1、2-2 空气的净化空气的净化 2-3 空气的液化空气的液化 2-4 空气的分离空气的分离 2-5 空分流程空分流程 2-1 概述概述 2-6 空气深冷分离的操作控制空气深冷分离的操作控制 2-1 概述概述 利用深度冷冻原理将空气液化，然后根据空气利用深度冷冻原理将空气液化，然后根据空气中各组分沸点的不同，在精馏塔内进行精馏，获得中各组分沸点的不同，在精馏塔内进行精馏，获得氧、氮、一种或几种稀有气体（氩、氖、氦、氪、氧、氮、一种或几种稀有气体（氩、氖、氦、氪、氙）的装置。氙）的装置。空气中的主要成分及沸点空气中的主要成分及沸点 一、空气分离的基本过程一、空气分离的基本过程空气分离的基本过程空气分
2、离的基本过程空气的压缩空气的压缩 空气中水分和二氧化碳的清除：由于两者凝固点较高，空气中水分和二氧化碳的清除：由于两者凝固点较高，在进入空分装置低温设备后将会形成冰和于冰，为此在进入空分装置低温设备后将会形成冰和于冰，为此需要利用分子筛纯化器预先把空气中的水分和二氧化需要利用分子筛纯化器预先把空气中的水分和二氧化碳清除掉。碳清除掉。空气被冷却到液化温度：在主换热器中，空气被来自精空气被冷却到液化温度：在主换热器中，空气被来自精馏后的返流产品气体和污氮气冷却到接近液化温度馏后的返流产品气体和污氮气冷却到接近液化温度 冷量的制取冷量的制取：为了确保和维持装置正常生产运行所需的为了确保和维持装置正常
3、生产运行所需的热量平衡，由等温节流效应和压缩空气在膨胀机中绝热热量平衡，由等温节流效应和压缩空气在膨胀机中绝热膨胀对外做功而制取。膨胀对外做功而制取。空气分离的基本过程空气分离的基本过程空气的液化：空气的液化是进行氧、氮分离的首要条件，空气在主热交换器中被返流气冷却到接近液化温度，并在下塔实现空气的液化。精馏：空气的精馏是在精馏塔亦即上、下塔中进行的。在下塔中空气被初次分离成富氧液空和氮气，液空由下塔底部抽出后，经节流送入与液空组分相近的上塔塔板上，一部分液氮由下塔顶部抽出后经节流送入上塔副塔顶部。空气的最终分离是在上塔进行的。产品氧气由上塔底部抽出，而产品氮气则是在上塔副塔顶部抽出，并通过主
4、换热器与进塔的加工空气进行热交换，复热到常温后送出冷箱。危险杂质的清除：采用分子筛纯化流程，大部分碳氢化合物等危险杂质已在纯化器内清除掉，残留部分仍要进入塔内，并积储在冷凝蒸发器中。二、二、空分装置类型空分装置类型空空分分装装置置 高压高压(720MPa)中压中压(1.55MPa)低压低压（0.50.8MPa）小型制取气态产品和液态产品的装置小型制取气态产品和液态产品的装置 小型制取气态产品的装置小型制取气态产品的装置 中型和大型制取气态产品的装置中型和大型制取气态产品的装置 超低压超低压（0.3MPa以下）以下）三、氧气、氮气的应用三、氧气、氮气的应用 v氧气的应用氧气的应用：化学性质非常活
5、泼化学性质非常活泼，化学活性很强，是一种强氧化，化学活性很强，是一种强氧化剂，用于金属的焊接及切割，广泛地应用于高炉及炼钢生剂，用于金属的焊接及切割，广泛地应用于高炉及炼钢生产中和铁钢的熔炼过程及轧钢过程中产中和铁钢的熔炼过程及轧钢过程中，也是化肥工业上，也是化肥工业上的煤汽化、重油汽化常用的汽化剂和氧化剂。的煤汽化、重油汽化常用的汽化剂和氧化剂。v氮气的应用氮气的应用：化学性质不活泼，可用作保护气体；无毒，最常用化学性质不活泼，可用作保护气体；无毒，最常用的安全冷却剂。的安全冷却剂。2-2 空气的净化空气的净化空气净化空气净化的目的的目的?脱除空气中所含的机械杂质、水分、脱除空气中所含的机械
6、杂质、水分、二氧化碳、烃类化合物（主要为乙炔）二氧化碳、烃类化合物（主要为乙炔）等杂质等杂质 一、机械杂质的脱除一、机械杂质的脱除 湿式湿式干式干式拉西环式：由钢制外壳和装有拉西环的插入盒构成拉西环式：由钢制外壳和装有拉西环的插入盒构成 油浸式：由许多片状链组成，片状链上有钢架油浸式：由许多片状链组成，片状链上有钢架 空气过滤器空气过滤器 袋式：由滤袋、清灰装置、清灰控制装置等组成袋式：由滤袋、清灰装置、清灰控制装置等组成 干带式干带式自洁式：由高效过滤桶、文氏管、自洁专用喷头、自洁式：由高效过滤桶、文氏管、自洁专用喷头、反吹系统、控制系统、净气室、出风口反吹系统、控制系统、净气室、出风口 和
