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1、工业气体基本知识工业气体基本知识 1.温度温度表示物体冷表示物体冷热热程度的物理量程度的物理量( (物物质质分子运分子运动动平均平均动动能的度量能的度量) ) 华华 氏温氏温标标(Fanrlenheit)-1714(Fanrlenheit)-1714年年规规定定: :水冰点水冰点为为320F-320F-水沸点水沸点为为2120F-2120F-两点两点间间180180等分等分为为1 1度度 摄摄氏温氏温标标(Celsius)-1742(Celsius)-1742年年规规定定: :水冰点水冰点为为00C-00C-水沸点水沸点为为1000C-1000C-两点两点间间100100等分等分为为1 1度度
2、 开氏温开氏温标标(Kelvin)-1848(Kelvin)-1848年年 热热力学温力学温标标规规定定纯纯水三相点水三相点为为273.16K(=0.010C),273.16K(=0.010C),分度分度值值同同摄摄氏温氏温标标 换换算关系算关系: 0C=5/9(0F-32) 0F=9/5 0C+32: 0C=5/9(0F-32) 0F=9/5 0C+32 K=0C+273.15 0C=K-273.15 K=0C+273.15 0C=K-273.152.压力压力单单位面位面积积上所受的垂直作用力。上所受的垂直作用力。( (气体分子不气体分子不规则规则运运动对动对容器壁撞容器壁撞击产击产生的一种
3、生的一种作用的宏作用的宏观观表表现现，垂直于容器壁，垂直于容器壁) ) 基本基本单单位位帕斯卡帕斯卡Pa=N/m2 Pa=N/m2 牛牛顿顿/ /平方米平方米 ( (常用常用 MPa, KPa) MPa, KPa)标标准大气准大气压压( (物理大气物理大气压压) ) 地心引力地心引力对对大气大气层层作用的作用的结结果果规规定定纬纬度度4545度度, ,海平面上常年平均空气海平面上常年平均空气压压力力为标为标准大气准大气压压 1atm=101325Pa 1atm=101325Pa工程大气工程大气压压公斤力公斤力/ /平方厘米平方厘米 at=kgf/cm2 =9.8104 Pa=98 kPaat=
4、kgf/cm2 =9.8104 Pa=98 kPa(1kgf=1kg*9.8m/s2=9.8N-1 cm2 =1 m210-4)(1kgf=1kg*9.8m/s2=9.8N-1 cm2 =1 m210-4)PSIPSI磅力磅力/ /平方英寸平方英寸lbf/in2lbf/in2 （=6894.74Pa)=6894.74Pa)PSI (Pounds per Square Inch)PSI (Pounds per Square Inch)1MPa=145 PSI1MPa=145 PSI2.压力压力(其他压力单位其他压力单位) 巴巴BARBAR气象常用压力单位气象常用压力单位1bar=0.1MPa=1
5、00Kpa1bar=0.1MPa=100Kpa毫米汞柱毫米汞柱mmHgmmHg133.32 Pa133.32 Pa毫米水柱毫米水柱mmH2OmmH2O 9.81 Pa (10) 9.81 Pa (10)英寸水柱英寸水柱InchH2OInchH2O249.17 Pa(250)249.17 Pa(250)1bar = 750 mmHg = 10194 mmH2O = 401.33 InchH2O1bar = 750 mmHg = 10194 mmH2O = 401.33 InchH2O绝压与表压绝压与表压绝压绝压= = 表压表压 + + 当地当时大气压当地当时大气压 atm atmgaugegau
6、geg g表压表压 absoluteabsolutea a绝压绝压标准大气压标准大气压 1atm=101325Pa 1atm=101325Pa3.密度密度,体积体积,流量流量密度密度 - - 单位体积物质所具有的质量单位体积物质所具有的质量d=kg/m3d=kg/m3流量流量 - - 单位时间内通过流体的量单位时间内通过流体的量( (体积体积/ /质量质量) ) m3/h, kg/h, Nm3/hm3/h, kg/h, Nm3/h质量质量 - - 表示物质的多少的物理量表示物质的多少的物理量kg, g , lb, pound 0.4536 kg, g , lb, pound 0.4536 kg
7、kg体积体积 - - 表示气体所占体积表示气体所占体积 大小大小m3, L, mL, Cubic Footm3, L, mL, Cubic Foot一定体积内的气体量随气体的压力和温度变化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给出气体体积时必须指出在什么温度和压力下。出在什么温度和压力下。标准状态标准状态: :0 0C, 101325Pa=1atm0 0C, 101325Pa=1atm（700F,101.325kPa=1atm700F,101.325kPa=1atm）Nm3(Normal Cubic Meter) SCF(Standard Cubic Foot)N
