工业气体知识

工业气体知识第一页，共三十五页，编辑于2023年，星期六1.温度

表示物体冷热程度的物理量(物质分子运动平均动能的度量)

华

氏温标(Fanrlenheit)----1714年

规定:水冰点为320F---水沸点为2120F---两点间180等分为1度

摄氏温标(Celsius)------1742年

规定:水冰点为00C---水沸点为1000C---两点间100等分为1度

开氏温标(Kelvin)----1848年

热力学温标

规定纯水三相点为273.16K(=0.010C),分度值同摄氏温标

换算关系:0C=5/9(0F-32)0F=9/5×0C+32 K=0C+273.150C=K-273.15第二页，共三十五页，编辑于2023年，星期六2.压力

单位面积上所受的垂直作用力。(气体分子不规则运动对容器壁撞击产生的一种作用的宏观表现，垂直于容器壁)

基本单位

帕斯卡

Pa=N/m2

牛顿/平方米

(常用MPa,KPa)

标准大气压(物理大气压)

地心引力对大气层作用的结果

规定纬度45度,海平面上常年平均空气压力为标准大气压

1atm=101325Pa

工程大气压

公斤力/平方厘米 at=kgf/cm2=9.8×104Pa=98kPa (1kgf=1kg*9.8m/s2=9.8N---1cm2=1m2×10-4) PSI 磅力/平方英寸

lbf/in2

（=6894.74Pa) PSI(PoundsperSquareInch)

1MPa=145PSI第三页，共三十五页，编辑于2023年，星期六2.压力(其他压力单位)

巴

BAR 气象常用压力单位

1bar=0.1MPa=100Kpa

毫米汞柱

mmHg 133.32Pa

毫米水柱 mmH2O 9.81Pa~(10)

英寸水柱

InchH2O 249.17Pa~(250) 1bar=750mmHg=10194mmH2O=401.33InchH2O

绝压与表压 绝压=表压+当地当时大气压

atm gauge g 表压

absolute a 绝压

标准大气压

1atm=101325Pa第四页，共三十五页，编辑于2023年，星期六3.密度,体积

,流量

密度

-单位体积物质所具有的质量

d=kg/m3

流量-单位时间内通过流体的量(体积/质量) m3/h,kg/h,Nm3/h

质量-表示物质的多少的物理量 kg,g,lb,pound0.4536kg

体积-表示气体所占体积

大小

m3,L,mL,CubicFoot

一定体积内的气体量随气体的压力和温度变化

,给出气体体积时必须指 出在什么温度和压力下。 标准状态: 00C,101325Pa=1atm （700F,101.325kPa=1atm）

Nm3(NormalCubicMeter)SCF(StandardCubicFoot) 1Nm3（氧=1.43kg；氮=1.25kg；氩=1.78kg；氢=0.09kg； 氦=0.18kg；甲烷=0.72kg；丙烷=2.0kg；二氧化碳=1.98kg）标准立方米Nm3实际上不是一个体积单位，它表示气体的质量。第五页，共三十五页，编辑于2023年，星期六4.纯度

浓度-混合气体中某种成分的多少 %（体积或质量）

纯度-对于产品，其成分占绝大多数，一般称之为纯度 %

对于纯度较高的气体,一般是指出某些杂质的含量

PPM,PPB

PPM=1/1000000

百万分之一;PPB=1/1000000000

十亿分之一

对于气体纯度，除了工业氧，医用氧和乙炔等采用直接分析法外， 大部分纯气和高纯气都采用差减法，即通过分析各种杂质含量， 求和，并减以100%而得到气体纯度。 所以，在提出99.99或99.999等纯度指标时，必须同时提供杂质含 量控制表，或指出该纯度所依据的标准号。第六页，共三十五页，编辑于2023年，星期六露点