7、框架等组成。和框架等组成。自洁式空气过滤器优点自洁式空气过滤器优点：v 具有前置过滤网，防止柳絮、树叶及废纸吸人，减轻滤桶负担，具有前置过滤网，防止柳絮、树叶及废纸吸人，减轻滤桶负担，延长其使用寿命。延长其使用寿命。v 安装简单，只需配管、通电、通气即可工作。安装简单，只需配管、通电、通气即可工作。过滤过滤效率高。效率高。v 过滤阻力小。过滤阻力小。v 自耗小。自耗小。v 占地面积小。占地面积小。v 结构简单设备质量轻。结构简单设备质量轻。v 部件使用寿命长。部件使用寿命长。v 防腐性能好。防腐性能好。v 维护工作量低。维护工作量低。二、水分、二氧化碳、乙炔的脱除二、水分、二氧化碳、乙炔的脱除
8、v 脱除水分、二氧化碳、乙炔的常用方法有吸附法和冻脱除水分、二氧化碳、乙炔的常用方法有吸附法和冻结法等。视装置不同特点，采用不同方法。结法等。视装置不同特点，采用不同方法。v（一）空气预冷系统（一）空气预冷系统 位于空气压缩机和分子筛吸附系统之间，用来降低进位于空气压缩机和分子筛吸附系统之间，用来降低进分子筛吸附系统空气的温度及分子筛吸附系统空气的温度及H2O(g)、CO2含量，在填料含量，在填料式空气冷却塔的下段，出空压机的热空气被常温的水喷淋式空气冷却塔的下段，出空压机的热空气被常温的水喷淋降温，并洗涤空气中的灰尘和能溶于水的降温，并洗涤空气中的灰尘和能溶于水的NO2、SO2、Cl2、HF
9、等对分子筛有毒害作用的物质；在空冷塔的上段，用等对分子筛有毒害作用的物质；在空冷塔的上段，用经污氮降温过的冷水喷淋热空气，使空气的温度降至经污氮降温过的冷水喷淋热空气，使空气的温度降至1020。（二）分子筛吸附法（二）分子筛吸附法v此法让空冷塔预冷后的空气，自下而上流过分子筛吸附器，空气中所含有的H2O、CO2、C2H2等杂质相继被吸附剂吸附清除。吸附器一般有两台，一台吸附时，另一台再生，两台交替使用。v优点：产品处理量大、操作简便、运转周期长和使用安全可靠 v1吸附剂v硅胶是人造硅石，是用硅酸钠与硫酸反应生成的硅酸凝胶，经脱水制成。其分子式可写为SiO2nH2O。硅胶具有较高的化学稳定性和热
10、稳定性，不溶于水和各种溶剂（除氢氟酸和强碱外）。按孔隙大小的不同，可分为粗、细孔两种。硅胶是人造硅石，是用硅酸钠与硫酸反应生成的硅酸凝胶，经硅胶是人造硅石，是用硅酸钠与硫酸反应生成的硅酸凝胶，经脱水制成。其分子式可写为脱水制成。其分子式可写为SiO2nH2O。硅胶具有较高的化学。硅胶具有较高的化学稳定性和热稳定性，不溶于水和各种溶剂（除氢氟酸和强碱稳定性和热稳定性，不溶于水和各种溶剂（除氢氟酸和强碱外）。按孔隙大小的不同，可分为粗、细孔两种外）。按孔隙大小的不同，可分为粗、细孔两种 活性氧化铝是用碱或酸从铝盐溶液中沉淀出水合氧化铝，然后经活性氧化铝是用碱或酸从铝盐溶液中沉淀出水合氧化铝，然后经
11、过老化、洗涤、胶溶、干燥和成形而制得氢氧化铝，氢氧化铝再过老化、洗涤、胶溶、干燥和成形而制得氢氧化铝，氢氧化铝再经脱水而得活性氧化铝。其分子式为经脱水而得活性氧化铝。其分子式为A12O3，呈白色，具有较，呈白色，具有较好的化学稳定性和机械强度。好的化学稳定性和机械强度。分子筛是人工合成的泡沸石，是硅铝酸盐的晶体，呈白色粉末，分子筛是人工合成的泡沸石，是硅铝酸盐的晶体，呈白色粉末，加入黏结剂后可挤压成条状、片状和球状。无毒、无味、无腐蚀加入黏结剂后可挤压成条状、片状和球状。无毒、无味、无腐蚀性，不溶于水及有机溶剂，但能溶于强酸和强碱。经加热失去结性，不溶于水及有机溶剂，但能溶于强酸和强碱。经加热
12、失去结晶水，晶体内形成许多毛细孔，允许小于孔径的分子通过，而大晶水，晶体内形成许多毛细孔，允许小于孔径的分子通过，而大于孔径的分子被阻挡。于孔径的分子被阻挡。进入毛细孔内的分子能否被吸附，与其极性、极化率和不饱和度进入毛细孔内的分子能否被吸附，与其极性、极化率和不饱和度等性质有关等性质有关。目前空分设备中通常选用的作空气净化吸附剂的类型为目前空分设备中通常选用的作空气净化吸附剂的类型为13X分子分子筛。筛。吸附剂吸附剂2吸附原理吸附原理v 吸附是利用一种多孔性固体物质去吸取气体（或液体）混合物中的某种组分，使该组分从混合物中分离出来的操作。吸附用的多孔性固体称为吸附剂，把被吸附的组分称为吸附质
13、。吸附所用的设备称为吸附器。v通常把被吸附物含量低于3%，并且是弃之不用的吸附称为吸附净化；若被吸附物含量高于3%或虽低于3%，但被吸附物是有用而不弃去的吸附称为吸附分离。吸附原理吸附原理 当含吸附质浓度为当含吸附质浓度为ya的混合气体以恒定流速自下而上进的混合气体以恒定流速自下而上进入吸附器时，吸附质首先在靠近吸附器进口端的吸附剂人口入吸附器时，吸附质首先在靠近吸附器进口端的吸附剂人口处被吸附，并渐渐趋于饱处被吸附，并渐渐趋于饱和。和。饱和时吸附剂上的吸附质浓度饱和时吸附剂上的吸附质浓度xa与进气浓度与进气浓度ya平衡，平衡，气体经过这一段吸附柱时浓度不再发生变化，这一区域被称气体经过这一段
