1、工业气体基本知识工业气体基本知识 ASUOctober 2005Liu Jian-min1.温度温度 表示物体冷热程度的物理量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物质分子运动平均动能的度量)华华 氏温标氏温标(Fanrlenheit)-1714年年规定规定:水冰点为水冰点为320F-水沸点为水沸点为2120F-两点间两点间180等分为等分为1度度摄氏温标摄氏温标(Celsius)-1742年年规定规定:水冰点为水冰点为00C-水沸点为水沸点为1000C-两点间两点间100等分为等分为1度度开氏温标开氏温标(Kelvin)-1848年年 热力学温标热力学温标规定纯水三相点为规定纯
2、水三相点为273.16K(=0.010C),分度值同摄氏温标分度值同摄氏温标换算关系换算关系:0C=5/9(0F-32)0F=9/5 0C+32 K=0C+273.15 0C=K-273.152.压力压力单位面积上所受的垂直作用力。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)基本单位基本单位帕斯卡帕斯卡Pa=N/m2 牛顿牛顿/平方米平方米(常用常用 MPa,KPa)标准大气压标准大气压(物理大气压物理大气压)地心引力对大气层作用的结果地心引力对大气层作用的结果规定纬度规
3、定纬度45度度,海平面上常年平均空气压力为标准大气压海平面上常年平均空气压力为标准大气压 1atm=101325Pa工程大气压工程大气压公斤力公斤力/平方厘米平方厘米 at=kgf/cm2=9.8104 Pa=98 kPa(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/in2（=6894.74Pa)PSI(Pounds per Square Inch)1MPa=145 PSI2.压力压力(其他压力单位其他压力单位)巴巴BAR气象常用压力单位气象常用压力单位1bar=0.1MPa=100Kpa毫米汞柱毫米汞柱mmHg133
4、.32 Pa毫米水柱毫米水柱mmH2O 9.81 Pa(10)英寸水柱英寸水柱InchH2O249.17 Pa(250)1bar=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 atmgaugeg表压表压 absolutea绝压绝压标准大气压标准大气压 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/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/h质量质量 -
5、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 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=1atm（700F,101.325kPa=1atm）Nm3(Normal Cubic Meter)SCF(Standard Cubic Foot)1Nm3（氧氧=1.43kg；氮氮=1.25kg；氩；氩=1
6、.78kg；氢；氢=0.09kg；氦氦=0.18kg；甲烷；甲烷=0.72kg；丙烷；丙烷=2.0kg；二氧化碳；二氧化碳=1.98kg）l标准立方米标准立方米Nm3 实际上不是一个体积单位，它表示气体的实际上不是一个体积单位，它表示气体的质质量。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=1/1000000 百万分之一百万分之一
7、;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大部分纯气和高纯气都采用差减法差减法，即通过分析各种杂质含量，即通过分析各种杂质含量，求和，并减以求和，并减以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99.99或或99.999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
8、的温度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或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%109.4
9、1211752.5%04.8602026%-102.27256011.5%-200.910204.41%-300.3453761.63%-400.1251270.56%-500.0439.4-600.01110.6-700.00282.55-800.00060.5265.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 焦耳焦耳冷量冷量-吸收热量的能力吸收热量的能力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 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 瓦
10、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)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 玻意尔玻意尔-马略特定律马略特定律:当一定质量气体当一定质量气体温度不变温度不变时时,压力与比容成反比压力与比容成反比pv=常数常数 查理定律查理定律当当一定质量的气体一定质量的气体体积不变体积不变时时,绝对温度与压
11、力成正比绝对温度与压力成正比p/T=常数常数盖盖.吕萨克定律吕萨克定律当一定质量气体当一定质量气体压力不变压力不变时时,绝对温度与比容成正比绝对温度与比容成正比v/T=常数常数以上三个定律的综合即为理想气体定律以上三个定律的综合即为理想气体定律pv-RT所谓所谓理想气体理想气体即完全符合理想气体定律的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实际上真正的理想气体是不存在的不存在的,当气体的压力不太大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温度不太低时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-O
12、2N2ArHeH2NeKrXe100%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
13、温度 BARG/-50.7933.9448.622.2912.9326.5355.0158.75-118.4-146.9-122.4-267.95-240.2-228.7-63.816.68.获得低温的方法：获得低温的方法：压缩气体的节流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。到局部阻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，使气体压缩气体在膨胀机内膨胀，并对外作功，
14、使气体本身能量减小，温度降低。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。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一次节流循环，是最早，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年法国的克劳特首先实现了带有活塞式
