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绪论1

1 气体5

1.1 气体的基本状态参数5

1.1.1 温度5

1.1.2 压力6

1.1.3 质量体积8

1.2 气体基本定律8

1.2.1 理想气体及其状态方程8

1.2.2 混合气体10

1.2.3 实际气体及其状态方程12

1.2.4 蒸气16

1.3 氧的性质18

1.3.1 氧的物理性质18

1.3.2 氧的化学性质23

1.4 氮的性质25

1.4.1 氮的物理性质25

1.4.2 氮的化学性质31

1.5 空气的性质32

1.5.1 空气的组成32

1.5.2 空气的基本性质32

2 热力学基础37

2.1 热力学常用的基本术语37

2.1.1 系统与外界37

2.1.2 状态与状态参数37

2.1.3 过程与循环过程37

2.1.4 可逆过程与不可逆过程38

2.1.5 平衡38

2.2 热力学第一定律38

2.2.1 功、热量、热功当量38

2.2.2 热力学能、焓40

2.3 热力学第二定律40

2.3.1 热力学第二定律的含义40

2.3.2 熵41

2.4 气体的热力性质图42

2.4.1 T-S图42

2.4.2 H-T图43

2.4.3 H-S图44

2.5 溶液热力学基础44

2.5.1 溶液44

2.5.2 溶液的基本定律46

2.5.3 亥姆霍兹自由能、吉布斯自由焓47

3 空气的液化49

3.1 获得低温的方法49

3.1.1 气体的节流49

3.1.2 压缩气体作外功制冷52

3.1.3 节流膨胀与等熵膨胀的比较52

3.2 气体液化循环的性能指标53

3.2.1 正向循环、热效率53

3.2.2 逆向循环、制冷系数53

3.2.3 气体液化的最小功54

3.2.4 实际液化循环的性能指标55

3.3 以节流为基础的循环55

3.4 以等熵膨胀与节流为基础的循环57

3.5 卡皮查循环59

3.6 海兰德循环60

4 空气的净化62

4.1 固体杂质的净除63

4.1.1 过滤除尘原理及性能指标63

4.1.2 空气过滤器64

4.2 化学法净化空气68

4.2.1 化学法除水68

4.2.2 化学法除二氧化碳69

4.3 自清除70

4.3.1 饱和与未饱和70

4.3.2 空气中二氧化碳的饱和74

4.3.3 不冻结条件76

4.3.4 保证自清除的最大允许温差78

4.3.5 保证自清除措施81

4.3.6 切换式换热器的切换周期82

4.3.7 自清除理论的评述83

4.4 吸附法84

4.4.1 吸附84

4.4.2 吸附剂85

4.4.3 吸附机理87

4.4.4 吸附器89

4.5 分子筛纯化系统91

4.5.1 分子筛纯化系统组织92

4.5.2 分子筛纯化器92

4.6 分子筛纯化器的使用及节能96

4.6.1 对吸入空气的要求96

4.6.2 再生操作条件的确定98

4.6.3 双层床吸附器99

4.6.4 加热器及节能99

5 空分的换热设备102

5.1 传热基本方式102

5.1.1 导热传热102

5.1.2 对流传热103

5.1.3 辐射传热104

5.2 间壁式换热器的传热105

5.2.1 传热基本方程式105

5.2.2 传热的实际计算106

5.2.3 强化传热的措施110

5.2.4 低温换热器的特点111

5.3 板翅式换热器112

5.3.1 板翅式换热器的特点112

5.3.2 板翅式换热器的结构113

5.3.3 板翅式换热器的组合及制造115

5.3.4 通过翅片的传热117

5.3.5 板翅式主热交换器121

5.4 蓄冷器124

5.4.1 蓄冷器的结构124

5.4.2 蓄冷器的温度工况128

5.5 冷凝蒸发器132

5.5.1 液氧沸腾传热132

5.5.2 气氮冷凝134

5.5.3 主冷的传热温差135

5.5.4 主冷凝蒸发器的结构135

5.6 氮水预冷器140

5.7 其他换热器143

5.7.1 过冷器143

5.7.2 氩系统中的换热器143

6 空气的分离145

6.1 空气分离最小功145

6.2 气液相平衡146

6.2.1 气液相平衡机理146

6.2.2 氧、氮混合物气液相平衡状态及其应用149

6.3 空气的精馏155

6.3.1 空气的简单蒸发和简单冷凝过程156

6.3.2 空气的部分蒸发和部分冷凝157

6.3.3 空气的精馏过程159

6.4 单级精馏塔与双级精馏塔162

6.4.1 单级精馏塔162

6.4.2 双级精馏塔164

6.5 双级精馏塔的物料平衡和能量平衡168

6.5.1 下塔的物料平衡与能量平衡168

6.5.2 上塔的物料平衡与能量平衡169

6.5.3 全塔的物料平衡与能量平衡170

6.6 氧-氮二元系精馏计算171

6.6.1 精馏塔塔板上的工作过程171

6.6.2 上塔的操作方程及理论塔板数174

6.6.3 液空进料口位置的确定176