14、吸附柱时浓度不再发生变化，这一区域被称为吸附平衡区。在平衡区以上是正在进行吸附的传质区，传为吸附平衡区。在平衡区以上是正在进行吸附的传质区，传质区以上是未吸附区。继续进料，吸附器中传质区逐渐上移，质区以上是未吸附区。继续进料，吸附器中传质区逐渐上移，平衡区慢慢扩大，未吸附区相应缩小。当传质区前缘移出吸平衡区慢慢扩大，未吸附区相应缩小。当传质区前缘移出吸附柱，则流出气体中吸附质浓度开始增加。当传质区的尾缘附柱，则流出气体中吸附质浓度开始增加。当传质区的尾缘也离开了吸附柱的出口截面，这时整个吸附柱都达到饱和，也离开了吸附柱的出口截面，这时整个吸附柱都达到饱和，对原料气的吸附质不再具有吸附能力，经过
15、吸附柱后的气体对原料气的吸附质不再具有吸附能力，经过吸附柱后的气体中吸附质浓度仍为中吸附质浓度仍为ya。3吸附剂的吸附容量吸附剂的吸附容量 v 吸附剂的吸附容量指单位数量的吸附剂最多吸附的吸吸附剂的吸附容量指单位数量的吸附剂最多吸附的吸附质的量。附质的量。v 吸附容量大，吸附时间长，吸附效果好。吸附容量通吸附容量大，吸附时间长，吸附效果好。吸附容量通常受吸附过程的温度和被吸附组分的分压力（或浓度）、常受吸附过程的温度和被吸附组分的分压力（或浓度）、气体流速、气体湿度和吸附剂再生完善程度的影响。气体流速、气体湿度和吸附剂再生完善程度的影响。v 吸附容量随吸附质分压的增加而增大；随吸附温度的吸附容
16、量随吸附质分压的增加而增大；随吸附温度的降低而增大；流速越高，吸附剂的吸附容量越小吸附效果降低而增大；流速越高，吸附剂的吸附容量越小吸附效果越差。流速不仅影响吸附能力，而且影响气体的干燥程度；越差。流速不仅影响吸附能力，而且影响气体的干燥程度；吸附剂再生越彻底，吸附容量就越大。分子筛对相对湿度吸附剂再生越彻底，吸附容量就越大。分子筛对相对湿度较低的气体吸附能力较大。较低的气体吸附能力较大。4大气中有害杂质的吸附及其影响大气中有害杂质的吸附及其影响v 对分子筛有害的杂质有：二氧化硫、氧化氮、氯化氢、对分子筛有害的杂质有：二氧化硫、氧化氮、氯化氢、氯、硫化氢和氨等。这些成分被分子筛吸附后又遇到水分
17、氯、硫化氢和氨等。这些成分被分子筛吸附后又遇到水分的情况下，会与分子筛起反应而使分子筛的晶格发生变化。的情况下，会与分子筛起反应而使分子筛的晶格发生变化。它们与分子筛的反应是不可逆的，因而降低了分子筛的吸它们与分子筛的反应是不可逆的，因而降低了分子筛的吸附能力。附能力。v H2SO2 SO2H2Ov SO2O2 SO3v SO3H2O H2SO4v NOO2 NO2v NO2H2O HNO3 2-3 空气的液化空气的液化 空气的液化指将空气由气相变为液相的过程，空气的液化指将空气由气相变为液相的过程，目前采用的方法为给空气降温，让其冷凝。在空气目前采用的方法为给空气降温，让其冷凝。在空气液化的
18、过程中，为了补充冷损、维持工况以及弥补液化的过程中，为了补充冷损、维持工况以及弥补换热器复热的不足，需要用到制冷循环。换热器复热的不足，需要用到制冷循环。一、制冷的热力学基础一、制冷的热力学基础空气的热力空气的热力学参数学参数 焓：内能和流动能之和，焓：内能和流动能之和，即即 H=UpV，用，用H表示，表示，其单位也为其单位也为J熵熵：dS=PT或或 SqT，熵的增，熵的增量等于系统在不可逆过程中从外界传人量等于系统在不可逆过程中从外界传人的热量，除以传热当时的绝对温度所得的热量，除以传热当时的绝对温度所得的商。熵增加的大小反映了过程不可逆的商。熵增加的大小反映了过程不可逆的程度。对节流过程来
19、说，是绝热的不的程度。对节流过程来说，是绝热的不可逆过程，熵是增大的。增大的越多，可逆过程，熵是增大的。增大的越多，说明不可逆程度越大。对膨胀机来说，说明不可逆程度越大。对膨胀机来说，在理想情况下，为一可逆过程，熵不变。在理想情况下，为一可逆过程，熵不变。内能内能：分子的动能和位能之和称为气体：分子的动能和位能之和称为气体的内能，用的内能，用U来表示，单位为来表示，单位为J。动能与。动能与气体的温度有关，位能取决于分子之间的气体的温度有关，位能取决于分子之间的距离，即由气体的体积来决定。所以内能距离，即由气体的体积来决定。所以内能也是状态参数。也是状态参数。内能的改变通常通过传热和做功两种方式