8、m3(Normal Cubic Meter) SCF(Standard Cubic Foot) 1Nm31Nm3氧氧=1.43kg=1.43kg；氮；氮=1.25kg=1.25kg；氩；氩=1.78kg=1.78kg；氢；氢=0.09kg=0.09kg；氦氦=0.18kg=0.18kg；甲烷；甲烷=0.72kg=0.72kg；丙烷；丙烷=2.0kg=2.0kg；二氧化碳；二氧化碳=1.98kg=1.98kg）标准立方米标准立方米Nm3 Nm3 实际上不是一个体积单位，它表示气体的质量。实际上不是一个体积单位，它表示气体的质量。4.纯度纯度 浓度浓度 - - 混合气体中某种成分的多少混合气体中某
9、种成分的多少% % （体积或质量）（体积或质量）纯度纯度 - - 对于产品，其成分占绝大多数，一般称之为纯度对于产品，其成分占绝大多数，一般称之为纯度% % 对于纯度较高的气体对于纯度较高的气体, ,一般是指出某些杂质的含量一般是指出某些杂质的含量PPM, PPBPPM, PPBPPM=1/1000000 PPM=1/1000000 百万分之一百万分之一; PPB=1/1000000000 ; PPB=1/1000000000 十亿分之一十亿分之一 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，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
10、，即通过分析各种杂质含量，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，并减以求和，并减以100%100%而得到气体纯度。而得到气体纯度。所以，在提出所以，在提出99.9999.99或或99.99999.999等纯度指标时，必须同时提供杂质含等纯度指标时，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。量控制表，或指出该纯度所依据的标准号。露点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。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。 在一定压力下在一定压力下, ,气体中的含水量绝对湿度气体中的含水量绝对湿度-g/m3-g/m3或或ppm
11、ppm与露点一一与露点一一对应，可以通过测定露点来确定气体的绝对湿度。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）（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！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露点与湿度的对应关系 露点露点克克/立方米立方米PPM20的相对湿度的相对湿度3030.4418682017.323079100%109.41211752.5%04.8602026%-102.27256011.5%-200.910204.41%-300.3453761.63%-400.1251
12、270.56%-500.0439.4-600.01110.6-700.00282.55-800.00060.5265.热热,功功,能能热量热量-衡量传热过程中物体吸收或衡量传热过程中物体吸收或 放出能量大小的物理量放出能量大小的物理量 J J 焦耳焦耳冷量冷量-吸收热量的能力吸收热量的能力J J 焦耳焦耳功功-力与在其作用方向位移的乘积力与在其作用方向位移的乘积J =N*M J =N*M 焦耳焦耳= =牛顿牛顿* *米米功率功率-单位时间所作的功单位时间所作的功W =J/S W =J/S 瓦瓦= =焦耳焦耳/ /秒秒能量能量-作功的能力或本领作功的能力或本领( (动能动能, ,位能等位能等)
13、)内能内能-物体内部所具有的能量物体内部所具有的能量: :气体分子热运动动能气体分子热运动动能温度温度气体分子气体分子 间相互作用间相互作用压力压力/ /比容比容当气体加热或作功时会改变气体的内能当气体加热或作功时会改变气体的内能, ,表现为温度表现为温度, ,压力等的变化压力等的变化6.理想气体定律理想气体定律玻意玻意尔尔- -马马略特定律略特定律: : 当一定当一定质质量气体温度不量气体温度不变时变时, ,压压力与比容成反比力与比容成反比pv=pv=常数常数查查理定律理定律当一定当一定质质量的气体体量的气体体积积不不变时变时, ,绝对绝对温度与温度与压压力成正比力成正比p/T=p/T=常数
