第一部分空氣深冷分離的原理及設(shè)備工藝流程

第一章空分深冷液化分離原理

第一節(jié)概述

一.空分裝置發(fā)展簡況

當(dāng)今世界科技與經(jīng)濟飛速發(fā)展，各行各業(yè)對氧、氮、筑的需求急增，用量越來越大，也就促使

空分設(shè)備（制氧機）越造越大。現(xiàn)國外空分設(shè)備特點是：巨型化、填料塔、無氫制負、內(nèi)壓縮、

氣液并產(chǎn)、高自動化、高可靠、低能耗、長周期等。對于國內(nèi)企業(yè)來說近幾年發(fā)展很快，包

括杭州制氧機集團有限公司、開封空分集團有限公司、四川空分設(shè)備集團有限公司都在不斷壯

大空分設(shè)備也越造越大，但與國外知名公司還有差距。法國液化空氣公司（以下簡稱法液空或

L'air）建于1902年（克勞特發(fā)明活塞式膨脹機，建立"克勞特液化循環(huán)〃之年）。1910年制成第

一臺中壓帶膨脹機的10m3/h制氧機，開始生產(chǎn)空分設(shè)備。1917年制成125m3/h制氧機。1925

年法液空在意大利建成世界上第一家以管道來供應(yīng)氧氣"945年制成800m3/hO2、3300m3/hN2

同時制取的空分設(shè)備。1957年制造10750m3/h空分設(shè)備。隨后法液空制造過16250、20800、

25900>43700、50400.66900>74000等m3/h大型空分設(shè)備。

法液空是法國唯一生產(chǎn)空分設(shè)備的廠家，是世界上資格最老的空分設(shè)備制造公司之是世界第一

大氣體公司

德國林德冷凍機械制造公司（以下簡稱林德公司或Linde）創(chuàng)建于1879年6月。1895年5月29

日，林德利用焦耳一湯姆遜效應(yīng)制成世界上第一臺3L/h高壓空氣液化裝置,液化空氣獲得成功,

并投入工業(yè)生產(chǎn)，建立了〃林德節(jié)流液化循環(huán)〃，隨之林德公司設(shè)立氣體液化部，開始設(shè)計和研

制氣體液化和氣體分離設(shè)備。1896年，林德通過液化空氣的部分蒸發(fā)獲得氧量為50%的混合

物。1900年，林德制成用氨預(yù)冷的實用化的空氣液化裝置，并在博覽會上首次展出。1902年,

林德設(shè)計第一臺單級精播的制氧機。1903年由卡爾?林德設(shè)計制成世界上第一臺工業(yè)性10m3/h

制氧機，采用高壓節(jié)流單塔流程，制氧機從此誕生。1907年制成50m3/h制氧機。19w年制

成80m3/h和150m3/h制氧機，1930年試制成功第一臺工業(yè)規(guī)模林德?法蘭克爾（蓄冷器）型

255m3/h、99%?99.5%02的制氧機。1939年制成3350m3/h、98%02的制氧機。1947年林德

公司開始開發(fā)全低壓工藝氧設(shè)備。1957年制成10000m3/h空分設(shè)備。20世紀60年代后，林

德公司制造過11000、12000.12500、20000.26000、28000、30000、37250、40000.44600、

55030>70000m3/h等空分設(shè)備。

美國空氣制品與化學(xué)品公司（以下簡稱APCI）創(chuàng)建于1939年。1941年制造出第一臺空分設(shè)備。

1961年制成10500m3/h空分設(shè)備。1964年制成25000m3/h空分設(shè)備。另外還制造過30000、

33500、35000、48000m3/h等空分設(shè)備。。APQ最大的空分設(shè)備為供荷蘭鹿特丹殼牌石油公司

的90520m3/h空分設(shè)備己于1997年投產(chǎn)，其加工空氣量為45萬m3/h,可同時生產(chǎn)

90520m3/hO2>216450m3/hN2、450t/d液態(tài)產(chǎn)品和2878m3/hAr。國外大氣體公司注重對自己

產(chǎn)品的更新?lián)Q代，為用戶節(jié)能降耗，增加效益。從趨勢看，化工型空分設(shè)備的需求可能要超過

冶金型空分設(shè)備的需求。因此，空分設(shè)備的未來前景還將是好的。當(dāng)前世界空分設(shè)備公司，法

液空、APCK林德“三足鼎立〃，競爭發(fā)展；BOC、普萊克斯、梅塞爾也在努力拼上，可謂后〃三

足鼎立〃。我國空分設(shè)備行業(yè)，近幾年從低谷攀升，形勢好轉(zhuǎn)，也形成了杭氧、開空、川空〃三

足鼎立〃的局面（不計合資公司）。世界空分流程基本定型，我國與國外的差距正在縮小。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國空氣分離設(shè)備制造業(yè)已形成杭州杭氧股份有限公司、四川空分設(shè)備（集

團）有限公司、開封空分集團有限公司三足鼎立局面。另外，法液空、林德等跨國公司在中國

建立了合資或獨資空分設(shè)備制造企業(yè)，給中國空分設(shè)備制造企業(yè)發(fā)展增添了新的力量。2004

年年末，杭氧與德國梅塞爾集團簽署了聯(lián)合促銷與發(fā)展協(xié)議，使我國空分設(shè)備制造有望挑戰(zhàn)世

界壟斷市場。

空分設(shè)備制造領(lǐng)域，國內(nèi)企業(yè)與國外先進水平至少有十年的差距。大型空分設(shè)備，還是跨

國氣體公司占優(yōu)勢。中國經(jīng)濟迅猛發(fā)展，鋼鐵、石化、化工更是超常規(guī)發(fā)展，工業(yè)氣體的增速

為12%?15%。為此引進了100多套大型空分設(shè)備，寶鋼還引進了72000m3/h的空分設(shè)備。

而國內(nèi)企業(yè)所獲訂單甚少，杭氧設(shè)計制造的52000m3/h空分設(shè)備，代表了國內(nèi)最高水平。

二.空氣分離的方法：

1.低溫法：先將空氣通過壓縮、膨脹降溫，直至空氣液化，在利用氧、氮的氣化溫度（沸點）

不同，沸點底的氮相對于氧要容易氣化這個特性，在精傕塔內(nèi)讓溫度較高的蒸氣與溫度較低的

液體不斷相互接觸，液體中的氮較多地蒸發(fā)，氣體中的氧較多地冷凝，使上升蒸氣中含氮量不

斷提高，下流液體中的含氧量不斷增大，以此實現(xiàn)將空氣分離。要將空氣液化需將空氣冷卻到

?173.15C以下的溫度，這種制冷叫〃深度冷凍〃；而利用沸點差將液空分離的過程叫〃精微過程〃。

低溫法實現(xiàn)空氣分離是深冷與精馀的組合，是目前應(yīng)用最為廣泛的空氣分離方法。

2.吸附法：它是讓空氣通過充填有某種多孔性物質(zhì)一一分子篩的吸附塔，利用分子篩對不同

的分子具有選擇性吸附的特點，有的分子篩（如5A、13X等）對氮具有較強的吸附性能，讓氧

分子通過，因而可得到純度較高的氧氣；有的分子篩（碳分子篩等）對氧具有較強的吸附性能,

讓氮分子通過，因而可得到純度較高的氮氣。由于吸附劑的吸附容量有限，當(dāng)吸附某種分子達

到飽和時，就沒有繼續(xù)吸附的能力，需要將被吸附的物質(zhì)驅(qū)趕掉，才能恢復(fù)吸附的能力。這一

過程叫〃再生〃。因此，為了保證連續(xù)供氣，需要有兩個以上的吸附塔交替使用。再生的方法可

采用加熱提高溫度的方法（TSA）或降低壓力的方法（PSA）.這種方法流程簡單，操作方便，運

行成本較低，但要獲得高純度的產(chǎn)品較為困難，產(chǎn)品氧的純度在93%左右。并且，它只適宜于

容量不太大（小于4000m3/h）的分離裝置。

3.膜分離法：它是利用一些機聚合膜的滲透選擇性，當(dāng)空氣通過薄膜或中空纖維膜時，氧氣

的穿透過薄膜的速度約為氮的4~5倍，從而實現(xiàn)氧、氮的分離。這種方法裝置簡單，操作方便,

啟動快投資少，但富氧濃度一般適宜在28%~35%,規(guī)模也只宜中、小型，所以只適用于富氧燃

燒和醫(yī)療保健等方面。目前在玻璃窯爐中已得到實際應(yīng)用。

三,空分裝置類型

制氧機的分類方法很多，按產(chǎn)品的狀態(tài)分為產(chǎn)氣氧、產(chǎn)液氧，既產(chǎn)氣氧又產(chǎn)液氧的制氧機;

按產(chǎn)品種類分有單高產(chǎn)品、雙高產(chǎn)品（氧和氮）帶氨制氧機（氧、氮和氧）及全提?。ㄑ?、氮、

筑及其他稀有氣體）。

依照產(chǎn)量分有小型制氧機，小時產(chǎn)量小于1000m3/h；中型制氧機，小時產(chǎn)量1（X）（）?1（）000

m3/h；大型制氧機大于10000nrVho

根據(jù)操作壓力分成高壓制氧機，操作壓力為20Mpa；中壓制氧機操作壓力通常為1?5Mpa；

全低壓制氧機其操作壓力為0.5?0.6Mpa。制氧機的操作壓力是由低溫循環(huán)系統(tǒng)壓力而決定的。

高壓流程的液化循環(huán)是以節(jié)流為基礎(chǔ)的低溫循環(huán)；中壓流程的液化循環(huán)是以克勞特循環(huán)為基礎(chǔ)