露点或水分露点是在恒定压力下，使气体中的水蒸汽饱和时的温度。

在一定压力下,气体中的含水量（绝对湿度-g/m3或ppm）与露点一一 对应，可以通过测定露点来确定气体的绝对湿度。

（含水量愈低，露点也愈低）

所以，气体露点虽然用温度表示，但其物理含义是该气体水分含量！第七页，共三十五页，编辑于2023年，星期六露点与湿度的对应关系

露点℃克/立方米PPM20℃的相对湿度3030.4418682017.323079100%109.41211752.5%04.8602026%-102.27256011.5%-200.910204.41%-300.3453761.63%-400.1251270.56%-500.0439.4-600.01110.6-700.00282.55-800.00060.526第八页，共三十五页，编辑于2023年，星期六5.热,功,能 热量---衡量传热过程中物体吸收或

放出能量大小的物理量

J焦耳 冷量---吸收热量的能力

J焦耳 功-----力与在其作用方向位移的乘积

J=N*M焦耳=牛顿*米 功率---单位时间所作的功

W=J/S瓦=焦耳/秒 能量---作功的能力或本领(动能,位能等)

内能---物体内部所具有的能量:

气体分子热运动动能

温度 气体分子

间相互作用

压力/比容 当气体加热或作功时会改变气体的内能,表现为温度,压力等的变化第九页，共三十五页，编辑于2023年，星期六6.理想气体定律

玻意尔-马略特定律:

当一定质量气体温度不变时,压力与比容成反比 pv=常数

查理定律 当一定质量的气体体积不变时,绝对温度与压力成正比 p/T=常数 盖.吕萨克定律 当一定质量气体压力不变时,绝对温度与比容成正比 v/T=常数

以上三个定律的综合即为理想气体定律 pv-RT

所谓理想气体即完全符合理想气体定律的气体。实际上真正的理想气体是 不存在的,当气体的压力不太大；温度不太低时可近似地看作是理想气体。第十页，共三十五页，编辑于2023年，星期六7.空气的组成

第十一页，共三十五页，编辑于2023年，星期六7.空气的组成空气氧氮氩氦氢氖氪氙--O2N2ArHeH2NeKrXe100%20.9378.10.9335PMV0.5PMV17PMV1PMV0.1PM比重和分子量1.0001.1050.96691.3800.1380.06950.69582.8984.5628.9631.998828.013439.9484.00262.0159420.18383.80131.30饱和液体密度kg/M3--1141.6808.31393.6124.970.78120724123056正常沸点℃-194-183.0-195.8-185.9-268.9-252.78-246-153.2-108.1临界压力/温度BARG/℃--50.7933.9448.622.2912.9326.5355.0158.75---118.4-146.9-122.4-267.95-240.2-228.7-63.816.6第十二页，共三十五页，编辑于2023年，星期六8.获得低温的方法：

压缩气体的节流－对外不作功，也不进行热交换，压缩气体由于流动遇到局部阻力而造成压力有较大降低的过程。 影响因素－1节流前后压差

2节流前温度

气体作外功等熵膨胀－压缩气体在膨胀机内膨胀，并对外作功，使气体本身能量减小，温度降低。

影响因素－膨胀机效率、进出口压力、进口温度、膨胀量

气体液化循环－由一系列热力过程组成的持续的循环，目的是使气体工质冷却、液化并补偿循环过程中的冷量损失。

1895年德国的林德和英国的汉普森分别独立地提出一次节流循环，是最早在工业上采用的气体液化循环。

1902年法国的克劳特首先实现了带有活塞式膨胀机的空气液化循环，是目前工业上采用的各种液化循环的基础。第十三页，共三十五页，编辑于2023年，星期六9.物态变化

任何物质分子都可能以气态、液态、固态存在，简称为物质的三态

在一定条件下，物质的状态可以相互转化，称为物态变化（相变）：

气化…液体变为气态的过程（蒸发－表面、沸腾－内部）

液化…气体变为液态的过程

凝固…液体变为固态的过程

溶解…固体变为液态的过程 升华…固态物质不经过液态直接转变为气态的过程（反之为结晶）

临界温度：只有将气体温度降低到临界温度以下，才能将其液化。第十四页，共三十五页，编辑于2023年，星期六二氧化碳的相图第十五页，共三十五页，编辑于2023年，星期六主要工业气体的饱和曲线第十六页，共三十五页，编辑于2023年，星期六10.气－液相平衡