20、内能的改变通常通过传热和做功两种方式来完成。来完成。可逆过程和不可逆过程：当可逆过程和不可逆过程：当物系由某一状态变化到另一物系由某一状态变化到另一状态时，若过程进行得足够状态时，若过程进行得足够缓慢，或内部分子能量平衡缓慢，或内部分子能量平衡的时间极短，则这个过程反的时间极短，则这个过程反过来进行时，能使物系和外过来进行时，能使物系和外界完全复原，称此过程为可界完全复原，称此过程为可逆过程。如不能完全复原，逆过程。如不能完全复原，称为不可逆过程。称为不可逆过程。2空气的温一熵图空气的温一熵图 v 以空气的温度以空气的温度T为纵坐标，以熵为纵坐标，以熵S为横坐标，并将压为横坐标，并将压力力p、
21、焓、焓H及它们之间的关系，直观地表示在一张图上，及它们之间的关系，直观地表示在一张图上，这个图就称为空气的温一熵图，简称空气的这个图就称为空气的温一熵图，简称空气的T-S图。在空图。在空气的液化过程，用气的液化过程，用T-S图可表示出物系的变化过程，并可图可表示出物系的变化过程，并可直接从图上求出温度、压力、熵和焓的变化值。直接从图上求出温度、压力、熵和焓的变化值。v 空气的空气的T-S简图简图 向右上方的一组斜线为向右上方的一组斜线为等压线；向右下方的一组线等压线；向右下方的一组线为等焓线；图下部山形曲线为等焓线；图下部山形曲线为饱和曲线，山形曲线的顶为饱和曲线，山形曲线的顶点点k是临界点，
22、通过临界点是临界点，通过临界点的等温线称为临界等温线。的等温线称为临界等温线。在临界点左边的山形曲线为在临界点左边的山形曲线为饱和液体线，临界点右边的饱和液体线，临界点右边的山形曲线为饱和气体线。临山形曲线为饱和气体线。临界等温线下侧和饱和液体线界等温线下侧和饱和液体线左侧的区域为液体状态区；左侧的区域为液体状态区；临界等温线下侧和饱和气体临界等温线下侧和饱和气体线右侧，以及临界等温线以线右侧，以及临界等温线以上的区域是气相区；山形曲上的区域是气相区；山形曲线的内部是气液两相共存区，线的内部是气液两相共存区，亦称为湿蒸汽区。两相共存亦称为湿蒸汽区。两相共存区内任意一点表示一个气液区内任意一点表
23、示一个气液混合物。混合物。二、空气液化时的制冷原理二、空气液化时的制冷原理 v 工业上空气液化常用两种方法获得低温，即空气的节工业上空气液化常用两种方法获得低温，即空气的节流膨胀和膨胀机的绝热膨胀制冷。流膨胀和膨胀机的绝热膨胀制冷。节流膨胀节流膨胀膨膨胀机的绝胀机的绝热膨张热膨张连续流动的高压气体，在绝连续流动的高压气体，在绝热和不对外做功的情况下，热和不对外做功的情况下，经过节流阀急剧膨胀到低压经过节流阀急剧膨胀到低压的过程，称为节流膨胀的过程，称为节流膨胀。过。过程不可逆。程不可逆。压缩气体经过膨胀机在绝热压缩气体经过膨胀机在绝热下膨胀到低压，同时输出外下膨胀到低压，同时输出外功的过程称为
24、膨胀机的绝功的过程称为膨胀机的绝热膨张。热膨张。过程可逆。过程可逆。v 节流膨胀为等焓过程节流膨胀为等焓过程，气体经过节流膨胀后，一般，气体经过节流膨胀后，一般温度要降低。膨胀机的绝热膨胀为等熵过程。温度要降低。膨胀机的绝热膨胀为等熵过程。利用气体利用气体T-S图能十分方便地计算出节图能十分方便地计算出节流膨胀前后温度的变化。在图中，由流膨胀前后温度的变化。在图中，由2点作点作等焓线等焓线H2，与等压线，与等压线p1相交于相交于1点，线段点，线段21表示节流膨胀过程，表示节流膨胀过程，1点的温度点的温度T1即为即为节流膨胀后的温度，节流膨胀后的温度，T2T1为节流膨胀前为节流膨胀前后的温度差。
25、线段后的温度差。线段23表示气体由压力为表示气体由压力为p2、温度为、温度为T2的的2点，等熵膨胀到点，等熵膨胀到p1时的过时的过程，程，T2 T3为膨胀前后气体的温度差。为膨胀前后气体的温度差。等熵膨胀的降温效果比节流膨胀的降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。温效果好。但膨胀机的结构比节流阀复杂。三、空气的液化循环三、空气的液化循环 v 目前空气液化循环主要有两种类型：以节流为基础目前空气液化循环主要有两种类型：以节流为基础的液化循环；以等熵膨胀与节流相结合的液化循环。的液化循环；以等熵膨胀与节流相结合的液化循环。1以节流膨胀为基础的循环以节流膨胀为基础的
