第一章　氣體深冷分離工藝基礎(chǔ)

第一節(jié)　原料、產(chǎn)品、半成品的組成及性質(zhì)

1.空氣的物理性質(zhì)

（1）溫度　溫度是描述空氣冷熱程度的物理量，主要有三種標(biāo)定方法：攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)和絕對溫標(biāo)（又稱熱力學(xué)溫標(biāo)或開氏溫標(biāo)）。

（2）壓力　空氣的壓力就是當(dāng)?shù)氐拇髿鈮海梅?span id="4dk61me" class="italic">p表示。常用單位有國際單位帕（Pa）；工程單位kfg/cm2；液柱高單位毫米汞柱（mmHg）和毫米水柱（mmH2O）。

（3）濕度　空氣濕度是指空氣中含水蒸氣量的多少，有以下幾種表示方法。

①絕對濕度。即每平方米空氣中含有水蒸氣的質(zhì)量，用符號γZ表示,單位為kg/m3。如果在某一溫度下，空氣中水蒸氣的含量達(dá)到了最大值，此時的絕對濕度稱為飽和空氣的絕對濕度，用γB表示。

②相對濕度。為了能準(zhǔn)確說明空氣中的干濕程度，在空調(diào)中采用了相對濕度這個參數(shù)，它是空氣的絕對濕度γZ與同溫度下飽和空氣的絕對濕度γB的比值，用符號Φ表示。

（4）比焓　空氣的焓值是指空氣中含有的總熱量，通常以干空氣的單位質(zhì)量為基準(zhǔn)，稱作比焓，工程上簡稱焓。因此，空氣的比焓是指1kg干空氣的焓和與它相對應(yīng)的水蒸氣的焓的總和，用符號h表示，單位是kJ/kg。

（5）密度和比容　空氣的密度是指每立方米空氣中干空氣的質(zhì)量與水蒸氣的質(zhì)量之和，用ρ表示，單位為kg/m3。空氣的比容是指單位質(zhì)量的空氣所占有的容積，用符號ν表示，單位為m3/kg。因此空氣的密度與比容互為倒數(shù)關(guān)系。

（6）空氣的密度　空氣具有一定的質(zhì)量，質(zhì)量常用密度來表示。密度是單位體積內(nèi)空氣的質(zhì)量，用ρ表示。

ρ=M/V

式中M、V分別為氣體的質(zhì)量與體積。

（7）空氣的黏度　黏度是空氣質(zhì)點相對運動時產(chǎn)生阻力的性質(zhì)。空氣黏度的變化只受溫度變化的影響，而壓力變化對其影響甚微，可忽略不計?？諝獾倪\動黏度與溫度的關(guān)系如下。

（8）空氣的壓縮性與膨脹性　當(dāng)氣體的壓力變化時體積隨之改變的性質(zhì)稱為氣體的壓縮性；氣體因溫度變化體積隨之改變的性質(zhì)稱為氣體的膨脹性?？諝獾膲嚎s性和膨脹性都遠(yuǎn)大于液體的壓縮性和膨脹性。氣體的體積隨溫度和壓力的變化規(guī)律服從氣體狀態(tài)方程。

2.空氣及其組成氣體的性質(zhì)

空氣是一種多組分混合氣體，其主要組分是氧、氮、氬、二氧化碳，還有微量的稀有氣體（氖、氦、氪、氙）、甲烷及其他碳?xì)浠衔?、氫、臭氧等。此外，空氣中還有量少而不定的水蒸氣及灰塵等?？諝獾慕M成如下。

若不考慮水蒸氣、二氧化碳和各種碳?xì)浠衔?，則地面至100km高度的空氣平均組成保持恒定值。在25km高空臭氧的含量有所增加。在更高的高空，空氣的組成隨高度而變，且明顯地同每天的時間及太陽活動有關(guān)。

常溫下的空氣是無色無味的氣體，液態(tài)空氣則是一種易流動的淺黃色液體。一般當(dāng)空氣被液化時二氧化碳已經(jīng)清除掉，因而液態(tài)空氣的組成是20.95%氧，78.12%氮和0.93%氬，其他組分含量甚微，可以略而不計。

空氣作為混合氣體，在定壓下冷凝時溫度連續(xù)降低，如在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.3kPa）下，空氣于81.7K（露點）開始冷凝，溫度降低到78.9K（泡點）時全部轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡鸵后w。這是由于高沸點組分（氧、氬）開始冷凝較多，而低沸點組分（氧）到過程終了才較多地冷凝。

液態(tài)空氣作為混合液，在定壓蒸發(fā)時蒸發(fā)溫度也是連續(xù)變化的。隨著蒸發(fā)過程的進(jìn)行，因低沸點組分氮較多地蒸發(fā)，混合液組成發(fā)生變化，致使液體的高組分氧含量相應(yīng)地增加，所以沸點也就相應(yīng)提高。

液態(tài)空氣具有較低的沸點約81.62K和凝固溫度（約60.15K），可以用作冷卻劑。通過減壓（抽真空）的方法，還可以將其沸點溫度降低到65K左右。但是這種操作是危險的，因為蒸發(fā)會使剩余液體中氧的濃度增加，在減壓用的真空泵里引起爆炸。