整个气－液系统在相等压力与温度下，各部分状态参数保持不变，这种状态称为气－液相平衡状态。

平衡是相对的，动态的，与一定的条件有关。如条件（压力、温度、组分）改变了，原来的平衡将破坏，重新建立起与新条件相适应的相平衡。

当气－液处于相平衡状态时，液面上方的蒸气叫饱和蒸气，其压力称为饱和蒸气压，相应的温度叫沸点。沸点随蒸气压的升高而升高。 在一定压力和温度下，处于平衡状态的混合物的气相组成与液相组成有关。氧－氮二元混合物的气－液平衡关系如下：

1、平衡后液相中的氧浓度大于气相中的氧浓度。或气相物中低沸点组分的浓度大于液相中低沸点组分的浓度。

2、压力越低，饱和气体与饱和液体中的浓度差越显著第十七页，共三十五页，编辑于2023年，星期六HowDoesDistillationWork?精馏过程氮-氧气液平衡相图 （1bar）蒸汽部分冷凝时产生的液体富含高沸点组分。液体部分蒸发时产生的气体富含低沸点组分。气-液平衡数据给出一次 性过程可达到的富集（浓度变化）程度。第十八页，共三十五页，编辑于2023年，星期六SingleFlashOperation一次闪蒸Example:removeheattocondense50%ofairat1bar使空气在1巴压力下冷凝50%第十九页，共三十五页，编辑于2023年，星期六StagedFlashOperations多级闪蒸供给蒸汽condense50%offeedateachstageat1bar每级将供给的气体冷凝50%供给液体boil50%offeedateachstageat1bar每级将供给的液体汽化50%第二十页，共三十五页，编辑于2023年，星期六11.空气精馏

同时并多次运用部分蒸发与部分冷凝过程，使达到平衡状态的气相和液相分开并又进入新的平衡状态，使氮逐渐地从液体中分离出来掺入到气体中去；同时氧逐渐从气体中分离出来混入到液体中去。第二十一页，共三十五页，编辑于2023年，星期六AIRGOWNRLPLLowerColumn(HighPressureColumn)下塔UpperColumn(LowerPressureColumn)上塔HEATIN加热HEATOUT放热通过适宜的温度设计，可将蒸发和冷凝的功能合为一体。这个单元的尺寸及由其而达到的温度对循环的功率影响极大。RL=RichLiquid 富氧液PL=PoorLiquid 贫氧液WN=WasteNitrogen废氮DoubleColumnSystem

双塔系统22第二十二页，共三十五页，编辑于2023年，星期六空气分离系统的工艺过程第二十三页，共三十五页，编辑于2023年，星期六BASICASU基本空气分离流程24第二十四页，共三十五页，编辑于2023年，星期六INTERNALCOMPRESSIONPLANT

内压缩装置25第二十五页，共三十五页，编辑于2023年，星期六IntegratedAirSeparationProcess完整的空分流程N2Air空压机CompressorHP高压塔ColumnReboiler-Condenser冷凝蒸发器Turbo膨胀机ExpandersLP低压塔ColumnWasteN2废氮液氧泵PureArgonMainHeatExchanger主热交换器AirBooster增压机N2RemovalColumn除氮塔Air净化器PurifierPureAr/O2Column精氩塔ImpureAr/O2Column粗氩塔CompressedO2压缩氧LiquidN2Subcooler过冷器第二十六页，共三十五页，编辑于2023年，星期六TypicalColumnLayoutwithinColdbox

冷箱中的塔第二十七页，共三十五页，编辑于2023年，星期六TrayedColumns筛板塔蒸气穿过孔板上的液体形成成泡沫。气-液接触良好，但压力降相对较大。第二十八页，共三十五页，编辑于2023年，星期六

DistillationColumnInternals:StructuredPacking 精馏塔内部：填料结构

SulzerMellapak750.YStructuredPackingforthe1.425mDiameterICOC-30ColumnPackingUsedinAirSeparation:在空气分离中使用的填料Mellapak750.Y500.Yand350.Y新