14、常数盖盖. .吕萨吕萨克定律克定律当一定当一定质质量气体量气体压压力不力不变时变时, ,绝对绝对温度与比容成正比温度与比容成正比v/T=v/T=常数常数以上三个定律的以上三个定律的综综合即合即为为理想气体定律理想气体定律pv-RTpv-RT所所谓谓理想气体即完全符合理想气体定律的气体。理想气体即完全符合理想气体定律的气体。实际实际上真正的理想气体是上真正的理想气体是不存在的不存在的, , 当气体的当气体的压压力不太大；温度不太低力不太大；温度不太低时时可近似地看作是理想气体。可近似地看作是理想气体。7.空气的组成空气的组成7.空气的组成空气的组成空气空气氧氧氮氮氩氩氦氦氢氢氖氖氪氪氙氙-O2N
15、2ArHeH2NeKrXe100%20.9378.10.9335PMV0.5PMV17PMV1PMV0.1PM比重和分子量比重和分子量1.0001.1050.96691.3800.1380.06950.69582.8984.5628.9631.998828.013439.9484.00262.0159420.18383.80131.30饱和液体密度饱和液体密度kg/M3-1141.6808.31393.6124.970.78120724123056正常沸点正常沸点-194-183.0-195.8-185.9-268.9-252.78-246-153.2-108.1临界压力临界压力/温度温度BA
16、RG/-50.7933.9448.622.2912.9326.5355.0158.75-118.4-146.9-122.4-267.95-240.2-228.7-63.816.68.获得低温的方法：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。力而造成压力有较大降低的过程。影响因素影响因素1节流前后压差节流前后压差2节流前温度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
17、体本身能量减小，温度降低。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、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。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。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，是目年法国的克
18、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。前工业上采用的各种液化循环的基础。9.物态变化物态变化任何物任何物质质分子都可能以气分子都可能以气态态、液、液态态、固、固态态存在，存在，简简称称为为物物质质的三的三态态在一定条件下，物在一定条件下，物质质的状的状态态可以相互可以相互转转化，称化，称为为物物态变态变化化 相相变变）：）：气化气化液体液体变为变为气气态态的的过过程程 蒸蒸发发外表、沸外表、沸腾腾内部）内部）液化液化气体气体变为变为液液态态的的过过程程凝固凝固液体液体变为变为固固态态的的过过程程溶解溶解固体固体变为变为液液态态的的过过程程升升华华固
19、固态态物物质质不不经过经过液液态态直接直接转变为转变为气气态态的的过过程程 反之反之为结为结晶）晶）临临界温度：只有将气体温度降低到界温度：只有将气体温度降低到临临界温度以下，才能将其液化。界温度以下，才能将其液化。二氧化碳的相图二氧化碳的相图主要工业气体的饱和曲线主要工业气体的饱和曲线10.10.气液相平衡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。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、组分改变平衡是相对的，动态的，与一定的条件有关。如条件
20、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。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。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：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
21、氧浓度。或气相物中低沸点组分、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。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、压力越低，饱和气体与饱和液体中的浓度差越显著HowDoesDistillationWork?精馏过程精馏过程l氮氮- -氧气液平衡相图氧气液平衡相图l（1bar1bar） l蒸汽部分冷凝时产生的液蒸汽部分冷凝时产生的液体富含高沸点组分。体富含高沸点组分。l液体部分蒸发时产生的气液体部分蒸发时产生的气体富含低沸点组分。体富含低沸点组分。l气气- -液平衡数据给出一次液平衡数据给出一次l性过程