6.6.4 全塔效率及板效率179

6.6.5 逐板计算法183

6.6.6 回流比对精馏工况的影响184

6.7 筛板塔186

6.7.1 筛板塔的典型结构186

6.7.2 筛板塔的气液流动工况及主要参数选择187

6.7.3 筛板塔的板间距191

6.8 填料塔192

6.8.1 填料193

6.8.2 填料塔的流动工况197

6.8.3 填料塔的传质规律198

6.8.4 填料层高度的确定200

6.8.5 填料塔塔内件202

6.8.6 对填料的评价及填料塔与筛板塔对比204

7 活塞式压缩机208

7.1 压缩机分类208

7.2 活塞式压缩机概述209

7.3 活塞式压缩机工作原理209

7.3.1 工作过程209

7.3.2 实际过程及示功图212

7.4 活塞压缩机的参数计算213

7.4.1 排气温度213

7.4.2 排气量214

7.4.3 实际功及功率218

7.5 多级压缩220

7.5.1 多级压缩工作原理220

7.5.2 多级压缩优点221

7.6 活塞压缩机的结构223

7.6.1 工作部件225

7.6.2 运动部件231

7.6.3 机身232

7.6.4 润滑系统233

7.6.5 冷却系统233

7.6.6 无油润滑氧压机结构特点234

7.7 排气量调节236

7.7.1 转速调节236

7.7.2 管路调节237

7.7.3 顶开吸气阀调节237

7.7.4 辅助容积调节237

8 离心式压缩机239

8.1 离心式压缩机概述239

8.2 基本参数及基本方程式240

8.2.1 级及段240

8.2.2 主要元件的作用240

8.2.3 主要参数的表示法241

8.2.4 基本方程式242

8.2.5 音速及马赫数244

8.3 离心式压缩机的工作原理244

8.3.1 叶轮的构造与工作原理244

8.3.2 扩压器的工作原理248

8.4 级的实际耗功、损失及效率250

8.5 级内气体参数255

8.5.1 温度255

8.5.2 压力及质量体积256

8.6 性能曲线及调节259

8.6.1 性能曲线259

8.6.2 管网的特性曲线261

8.6.3 压缩机和管网的联合工作261

8.6.4 常见的几种调节方法262

8.6.5 离心压缩机的并联263

8.7 离心压缩机组263

8.7.1 离心压缩机本体264

8.7.2 传动269

8.7.3 润滑270

8.8 典型离心压缩机举例271

8.8.1 带中间冷却器的单轴离心压缩机271

8.8.2 H型离心压缩机（双轴离心压缩机）271

8.8.3 内置冷却器的单轴离心压缩机273

8.8.4 筒型离心压缩机274

8.8.5 轴流加离心压缩机275

8.8.6 汽轮机简介277

8.8.7 离心式氧压机和氮压机279

9 低温液体泵282

9.1 离心式低温液体泵282

9.1.1 离心泵的工作原理282

9.1.2 泵的特性参数283

9.1.3 离心泵的性能曲线284

9.1.4 离心泵的汽蚀285

9.1.5 离心泵的结构285

9.1.6 离心泵的轴封286

9.1.7 低温离心泵的维护及故障288

9.2 往复式低温泵289

9.2.1 往复式低温泵的工作原理289

9.2.2 往复泵的性能参数290

9.2.3 往复式低温泵的结构292

9.2.4 往复泵的维护及故障293

9.3 低温泵的选择及对比294

10 膨胀机295

10.1 膨胀机的作用及分类295

10.2 透平膨胀机工作原理296

10.2.1 气体对外作功的实现297

10.2.2 能量平衡式297

10.2.3 速度三角形298

10.2.4 蜗壳内的气体流动300

10.2.5 导流器的气体流动300

10.2.6 工作轮的气体流动302

10.3 透平膨胀机的损失、产冷量及效率304

10.3.1 损失304

10.3.2 等熵效率306

10.4 透平膨胀机的性能曲线及调节307

10.4.1 性能曲线307

10.4.2 制动器形式308

10.4.3 透平膨胀机的调节方法308

10.5 透平膨胀机的结构311

10.5.1 透平膨胀机的本体结构311

10.5.2 膨胀机的润滑系统316

10.6 典型透平膨胀机举例316

10.6.1 低压透平膨胀机316

10.6.2 中压透平膨胀机318

10.6.3 气体轴承透平膨胀机319

10.6.4 液体膨胀机320

10.7 活塞式膨胀机322

10.7.1 工作过程322

10.7.2 配气相图322

10.7.3 主要参数323

10.7.4 气体流量、损失及效率324

10.7.5 冷量调节方法及调节机构324

10.7.6 典型结构326

11 制氧流程329

11.1 概述329

11.1.1 制氧机分类329

11.1.2 制氧机的性能指标及评价329

11.1.3 国产空气分离设备的型号规定333

11.1.4 制氧机的发展333