的；而低壓流程的液化循環(huán)的基礎(chǔ)是卡皮查循環(huán)。

按換熱器類型分，可分為板式、管式、管板式制氧機。

第二節(jié)空氣的凈化

空氣是多組分的混合氣體，除氧、氮及稀有氣體組分外，還含有水蒸氣、二氧化碳、乙快及其

它碳氫化合物，并含有少量灰塵等固體雜質(zhì)。這些雜質(zhì)隨空氣進入空壓機與空氣分離裝置中會

帶來較大的危害。固體雜質(zhì)會磨損空壓機的運轉(zhuǎn)部件，堵塞冷卻器，降低冷卻效率及空壓機的

等溫效率。而水蒸氣和二氧化碳在加工空氣冷卻的過程中會首先凍結(jié)析出，將堵塞設(shè)備及氣體

通道，致使空分裝置無法生產(chǎn)。更嚴重的是，乙快及其它碳氫化合物在空分裝置中枳聚會導(dǎo)致

爆炸事故的發(fā)生，所以為了保證制氧機的安全運行，必須設(shè)置專門的凈化設(shè)備。

空氣凈化方法有機械雜質(zhì)的過濾清除和化學(xué)法清除水分或二氧化碳。所謂化學(xué)法就是應(yīng)用

某種適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)將雜質(zhì)清除；凍結(jié)法將雜質(zhì)轉(zhuǎn)變成固體加以清除；應(yīng)用較多的是吸附法。

此法乃是利用固體表面對氣體雜質(zhì)的吸附特性而使空氣凈比。

一.機械雜質(zhì)的清除

在工業(yè)區(qū)的空氣含塵量一般為1~5mg/n?,灰塵粒度為0.5~20|jm,就以10000m3/h制氧機的加工

空氣量估算，每天隨加工空氣帶到空分裝置的灰塵就有10kg之多?？諌簷C如果直接吸入這樣臟

的空氣，很快就會損壞，因此：在空壓機入口管道上均設(shè)置空氣過濾器，清除空氣中的固體雜

質(zhì)。

固體雜質(zhì)顆粒直徑大于l（）（）pm的在重力作用下會自動降落，小于（）"m的極小粒子不致引起危

害。故凈除的對象為的塵粒。顯然，粒度越小的塵埃越難以清除?？諝膺^濾器主要

捕集的是的塵粒。凈除后空氣中含固體雜質(zhì)的量小于O.5mg/n?。

1、過濾除塵原理

過濾作用對于大的塵粒用其重力或慣性力、離心力使之沉降。相應(yīng)有慣性除塵器及離心除

塵器。

對于塵粒的直徑小于的捕集是利用擴散粘附力或庫侖力的作用將其凈除。擴散捕集

是塵粒雜亂無章的自由運動，碰撞纖維而沉降，或者因為捕集表面的間隙，例如織物的網(wǎng)眼等

于或小于塵粒的直徑，塵粒被阻擋或篩分。粘附捕集是用液滴、液膜、氣泡等洗滌含塵氣體，

使塵粒粘附或相互凝集而凈除。庫侖力除塵也就是電除塵。它是用高壓直流電形成不均勻電場,

電場電暈放電使塵粒帶電，將其捕集于集塵電極上。空分裝置加工空氣中的塵粒是微小的，通

常小于又因為安全的原因，所以空氣過濾器多采用擴散粘附的原理，相應(yīng)的過濾器有

表面式或內(nèi)部過濾式過濾器。表面過濾的濾料為布、網(wǎng)等織物或過濾紙。內(nèi)部過濾的濾料為纖

維層、顆粒層多孔陶瓷等。

2、過濾器的分類

根據(jù)除塵原理，空氣過濾器可分為干式或濕式兩種。干式過濾器屬于表面式過濾器，靠織

物網(wǎng)眼阻擋塵粒；濕式過濾器靠油膜粘附灰塵。

2.1濕式過濾器

在空分裝置中常用的濕式過濾器有兩種：拉西環(huán)式空氣過濾器和鏈帶式過濾器。

2.1.1拉西環(huán)式過濾器

它具有鋼制外殼，在其內(nèi)插入裝填拉西環(huán)的插入盒，環(huán)上涂有低凝固點過濾油，空氣通過

插入盒，灰塵便附著在過濾油上，同時由于空氣流速的降低，部分灰塵也將沉降于其中。這種

空氣過濾器不需要特殊的操作，只需要注意過濾的阻力。當(dāng)裝置停車時，應(yīng)清洗插入盒，用氫

氧化鈉溶液或煤油洗滌，然后再用水洗并干燥，使用刷子或?qū)⒉迦牒谐翛]于油容器中的方法，

使拉西環(huán)上均勻的粘附一層油，多余油在幾小時內(nèi)，從插入盒內(nèi)流出，則重新將盒插入過渡器

中，插入盒中的拉西環(huán)應(yīng)裝填均勻，不留自由空間，否則空氣從空位通過，過濾效果變差。

2.1.2鏈帶式空氣過濾器

過濾器由許多鏈組成，片狀鏈帶上裝有框架，每個框架上鋪有幾層孔為Imn?的絲網(wǎng)。框

架掛在鏈帶活動接點上。鏈帶靠電動機變速傳動，經(jīng)鏈輪以2mm/min的速度緩慢移動或間歇移

動。過濾器裝在外殼內(nèi)，外殼下面有油槽。當(dāng)空氣通過網(wǎng)架時，所含的灰塵被網(wǎng)上的油膜所粘

附。隨著鏈輪的回轉(zhuǎn)，附著的灰塵通過油槽時被洗掉并被覆蓋上一層新的油膜。此種過濾器的

主要缺點是除塵后的空氣中含有少量的油滴一旦加工空氣量增大，氣流速度增大，含油量會大

大增加。為防止空氣中帶油，可在鏈帶式過濾器后增加一道干式過濾器。

L2干式過濾器

2.2.1干帶式空氣過濾器

干帶是一種尼龍絲織成的長毛絨狀制品。它由一個電動機變速傳動，隨著灰塵的積聚，空

氣通過干帶阻力增大。當(dāng)超過規(guī)定值時（約為147pa）,帶電接點的壓差計將電機接通，使干

帶轉(zhuǎn)動。當(dāng)空氣阻力恢復(fù)正常時，即自動停止轉(zhuǎn)動。這種過濾器通常串聯(lián)于鏈帶式過濾器

之后，用來清除空氣中夾帶的細塵和油霧。過濾后空氣中基本不含油。這種過濾器效率很高，

對粒度大于0.003mm的灰塵，過濾效率為100%,粒度為QOO8~O.OO3mm的灰塵，過濾效率為

97%o

2.2.2袋式過濾器

袋式過濾器的濾袋由羊毛氈與合成纖維織成。每個袋的尺寸約為e223mmX2,高度為

9130mm,濾袋數(shù)目取決于氣量的大小，過濾風(fēng)速約為0.04~0.1m/s?？諝鈴捻敳窟M入，經(jīng)分配

器后流入袋內(nèi)，經(jīng)濾袋過濾后由下部流出。積聚在袋上的灰塵靠反吹風(fēng)機吹落。當(dāng)灰塵在濾袋

上積累到使壓差達到980pa時，反吹羅茨風(fēng)機及反吹環(huán)就自動起動，反吹空氣通過膠皮軟管進

入過濾器內(nèi)的反吹裝置，反吹環(huán)由0.4kw的電動機帶動，并設(shè)有限位開關(guān)，能上下來回移動，

反吹空氣經(jīng)過分配管至反吹環(huán)局部反吹濾袋，不需停止或切換過濾器就使整個濾帶均能被反吹

干冷。當(dāng)壓差降至548.8pa時，反吹風(fēng)機及反吹環(huán)就自動停止。被反吹下來的灰塵落入底部灰

斗，定時由星形閥排出。這種過濾器的過濾效率很高，對粒度大于0.0002mm的灰塵，效率在

98%以上。并且過濾后的空氣中不含油分，也不消耗油，操作方便。此外，對空氣灰塵含量不

受限制，適應(yīng)性好，對不同容量的空分裝置可用改變?yōu)V袋的數(shù)目來適應(yīng)，比較方便。其缺點是

過渡速度較高，阻力較大，高達588?1176pa；對濕度太大的地區(qū)或季節(jié)，濾袋易被堵塞。

2.2.3固定筒式過濾器

此種過濾器有64個單元模件，每個模件有4支濾芯，每8支濾芯為1小組，以程序控制器按

順序用空壓機后的壓縮空氣反吹除灰。性能參數(shù)是空氣速度lm/s,初始阻力8mmH?。。當(dāng)阻力

達到750pa時，自動反吹其中4個模件，阻力降至5()()pa自動停吹。濾芯一般可用16~24個月，更

換下來的濾芯只要更換新濾料仍然可以使用。此過濾器對3~51am的塵粒，過濾效率為99.99%。

這種過濾器適用于塵量較大的地區(qū)，過濾效率高且便于維護。既便是更換濾芯也只需要一個人

站在平臺上就能完成。

2.2.4自潔式空氣過濾器

現(xiàn)代制氧機普遍采用自潔武空氣過濾器，自潔式空氣過濾器的主要部件包括：空氣濾筒、

脈沖反吹系統(tǒng)、凈氣室、框架、控制系統(tǒng)。反吹系統(tǒng)由氣動隔膜閥、電磁閥、專用噴嘴及壓縮

空氣管路組成?？刂葡到y(tǒng)主要由脈沖控制儀、差壓變送器、控制電路等組成。自潔式空氣過濾

器的凈氣室出口與空壓機入口連接，在負壓的作用下，從大氣中吸入加工空氣?？諝饨?jīng)過過濾

筒，灰塵被濾料阻擋。無數(shù)小顆粒粉塵在淀料的迎風(fēng)表面形成一層塵膜。塵膜可使過渡效果有

所提高，同時也使氣流阻力增大。當(dāng)阻力增至高限600Pa時，由壓差變送器將阻力信號傳給脈

沖控制儀中的電腦，電腦發(fā)出指令，自潔系統(tǒng)開始工作；電磁閥接到指令后，按程序控制、驅(qū)