26、循环 v 亦称简单林德循环。节流的温降很小，制冷量也很少，亦称简单林德循环。节流的温降很小，制冷量也很少，所以在室温下通过节流膨胀不可能使空气液化必须在接所以在室温下通过节流膨胀不可能使空气液化必须在接近液化温度的低温下节流才有可能液化。因此，以节流为近液化温度的低温下节流才有可能液化。因此，以节流为基础的液化循环，必须使空气预冷，常采用逆流换热器，基础的液化循环，必须使空气预冷，常采用逆流换热器，回收冷量预冷空气。节流循环流程的示意图及回收冷量预冷空气。节流循环流程的示意图及T-S图由图图由图表示。系统由压缩机、中间冷却器、逆流换热器、节流阀表示。系统由压缩机、中间冷却器、逆流换热器、节流阀
27、及气液分离器组成。及气液分离器组成。林德循环的流程图及T-S图 林德循环启动阶段 v 应用简单林德循环液化空气需要有一个启动过程，首应用简单林德循环液化空气需要有一个启动过程，首先要经过多次节流，回收等焓节流制冷量预冷加工空气，先要经过多次节流，回收等焓节流制冷量预冷加工空气，使节流前的温度逐步降低其制冷量也逐渐增加，直至逼使节流前的温度逐步降低其制冷量也逐渐增加，直至逼近液化温度，产生液化空气。这一连串多次节流循环即林近液化温度，产生液化空气。这一连串多次节流循环即林德循环启动阶段如上图。德循环启动阶段如上图。v 实际林德循环存在着许多不可逆损失，主要有：实际林德循环存在着许多不可逆损失，主
28、要有：v 压缩机组（包括压缩和水冷却过程）中的不可逆压缩机组（包括压缩和水冷却过程）中的不可逆性，引起的能量损失；性，引起的能量损失；v 逆流换热器中存在温差，即换热不完善损失；逆流换热器中存在温差，即换热不完善损失；v 周围介质传人的热量，即跑冷损失。周围介质传人的热量，即跑冷损失。2以等熵膨胀与节流相结合的液化循环以等熵膨胀与节流相结合的液化循环v (1)克劳特循环克劳特循环 ：1902年，克劳特提出了膨胀机膨胀年，克劳特提出了膨胀机膨胀与节流相结合的液化循环称之为克劳特循环，其流程及在与节流相结合的液化循环称之为克劳特循环，其流程及在T-S图中的表示见图图中的表示见图：空气由空气由1点（
29、点（T1，p1）被压缩机工等）被压缩机工等温压缩至温压缩至2点（点（p2，T1）经换热器）经换热器冷却至点冷却至点3后分为两部分，其中后分为两部分，其中Mkg进入换热器进入换热器继续被冷却至点继续被冷却至点5，再，再由节流阀由节流阀V节流至大气压（点节流至大气压（点6），），这时这时Zkg气体变为液体。气体变为液体。(MZ)kg的气体成为饱和蒸气返回。当加工的气体成为饱和蒸气返回。当加工空气为空气为lkg时，另一部分时，另一部分(1M)kg气体，进入膨胀机气体，进入膨胀机膨胀至点膨胀至点4，膨，膨胀后的气体在换热器胀后的气体在换热器热端与节流热端与节流后返回的饱和空气相汇合，返回换后返回的饱和
30、空气相汇合，返回换热器热器预冷却预冷却Mkg压力为压力为p2的高压的高压空气，再逆向流过换热器空气，再逆向流过换热器，冷却，冷却等温压缩后的正流高压空气。等温压缩后的正流高压空气。(2)卡皮查循环卡皮查循环 v 该循环是一种低压带膨胀机的液化循环，由于节流前该循环是一种低压带膨胀机的液化循环，由于节流前的压力低，节流效应很小，等焓节流制冷量也很小，所以的压力低，节流效应很小，等焓节流制冷量也很小，所以这种循环可认为是以等熵膨胀为主导的液化循环，此液化这种循环可认为是以等熵膨胀为主导的液化循环，此液化循环是在高效离心透平式膨胀机问世后，循环是在高效离心透平式膨胀机问世后，1937年原苏联年原苏联
31、院士卡皮查提出的，因此称为卡皮查循环。院士卡皮查提出的，因此称为卡皮查循环。v 从实质上来看，卡皮查循环是克劳特循环的特例。在从实质上来看，卡皮查循环是克劳特循环的特例。在循环中采用了高效离心空压机及透平膨胀机，其制冷效率循环中采用了高效离心空压机及透平膨胀机，其制冷效率等于等于0.8或更高，大大提高了液化循环的经济性。通常卡或更高，大大提高了液化循环的经济性。通常卡皮查循环的高效透平膨胀机制冷量占总制冷量的皮查循环的高效透平膨胀机制冷量占总制冷量的80%90%，得到广泛地应用。，得到广泛地应用。卡皮查循环流程示意及T-S图 空气在透平压缩机中被压缩至空气在透平压缩机中被压缩至约约0.6MPa
