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一编制本教材的目的制氧调度员初步了解制氧的两种工艺流程及全厂的用氧、氮特点,了解制氧设备的简要操作。二热力学基础理论1气体的基本状态参数1.1温度:物质的冷热程度,从分子运动论观点看,温度是物质分子热运动平均动能的度量,温度越高,分子热运动的平均动能就越大。1.2温标：衡量物质温度的标尺。有摄氏温标、华氏温标、热力学温标。绝对温标规定水在标准大气压下的三相点为273.16度。摄氏温标与热力学温标的换算公式为t=T-273.161.3压力：分子运动论把气体的压力看做是气体分子撞击容器内壁的宏观表现。单位面积上的作用力称为压强，工程上称为压力。可以用标准大气压（atm），工程大气压（at），mmH2o和mmHg，b/in2等表示，现在一般采用国际单位Pa表示。换算：1atm=1.01x105Pa;1mmH2o=9.81Pa;1mmHg=133.32Pa;1bar=105Pa1.4理想气体及其状态方程：PV=nrt1.5氧的性质：氧气，空气主要组分之一，比空气重，标准状况（0℃和大气压强101325帕）下密度为1.429克/升。无色、无臭、无味。在水中溶解度很小。压强为101kPa时，氧气在约-183摄氏度时变为淡蓝色液体，在约-218摄氏度时变成雪花状的淡蓝色固体。氧分子具有顺磁性。1.6氮的性质：氮气，常况下是一种无色无味无臭的气体，且通常无毒。氮气占大气总量的78.12%（体积分数），是空气的主要成份。常温下为气体，在标准大气压下，冷却至-195.8℃时，变成没有颜色的液体，冷却至-209.86℃时，液态氮变成雪状的固体。氮气的化学性质很稳定，常温下很难跟其他物质发生反应，但在高温、高能量条件下可与某些物质发生化学变化，用来制取对人类有用的新物质。1.7氩的性质：英文名称：argon。氩气是一种无色、无味的（稀有）惰性气体，分子量39.938，分子式为Ar，在标准状态下，其密度为1.784kg/m3，沸点为-185.7℃。氩气为惰性气体对人体无直接危害。但是，如果工业使用后，产生的废气则对人体危害很大，会造成矽肺、眼部损坏等情况。氩本身无毒，但在高浓度时有窒息作用。当空气中氩气浓度高于33%时就有窒息的危险。当氩气浓度超过50%时，出现严重症状，浓度达到75%以上时，能在数分钟内死亡1.8热力学第一定律：热力系内物质的能量可以传递，其形式可以转换，在转换和传递过程中各种形式能源的总量保持不变。祥光铜业动力厂制氧车间培训教材1/811.9热力学第二定律：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响；不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。、1.10热力学第三定律：不可能用有限个手段和程序使一个物体冷却到绝对温度零度。热力学第三定律是对熵的论述，一般当封闭系统达到稳定平衡时，熵应该为最大值，在任何过程中，熵总是增加，但理想气体如果是绝热可逆过程熵的变化为零，可是理想气体实际并不存在，所以现实物质中，即使是绝热可逆过程，系统的熵也在增加，不过增加的少。在绝对零度，任何完美晶体的熵为零；称为热力学第三定律。1.11焓：气体所具有的总能量即热力学能与宏观动能之和。1.12熵：用来表示不可逆过程中前后2个不等价状态的度量。1.13热力性质图：T-S，H-T,H-s，由于热力学的参数互有关联，在一定条件下，当其中若干参数确定后，其他未知参数也随之确定，所以出现了热力性质图供大家查表计算，其详细意义见制氧技术p44。三深冷分离法制氧工艺（1）制氧的流程组织制氧流程主要由制冷系统和精馏系统组成。详细可分为十大系统，即空气压缩系统、空气净化系统、换热系统、制冷系统、精馏系统、安全防爆系统、氧气压缩输送系统、加温解冻系统、仪表自控系统及电控系统，重点讲述下工艺流程的组织。