動隔膜閥，隔膜閥瞬間釋放出壓縮空氣，其壓力為600?BOOkPa,經(jīng)噴嘴整流后，自濾筒內(nèi)部

反吹濾筒，將濾料外表面的粉塵吹落，阻力隨之下降。當(dāng)阻力達到濾料的初始阻力(約150Pa)

時，自潔系統(tǒng)停止T作.自潔式過濾器的濾筒分成多組,每組包括多個濾筒.每組都設(shè)置一個

隔膜閥。某一個閥門動作，只反吹它涉及到的那組濾筒，其余各組照常工作，因此自潔系統(tǒng)不

影響過濾器的連續(xù)工作。濾筒的使用壽命為18?24個月。濾料為優(yōu)質(zhì)防水型濾紙。當(dāng)濾筒阻力

經(jīng)反吹，居高不下，并升至報警值(800Pa)時，表示濾筒需要更換。更換濾筒的操作簡單易行,

亦無須停機。

自潔空氣過濾器的優(yōu)點有：

1)濾筒的過濾效率高，阻力低，使用壽命長，且能抗水霧;

2）自動反吹清掃灰塵，達到自潔?？杀ＷC空壓機連續(xù)2年以上不間斷運行。實驗證明，連

續(xù)運行5?10年的離心式空壓機內(nèi)部無明顯結(jié)垢，葉片毫無粉塵磨損的痕跡；

3）設(shè)備檢修維護方便，費用低。濾筒壽命長，更換方便，且可以不停機更換。濾料為優(yōu)質(zhì)

防水紙料，價格便宜；

4）脈沖反吹自潔式空氣過濾器為干式空氣過濾器，與濕式空氣過濾器相比，加工空氣不帶

油，沒有危及空分裝置安全的問題。

二.水分、二氧化碳、乙煥的清除

空氣中水分的含量約為4?4（）g/n】3空氣，二氧化碳的含量約為（）.6?0.9g/n/空氣?？辗盅b置

是在溫度很低的范圍內(nèi)操作，其中最低的溫度約為-194℃。在這樣低的溫度下，空氣中的水分

及二氧化碳早已全部以固態(tài)的形式析出。當(dāng)空氣的溫度低于0C時，水分即開始變成冰或雪，

二氧化碳在-130C左右時也開始以固態(tài)形式析出。這些雜質(zhì)在低溫換熱器、透平膨脹機或精儲

塔里凍結(jié)，就會堵塞通道，管路和閥門，致使傳熱、精微惡化，阻力增大，冷損增加。這樣，

不但使經(jīng)濟性降低，嚴重時甚至使裝置無法正常工作，只得停車加溫。為保證制氧機能長期安

全運轉(zhuǎn)，在大型全低壓制氧機中，主要采用切換式換熱器（蓄冷器或可逆式換熱器）來清除空

氣中的水分和二氧化碳。此外，還有二氧化碳吸附器、干燥器及過濾器等設(shè)備。

切換式換熱器除用來回收低溫產(chǎn)品氣體（氧氣和氮勺）的冷量及冷卻空氣外，同時能不靠

化學(xué)藥劑或吸附劑，自動清除空氣中的水分和二氧化碳，因此叫自清除。它的基本原理是當(dāng)空

氣通過切換式換熱器時，空氣從室溫冷卻至-172C,使空氣中的水分及二氧化碳基本上全部凍

結(jié)在換熱器的通道內(nèi)，空氣以干燥狀態(tài)離開換熱器。經(jīng)一定時間間隔后，自動將通道切換，讓

低壓的干燥返流氣體通過該通道，使前一階段凍結(jié)的水分和二氧化碳在該氣流中蒸發(fā)、升華而

被帶走，保證通道暢通，使下周期空氣通過時，水分及二氧化碳又有繼續(xù)被凍結(jié)清除的可能。

因止二，自清除包括凍結(jié)與清除兩個階段。

自清除問題的解決，為全低壓大型制氧的發(fā)展提供了可能，它也是保證制氧機正常運轉(zhuǎn)的

關(guān)鍵問題之一。因此，必須對自清除的原理有充分的了解。

清除空氣中的水分、二氧化碳和乙怏的方法最常用的是吸附法和凍結(jié)法。凍結(jié)法就是空氣

流經(jīng)蓄冷器或切換式換熱器時把其中所含的水分和二氧化碳凍結(jié)下來（乙快不能凍結(jié)），然后被

干燥的返流氣體帶出裝置，即自清除。吸附法就是用硅膠或分子篩等作吸附劑，把空氣中所含

的水分、二氧化碳和乙烘，以及液空、液氧中的乙烘等雜質(zhì)分離出來，濃聚在吸附劑的表面上

（沒有化學(xué)反應(yīng)），加溫再生時再把它們趕掉，從而達到凈化的目的。例如設(shè)置干燥器、二氧化

碳吸附器、液空吸附器、液氧吸附器。采用分子篩凈化流程可用分子篩同時吸附清除空氣中的

水分、二氧化碳和乙煥，使流程簡化，已在制氧機上普遍地被采用。下面主要介紹分子篩凈化

流程。

在大型空分裝置中，除了靠切換式換熱器凍結(jié)清除水分和二氧化碳外，加溫用的干燥空氣

通常是用水分吸附器（T燥器）束清除水分。有的還設(shè)有啟動干燥器，作為啟動階段清除空氣

中的水分之用，以保證切換式液熱器在啟動時的正常工作，同時避免在透平膨脹機內(nèi)因溫度降

低而析出水分，保證膨脹機的安全運轉(zhuǎn)。對采用中抽法的蓄冷器，中抽空氣中的二氧化碳靠二

氧化碳吸附器來清除，同時吸附掉部分乙煥。在切換式換熱器中未被清除干凈的固體二氧化碳

顆粒由過濾器過濾掉?？諝庵械囊铱觳豢赡茉谇袚Q式換熱器內(nèi)被凍結(jié)清除，而它又是制氧機最

危險的敵人。它主要也是靠吸附法來清除。

吸附法是一種較先進的技術(shù)，在小型制氧裝置中，對水分和二氧化碳的清除早期是采用化

學(xué)法。用堿水（氫氧化鈉溶液）洗滌二氧化碳，生成碳酸鈉。用粒度為25?4（）毫米的固體燒堿

與水起化學(xué)反應(yīng)，清除水分。采用這種方法，燒堿需經(jīng)常消耗更換，無法再生。清除1公斤水

分約需消耗0.9~1公斤堿，因此成本高，勞動量大，并且清除效果差。凈化后的水分含量0.8~1g/n?

