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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