1.1概述1.1.1制氧机分类制氧机的分类方法很多，按产品的状态分为产气氧、产液氧、既产气氧又产液氧的制氧机；按产品种类分为单高产品、双高产品（氧和氮）带氩制氧机（氧、氮、氩）及全提取（氧、氮、氩及其他稀有气体）；依照产量分为小型制氧机（小时产量小于1000m3/h）、中型制氧机（小时产量1000～10000m3/h）、大型制氧机（小时产量大于10000m3/h）；按操作压力分：高压制氧机（操作压力为20Mpa）、中压制氧机（操作压力为1～5Mpa）、全低压制氧机（操作压力0.5～0.6Mpa）；按换热器类型分，可分为板式、管式、管板式制氧机。1.1.2制氧机的性能指标制氧机除要达到的产品产量及纯度外，还有以下的性能指标：祥光铜业动力厂制氧车间培训教材2/811单位电耗，即生产1m3氧气所耗的电能，以kw·h/m3为单位来表示。这代表制氧机的能耗大小，是制氧机重要的能耗指标之一。2提取率，即在标准状态下1m3原料空气所制得的纯氧量。一般计算方法为：空空2222oyVyoVopo%式中2Vo——氧气产量空V——加工空气量2yo——氧气中的含氧量空2oy——空气中的含氧量这一指标反映了空气分离的完善程度。3启动时间。从空压机向装置送气开始直至产品达到设计产量的全过程所需要的时间。4运转周期。这是指制氧机无机器、设备故障的前提下，连续运转的时间，一般以年为单位。5加温解冻时间。制氧机在启动前或停车后需要加温解冻所用的时间。6单位产量的金属消耗量。该指标能够比较制氧机的设备费用的多少，投资的多少。1.1.3国产空气分离设备的型号规定我国空分设备的型号由汉语拼音字母、化学元素符号以及阿拉伯数字所组成。型号分首部、中部、尾部三个部分，中间以短横“—”隔开。1.1.4制氧机的发展自从1902年德国的林德教授发明了高压节流循环制冷，单级精馏塔分离空气制氧至今已经历上百年的历史。从制氧机的流程方面，从高压流程改进为中压流程进而出现高、低压流程，现在中、大型制氧机全部为全低压流程。小型制氧机也向低压方面发展，而且对超低压流程正进行研究探讨。表1-1从制氧机的能耗方面，从单耗大于2kw·h/m3o2降低到0.38kw·h/m3o2。单机容量从20m3/h发展至今世界上最大的制氧机为74000m3/h。制氧机的产品也不再是单一的气氧，而是既产氧又产氮以至提取全部的稀有气体。不但有气态产品，还有各种液态产品，也就是产品多样化。从控制系统方面，由手动控制发展到计算机数字集散控制系统，实现了机电一体化。1.2制氧机的典型流程现在均采用先进的分子筛纯化器及增压透平膨胀机流程。如我车间30000m3/h制氧机：该类型号为KDON-30000型，空气经透平空压机压缩后，在氮-水预冷系统的空冷塔中冷却后进入分子筛纯化器净除水分、二氧化碳、乙炔等碳氢化合物。而后空气进入主换热器，空气通道被返流气祥光铜业动力厂制氧车间培训教材3/81体冷却到对应压力下的饱和温度后进入下塔参与精馏。从分子筛纯化器出来的加工空气，抽出一部分进入膨胀机的增压机增压、经水冷却器冷却后进入主换热器，被返流气体冷却后从主换热器中部抽出进入透平膨胀机。从流程图可以看出，此流程既没有液化器也没有吸附器，保冷箱内的设备及管路大为简化。主要技术指标：加工空气量：153000m3/h加工空气压力：0.52Mpa产品产量及纯度：氧气产量30000m3/h，99.6%O2氮气产量30000m3/h,10×10-6O2液氮产量900m3/h,10×10-6O2液氩产量920m3/h，99.999%Ar1.3制氧流程组织1.3.1流程组织要求首先要根据设计要求而进行,尽可能地优化组合,以满足下面要求：1、尽可能降低电耗、投资和运转费用，以降低产品成本。2、安全运转和便于运转维修。3、当自然条件和某些使用条件发生变化时仍然保证产品的质量及产量，即变工况适应能力强。1.3.2制冷系统组织制冷系统包括空压机、膨胀机、节流阀及主换热器。此系统的作用产生冷量补偿冷损，使加工空气降温、液化维持在精馏所需要的低温，为空气的精馏创造条件。