空氣，相應(yīng)的露點為-20℃。所以目前逐步被吸附法所代替。

1.吸附

某種物質(zhì)的分子在一種多孔固體表面濃聚的現(xiàn)象稱之為吸附。被吸附的物質(zhì)叫“吸附質(zhì)”，

而具有多孔的固體表面的吸附相稱作“吸附劑”。依據(jù)吸附質(zhì)與吸附劑之間的吸附力的不同，

吸附又可分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附的吸附力為分子力也稱為范德華吸附；而化學(xué)吸

附則是由化學(xué)鍵的作用而引起的。凈化空氣所采用的吸附法純屬為物理吸附。對于吸附劑而言，

固體表面上有未飽和的表面力，為使表面力作用加強，活性顯著，吸附劑應(yīng)該是顆粒狀的多孔

物質(zhì)。吸附使表面力飽和，表面能降低，因而吸附過程放熱，所放出的熱量稱為“吸附熱”。

不管吸附力的性質(zhì)如何，在吸附質(zhì)與吸附劑充分接觸后，終將達到動態(tài)平衡，被吸附的量達到

了最大值，即飽和。所謂動態(tài)平衡是指吸附和解吸的分子數(shù)相等，處于平衡狀態(tài)，比時吸附劑

失去了吸附的能力。吸附和解吸事實上是同時進行的。只不過未達飽和前吸附的量大于解吸的

量而己，可見，吸附與解吸是對立而統(tǒng)一的，在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。掌握了這個轉(zhuǎn)化條

件就可以設(shè)法使吸附質(zhì)從吸附劑表面上解脫出來，達到吸附劑再生的目的。當(dāng)吸附達到飽和時，

使吸附質(zhì)從吸附劑表面脫圈，從而恢復(fù)吸附劑的使用能力的過程謂之解吸（或再生），與吸附

相反，解吸需要吸熱稱為“脫附熱”?！懊摳綗帷迸c“吸附熱”相等。

2.吸附劑

作為吸附劑應(yīng)該是多孔固體顆粒。它具有巨大的表面積。吸附劑的吸附能力要強，也就是

吸附容量大。吸附容量是指每千克吸附劑吸附被吸物質(zhì)的量。吸附劑應(yīng)具備選擇性吸附特性，

才能應(yīng)用它進行凈化或分離。此外，吸附劑應(yīng)該有一定的機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性，容易解吸(或

再生)，而且易獲得價格低廉。

空氣分離常用的吸附劑有硅膠、鋁膠、分子篩。

2.1硅膠。

硅膠的分子式為SiO2?nH?O,是一種堅硬無定形鏈狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的硅酸聚合物顆粒，為一

種親水性的極性吸附劑。能吸附大量的水分。當(dāng)硅膠吸附氣體中的水分時，可達具自身重量的

50%,而在相對濕度60%的空氣流中，吸濕量也可達其重量的24%。吸水后吸附熱很大，可使

硅膠溫升到100%,并使硅膠破碎。硅膠分為細孔硅膠和粗孔硅膠。

2.2活性氧化鋁。

它是氧化鋁的水化物AI2O3?nHz。?；钚匝趸X與硅膠不同，不僅含有無定形的凝膠，還

含有氫氧化物晶體形成的鋼性骨架結(jié)構(gòu)，因而很穩(wěn)定，它是無毒的堅實顆粒，浸入水中也不會

軟化、溶脹或崩裂，耐磨抗沖擊。

2.3分子篩。

制氧機應(yīng)用的分子篩為沸石分子篩。它是結(jié)晶的硅、鋁酸鹽多水化合物。分子篩目前主要

有A型、Y型和X型三個類型，而每一類型分子篩按其陽離子不同，其孔徑和性質(zhì)也有所不同,

常用的分子篩的型號的孔徑列舉如下：鉀A型(3A)分子篩鈉A型(4A)分子篩：鈣A型(5A)

分子篩：鈣X型(10X)分子篩：鈉X型(13X)分子篩：鈣Y型和鈉Y型分子篩。分子篩吸

附劑的吸附特點：

2.3.1選擇吸附。根據(jù)分子大小不同的選擇吸附：各種類型分子篩只能吸附小于其孔徑的分子。

根據(jù)分子極性不同的選擇吸附：對于大小相類似的分子，極性愈大則愈易被分子篩吸附。根據(jù)

分子不飽和性不同的選擇吸附：分子篩吸附不飽和物質(zhì)的量比飽和物質(zhì)為大，不飽和性愈大吸

附得愈多。根據(jù)分子沸點不同的選擇吸附：沸點愈低，越不易被吸附。

2.3.2干燥度很高。分子篩比其它吸附劑（硅膠、鋁膠）可獲得露點更低的干燥空氣，通常可

干燥到-70C以下。因此，分子篩也是極良好的干燥劑。既便氣體中的水蒸汽含量較低，分子

篩也具有較強的吸附力。分子篩對高溫、高速氣體，也具有良好的干燥能力。

2.3.3吸附能力。分子篩在吸附水的同時，還能吸附乙恢二氧化碳等其它氣體。水分首先被吸

附。吸附順序是H2O>C2H2>CO2對于碳、氫化合物的吸附順序為丙烯〉乙快〉乙烯）乙烷〉甲烷。

2.3.4分子篩具有高的穩(wěn)定性，在溫度高達700℃時，仍具有不熔性的熱穩(wěn)定性。除了酸與強

堿外，對有機溶劑具有強的抵抗力。遇水不會潮解。

2.3.5有簡單的加熱可使其再生。一般再生溫度為200~320℃,脫除燃需100C,脫除H2O需

300C,再生溫度愈高再生越完善，吸附器工作性能愈好，但分子篩壽命會縮短。隨再生次數(shù)

的增加，吸附容量要降低，例如經(jīng)200次再生后的分子篩，其吸附容量下降30%,但此后一直

可俁持到再生2000次。

分子篩在分離與凈化氣體方面有很大的應(yīng)用價值，不但能高效地進行凈化和分離，同時也

能將吸附物質(zhì)回收，得到高純度的氣體。近年來分子篩在空分裝置上得到了廣泛地應(yīng)用。

3.吸附的機理

3.1吸附質(zhì)的擴散

吸附的發(fā)生，可分為兩個階段。第一階段為外擴散，即吸附質(zhì)從氣體主流通過吸附劑顆粒

周圍的氣膜到顆粒表面，而后發(fā)生吸附，稱作外表面吸附。第二階段為內(nèi)擴散，即吸附質(zhì)分子

從顆粒外表面未被吸附而進入顆粒內(nèi)部，被內(nèi)表面吸附。而內(nèi)擴散還分為表面擴散和孔擴散。

表面擴散是吸附質(zhì)分子沿著粒內(nèi)的孔壁向深處擴散；孔擴散是分子向其它孔中擴散。分子吸附

過程按順序進行，先外擴散再內(nèi)擴散而后吸附，脫附（或再生）時逆向進行。吸附是一個傳質(zhì)

過程，傳質(zhì)能力的大小與擴散系數(shù)高、低密切相關(guān)。

3.2吸附平衡與靜吸附容量

吸附現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于吸附質(zhì)分子擴散到吸附劑的表面，在表面力的作用下而在表面上積

聚。但吸附質(zhì)的分子因其本身的熱運動以及外界氣體分子的碰撞有可能又脫離了固體表面返回

氣佃之中。吸附發(fā)生的初期被吸附的分子數(shù)較多，隨著吸附時間的延續(xù)逐漸增加，到某一時刻

時，被吸附的分子數(shù)不再增加，也就是吸附表面被覆蓋，吸附劑喪失了吸附能力，可稱為吸附

達到飽和或吸附平衡。所謂平衡，只是宏觀上失去了吸附作用，其實是動態(tài)平衡，微觀上吸附

仍在進行，只是被吸附的分子數(shù)與脫附的分子數(shù)相等而已。此時的吸附劑所吸附的吸附質(zhì)的量

為靜吸附容量。

在吸附劑及吸附質(zhì)一定的情況下，靜吸附容量與溫度、壓力或濃度有關(guān)。溫度降低靜吸附

容量增加；壓力升高，靜吸附容量增加。

3.3吸附過程與動吸附容量

在固定床吸附器中，氣體（或液體）通過吸附劑層時，不是所有吸附劑同時發(fā)生吸附作用

而是首先在氣體進口處一薄層內(nèi)發(fā)生吸附作用，這一薄層叫做吸附帶或傳質(zhì)區(qū)。隨著吸附時間

的推移，吸附帶向出口方向移動，一旦吸附帶的前沿達到了吸附器的出口，流出的氣體中的吸

附質(zhì)含量將迅速增加，很快就與氣體的初始濃度相同，這一點就是“轉(zhuǎn)效點”。相應(yīng)從吸附開

始直至轉(zhuǎn)效點的時間為吸附器的工作時間或轉(zhuǎn)效時間。在轉(zhuǎn)效時間內(nèi)吸附劑對吸附質(zhì)的平均吸

附量為動吸附容量。

吸附劑的吸附能力可以由物吸附容量和動吸附容量來表示。靜吸附容量實質(zhì)是在吸附達到

平衡時的最大吸附量。而動吸附容量則與吸附帶長度及移動速度有關(guān)。顯而易見它受氣流速度

的直接影響。換言之，氣體的流動不可能有足夠長的時間使吸附劑所有表面都達到吸附平衡，

也就是動吸附容量永遠小于靜吸附容量。通常為靜吸附容量的40?60%。靜吸附容量一般用來

表示吸附劑的性能。設(shè)計吸附器時，當(dāng)然要以動吸附容量為依據(jù)。操作中，掌握轉(zhuǎn)效時間是很

重要的，它意味著吸附劑的失效，即吸附器的最長工作時間。

影響動吸附容量的因素：

1）溫度：正如前述靜吸附容量隨溫度的升高而降低，所以動吸附容量也同樣隨溫度的升

高而下降。這是因為，吸附是放熱過程，溫度升高吸附質(zhì)的分子熱運動加強，從吸附表面脫離

返回氣體中的分子數(shù)增加之結(jié)果。

2）壓力：壓力高其吸附質(zhì)的分壓力也高即濃度提高，單位時間內(nèi)碰撞吸附劑表面的分子

數(shù)增加，因而被吸附的幾率增加。所以壓力升高靜、動吸附容量都增加。值得注意的是，一旦

達到吸附質(zhì)的飽和狀態(tài)，隨著玉力的再提高，單位體積內(nèi)吸附質(zhì)的含量已經(jīng)不再變化，這時吸

附容量已與壓力無關(guān)了。

3）流體的流速：流體的流速高，吸附質(zhì)在吸附床層內(nèi)停留時間過短，吸附效果差，傳質(zhì)

