但是，按理论计算则非常复杂。通常是根据实验测定，将它们的关系制成热力性质表，可从表中查取相关的数据，但这也不太方便。因为表中给出的数据不是连续的，往往还要用插入法计算中间的数据。在实际使用时，为了方便，将它们之间的关系用坐标图的形式表示，这种图就叫“热力性质图”。 在平面直角坐标图上，根据纵坐标和横坐标的数值，就可在平面上确定一个点。这正如根据几排、几号可以确定坐位一样，根据经度、纬度可以确定地理位置一样。在热力性质图上的一个点就表示一个状态。在状态点确定以后，可以直接从图上查到其它相关的状态参数。
以哪两个状态参数为坐标是任意的，主要是看如何使用方便。以焓和熵为坐标叫“焓-熵图”(h-s图)；以温度和熵为坐标叫“温-熵图”(T-s图)。对同一种物质，从不同的热力性质图上查到的结果应该是相同的。
46.在空分技术资料中经常看到气体的温一墒图、烩一墒图等，如何使用?
答：温-熵图(T-S图)与焓-熵图(h-S图)的形状如图8所示。对不同的物质(氧、氮、空气等)可分别绘制出不同的热力性质图，但它们具有相似的形状。
在热力性质坐标图上，从纵坐标和横坐标按水平线或垂直线分别可以表示出该状态参数的数值。其他参数以等值曲线的形式表示在图上，以便查到该参数的数值。例如在T-S图上(图8a)，纵坐标为温度，横坐标为熵，图上标有等压线、等焓线等；在h-s图上(图8b)，纵坐标为焓，横坐标为熵，在图上标有等温线、等压线等。沿等值线上的各点，表示该状态参数相等。根据两个独立的状态参数数值，就可以在图上确定一个状态点，其它状态参数的数值就可以根据该点与等值线的相对位置就可以相应地确定。例如根据T1和，在图上可以确定点1，相应地可以查到它的焓值h1和熵值s1
由于在计算时还会遇到气液共存的饱和状态及液态，在热力性质图上往往也包括湿蒸气及液态的范围。在T-s图上的下方，有一条凸形的曲线(粗线)，叫饱和曲线。曲线的顶点C即为临界状态点，左侧的一半饱和曲线是饱和液体线，右侧的一半是饱和蒸气线。曲线的下方为气、液共存的湿蒸气区；上方是过热蒸气区，临界温度Tc以下的左侧区是液体区。
在湿蒸气区，相同压力下整个气化阶段温度保持不变，所以该区域的等压线即为等温线(水平线)。其中气、液的比例(叫干度z)根据它离该压力下饱和液体点(z=0)及饱和蒸气点(x=1)的相对位置确定，图上也标出了等干度线(x=0.1，…0.9等)。
在h-s图上的下方也有一条饱和曲线(粗线)，下方为湿蒸气区。在该区域的等压线即为等温线，可从与饱和曲线的交点查到湿蒸气的温度。在上部的过热蒸气区的等温线是微上凸的曲线。从纵坐标上可直接查到它的比焓值(kJ/kmol)，所以它对膨胀机的计算最为方便。在湿蒸气区，因为压力和温度不是独立的参数，所以它也表示出了等干度线，以便确定其含湿的状态。
3制氧流程
47.低温法空气分离设备常见的流程有哪几种.各有什么特点?