空氣中除氧、氮外還含有氬、氖、氦、氪、氙等稀有氣體。氬是一種無色無味的氣體；不燃燒，也不助燃；化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，一般狀態(tài)下不生成化合物，沒有毒性。

（1）氧氣的物理性質(zhì)　氧氣在常溫常壓下是無色無味的氣體。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為1.43kg/m3，比空氣略重。氧氣較難溶解于水；在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氧在-182.9℃時變?yōu)橐琢鲃拥牡{(lán)色液體，在-218.7℃凝固成無色透明的結(jié)晶。氧氣與其他大多數(shù)氣體的顯著不同在于具有較強的順磁性和助燃性。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氧在90.188K時變?yōu)橐子诹鲃拥牡{(lán)色液體；在54.4K時凝固成淡藍(lán)色的固體結(jié)晶。液氧和固態(tài)氧的淡藍(lán)色是含有少量的氧聚合物O4而引起的。

雖然氧的沸點比氮幾乎高13K，可是它的凝固點卻比氮低約9K。固態(tài)氧的密度大，因此在液氧中下沉。在43.80K和23.89K時，固態(tài)氧發(fā)生同素異形轉(zhuǎn)變，并伴隨有轉(zhuǎn)化熱。在40.80K時轉(zhuǎn)化熱超過溶化熱，約為23.2kJ/kg；在23.89K時轉(zhuǎn)化熱只有2.93kJ/kg。

（2）氧氣化學(xué)性質(zhì)及用途　氧氣的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，它能跟許多物質(zhì)（單質(zhì)或化合物）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時放出熱量；反應(yīng)劇烈時還燃燒發(fā)光。由于氧的化學(xué)活性很強，是一種強氧化劑，所以氧同碳?xì)浠衔锘旌鲜呛芪ｋU的，液氧中存在碳?xì)浠衔锝Y(jié)晶體已不止一次引起過嚴(yán)重的爆炸事故。因此，液氧必須嚴(yán)格避免同各種油脂、潤滑油、炭、木材、瀝青、紡織物品接觸。

氧氣用于金屬的焊接及切割，氣焊時氧與乙炔相混合可以加速乙炔的燃燒過程。

氧氣被廣泛地應(yīng)用于高爐及煉鋼生產(chǎn)中和鐵鋼的熔煉過程及軋鋼過程中，在由礦石熔煉生鐵的高爐中把氧吹入爐中可使高爐的生產(chǎn)能力提高80%。當(dāng)在轉(zhuǎn)爐頂吹氧氣煉鋼時可大大提高煉鋼速度，提高生產(chǎn)能力，改善鋼的質(zhì)量，降低成本并節(jié)省燃料。

氧氣也是化肥工業(yè)上的煤汽化、重油汽化常用的汽化劑和氧化劑。

（3）氮氣的物理性質(zhì)　氮氣在常溫下是一種無色無味的氣體，比空氣稍輕，難溶于水。它不能燃燒也不能助燃，可用來滅火。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為1.25kg/m3，在-195.8℃時變?yōu)橐琢鲃拥囊后w，液氮冷卻到-210.0℃時轉(zhuǎn)變成透明的結(jié)晶體。液氮的蒸發(fā)溫度為77.36K。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，液氮冷卻到63.2K時轉(zhuǎn)變成無色透明的結(jié)晶體。液氮的沸點和凝固點之間的溫差不到15K，因而在用真空泵減壓時容易使其固化。因固態(tài)氮的密度比液氮大，所以沉降在底部。在大約35.6K時，固態(tài)氮產(chǎn)生同素異形轉(zhuǎn)變，并伴隨比熱容的增大。轉(zhuǎn)化熱約為8.2kJ/kg。氮氣為惰性氣體，對人有窒息性。

產(chǎn)品氣體物性常數(shù)表見表1-1。

（4）氮氣化學(xué)性質(zhì)及用途　氮氣的化學(xué)性質(zhì)不活潑，在通常情況很難跟其他元素直接化合，故可用作保護(hù)氣體；但在高溫下，氮能夠同氫、氧及某些金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。氮無毒，又不能磁化，其沸點比空氣低，所以液氮是低溫研究中最常用的安全冷卻劑，但需當(dāng)心窒息。液氮也用于氫、氦液化裝置中，作為預(yù)冷。液氮應(yīng)小心儲存，避免同碳?xì)浠衔镩L時間的接觸，以防止碳?xì)浠衔镞^量溶于其中而引起爆炸。

氮氣除了用于化肥工業(yè)上的合成氨的原料氣外，還用于化工生產(chǎn)，煉鋼等保護(hù)氣，吹洗設(shè)備，液氮在火箭技術(shù)中應(yīng)用，壓送氧化劑等。

氮氣在許多場合可作為易燃易爆物質(zhì)的保護(hù)氣。在空分裝置的保冷箱內(nèi)充以干燥氮氣，保證一定正壓，可以排除濕氣和防止氧的積聚。