區(qū)增長，動吸附容量小。但流速過低，凈化設(shè)備單位時間內(nèi)處理的氣量少。從吸附機理方面看,

流體的極限流速是吸附速率。也可以說，最短的停留時間應(yīng)該是吸附時間。所謂吸附速率是完

成外擴散、內(nèi)擴散及吸附的全過程的速度。對于物理吸附其吸附速率主要取決于擴散階段的速

度，而已達到表面發(fā)生吸附階段只在瞬間完成。誠然，假若流體流速高于吸附速率，即停留時

間短于吸附時間，吸附就不會發(fā)生，其吸附容量為零。只有在流體流速小于吸附速率的前提下,

才具有流速越低吸附容量越大的規(guī)律。

4）吸附劑的再生完善程度：吸附劑的解吸（或再生）越徹底，吸附過程中的吸附容量越

大。解吸是吸附的反過程，所謂解吸，即采用一定的方法將積聚在吸附劑表面的吸附質(zhì)分子趕

走，恢復(fù)吸附劑的吸附能力。當(dāng)再生溫度高，壓力低以及解吸氣體中吸附質(zhì)的含量越小，吸附

劑的再生越完善。

需要指出的是，吸附劑經(jīng)過多次反復(fù)地再生，吸附容量會有所減少，吸附性能有一定的衰

減。這是由于吸附劑表面被碳、聚合物等所覆蓋，或者吸附劑微孔結(jié)晶個別地方被破壞。設(shè)計

吸附器時，應(yīng)予以考慮，留有余量。

5）吸附劑床層高度：在吸附劑的量一定的情況下，吸附器的高度有一最小值。這最低床層高

度就是吸附帶長度。當(dāng)吸附床層高度低于吸附帶長度時，吸附器剛一接通，就發(fā)生轉(zhuǎn)效。吸附

劑的吸附容量很小或為零。如果吸附器的截面縮小，高度增加，這對提高吸附容量是有利的。

但是隨之氣體流速增加，阻力加大，吸附壁效應(yīng)影響大。一旦流速過快，氣體的停留時間小于

吸附時間吸附容量會下降為零。雖然，早期吸附器的設(shè)戶認為有最佳高徑比（h/D）,中壓

流程純化器推薦為3~5,但對全低壓純化器并不適用。無論何種吸附器保證吸附床層有足夠的

高度還是十分必要的。

4.吸附劑的解吸方法

如前述吸附劑達到轉(zhuǎn)效時，需要解吸。解吸的方法概括起來有四種：

1）加熱法。用加熱氣體使吸附劑升溫，供給吸附質(zhì)分子能量，使之脫附。這是利用吸附容量

隨溫度升高而減少的原理而實現(xiàn)解吸的。

2）減壓法。在吸附進行時操作壓力較高，解吸時為常壓或抽真空，以降低吸附質(zhì)的分壓，改

變條件破壞原有的吸附平衡，使吸附質(zhì)的分子脫附。這利用了隨吸附質(zhì)分壓力下降，吸附容量

減少的規(guī)律。

3）清洗法。向吸附劑床層通入不吸附或難吸附的氣體，以稀釋吸附質(zhì)的濃度，降低其分壓力

而達到解吸。

4）置換法。向吸附劑床層通入更易被吸附的氣體，借以置換已被吸附的吸附質(zhì)分子，使吸附

質(zhì)獲得解吸。

第三節(jié)空氣深冷液化的熱力學(xué)原理

空氣液化循環(huán)由一系列必要的熱力過程組成，制取冷量將空氣由氣態(tài)變成液態(tài)。

低溫循環(huán)的用途，從熱力學(xué)的觀點有下列幾種情況：

1）把物質(zhì)冷卻到預(yù)定的溫度，通常由常溫冷卻到所需的低溫；

2）在存在冷損的條件下，保持己冷卻到低溫的物質(zhì)的溫度，即從恒定的低溫物質(zhì)中不斷

吸取熱量；

3）為述兩種情況的綜合，即連續(xù)不斷地冷卻物質(zhì)到一定的低溫，并隨時補償冷損失，

維持所達到的低溫工況。

空氣液化循環(huán)屬于第三種情況，要將空氣連續(xù)不斷地冷卻到當(dāng)時壓力下的飽和溫度，又要

提供潛熱，補償冷損，維持液化工況。這首先要選擇制冷方法，而后組成行之有效的液化循環(huán),

這就是本節(jié)所討論的內(nèi)容。

一.獲得低溫液體的方法

要使空氣液化，需要從空氣中取出熱量使其冷卻，最后全部成為液體。我們知道，在0.98

Xl（）5pa大氣壓下，空氣液化溫度是-191.8C,從300K變?yōu)楦娠柡驼魵庑枞〕?22.79kJ/kg熱量,

再從干飽和蒸氣變?yōu)橐后w需取出168.45kJ/kg熱量（即潛熱），顯然，為使空氣液化首先要獲

得低溫3工業(yè)上空氣液化常用兩種方法獲得低溫，即空氣的節(jié)流和膨脹機的絕熱膨張制冷.

1.節(jié)流

具有一定壓力的空氣流過節(jié)流閥，由于通流截面的突然縮小，氣體激烈擾動，壓力下降。

由于氣體經(jīng)閥門的時間很短，來不及和外界產(chǎn)生熱交換，所以q=0,氣體對外也沒有作功，Lo=0,

同時認為在閥門前后，氣體流速是不變的，即W|=W2像這樣的流動過程稱為節(jié)流。節(jié)流過程最

基本的特點是氣體在節(jié)流前后的焰值不變。

氣體節(jié)流過程是等焰過程，也就是節(jié)流前后氣體的總能量不變。節(jié)流只是內(nèi)能和推動功之

間的轉(zhuǎn)化。而內(nèi)能乂包括內(nèi)位能及內(nèi)動能，內(nèi)動能的大小只與氣體溫度有關(guān)。節(jié)流后內(nèi)動能降

低時節(jié)流后的溫度下降；內(nèi)動能不變時節(jié)流后的溫度也不變；內(nèi)動能增大時節(jié)流后的溫度升高。

內(nèi)動能的變化只有確定了內(nèi)位能與流動功變化關(guān)系后才能確定。氣體節(jié)流后的壓力總是降低

的，其比容增大，內(nèi)位能總是增大的。只有流動功的變化可能變大也可能不變或變小。當(dāng)流動

功的變化d(pU)20”時，氣體節(jié)流時溫度降低，此時氣體分子間呈吸引力，當(dāng)d(pU)<0

其絕對值大于內(nèi)位能的增加值時，氣體節(jié)流時溫度升高，此時氣體分子之間排斥力很大。對于

某種氣體而言，在節(jié)流時內(nèi)位能的增加正好等于流動功的減少時，節(jié)流前后的溫度保持不變，

這一溫度叫做轉(zhuǎn)化溫度。只有在轉(zhuǎn)化溫度以下節(jié)流才能產(chǎn)生冷效應(yīng)。

空氣經(jīng)過節(jié)流，雖可降溫，但對外沒有熱交換(絕熱)，也沒有作功。因此，節(jié)流前后氣

體的總能量不變即等焰過程也就是節(jié)流過程本身不產(chǎn)生冷量。但是為了提供一定壓力的節(jié)流氣

體，需要先將氣體通過壓縮機等溫壓縮后再由節(jié)流閥節(jié)流，節(jié)流后的氣體再經(jīng)過換熱器去冷卻

被冷介質(zhì)，構(gòu)成壓縮、節(jié)流、換熱流程如圖

等溫節(jié)流流程圖

假設(shè)將0.98Xl()5pa,30C的空氣等溫壓縮至98Xl()5pa后節(jié)流。在焰一溫下圖中表示，空氣的

狀態(tài)由點1變化到點2,再節(jié)流到0.98Xl()5pa,此時溫度降到12℃,即圖中點3。在熱交換器中,

低溫的空氣吸熱，使本身溫度從12C-再升到30C-即由點3再恢復(fù)到點1,空氣此時所吸收的熱

量稱為等溫節(jié)流制冷量

T

等溫節(jié)流循環(huán)示意圖

可見，節(jié)流效應(yīng)與節(jié)流前的壓力和溫度有關(guān)。節(jié)流前的溫度降低，節(jié)流效應(yīng)增大。節(jié)流前