32、，经换热器，经换热器I冷却后，分冷却后，分成两部分，绝大部分成两部分，绝大部分Gkg进透平进透平膨胀，膨胀至大气压，然后进入膨胀，膨胀至大气压，然后进入冷凝器冷凝器，将其冷量传递给未进，将其冷量传递给未进膨胀机的另一部分空气。未进膨膨胀机的另一部分空气。未进膨胀机的空气数量较小，数量为胀机的空气数量较小，数量为(1G)kg，它在冷凝器的管间，它在冷凝器的管间，被从膨胀机出来的冷气流冷却，被从膨胀机出来的冷气流冷却，在在0.6MPa的压力下冷凝成液体，的压力下冷凝成液体，而后节流到大气压。节流后小部而后节流到大气压。节流后小部分汽化变成饱和蒸气，与来自膨分汽化变成饱和蒸气，与来自膨胀机的冷气流汇
33、合，通过冷凝器胀机的冷气流汇合，通过冷凝器管逆流，流经换热器管逆流，流经换热器I冷却等温压冷却等温压缩后的加工空气。而液体留在冷缩后的加工空气。而液体留在冷凝器的底部。凝器的底部。2-4 空气的分离空气的分离v 空气分离的基本原理是利用低温精馏法，将空气冷凝空气分离的基本原理是利用低温精馏法，将空气冷凝成液体，然后按各组分蒸发温度的不同将空气分离。成液体，然后按各组分蒸发温度的不同将空气分离。v 空气的精馏过程在精馏塔中进行。以筛板塔为例，在空气的精馏过程在精馏塔中进行。以筛板塔为例，在圆柱形筒内装有水平放置的筛孔板，温度较低的液体自上圆柱形筒内装有水平放置的筛孔板，温度较低的液体自上一块塔板
34、经溢流管流下来，温度较高的蒸气由塔板下方通一块塔板经溢流管流下来，温度较高的蒸气由塔板下方通过小孔往上流动，与筛孔板上液体相遇，进行热质交换，过小孔往上流动，与筛孔板上液体相遇，进行热质交换，实现气相的部分冷凝和液相的部分汽化，从而使气相中的实现气相的部分冷凝和液相的部分汽化，从而使气相中的氮含量提高，液相中的氧含量提高。连续经过多块塔板后氮含量提高，液相中的氧含量提高。连续经过多块塔板后就能够完成整个精馏过程，从而得到所要求的氧、氮产品。就能够完成整个精馏过程，从而得到所要求的氧、氮产品。双级精馏双级精馏 空气的精馏空气的精馏 单级精馏单级精馏 区别：单级精馏以仅分区别：单级精馏以仅分离出空
35、气中的某一组分离出空气中的某一组分（氧或氮）为目的；而（氧或氮）为目的；而双级精馏以同时分离出双级精馏以同时分离出空气中的多个组分为目空气中的多个组分为目的。的。一、单级精馏一、单级精馏(a)所示为制取高纯度液氮（或气氮）的所示为制取高纯度液氮（或气氮）的单级精馏塔。由塔釜、塔板及筒壳、冷单级精馏塔。由塔釜、塔板及筒壳、冷凝蒸发器组成。塔釜和冷凝蒸发器之间凝蒸发器组成。塔釜和冷凝蒸发器之间装有节流阀。压缩空气经净化系统和换装有节流阀。压缩空气经净化系统和换热系统，除去杂质并冷却后进入塔底部，热系统，除去杂质并冷却后进入塔底部，并自下向上地穿过每块塔板，与塔板上并自下向上地穿过每块塔板，与塔板上
36、的液体接触，进行热质交换。在塔顶得的液体接触，进行热质交换。在塔顶得到高纯度的气氮。该气氮在冷凝蒸发器到高纯度的气氮。该气氮在冷凝蒸发器内被冷却变成液体，一部分作为液氮产内被冷却变成液体，一部分作为液氮产品，由冷凝蒸发器引出；另一部分作为品，由冷凝蒸发器引出；另一部分作为回流液，沿塔板自上而下地流动。回流回流液，沿塔板自上而下地流动。回流液与上液与上 升的蒸气进行热质交换，最后塔升的蒸气进行热质交换，最后塔底得到含氧较多的液体，叫富氧液化空底得到含氧较多的液体，叫富氧液化空气，或称釜液。气，或称釜液。由于釜液与进塔的空气处由于釜液与进塔的空气处于接近平衡的状态，故该塔仅能获得纯氮。于接近平衡的
37、状态，故该塔仅能获得纯氮。v (b)所示为制取高纯度液氧（或气氧）的单级精馏塔。所示为制取高纯度液氧（或气氧）的单级精馏塔。它是由塔体、塔板、塔釜和釜中的蛇管蒸发器组成。它是由塔体、塔板、塔釜和釜中的蛇管蒸发器组成。v 被净化和冷却的压缩空气经过蛇管蒸发器时逐渐被冷被净化和冷却的压缩空气经过蛇管蒸发器时逐渐被冷凝，同时将它外面的液氧蒸发。冷凝后的压缩空气经节流凝，同时将它外面的液氧蒸发。冷凝后的压缩空气经节流阀进入精馏塔的顶端。此时由于节流降压，有一部分液体阀进入精馏塔的顶端。此时由于节流降压，有一部分液体汽化，大部分液体自塔顶沿塔板下流，与上升蒸气在塔板汽化，大部分液体自塔顶沿塔板下流，与上