如上所述，高压流程是以林德循环（一次节流）为基础的；中压流程应用克劳特循环（中压膨胀机与节流相结合）；全低压流程以卡皮查循环（低压透平膨胀机）为依据。全低压流程因为能耗低，运转安全可靠等诸多优点，被广泛推广和应用。而高、低压流程和中压流程复杂，能耗高已被淘汰。这里重点讨论全低压制冷系统组织问题。1、全低压流程（1）空气膨胀和氮气膨胀祥光铜业动力厂制氧车间培训教材4/81全低压流程利用了拉赫曼原理，将膨胀后的空气送入上塔，或者利用氮气为膨胀工质。这两者都可以利用上塔精馏，从而提高了制氧机产量。①空气膨胀。空气膨胀的的流程示意图从下塔底部抽出部分加工空气,一部分在切换式换热器环流通道复热后，再汇合进入透平膨胀机膨胀产生冷量，然后直接送入上塔参加精馏。这部分空气没有经过下塔的预精馏直接送入上塔。由于从下塔底部抽出部分空气，冷凝蒸发器的冷凝量减小，送入上塔的液氮量也减少，而膨胀空气又直接送入上塔中部作为精馏段的上升气，因而上塔精馏段的回流比减少，精馏潜力得到利用。这些送入膨胀空气称为“入上塔膨胀空气”，也叫拉赫曼气。这就是所谓空气膨胀，目前我国全低压装置流程大部分采用这种方法，例如国产1000、1500、3200、6000m3/h等制氧机。②氮气膨胀。它是从下塔顶部抽出氮气，一部分经切换式换热器环流通过复热后再汇合进入透平膨胀机，膨胀后的氮气作为产品氮气引出，或者与污氮汇合经切换式换热器回收冷量后放空。由于从下塔引氮气，冷凝蒸发器的冷凝量减少，因而送入上塔的液体馏份量减少，精馏潜力得到利用。氮气膨胀在国外的大型全低压空分装置上已被采用。以上两种方法都是减少上塔液体馏份，使精馏时的气液间的温差减少，利用了上塔精馏潜力，使全低空分装置具有更大的合理性，利用上塔精馏潜力后，塔板上气液之间的温差变化如图1-8所示，由图可见，由于空气膨胀不但减少上塔回流液，同时增加了上升蒸气量，所以气液间的温差比氮膨胀更小些。⑵关于膨胀空气进上塔量的限制无论是空气膨胀还是氮膨胀都是利用上塔的精馏潜力，提高氧的提取率，减少不可逆分离功的损失。既然是精馏潜力的利用就有一定的限制。超出极限就会使分离产品纯度降低，能耗增大，氧提取率下降。从理论上来讲，这一极限应取决于上精馏塔的最小回流比（液气比）。可是，在最小回流比条件下，欲得到分离产品需无数块塔板，这样的精馏塔是不存在的。在有限的一定塔板数的前提下，允许入塔的最大限度膨胀空气量是由最小工作回流比所决定的。上塔精馏允许入塔的最大膨胀空气量可以由上塔的物料平衡，能量平衡及物料参数求出。进入上塔的允许膨胀量主要与上、下塔取出的产品纯度及上塔液体的过冷度有关。产品纯度低、允许膨胀量增加。氧、氮产品纯度通常是用户的要求。为了减少不可逆分离功损失，降低能耗，在满足工艺要求的条件下，不应过分追求产品的高纯度，否则，提取率降低，能耗增大。入上塔液体的过祥光铜业动力厂制氧车间培训教材5/81冷度增加，这使上塔的回流比增加，即上塔具有更富余的回流比，精馏潜力更大，也就表现出允许进塔的膨胀量增加。需要指出，这里计算的允许最大膨胀量，状态应是当时压力下的饱和气体。由于膨胀机结构所限制，膨胀后的气体不允许达到饱和或出现液体。膨胀后气体要保持过热状态。膨胀后气体温度与相应压力下饱和温度之差为膨胀后气体过热度。显然，过热度增加，允许进塔的最大膨胀空气量减少。确切的允许进塔的最大膨胀量的数值要根据制氧机的具体流程计算确定。但是一般来说，空气进上塔的数量范围为加工空气量的20%～30%，抽氮膨胀为加工空气量的15%～25%。⑶全低压切换式换热器流程的膨胀气体流路组织由于膨胀空气既取决于装置的总冷量平衡又受精馏工况的限制，同时在进入膨胀机之前又作为板翅式可逆式换热器的环流气体或者蓄冷器的环流气，而环流量又是由切换式换热器热平衡所决定的，而且与切换式换热器的自清除密切相关。正因为这些复杂的关系，从而产生了下面三种具有代表性的情况：①装置的容量较小，单位冷损较大，这时整个装置的冷量平衡所要求的膨胀量比较大，膨胀量不仅大于切换式换热器不冻结性所要求的环流量，而且也超过精馏塔所允许的拉赫曼进气量。