的壓力增高，節(jié)流效應(yīng)變小。

綜上所述，等溫節(jié)流制冷時，氣體需經(jīng)歷等溫壓縮和節(jié)流膨脹兩過程才具有制冷量。這是

因為氣體在等溫壓縮時焰值降低，壓縮機的壓縮功和氣體的焰降都以同一熱量的形式傳給環(huán)境

介質(zhì)。在等溫壓縮過程中氣體三具備制冷能力。而節(jié)流膨脹只不過是一種降溫的方法，為氣體

在等溫壓縮時已具備的制冷內(nèi)因表現(xiàn)出來創(chuàng)造條件。

2.膨脹機的膨脹過程

氣體在膨脹機內(nèi)膨脹，并對外作功，是空分裝置制取冷量，獲得低溫的主要方法。膨脹機

分活塞式和透平式兩種，但從能量轉(zhuǎn)換的觀點來看，它們的作用是一樣的，都是氣體的壓力降

低，對外作功，使它本身的能量減少，獲得冷量，降低溫度。

膨脹機膨脹的降溫效果比節(jié)流耍好的多，這是由丁當(dāng)氣體經(jīng)過膨脹機膨脹時，除了與節(jié)流

一樣，由于體積膨脹要克服分子吸引力而消耗分子運動的動能，使氣體溫度降低外，氣體在膨

脹機中又對外作了功，這就要消耗氣體本身的能量，使分子的動能進一步減少，因比降溫更顯

著。實際上，由于氣體與氣體之間、氣體與機器壁面之間，及機器本身的摩擦要消耗一部分功,

摩擦產(chǎn)生的熱又傳給氣體，使膨脹后氣體的溫度及焙值略有增加，端也有增加。

節(jié)流膨脹與等端膨脹的比較：

（1）從降溫效果看，等嫡膨脹要比節(jié)流膨脹強烈得多。

（2）從結(jié)構(gòu)來看，節(jié)流閥結(jié)構(gòu)很簡單，操作也方便。而膨脹機是一套機組，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操

作、維護要求高。

（3）從使用范圍來看，節(jié)流閥適用于氣體、液體。而膨脹機適用于氣體，要防止在膨脹機

膨脹過程中出現(xiàn)液體，否則膨脹機葉輪將加速磨損。

因此，空氣液化過程中節(jié)流膨脹與等燃膨脹這兩種降溫方法都使用，互相取長補短。

二.空氣液化循環(huán)

空氣液化循環(huán)主要有三種類型：以節(jié)流為基礎(chǔ)的液化循環(huán)；以等烯膨脹與節(jié)流相結(jié)合的液

化循環(huán)；以等焰膨脹為主的液化循環(huán)。

一次節(jié)流膨脹循環(huán)，由德國的林德首先研究成功，故亦稱簡單林德循環(huán)。

1.以節(jié)流為基礎(chǔ)的液化循環(huán)

節(jié)流的溫降很小，等溫節(jié)流的制冷量也很少，所以在室溫下通過節(jié)流膨脹不可能使空氣液化，

必須在接近液化溫度的低溫下節(jié)流才有可能液化。因此，以節(jié)流為基礎(chǔ)的液化循環(huán)，必須使空

氣預(yù)冷，常常采用逆流換熱器，回收冷量預(yù)冷空氣。循環(huán)流程的示意圖由圖1表示。這種循環(huán)

也稱作為簡單林德循環(huán)。系統(tǒng)由壓縮機、逆流換熱器、節(jié)流閥及氣液分離器組成。圖2是簡單

林第循環(huán)在T-S圖的示意圖。應(yīng)用簡單林德循環(huán)液化空氣需要有一個啟動過程，首先要經(jīng)過多

次節(jié)流，回收等溫節(jié)流制冷量預(yù)冷加工空氣，使節(jié)流前的溫度逐步降低，其制冷量也逐漸增加,

直至逼近液化溫度，產(chǎn)生液空。這一連串多次節(jié)流循環(huán)如圖3所示。

簡單林德循環(huán)圖1

簡單林德循環(huán)在T-S圖2

s

節(jié)流的啟動過程圖3

為討論簡單林德循環(huán)的性能指標(biāo)方便起見，首先將其分為理論簡單林德循環(huán)及實際簡單林德循

環(huán)。理論簡單林德循環(huán)有兩個假設(shè)：

1）在逆流換熱器中冷量被完全回收，即熱端溫差為零；

2）無冷損失。

理論循環(huán)的制冷量qo為：

<10=-T=/?!-/?2式］

液化系數(shù)Z應(yīng)為：

hI-h?

7-------

h、-h。式2

這里還需要指出，冷量qo并不是節(jié)流過程產(chǎn)生的。它是壓縮機等溫壓縮時，冷卻水帶走的

熱量比空壓機輸入的壓縮功多-，hT而具有產(chǎn)生冷量的內(nèi)因。該冷量借助于逆流換熱器和節(jié)流

閥表現(xiàn)出來。

液化循環(huán)總是謀求通過一個循環(huán)獲得比較多的冷量及比較大的液化系數(shù)。式1與式2,當(dāng)

初始狀態(tài)印、P2給定時，E及ho均為定值，顯然，降低h2才能得到較多的制冷量及較大的液化系

數(shù)。

液化系數(shù)的最大值所對應(yīng)的節(jié)流前的最高壓力，可由氣體的T-S圖求得。當(dāng)T產(chǎn)T2一定時，

通過等溫線與轉(zhuǎn)化曲線交點的壓力即為Z最大值所對應(yīng)的最高壓力。

實際林德循環(huán)存在著許多不可逆損失，主要有：

1）壓縮機組（包括壓縮和水冷卻過程）中的不可逆性，引起的能量損失；

2）逆流換熱器中存在溫差即換熱不完善損失；

3）周圍介質(zhì)傳入的熱量即跑冷損失。

綜上所述

1）當(dāng)pi、Ti一定時，提高P2到一定程度，可以顯著提高簡單林德循環(huán)的經(jīng)濟性，因此通常節(jié)流

前的壓力選擇在20Mpa；

2）為了降低換熱器前的熱端溫度，可以采用預(yù)冷的方法，因而出現(xiàn)具有氨預(yù)冷的一次節(jié)流循

環(huán)；

3）適當(dāng)縮小壓力比，能夠提高經(jīng)濟性。為了節(jié)省能量，盡量保持大的壓力差及小的壓力比。

壓力差較大所獲得的等溫節(jié)流制冷量就多，壓力比小，消耗的壓縮功就少。因而，可以得到較

大的制冷系數(shù)，在這樣的前提下，在簡單林德循環(huán)的基礎(chǔ)又出現(xiàn)了具有二次節(jié)流的循環(huán)。

2.以等燔膨脹與節(jié)流為基礎(chǔ)的循環(huán)

林德循環(huán)是以節(jié)流膨脹為基礎(chǔ)的液化循環(huán)，其溫降小，制冷量少，液化系數(shù)及制冷系數(shù)都

很低，而且節(jié)流過程的不可逆損失很大并無法回收。采用等烯膨脹，氣體工質(zhì)對外作功，能夠

有效地提高循環(huán)的經(jīng)濟性。

1902年，克勞特提出了膨脹機膨脹與節(jié)流相結(jié)合的液化循環(huán)稱之為克勞特循環(huán)，其流程及

在T—S圖中的表示見克勞特循環(huán)圖1,

空氣由1點（Tl、P1）被壓縮機I等溫壓縮至2點（P2、T1）經(jīng)換熱器n冷卻至點3后分

為兩部分，其中MKg進入換熱器n、山繼續(xù)被冷卻至點5,再由節(jié)流閥節(jié)流至大氣壓（點6）,

這時ZKg氣體變?yōu)橐后w。（M—Z）Kg的氣體成為飽和蒸氣返回。當(dāng)加工空氣為IKg時，另一

部分（1-M）Kg氣體，進入膨脹機膨脹至點4,膨脹后的氣體在換熱器III熱端與節(jié)流后返回

的飽和空氣相匯合，返回換熱器n”預(yù)冷卻MKg壓力為P2的高壓空氣，再逆向流過換熱器n,冷

卻等溫壓縮后的正流高壓空氣。

與分析簡單林德循環(huán)相同，克勞特循環(huán)的性能指標(biāo)可根據(jù)系統(tǒng)熱平衡式計算。取ABCD為系統(tǒng)

在穩(wěn)定工況下:

b

克勞特循環(huán)圖1

a—克勞特循環(huán)流程；b—克勞特循環(huán)在T—S圖上表示

絕熱效率是衡量膨脹機的實際膨脹偏離理論等焙膨脹程度的度量，將在后面膨脹機的章節(jié)

詳細討論。

與簡單林德循環(huán)相比較，克勞特循環(huán)的制冷量和液化系數(shù)都大，這是由于（1--M）工質(zhì)在

膨脹機中作功向多制取冷量的結(jié)果。

影響該循環(huán)制冷量及液化系數(shù)的因素主要有：膨脹機中的膨脹空氣量的多少；膨脹機機前

壓力P2；進膨脹機的溫度T3以及膨脹機效率。下面逐一分析各因素的影響：

1）當(dāng)膨脹前的壓力和溫度一定，增大進膨脹機的氣量，會提高制冷量及液化系數(shù)。但并非

越大越好。氣體去膨脹機量大了，去節(jié)流閥的氣體量就少了，膨脹機的制冷量就有可能不能全

部傳遞給正流氣體，也就是說換熱器n的工作有可能不正常。所以最佳的膨脹量（1--M）的確

定要兼顧兩個條件，既要滿足循環(huán)系統(tǒng)的熱平衡，又要俁證換熱器n的正常工作。

2）膨脹量及機前溫度一定，膨脹前的壓力P2與膨脹量的選取相同，是既要滿足循環(huán)的熱平

衡而乂保證換熱器n的正常工作的條件。從空氣的T--S圖可知，壓力升高等溫節(jié)流制冷量及等

焙膨脹的制冷量都大，所以Z實際、qO實際都會提高。但節(jié)流空氣量M未變，這時它有可能無

法帶走全部冷量，而不能正常。此外，P2還受到膨脹機后不能出現(xiàn)液體的限制，因而克勞特循

環(huán)具有最佳的P2值。

3）膨脹機進口溫度T3的確定，隨著此溫度的提高，等燧燧降增大，循環(huán)制冷量及液化系數(shù)