38、升蒸气在塔板上充分接触，氧含量逐步增加。当塔内有足够多的塔板数上充分接触，氧含量逐步增加。当塔内有足够多的塔板数时，在塔底可以得到纯液氧。所得产品氧可以气态或液态时，在塔底可以得到纯液氧。所得产品氧可以气态或液态引出。引出。v 由于从塔顶引出的气体和节流后的液化空气处于接近由于从塔顶引出的气体和节流后的液化空气处于接近平衡的状态，故该塔不能获得纯氮。平衡的状态，故该塔不能获得纯氮。二、双级精馏二、双级精馏v 双级精馏塔由下塔、上塔和上、下塔之间的冷凝蒸发双级精馏塔由下塔、上塔和上、下塔之间的冷凝蒸发器组成。空气由下塔底部，自下向上穿过每块塔板，至下器组成。空气由下塔底部，自下向上穿过每块塔板，
39、至下塔顶部得到一定纯度的气氮。氮进入冷凝蒸发器的冷凝侧塔顶部得到一定纯度的气氮。氮进入冷凝蒸发器的冷凝侧时，温度比蒸发侧液氧温度高，被液氧冷却变成液氮。一时，温度比蒸发侧液氧温度高，被液氧冷却变成液氮。一部分作为下塔回流液沿塔板流下，至下塔塔釜便得到氧含部分作为下塔回流液沿塔板流下，至下塔塔釜便得到氧含量量36%40%的富氧液化空气；另一部分聚集在液氮槽中，的富氧液化空气；另一部分聚集在液氮槽中，经液氮节流阀节流后，进入上塔顶部作为上塔的回流液。经液氮节流阀节流后，进入上塔顶部作为上塔的回流液。下塔塔釜中的液化空气经液化空气节流阀节流后进入上塔下塔塔釜中的液化空气经液化空气节流阀节流后进入上塔
40、中部，沿塔板逐块流下，参加精馏过程。只要有足够多的中部，沿塔板逐块流下，参加精馏过程。只要有足够多的塔板，在上塔的最下一块塔板上可以得到纯度很高的液氧。塔板，在上塔的最下一块塔板上可以得到纯度很高的液氧。液氧进入冷凝蒸发器的蒸发侧，被下塔的气氮加热蒸发。液氧进入冷凝蒸发器的蒸发侧，被下塔的气氮加热蒸发。蒸发出来的气氧一部分作为产品引出，另一部分自下向上蒸发出来的气氧一部分作为产品引出，另一部分自下向上穿过每块塔板进行精馏，气体越往上升，其氮含量越高。穿过每块塔板进行精馏，气体越往上升，其氮含量越高。双级精馏塔可在上塔双级精馏塔可在上塔顶部和底部同时获得纯氮顶部和底部同时获得纯氮气和纯氧气；也可
41、以在冷气和纯氧气；也可以在冷凝蒸发器的蒸发侧和冷凝凝蒸发器的蒸发侧和冷凝侧分别取出液氧和液氮。侧分别取出液氧和液氮。精馏塔精馏塔 中的空气分离分中的空气分离分为两级，空气首先在下塔为两级，空气首先在下塔进行第一次分离，获得液进行第一次分离，获得液氮，同时得到富氧液化空氮，同时得到富氧液化空气；富氧液化空气被送往气；富氧液化空气被送往上塔进行进一步精馏，从上塔进行进一步精馏，从而获得纯氧和纯氮。而获得纯氧和纯氮。双级精馏示意空空分分塔塔 三、空分塔的种类三、空分塔的种类填料塔填料塔 板式塔板式塔 由塔体和筛孔塔板组成。筛孔塔板上有筛孔，由塔体和筛孔塔板组成。筛孔塔板上有筛孔，板上还装有溢流和降液
42、装置。在塔内蒸气自板上还装有溢流和降液装置。在塔内蒸气自下而上穿过小孔，以细小的气流分散于液体下而上穿过小孔，以细小的气流分散于液体层中，进行热量和质量交换。上升蒸气由于层中，进行热量和质量交换。上升蒸气由于含有较多的氧组分，温度相对比较高。而下含有较多的氧组分，温度相对比较高。而下流的液体含氮组分较多，温度相对较低，通流的液体含氮组分较多，温度相对较低，通过热质交换后蒸气中氧组分冷凝混入液体中，过热质交换后蒸气中氧组分冷凝混入液体中，而液体中的氮组分则蒸发至蒸气中。最后塔而液体中的氮组分则蒸发至蒸气中。最后塔顶得到温度较低的氮气，塔底得到温度较高顶得到温度较低的氮气，塔底得到温度较高的液氧。
43、的液氧。泡罩塔由泡罩塔板组成。泡罩由罩帽、升气管、泡罩塔由泡罩塔板组成。泡罩由罩帽、升气管、支撑板等组成。泡罩在塔板上的排列一般有两支撑板等组成。泡罩在塔板上的排列一般有两种：正三角形和正方形，常用正三角形。种：正三角形和正方形，常用正三角形。与与筛板塔一样，回流液体通过溢流装置溢流到下筛板塔一样，回流液体通过溢流装置溢流到下一块板，上升蒸气通过塔板上的升气管，进入一块板，上升蒸气通过塔板上的升气管，进入升气管和泡罩之间的环形空间，再从泡罩下端升气管和泡罩之间的环形空间，再从泡罩下端的齿缝以鼓泡的形式穿过塔板上的液层与液体的齿缝以鼓泡的形式穿过塔板上的液层与液体进行热量和质量的交换。塔板上的液
44、体沿溢流进行热量和质量的交换。塔板上的液体沿溢流装置下流至下一块塔板。装置下流至下一块塔板。筛板塔筛板塔泡罩塔泡罩塔散装填料散装填料规整填料规整填料填料塔内装有一定高度的填料，液体自塔顶填料塔内装有一定高度的填料，液体自塔顶经喷淋装置喷淋下来，沿着填料的表面自上经喷淋装置喷淋下来，沿着填料的表面自上而下地流动，气体自塔底沿着填料的空隙均而下地流动，气体自塔底沿着填料的空隙均匀上升。气液两相间的热量和质量交换是借匀上升。气液两相间的热量和质量交换是借助于在填料表面上形成的较薄的液膜表面进助于在填料表面上形成的较薄的液膜表面进行的。为防止壁流现象，在较高的填料层高行的。为防止壁流现象，在较高的填料