11.2 制氧机典型流程335

11.2.1 150m3／h制氧机（中压）335

11.2.2 3200m3／h制氧机（蓄冷器自清除）336

11.2.3 10000m3／h制氧机（可逆式换热器自清除）337

11.2.4 30000m3／h制氧机（外压缩）338

11.2.5 52000m3／h制氧机（内压缩）339

11.2.6 全液体制氧机340

11.3 外压缩制氧流程分析341

11.3.1 外压缩制氧流程组织341

11.3.2 外压缩流程的主要参数353

11.4 内压缩流程分析357

11.4.1 内压缩流程组织357

11.4.2 内压缩流程主要参数362

11.5 液化装置及全液体空分的流程分析362

11.5.1 氧、氮液化装置的流程组织362

11.5.2 全液体空分装置365

11.6 小型空分装置的流程分析368

11.6.1 空压机368

11.6.2 纯化器368

11.6.3 膨胀机369

11.6.4 分馏塔369

11.7 内、外压缩流程对比及流程的选择369

11.7.1 内、外压缩流程的对比369

11.7.2 流程的选择370

11.8 流程设计计算373

11.8.1 设计计算方法373

11.8.2 流程计算举例374

11.9 能耗计算及节能387

11.9.1 能耗计算387

11.9.2 空分的节能389

12 空分的稀有气体提取392

12.1 稀有气体的性质及用途392

12.1.1 稀有气体的基本性质392

12.1.2 稀有气体的主要用途392

12.2 提取方法简述396

12.2.1 稀有气体在空分塔的分布396

12.2.2 基本的提取方法397

12.2.3 稀有气体的制备概述398

12.3 氩的制取399

12.3.1 氩在主塔的富集399

12.3.2 配粗氩塔时主塔的技术改造401

12.3.3 传统的制氩流程403

12.3.4 全精馏制氩412

12.3.5 氩提取率413

12.3.6 两种制氩方法的对比414

12.4 氖、氦的提取415

12.4.1 概述415

12.4.2 粗氖、氦气的制备415

12.4.3 纯氖氦混合气的制备416

12.4.4 纯氖氦混合气分离制纯氖和纯氦417

12.5 氪、氙的提取418

12.5.1 氪、氙提取的特点418

12.5.2 基本流程419

12.5.3 新型氪、氙提取装置422

13 制氧机的过程检测与自动控制426

13.1 概述426

13.2 过程参数检测仪表427

13.2.1 检测仪表的基本性能指标427

13.2.2 制氧机检测仪表428

13.3 自动调节系统简介440

13.3.1 自动调节系统的组成440

13.3.2 几种自动调节作用441

13.3.3 控制阀445

13.4 集散控制系统446

13.4.1 概述446

13.4.2 DCS的基本结构447

13.4.3 集散控制系统性能指标及评估448

13.4.4 空分集散控制系统举例450

13.4.5 空分组态软件的组态原则及控制分析451

13.4.6 ESD系统452

13.5 自动变负荷453

13.5.1 概述453

13.5.2 液氧与液氮周期倒灌的自动变负荷（VAROX）453

13.5.3 自动变负荷（ALC）454

13.6 现场总线控制系统461

14 制氧机操作463

14.1 制氧机的调试463

14.1.1 气密性检查463

14.1.2 裸体冷冻464

14.2 启动操作465

14.2.1 启动操作的特点465

14.2.2 设备冷却阶段465

14.2.3 积累液体阶段467

14.2.4 精馏工况的调整阶段468

14.2.5 充液启动方法469

14.3 正常操作469

14.3.1 分子筛纯化器的操作470

14.3.2 液面调节470

14.3.3 精馏工况调节472

14.3.4 氩系统精馏工况调节473

14.4 手动变负荷操作475

14.4.1 增加液氧产量的变工况操作475

14.4.2 变化空气量的手动变负荷476

14.4.3 对手动变负荷操作的分析476

14.5 加温解冻和吹除操作477

14.5.1 冷状态的加温操作477

14.5.2 热状态的加温操作477

14.6 内压缩流程的操作特点478

14.6.1 一拖二机组的操作478

14.6.2 精馏工况的调节478

14.6.3 主换热器479

14.6.4 启动操作479

14.7 全液体空分操作特点480

14.7.1 一体机的操作480

14.7.2 启动操作480

15 制氧机的安全及故障诊断481

15.1 制氧机的安全问题481

15.1.1 危险源识别481

15.1.2 人身安全保护483

15.2 制氧机故障诊断483

15.2.1 常见故障举例483

15.2.2 实时故障诊断专家系统488

附录492

附表1 低温工质的基本物理-化学性质492

附表2 单位换算493

参考文献495