都增大。由于膨脹前溫度的提高，膨脹后的溫度也隨之提高，這會直接影響換熱器口的工作和

節(jié)流前溫度的提高，減少液化量。

綜上所述，在確定克勞特循環(huán)最佳參數(shù)時，不能僅僅以循環(huán)系統(tǒng)的平衡方面考慮，而必須

考慮其膨脹量與節(jié)流氣量的分配，也就是使換熱器傳熱工況盡可能的完善，這樣才能提高循環(huán)

的經(jīng)濟性。

從提高機前溫度T3可以增加膨脹機制冷量，而且對膨脹機的操作有利出發(fā)，海蘭德提出了

具有膨脹機之高溫高壓循環(huán)，稱之為海蘭德循環(huán)。此循仄將氣體等溫壓縮后約20MPa的常溫

氣體分兩部分，MKg氣體去節(jié)流，（1—M）Kg氣體進入膨脹機膨脹

第四節(jié)氧氣的性質(zhì)

氧是地球上分布最廣泛的化學(xué)元素之一?？諝庵芯秃屑s五分之一的氧（按體積）。氧氣

不但是工業(yè)生產(chǎn)所必須的氣體，也是地球上有生命的機體賴以生存的物質(zhì)。氧氣對于鋼鐵工業(yè)

主要是用來強化冶煉過程，例如：高爐富氧鼓風(fēng)煉鐵，純氧頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼等等。因此，對于氧

的性質(zhì)必須有所了解。

氧在常溫及大氣壓力下，為無色透明、無臭、無味的氣體，比空氣略重。液態(tài)氧是天藍色

透明而易于流動的液體。由于液氧溫度很低，與人體接觸時易引起凍傷，這是操作制氧機時必

須注意的安全問題。當(dāng)液氧冷卻至-218C時，它就成為藍色的固態(tài)結(jié)晶。

氧的化學(xué)性質(zhì)很活潑，它非常容易與其他物質(zhì)化合生成化合物，這樣的化學(xué)過程稱為氧化

反應(yīng)。如果氧化反應(yīng)是在純氧中進行，這種過程就進行的非常劇烈，同時放出大量的熱。用氧

氣強化鋼鐵冶煉過程就是利用這個道理。在純氧頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼時，吹入高純度氧氣

（98.5-99.6%）,氧便和碳以及磷、硫、硅等起氧化反應(yīng)，這不但降低了鋼的含碳量，清除磷、

硫、硅等雜質(zhì)，而且氧化過程中所產(chǎn)生的熱量足以維持煉鋼過程中所需要的溫度，因而縮短了

冶煉時間，提高了鋼的質(zhì)量。氧還可助燃。它與可燃性氣體（氫、乙烘、甲烷等）按一定比例

混合后易于爆炸。在火箭技術(shù)中液氧可作為氧化劑。液氧還可作炸藥，所以它是一種重要的國

防物品。各種油脂與壓縮的氧氣接觸時，可發(fā)生自燃現(xiàn)象。被氧飽和的衣服及其他紡織品與火

種接觸時立即著火，所以制氧車間要嚴禁煙火。氧還具有一種非常奇特的性質(zhì)，就是感磁性。

也就是說，氧分子在磁鐵的作用下可帶磁性，并可被磁極所吸引。根據(jù)氧的這種特性制作氧的

磁性分析儀，以分析氧的純度。由于氧在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展中有重要用途，因此人類早

已用不同方法制取氧氣。工業(yè)上制氧的方法有：化學(xué)法、電解法、吸附法和深冷法c其中深冷

法最經(jīng)濟，又能大量制取氧氣，因而成為目前工業(yè)上制取氧氣的主要方法。

深冷法制氧是以自然界中取之不盡、用之不竭的空穹為原料，使其在低溫下液化精餛，分

離為氧氣和氮氣?？諝夥蛛x裝置（通稱制氧機）就是利用深冷法分離空氣以制取氧氣和氮氣的

一種機械。低溫液化精微法的實質(zhì)就是利用氧、氮沸點不同把空氣分離為氧氣和氮氣。所以要

熟悉制氧機的操作原理，就必須了解空氣低溫液化精像原理，這一節(jié)就是介紹這方面的內(nèi)容。

第二章空分設(shè)備工藝流程

第一節(jié)空氣分離設(shè)備術(shù)語

在學(xué)習(xí)空分設(shè)備基本知識之前，我們先來了解空分設(shè)備上使用的一些術(shù)語。

一、空氣分離設(shè)備基本術(shù)語

1、空氣

存在于地球表面的氣體混合物。接近于地面的空氣在標(biāo)準狀態(tài)下的密度為1.2gkg/nf。主

要成分是氧、氮和僦；以體積含量計，氧約占20.95%,氮約占78.09%,僦約占0.932%,此外

還含有微量的氫及敏、氮、氮、綱等稀有氣體。根據(jù)地區(qū)條件不同，還含有不定量的二氧化碳、

水蒸氣及乙快等碳氫化合物。

2、加工空氣

指用來分離氣體和制取液體的原料氣。

3、氧氣

分子式分子量31.9988（按1979年國際原子量），無色、無臭的氣體。在標(biāo)準狀態(tài)下

的密度為L429kg/m3,熔點為54.75K,在101.325kPa壓力下的沸點為90.17K。化學(xué)性質(zhì)極活

潑，是強氧化劑。不能燃燒，能助燃。

4、工業(yè)用工藝氧

用空氣分離設(shè)備制取的工業(yè)用工藝氧，其含氧量（體積比）一般小于98機

5、工業(yè)用氣態(tài)氧

用空氣分離設(shè)備制取的工業(yè)用氣態(tài)氧，其氧含量（體積比）大于或等于99.2%。

6、高純氧

用空氣分離設(shè)備制取的氧氣，其氧含量（體積比）大于或等于99.995%

7、氮氣

分子式用，分子量28.0134（按1979年國際原子量），尢色、尢臭、的惰性氣體。在標(biāo)準

狀態(tài)下的密度為1.251k下泡,熔點為63.29K,在101.325k為威力下的沸點為77.35K。化學(xué)性質(zhì)

不活潑，不能燃燒，是一種窒息性氣體。

8、工業(yè)用氣態(tài)氮

用空氣分離設(shè)備制取的工業(yè)用氣態(tài)氮，其氮含量（體積比）大于或等于98.5%。

9、純氮

用空氣分離設(shè)備制取的氮氣，其氮含蓄量（體積比）大于或等于99.995%。

10、高純氮

用空氣分離設(shè)備制取的氮氣，其氮含蓄量（體積比）大于或等于99.9995%。

11、液氧（液態(tài)氧）

液體狀態(tài)的氧，為天藍色、透明、易流動的液體。在101.325kPa壓力下的沸點為90.17K,

密度為IMOkg/m:可采用低溫法用空氣分離設(shè)備制取液態(tài)或用氣態(tài)氧加以液化。

12、液氮（液態(tài)氮）

液體狀態(tài)的氮，為透明、易流動的液體。在10L325kPa壓力下的沸點為77.35K,密度為

81（kg/n?。可采用低溫法用空氣分離設(shè)備制取液態(tài)氮或用氣態(tài)氮加以液化。

13、液空（液態(tài)空氣）

液體狀態(tài)的空氣，為淺藍色、易流動的液體。在101.325kPa壓力下的沸點為78.8K,密度

為873kg/m\液空是空氣分離過程中的中間產(chǎn)物。

14、富氧液空

指氧含量（體積比）超過的20.95%的液態(tài)空氣。

15、微分液氮（污液氮）

在下塔合適位置抽出的、氮含量（體積比）一般為95%?96%的液體。

16、污氮

由上塔上部抽出的、氮含量（體積比）一般為95%~96%的液態(tài)體。

17、標(biāo)準狀態(tài)

