当混合液体部分蒸发或混合蒸气部分冷凝后，液相中氧的含量总是大于气相中氧的含量，而气相中氮的含量总是大于液相中氮的含量。5NWl利用氮、氧沸点的不同，经多次部分蒸发和部分冷凝后，可以将液体空气分离为氮和氧，这一过程称为空气的精馏。0C7Kvl精馏过程是在具有若干层塔板的精馏塔内进行的。4(*SUl塔内的蒸气向上升，在塔板上与温度较低的液体互相接触，蒸气将放出热量给液体。蒸气放出热量而部分冷凝，液体吸收热量而部分蒸发。蒸气在部分冷凝时，由于氧冷凝得较多，所以蒸气中氮的浓度有所提高。l液体在部分蒸发过程中，由于氮较多地蒸发，使液体中氧的浓度有所提高。pTXXv(l如塔足够高，上升的蒸气经过多次部分冷凝，向下流动的液体经过多次部分蒸发，最后在塔顶可得到纯氮，在塔底可得到纯氧。Sl精馏塔的塔板有筛板、泡罩等形式，目前空分装置多采用筛板塔。筛板的结构如图5-6所示。筛板由带有许多孔径为0.71.3mm小孔的平板构成，其上设有溢流管。蒸气经过小孔呈鼓泡形式空过液体层，并进行热量交换和质量交换。筛板上的液体通过溢流管排到下一塔板。在正常生产中，只要通G空分之家 - 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-空分操作和管理人员的园地。kVl此外，也可采用810的氢氧化钠溶液洗涤空气中的二氧化碳。Irl清除空气中的乙炔是采用吸附法。在低温下乙炔 呈固体微粒状浮在液体空气或液体氧中，当它们通过装有硅胶的吸附器时，乙炔被硅胶吸附而除去。N8p五.空气液化分离工艺流程SP#l空分流程根据操作压力不同，可分为高压（7.120.3MPa）、中压（1.52.5MPa）和低压（低于1MPa，一般为0.6MPa左右）三种类型。目前大、中型空分装置，普遍采用低压流程。本节以KDON3200/3200型空分装置为例，介绍空分液化分离的工艺流程。Y%W9lKDON-3200/3200型空分装置采用全低压流程，每小时可同时制取（标准状态）氧气（99.5）3200m3和氮气（99.99）3200m3，其工艺流程如图5-8所示。空气由吸入塔吸入，经空气过滤器清除灰尘后，至透平空气压缩机压缩到0.6MPa 左右，再经空气冷却塔被水冷却至30以下。预冷后的空气进入两组可逆式换热器的热段和冷段。热段设有纯氧、纯氮、污氮和空气四种通道，冷段设有纯氧、纯氮、污氮、空气和环流空气五种通道。热段和冷段的)H9H7l通道相应串联，其中污氮和空气通道每隔10mm切换一次，空分在可逆式换热器内被返流的纯氧、纯氮和污氮冷至172左右后进入下塔，并将空气中的水分和二氧化碳凝结在可逆式换热器的通道上，被下周期通过的污氮所带走。L+JgnAl由下塔底部引出经洗涤的空气，分别进入三个液化后流回下塔底部，未液化的空气大部分作为环流空气进入可逆式换热器的冷段，以缩小冷段空气与返流气体之间的温差，保证污氮能将通道中冻结的水分和二氧化碳全部带走。环流空气与另一部分未液化的空气汇合，经膨胀机膨胀至0.140.16MPa后，进入上塔中部参加精馏。|cx:l下塔精馏的结果得到液体富氧空气和液氮。含3640的液体富氧空气自下塔底部抽出，经液空吸附器及液空过冷器过冷后，再经节流膨胀后送到上塔中部。;l自冷凝蒸发器引出的液氮，一部分流回下塔作为下塔的回流液，一部分经液氮过冷器、节流阀送至上塔的顶部。为使下塔能得到纯氮气，自下塔第20块塔板引出部分污氮，经污氮过冷器、节流阀送至上塔的上部。?od!;l上塔精馏的结果得到纯氧、纯氮和污氮，纯氧自上塔底部引出，经