答：低温法分离空气设备均由以下四大部分组成：空气压缩、膨胀制冷；空气中水分、杂质等净除；空气通过换热冷却、液化；空气精馏、分离；低温产品的冷量回收及压缩。各部分实现的方式和采用的设备不同，组成不同的流程。 (1)根据制冷方式分类
1)按工作压力分为高压流程、中压流程和低压流程。高压流程的工作压力高达10.0～20.0MPa，制冷量全靠节流效应，不需膨胀机，操作简单，只适用于小型制氧机或液氮机。中压流程的工作压力在1.0～5.0MPa，对于小型空分装置由于单位冷损大，需要有较大的单位制冷量来平衡，所以要求工作压力较高，此时，制冷量主要靠膨胀机，但是节流效应制冷量也占较大的比例。低压流程的工作压力接近下塔压力，它是目前应用最广的流程，该装置具有低的单位能耗；
2)按膨胀机的型式分为活塞式、透平式和增压透平式。活塞式膨胀量小，效率低，只用于一部分旧式小型装置。透平式由于效率高，得到最广泛的应用。对低压空分装置，由于膨胀后的空气进入上塔参与精馏，希望在满足制冷量要求的情况下膨胀量尽可能地小，以提高精馏分离效果。增压透平是利用膨胀机的输出功，带动增压机压缩来自空压机的膨胀空气，进一步提高压力后再供膨胀机膨胀，以增大单位制冷量，减少膨胀量。这在新的低压空分流程中得到越来越广泛的应用；
3)按膨胀气体分为空气膨胀流程和氮膨胀流程。膨胀后空气进上塔会影响精馏；氮气膨胀使主冷中氮的冷凝量减少，即进入上塔的回流液减少，同样对上塔精馏有影响，二者各有优缺点。 (2)按净化方式分类
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1)冻结法净除水分和CO2。空气在冷却过程中，水分和CO2在换热器通道内析出、冻结；经一定时间后将通道切换，由返流污氮气体将冻结的杂质带走。根据换热器的型式不同，又分为蓄冷器和板翅式切换式换热器。这种方式切换动作频繁，启动操作较为复杂，技术要求高，运转周期为1年左右； 2)分子筛吸附净化流程。空气在进入主换热器前，已由吸附器将杂质净除干净。吸附器的切换周期长，使操作大大简化，纯氮产品量不再受返流气量要求的限制，运转周期可达两年或两年以上，目前受到越来越广泛的应用。 (3)按分离方式分类
低温法分离空气是靠精馏塔内的精馏过程。
1)根据产品的品种分为生产单高产品、双高产品、同时提取氩产品或全提取稀有气体等流程； 2)根据精馏设备分为筛板塔和规整填料塔等。 (4)按产品的压缩方式分类
可分为分离装置外压缩和装置内压缩两类。装置外压缩是单独设置产品气体压缩机，对装置的工作没直接影响。装置内压缩是用泵压缩液态产品，再经复热、气化后送至装置外。相对来说内压缩较为安全，但是，液体泵是否正常将直接影响到装置的运转。
48.用深冷法制氧的设备在安全上有何特点?
答：利用深冷法制氧，首先要将空气液化，再根据氧、氮沸点不同将它们分离开来。空气液化必须将温度降到-140.6℃以下。一般空气分离是在-172～-194℃的温度范围进行的。用深冷法制氧的设备具有以下特点：
1)低温换热器、精馏塔等低温容器及管道置于保冷箱内，并充填有热导率低的绝热材料，防止从周围传入热量，减少冷损，否则设备无法运行；
2)用于制造低温设备的材料，要求在低温下有足够的强度和韧性，以及有良好的焊接、加工性能。常用铝合金、铜合金、不锈钢等材料；
3)空气中高沸点的杂质，例如水分、二氧化碳等，应在常温时预先清除。否则会堵塞设备内的通道，使装置无法工作；
4)空气中的乙炔和碳氢化合物进入空分塔内，积聚到一定程度，会影响安全运行，甚至发生爆炸事故。因此，必须设置净化设备将其清除；
5)贮存低温液体的密闭容器，当外界有热量传入时，会有部分低温液体吸热而气化，压力会自动升高。为防止超压，必须设置可靠的安全装置；
6)低温液体漏入基础，会将基础冻裂，设备倾斜。因此必须保证设备、管道和阀门的密封性，要考虑热胀冷缩可能产生的应力和变形；
7)被液氧浸渍过的木材、焦炭等多孔有机物质，当接触火源或给以一定的冲击力时，会发生激烈的燃爆。因此，冷箱内不允许有多孔性的有机物质。对液氧的排放，应预先考虑有专门的液氧排放管路和容器，不能走地沟；
8)低温液体长期冲击碳素钢板，会使钢板脆裂。因此，排放低温液体的管道及排放槽不能采用碳素钢制品；
9)氮气、氩气是窒息性气体，其液体排放管应引至室外。气体排放管应有一定的排放高度，排放口不能朝向平台楼梯；
10)氧气是强烈的助燃剂，其排放管不能直接排在不通风的厂房内。
49.为什么大、中型空分设备适合采用全低压流程?