22、可达到的富集性过程可达到的富集浓度变化程度。浓度变化程度。SingleFlashOperation一次闪蒸一次闪蒸lExample:removeheattocondense50%ofairat1barl使空气在使空气在1巴压力下冷凝巴压力下冷凝50%StagedFlashOperations多级闪蒸多级闪蒸l供给蒸汽供给蒸汽lcondense50%oflfeedateachstagelat1barl每级将供给的每级将供给的气体冷凝气体冷凝50%l供给液体供给液体lboil50%offeedatleachstageat1barl每级将供给的每级将供给的液体汽化液体汽化50%11.空气精馏空气精馏
23、同时并多次运用部分蒸发与部分冷凝过程，使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。出来混入到液体中去。22AIRGOWNRLPLLower Column(High PressureColumn)下塔Upper Column(Lower PressureColumn) 上塔HEATIN加热加热HEATOUT放热放热通过适宜的温度设计，可将通过适宜的温度设
24、计，可将蒸发和冷凝的功能合为一体。蒸发和冷凝的功能合为一体。这个单元的尺寸及由其而达这个单元的尺寸及由其而达到的温度对循环的功率影响到的温度对循环的功率影响极大。极大。RL=Rich Liquid富氧液富氧液PL=Poor Liquid贫氧液贫氧液WN=Waste Nitrogen废氮废氮DoubleColumnSystem双塔系统双塔系统空气分离系统的工艺过程空气分离系统的工艺过程24BASICASU基本空气分离流程基本空气分离流程25INTERNALCOMPRESSIONPLANT内压缩装内压缩装置置Integrated Air Separation Process 完整的空分流程N2Ai
25、r 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Pure ArgonMain HeatExchanger主热交换器Air Booster 增压机N2RemovalColumn除氮塔Air净化器 PurifierPureAr/O2Column精氩塔ImpureAr/O2Column粗氩塔Compressed O2压缩氧Liquid N2Subcooler过冷器TypicalColumnLayoutwithinColdbox冷箱中的塔冷箱中的塔TrayedColu
26、mns筛板塔筛板塔l蒸气穿过孔板上的液体形成成泡沫。l气-液接触良好，但压力降相对较大。DistillationColumnInternals:StructuredPacking精馏塔内部：填料结构精馏塔内部：填料结构 SulzerMellapak750.YStructuredPackingforthe1.425mDiameterICOC-30ColumnPackingUsedinAirSeparation:在空气分离中使用的在空气分离中使用的填料填料Mellapak750.Y500.Yand350.Y新近的设计使用更多新近的设计使用更多较低表面积的填料较低表面积的填料更小的直径，塔更高）更小
27、的直径，塔更高）TrayedandPackedColumnCharacteristics筛筛板塔和填料塔的性能比板塔和填料塔的性能比较较lTrayedColumns筛筛板塔板塔lshorter,fattershape矮胖矮胖llimitedturndownrangel变变工况范工况范围围小小lrelativelyhighpressuredrop压压力降力降较较大大lfeedsanddrawseasilyaccommodatedl物料物料进进、出易于安排、出易于安排ldemandingfabricationl需要工厂制造需要工厂制造lPackedColumns填料塔填料塔ltaller,thinnershape瘦高瘦高lwideturndownrangel变工况范围大变工况范围大llowpressuredrop压降小压降小lfeedsanddrawsrequiresignificantcolumnheightl物料进、出要求占较大高度物料进、出要求占较大高度lsimplerfabrication,canbeeasilyoutsourcedl制造简单，易于外购制造简单，易于外购Micro-LN制氮机流程制氮机流程Micro-LN制氮机制氮机真空绝热的低温储存容器真空绝热的低温储存容器PSA变压吸附装置的原理变压吸附装置的原理氮氮PSA变压吸附装置的流程变压吸附装置的流程