指溫度為0°C、壓力為10L325kPa時的氣體狀態(tài)。

18、空氣分離

從空氣中分離其組分以制取氧、氮和提取版、笈、氯、氮、包等氣體的過程。

19、節(jié)流

流體通過銳孔膨脹血小作功來降低壓力。

20、節(jié)流效應(yīng)（焦耳一湯姆遜效應(yīng)）

氣體膨脹不作功產(chǎn)生的溫度變化。

21、膨脹：流體壓力降低，同時體積增加。

22、等端膨脹效應(yīng)：氣體在等嫡膨脹時，由于壓力變化產(chǎn)生的溫度變化。

23、空氣膨脹：空氣在膨脹機內(nèi)絕熱膨脹，同時對外作功的過程。

24、氮氣膨脹：氮氣在膨脹機內(nèi)絕熱膨脹，同時對外作功的過程。

25、一次節(jié)流的液化知循環(huán)（林德循環(huán)）

以高壓節(jié)流膨脹為基礎(chǔ)的氣體液化循環(huán)，其特點是循環(huán)氣體既被液化又起冷凍作用。

26、帶膨脹機的高壓液化循環(huán)（海蘭德循環(huán)）

對外作功的絕執(zhí)膨脹與節(jié)流膨脹配合使用的氣體液化循環(huán)，其特點是膨脹機進口的氣體

狀態(tài)為局壓常溫。

27、帶膨脹機的中壓液化循環(huán)（克勞特循環(huán)）

對外作功的絕執(zhí)膨脹與節(jié)流膨脹配合使用的氣體液化循環(huán)，其特點是膨脹機進口的氣體狀

態(tài)為中壓低溫。

28、帶膨脹機的低壓液化循環(huán)（卡皮查循環(huán)）

對外作功的絕熱膨脹與節(jié)流膨脹配合使用的氣體液化循環(huán)，其特點是膨脹機進口的氣體狀

態(tài)為低壓低溫。

29、斯特林循環(huán)：由兩個等溫過程和兩個等容過程組成的理論熱力循環(huán)。

整個循環(huán)通過等溫壓縮、等容冷卻、等溫膨脹、等容加熱等四個過程來完成。

30、升華：從固相直接轉(zhuǎn)變?yōu)槠嗟南嘧冞^程。

31、溫差：指冷熱流體兩表面或兩環(huán)境之間有熱量傳遞時的溫度差別。

32、熱端溫差：指冷熱流體間在換熱器熱端的溫度差。

33、中部溫差：指冷熱流體間在換熱器中部的溫度差。

34、冷端溫差：指冷熱流體間在換熱器冷端的溫度差。

35、液氧循環(huán)量

由冷凝蒸發(fā)器底部抽出部分液氧流經(jīng)吸附器，在清除這部分液氧中的碳氫化合物后再回入

冷凝蒸發(fā)器的液氧量。

36、入上塔膨脹空氣（拉赫曼空氣）

由下塔底部抽出部分空氣、經(jīng)切換式換熱港冷段復(fù)熱，進入透平膨脹機構(gòu)熱膨脹后直接送

入上塔參加精帽的空氣。

37液汽比（回流比）：在精微塔中下流液體量與上升蒸汽量之比。

38液泛：在精儲塔中上升蒸汽速度過高，阻止了液體正常往下溢流的工況。

39、漏液：在篩孔板精儲塔中因上升蒸汽速度過低，使液體從篩孔泄漏的工況。

40、變壓吸附

利用壓力效應(yīng)的吸附工藝在吸附一再生操作周期中，較高壓力下吸附，較低壓力下（或負

壓）下再生的過程。

41、跑冷損失

在低于環(huán)境溫度下工作的設(shè)備與周闈介質(zhì)存在的溫差所產(chǎn)生的冷量損失。

42、復(fù)熱不足損失

在換熱器熱端冷熱流體間存在的溫差而導(dǎo)致冷量回收不完全的損失。

43、冷量損失

指空氣分離設(shè)備的冷箱由于跑冷損失和復(fù)熱不足損失的冷量損失。

44、提取率：產(chǎn)品氣體組分的總含量與加工空氣中該組分的總含量之比。

45、單位能耗：指空氣分離設(shè)備生產(chǎn)單位產(chǎn)品氣體所消耗的電能。

46、低壓流程：正常操作壓力大于至小于或等于l.OMPa的工藝流程。

47、中壓流程：正常操作壓力大于l.OMPa至小于或等于5.OMPa的工藝流程。

48、高壓流程：正常操作壓力大于的5.OMPa工藝流程

49、高低壓流程：高壓流程與低壓流程相結(jié)合的流程。

50、帶分子篩吸附器低壓流程

采用分子篩吸附器來清除空氣中水分和二氧化碳及碳氫化合物的低壓流程。

51、空氣分離設(shè)備

以空氣為原料，用低溫技術(shù)把空氣分離成氧氮氧及其他稀有氣體的成套設(shè)備。

52、大型空氣分離設(shè)備

指生產(chǎn)氧氣產(chǎn)量大于或等于10000n?/h（標(biāo)準狀態(tài)）的成套空氣分離設(shè)備。

53、中型空氣分離設(shè)備

指生產(chǎn)氧氣產(chǎn)量大于或等于1000m3/h至小于10000m7h（標(biāo)準狀態(tài)）的成套空氣分離設(shè)備。

54、小型空氣分離設(shè)備

指生產(chǎn)氧氣產(chǎn)量小于100Cm7h（標(biāo)準狀態(tài)）的成套空氣分離設(shè)備

二、稀有氣體提取基本術(shù)語

1、稀有氣體提取設(shè)備

用以提取純氮、純嵐、純氮、純氮、純債等氣體產(chǎn)品的設(shè)備。一般需與空氣分離設(shè)備配用。

2、稀有氣體

指氮、就、氨、氮、包五種氣體。無色，無臭的氣體?？諝庵械捏w積含量為0.932虬在標(biāo)

準狀態(tài)下的密度為1.874kg/m\熔點為84K,在101.325kPa壓力下的沸點為87.291K。不活潑,

不能燃燒，也不助燃。主要用于金屬焊接、冶煉等。

2.3氧氣分子式Ar,原子量39.948（按1983年國際原子量），是一種無色、無臭的氣體。

空氣中的體積含量為0.932%o在標(biāo)準狀態(tài)下的密度為1.784kg/n?,熔點為84K。在101.325壓

力下的沸點為87.291K。不活潑，不能燃燒，也不能助燃。主要用于焊接、冶煉等。

4、純氮：用空氣分離設(shè)備提取的純氫，其氮含量（體積比）大于或等于99.99%。

5、液氫：液體狀態(tài)的氮，是一種無色、無臭、呈透明的液體。

6、強氣

分子式Ne,原子量20.179（按1983年國際原子量），是一種無色、無臭的氣體。空氣中

的體積含量為1.8X10^0在標(biāo)準狀態(tài)下的密度為0.8713kg/n?,熔點為24.57K。在101.325kPa

壓力下的沸點為27.09K。不活潑，不能燃燒，也不助燃。主要應(yīng)用于照明技術(shù)等。

7、純負：用空氣分離設(shè)備提取的純翅，其敏含量［體積比）大于或等于99.99機

8、液翅：液體狀態(tài)的敏陽一種無色、無臭呈透明的液體。液敏常用作低溫源。

9、氮氣

分子式He,原子量4.0026（按1983年國際原子量），是一種無色、無臭的氣體?？諝庵?/p>

3

的體積含為5.24X101%o在標(biāo)準狀態(tài)下的密度為0.1769kg/mo在101.325kPa壓力下的沸點為

4.215Ko不活潑，不能燃燒，也不助燃。主要用于檢漏、焊接、低溫研究、特種重金屬冶煉、

色譜分析載氣、潛水呼吸氣等。

10、純家：用空氣分離設(shè)備提取的純氮，其家含量（體積比）大于或等于99.99%。

11＞液氮

液體狀態(tài)的氮，為無色透明的液體，沸點最低，是一種最主要的低溫源。

12、氮氣

分子式Kr。原子量83.80（按1983年國際原子量）是一種尢色、尢臭的氣體。空氣中的

體積含量為1.0X10'%。在標(biāo)準狀態(tài)下的密度為3.6431kg/m\熔點116.2K。在10L325kPa壓

力下的沸點為119.79K。不活潑，不能燃燒，也不助燃。主要用于電真空及電光源等工業(yè)。

13、純氮：用空氣分離設(shè)備提取的純氮，其氨含量（體積比）大于或等于99.95%。

14、猷氣

分子式Xe。原子量131.80（按1983年國際原子量）是一種無色、無臭的氣體，空氣中的

體積含量為8.0X10%。在標(biāo)準狀態(tài)下的密度為5.89kg/n?。熔點161.65K。在壓力下的沸點為

165.02Ko不活潑，不能燃燒，也不助燃。主要用于電光源工業(yè)，也用于醫(yī)療、電真空、激光

等領(lǐng)域。

15、純晁：用空氣分離設(shè)備提取的純氤，其值含量〔體積比）大于或等于99.95機

16、氧一分

從上塔合適部位提取一股氧、氟、氮混合氣作為融提取設(shè)備的原料氣體。具組分（體積含

量）氮為氮一般小于0.06%,其余為氧。

17、氧回流液

在粗筑塔中精播洗滌下來的氧、氮、氮混合液，其組分與氮馀分氣體成相平衡。

18、粗瓶

由粗氮塔塔頂獲得的氮含量（體積比）大于或等于96%,其余為氧和氮的混合氣體。

19、富氧液空蒸汽：由粗氨塔冷凝器蒸發(fā)側(cè)的富氧液空蒸發(fā)形成的蒸汽。

20、富氧液空回流液

為避免粗氨冷凝器蒸發(fā)側(cè)富氧液空中碳氫化合物的濃縮，排放一部分富氧液空返回上塔。

21、笈氮偏分：從冷凝蒸發(fā)器頂部抽取的須、氫、氮混合氣體，作為笈氮提取設(shè)備的原料

氣。

22、粗嵐餡分

負氨鐳分經(jīng)粗敏氮塔分離而獲得負氨濃縮物。其息和氮的總含量（體積比）為301r50樂

其余為氮及少量氫的混合氣體。

23、筑家混合氣

經(jīng)除氫和氮后所獲得的翻氨混合氣體，其