15、膨胀机的空气液化循环带有活塞式膨胀机的空气液化循环，是目，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质分子都可能以气态、液态、固态存在，简称为物质的三态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）：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）：气化气化液体变为气态的过程（蒸发表面、沸腾内部）液体变为气态的过程（蒸发表面、沸腾内部）液化液化气体变为液态的过程气体变为液态的过程凝固凝固液体变为固态的过程液体变为固态的过程溶解溶解固体变为液态的过程固体变为液态
16、的过程升华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）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。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。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）改平衡是相对的，动态的，与一
17、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。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，液面上方的蒸气叫当气液处于相平衡状态时，液面上方的蒸气叫饱和蒸气饱和蒸气，其压力称为，其压力称为饱和蒸气压饱和蒸气压，相应的温度叫，相应的温度叫沸点沸点。沸点随蒸气压的升高而升高。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：关。氧氮二元混合物的气液平衡关系如下：1、平衡后液
18、相中的氧浓度大于气相中的氧浓度。或气相物中低沸、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。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、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?精馏过程精馏过程l氮氮-氧气液平衡相图氧气液平衡相图（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
19、据给出一次性过程可达到的富集（浓性过程可达到的富集（浓度变化）程度。度变化）程度。758085909500.20.40.60.81mole fraction N2T(K)Vapor Liquid2 Phase0.480.7990.277.3QVapor90%N2Liquid68%N2Vapor79%N2Single Flash Operation 一次闪蒸一次闪蒸lExample:remove heat to condense 50%of air at 1 barl使空气在使空气在1巴压力下冷凝巴压力下冷凝50%Staged Flash Operations 多级闪蒸多级闪蒸l供给蒸汽供给蒸汽
20、 condense 50%of feed at each stage at 1 bar每级将供给的气体冷每级将供给的气体冷凝凝50%QQ QQL1V1V2V3L2L3123Vapor Feed79%N298%N2l供给液体供给液体 boil 50%of feed at each stage at 1 bar每级将供给的液体汽每级将供给的液体汽化化50%QQQ123L3L2L1V3V2V1Liquid Feed21%O263%O263%O211.空气精馏空气精馏 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达到平衡状态的气相
21、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。中分离出来混入到液体中去。QQL1V1V2V3L2L3123Vapor FeedQLiquid FeedQFeedOverhead VaporBottoms Liquid22AIRGOWNRLPLLower Column(High PressureColumn)下塔Upper Column(Lower PressureColumn)上塔HEAT IN加热加热HEAT OUT放热放热通过适宜的温度设计，可将通过
22、适宜的温度设计，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Double Column System 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24BASIC ASU 基本空气分离流程基本空气分离流程LP OxygenHP OxygenMP NitrogenLP NitrogenWN VentCoolingWaterCoolerAir I
23、nCompressorCompressorPurificationUnitMainExchangerExpansionTurbineMainColumnSystemSubcoolersLiq OxygenArgonColumnCrude LiqArgonLiq Nitrogen25INTERNAL COMPRESSION PLANT 内压缩装置内压缩装置Warm AirWaste NitrogenMainExchangerTurbineCompressorOxygenOxygenVapouriserVesselO2Vap.HP AirSubcoolerLO PumpIntegrated Air
24、 Separation Process 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Typical Column Layout
25、within Coldbox 冷箱中的塔冷箱中的塔Trayed Columns 筛板塔筛板塔l蒸气穿过孔板上的液体形成成泡沫。蒸气穿过孔板上的液体形成成泡沫。l气气-液接触良好，但压力降相对较大。液接触良好，但压力降相对较大。Distillation Column Internals:Structured Packing 精馏塔内部：填料结构精馏塔内部：填料结构 Sulzer Mellapak 750.Y Structured Packing for the 1.425 m Diameter ICO C-30 ColumnPacking Used in Air Separation:在空气分离
26、中使用的填料在空气分离中使用的填料Mellapak 750.Y500.Y and 350.Y新近的设计使用更多较低表新近的设计使用更多较低表面积的填料（更小的直径，面积的填料（更小的直径，塔更高）塔更高）Trayed and Packed Column Characteristics 筛板塔和填料塔的性能比较筛板塔和填料塔的性能比较lTrayed 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 a
27、ccommodated-物料进、出易于安排-demanding fabrication-需要工厂制造lPacked Columns填料塔-taller,thinner shape 瘦高-wide turndown range-变工况范围大-low pressure drop 压降小-feeds and draws require significant column height-物料进、出要求占较大高度-simpler fabrication,can be easily outsourced-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