45、层高度中分段填装或设液体再分配器。度中分段填装或设液体再分配器。v 泡罩塔与筛板塔相比有下列特点：泡罩塔与筛板塔相比有下列特点：v 变负荷的适应性较强，在减少蒸气量和短期停车变负荷的适应性较强，在减少蒸气量和短期停车时，不易发生塔板上液体的泄漏。对稳定性要求较高的塔时，不易发生塔板上液体的泄漏。对稳定性要求较高的塔段，采用泡罩塔与筛孔板间隔设置的方案比较好。段，采用泡罩塔与筛孔板间隔设置的方案比较好。v 泡罩塔板水平度的要求比筛板塔可适当降低。泡罩塔板水平度的要求比筛板塔可适当降低。v 泡罩板压力降大，结构复杂，造价高。在设汁工泡罩板压力降大，结构复杂，造价高。在设汁工况下的塔板效率不如筛板塔
46、，同时在停车时还容易发生爆况下的塔板效率不如筛板塔，同时在停车时还容易发生爆炸，使它的使用受限。炸，使它的使用受限。v 填料塔中根据上升蒸气速度和喷淋液体强度的不同，填料塔中根据上升蒸气速度和喷淋液体强度的不同，塔内流动工况分为塔内流动工况分为5种工况种工况：(1)稳流工况稳流工况 v (2)中间工况中间工况v (3)湍流工况湍流工况v (4)乳化工况乳化工况v (5)液泛工况液泛工况v 填料塔的特点：填料塔的特点：v 结构简单，造价低，安装检修方便，特别适用于结构简单，造价低，安装检修方便，特别适用于小直径的精馏塔；小直径的精馏塔；v 流体流动阻力较小；流体流动阻力较小；v 随着装置容量的增
47、加，填料塔径增加，这样容易随着装置容量的增加，填料塔径增加，这样容易产生气液分配不均匀，使传质效果降低。产生气液分配不均匀，使传质效果降低。v 规整填料塔：规整填料塔：v 规整金属波纹填料的每个单元是由带斜规整金属波纹填料的每个单元是由带斜v 齿的波纹金属片组成的圆柱体。在薄片齿的波纹金属片组成的圆柱体。在薄片v 上冲有小孔，可以粗分配薄片上的液体，上冲有小孔，可以粗分配薄片上的液体，v 加强横向混合。薄片上的波纹起到细分加强横向混合。薄片上的波纹起到细分v 配液体的作用，增强了液体均布和填料配液体的作用，增强了液体均布和填料v 润湿性能，提高传质效率。润湿性能，提高传质效率。v 填料层在物流
48、进口处和理论板数超过填料层在物流进口处和理论板数超过2030时分段，时分段，每段填料的顶部都设有液体（再）分布器，使得液体均匀每段填料的顶部都设有液体（再）分布器，使得液体均匀地分布于填料之中。从上段填料中流下的液体在液体收集地分布于填料之中。从上段填料中流下的液体在液体收集器中混合，一方面用来消除上段填料中由于液体分布不均器中混合，一方面用来消除上段填料中由于液体分布不均匀所引起的浓度差异，另一方面如果有液相进料，液相进匀所引起的浓度差异，另一方面如果有液相进料，液相进料也在液体收集器中与从上段填料中流下的液体混合，从料也在液体收集器中与从上段填料中流下的液体混合，从而达到浓度均一。在填料塔
49、中，整个填料层都发生传质分而达到浓度均一。在填料塔中，整个填料层都发生传质分离，因此在空间利用方面明显优于板式塔。离，因此在空间利用方面明显优于板式塔。v 规整填料与散装填料相比，具有明显的优越性。散装规整填料与散装填料相比，具有明显的优越性。散装填料在塔中的装填是随机的，规整填料片以网络状接触，填料在塔中的装填是随机的，规整填料片以网络状接触，气液两相的流道是完全对称均一的，因此气液两相流动的气液两相的流道是完全对称均一的，因此气液两相流动的分布质量好、效率高。分布质量好、效率高。四、空分塔中稀有气体的分布四、空分塔中稀有气体的分布v 氖、氦、氪、氙和氧、氮的沸点不同，它们在空气中氖、氦、氪
50、、氙和氧、氮的沸点不同，它们在空气中的数量不同，因此在空分塔中它们汇集的部位也不同。上的数量不同，因此在空分塔中它们汇集的部位也不同。上图表示出了双级精馏塔内稀有气体汇集的部位图表示出了双级精馏塔内稀有气体汇集的部位v 氖、氦的沸点较氮气低得多，当空气进入下塔在精馏氖、氦的沸点较氮气低得多，当空气进入下塔在精馏过程中大部分氖、氦同氮混合进入主冷凝蒸发器管内，氮过程中大部分氖、氦同氮混合进入主冷凝蒸发器管内，氮气冷凝后沿壁流下，但氖氦气不能冷凝，汇积在冷凝蒸发气冷凝后沿壁流下，但氖氦气不能冷凝，汇积在冷凝蒸发器的顶部，应定期排除。器的顶部，应定期排除。v 氪、氙的沸点高，当空气进入下塔后，氪、氙
