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1、工业气体基本知识 ASU,October 2005 Liu Jian-min,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+273.15 0C=K-273.15,
2、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 =9.8104 Pa=98 kPa (1kgf=1kg*9.8m/s2=9.8N-1 cm2 =1 m210-4) PSI 磅力/平方英寸 lbf/in2 （=6894.74Pa) PSI (Pounds per Squar
3、e Inch) 1MPa=145 PSI,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 133.32 Pa 毫米水柱 mmH2O 9.81 Pa (10) 英寸水柱 InchH2O 249.17 Pa(250) 1bar = 750 mmHg = 10194 mmH2O = 401.33 InchH2O 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,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
4、- 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, pound 0.4536 kg 体积 - 表示气体所占体积 大小 m3, L, mL, Cubic Foot 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: 0 0C, 101325Pa=1atm （700F,101.325kPa=1atm） Nm3(Normal Cubic Meter) SCF(Standard Cubic Foot) 1Nm3（氧=1.43kg；氮=1.25kg；氩=1.78kg；氢=
5、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。,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
6、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。,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！,露点与湿度的对应关系,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
7、=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,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
8、力不太大；温度不太低时可近似地看作是理想气体。,7.空气的组成,7.空气的组成,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
9、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。,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。,二氧化碳的相图,主要工业气体的饱和曲线,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
10、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,How Does Distillation Work? 精馏过程,氮-氧气液平衡相图 （1bar） 蒸汽部
11、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。,Single Flash Operation 一次闪蒸,Example: remove heat to condense 50% of air at 1 bar 使空气在1巴压力下冷凝50%,Staged Flash Operations 多级闪蒸,供给蒸汽 condense 50% of feed at each stage at 1 bar 每级将供给的气体冷凝50%,供给液体 boil 50% of feed at each stage at 1 b
12、ar 每级将供给的液体汽化50%,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。,22,AIR,GO,WN,RL,PL,Lower Column (High Pressure Column)下塔,Upper Column (Lower Pressure Column) 上塔,HEAT IN加热,HEAT OUT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=Rich Liquid
13、富氧液 PL=Poor Liquid 贫氧液 WN=Waste Nitrogen废氮,Double Column System 双塔系统,空气分离系统的工艺过程,24,BASIC ASU 基本空气分离流程,25,INTERNAL COMPRESSION PLANT 内压缩装置,Integrated Air Separation Process 完整的空分流程,N2,Air 空压机 Compressor,HP高压塔 Column,Reboiler - Condenser 冷凝蒸发器,Turbo膨胀机 Expanders,LP低压塔 Column,Waste N2废氮,液氧泵,Pure Argon
14、,Main Heat Exchanger 主热交换器,Air Booster 增压机,N2 Removal Column 除氮塔,Air净化器 Purifier,Pure Ar/O2 Column 精氩塔,Impure Ar/O2 Column 粗氩塔,Compressed O2 压缩氧,Liquid N2,Subcooler过冷器,Typical Column Layout within Coldbox 冷箱中的塔,Trayed Columns 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。,Distillation Column Internals: Stru
15、ctured Packing 精馏塔内部：填料结构,Sulzer Mellapak 750.Y Structured Packing for the 1.425 m Diameter ICO C-30 Column,Packing Used in Air Separation: 在空气分离中使用的填料 Mellapak 750.Y 500.Y and 350.Y 新近的设计使用更多较低表面积的填料（更小的直径，塔更高）,Trayed and Packed Column Characteristics 筛板塔和填料塔的性能比较,Trayed Columns 筛板塔 shorter, fatter shape矮胖 limited turndown range 变工况范围小 relatively high pressure drop 压力降较大 feeds and draws easily accommodated 物料进、出易于安排 demanding fabrication 需要工厂制造,Packed Columns填料塔 taller, thinner shape 瘦高 wi