答：降低空分设备的工作压力，可以降低产品的单位能耗。全低压空分设备的工作压力接近下塔的工作压力，而小型空分设备的工作压力是远高于下塔的压力。工作压力低，膨胀产生的单位制冷量也少。为了保持冷量平衡，首先要求单位冷损也小。对大型空分设备，单位跑冷损失随着装置容量增大而减小，同时，设计时也选取较小的热端温差，单位热交换不完全冷损失相对也较小，这为降低工作压力创造了有利条件。
此外，工作压力低，就要求膨胀机有高的效率，以便在同样压差的情况下能产生较大的制冷量。透平膨胀机随着容量增大，最佳转速降低，效率提高。因此，它对大型空分设备最为适合，使降低工作压力成为可能。
对于小型空分设备，相对的冷损大，即使采用透平膨胀机，转速高达105r/min以上，效率也较低，维护管理要求很高。此外，对于大型空分设备，膨胀量相对于加工空气量较小，膨胀制冷后的空气仍
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可参与精馏，从中提取氧。而小型空分设备若采用低压流程，因为产生制冷量所需的膨胀气量大，不能全部参与精馏，氧的提取率就很低，单位产品的能耗仍然会很大。因此，全低压流程对大、中型空分装置最为适合。
目前，随着分子筛吸附净化和增压透平流程的采用，以及板翅式热交换器技术的进步，低压空分设备的最小容量已设计到340m3/h氧产量，800m3/h氮产量(KDON-340/800)，空压机的排气压力为0.59MPa。
50.空气预冷系统有哪几种型式?
答：空分装置希望压缩空气进装置时的温度尽可能低，以降低空气中的饱和水含量和主换热器的热负荷等。而空压机实际上不可能实现等温压缩，末级压缩后的空气温度可高达80～90℃。因此，空气在空压机后，进空分装置前，要对空气进行冷却。尤其是对分子筛吸附净化流程，由于分子筛的吸附容量与温度有关，温度越低，吸附容量越大。因而降低空气温度可以缩小吸附器的设计尺寸。在运转时，就能保证净化效果，或可延长切换时间，减少切换损失。因此，空气在压缩机后更要求预先将压缩空气冷却到尽可能低的温度，然后再进入吸附器。 目前采用的空气预冷系统有以下几种型式：
1)带低温水的空气冷却塔。用喷淋水与空气直接接触来冷却压缩空气。冷却水来自两部分：用污氮在水冷却塔中降低冷却水的温度后，再用泵供至空气冷却塔；另一部分用冷冻机的蒸发器提供的4～6℃的低温水，进一步将空气冷却到8～10℃的温度(见图9)。这种冷却方式是靠气、液直接接触进行换热的。它的能耗低，但操作不当有可能产生带水事故，使纯化器或主热交换器不能正常工作； 2)低温水间接冷却系统。空气经压缩机末端冷却器冷却至40℃后，再在预冷器中被低温水间接冷却至8℃。低温水由冷冻机提供。这种系统设备简单，布置紧凑，又可避免吸附器进水，但能耗较高； 3)空气与冷冻机直接换热的系统。压缩空气在经过末端冷却器冷却至40℃后，进入冷冻机的蒸发器，靠冷冻剂蒸发吸热直接对空气进行冷却。这样，不需经过低温水间接冷却，可以减小传热热阻，提高换热效果。同时，还节省了低温水循环水泵。但是，冷冻机的蒸发器需要为冷却空气而专门进行设计，设备投资大，能耗高；
4)污氮蒸发冷却系统。对于氮气产品质量没有要求的用户，可以增大污氮数量，充分利用排出冷箱的干燥污氮的吸热潜力，在水冷却塔中吸收水的蒸发潜热，将冷却水温降至12～14℃，然后再在空气冷却塔中用水将空气冷却至16℃。它类似于原先的氮水预冷系统。由于省去了冷冻机，可以减少这方面的投资，也避免了冷冻机事故对装置运转的影响。但是纯化器的投资会有所增加；
5)直接用机后冷却器冷却。当采用变压吸附再生的净化系统时，对空气的温度要求较宽容，只要小于40℃即可。因此，只要将压缩机的机后冷却器设计得留有一定余地，能将空气冷却到37℃就能满足要求。这样系统大为简化，省去水泵，采用间接冷却还可避免带水事故。
51.将冻结法净化流程改为分子筛净化流程时，空气预冷系统相应地需要做哪些改造， 有哪几种方式?
答：采用分子筛净化系统大大简化了操作，提高了设备的安全可靠度。因此，不少原先采用冻结法清除空气中水分和二氧化碳的低压空分设备的单位也相继考虑对原有设备进行改造。由于要保证分子筛吸附器的净化效果，需要将空气预冷到8℃左右，这样原有的空冷塔已不能满足要求。为了节省改造费用，一般在原有的预冷系统后再增设一套预冷系统，将空气冷却到所要求的温度。
预冷系统首先需要提供一个冷源，它的温度比8℃更低，以便冷却空气；其次是增加一个换热器，实现空气与冷源间的换热；三是将空气温度降低时析出的水分在分离器中预先分离下来，再进入吸附器。
根据冷源或冷却方式不同，现已采用的有以下4种型式：
1)氨蒸发冷却系统。对有氨站的化工企业，将富裕的液氨作为冷源。高压液氨经节流后部分气化，温度降至节流后压力对应的饱和温度。经氨液分离器后，低温饱和氨液进入空气冷却器，将空气冷却到7℃，氨液则蒸发、气化，再返回氨站。氨蒸发器为铝制板翅式换热器； 2)制冷工质冷却空气系统。将制冷机组中的工质(R22等)的蒸发器作为空气冷却器。靠工质蒸发将空气冷却到7℃。制冷机组可由几台较小的制冷机并联而成，以增大调节的灵活性。这种系统的冷却效果较好，但是蒸发器需要专门设计制造； 3)低温水间接冷却系统。利用空调制冷机组所能提供的5℃左右的低温水，作为空气冷却器的冷源，将空气冷却到7℃。这种系统的冷水机组可从现成的产品系列中选择配套，冷量调节灵活；
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4)低温水直接冷却系统。将冷水机组提供的低温水用泵压至空气冷却塔顶部喷淋，与空气进行接触式热交换。空冷塔与原先的塔类似。它的冷却效果较好，但需注意防止带水事故。 各单位可以根据实际情况，通过技术经济比较确定最佳方案。
52.环境条件变化对空分设备的性能有什么影响?
答：环境条件包括大气压力、环境温度、大气湿度以及空气中CO2等杂质的含量等。这些条件随地区、气候条件变化，对相同的空分装置也会显示不同的性能。
1)大气压力的影响。大气压力在0.1MPa附近波动。大气压力降低将使空压机的压缩比增大。大气压力降低0.01MPa，会使空压机的压缩比增加6%～8%，增加压缩的能耗。此外，由于质量比体积增大(密度减小)，空压机的排气量减小，相应的氧产量也会减少，制氧的单位电耗增大。
2)环境温度的影响。环境温度升高，会使空压机的排气量减小，轴功率增大。环境温度升高3℃，轴功率约增加1%。此外，环境温度升高也会使空压机的排气温度升高，冷损增大，要求有更多的制冷量来平衡冷损，最终会导致能耗增加。
3)空气湿度的影响。空气的湿度增大，使压缩机功的一部分消耗在压缩水蒸气上，造成空压机的轴功率增大。
4)空气中杂质的影响。空气中的杂质含量增加，使得分子筛吸附器净化的负荷增大。
53.采用分子筛净化流程与切换式换热器净化流程相比，有什么特点?
答：分子筛净化流程是压缩空气进入冷箱以前，先经过分子筛纯化器，清除空气中的水分、二氧化碳等杂质，不会出现空气在冷却过程中再析出、冻结这些杂质，可保证空分装置的正常工作。与原先采用的切换式换热器净化流程相比，有以下优点：
1)在清除水分、二氧化碳等杂质的同时，吸附乙炔等碳氢化合物，在冷箱内一般不需再设置乙炔吸附器及相应的液氧泵等，使流程大大简化，管道阀门、法兰的数目也可减少；
2)用单纯换热的主热交换器替代切换式换热器，省去频繁工作的切换阀，减少设备故障率，降低了切换噪声。并且，换热器通道不受交变应力，可延长设备寿命；
3)简化了设备操作。特别是在启动阶段，切换式换热器，为了安全度过水分和二氧化碳析出阶段，在操作上有严格的要求，需要有丰富经验的操作工进行操作，以免膨胀机出现堵塞现象。而分子筛净化流程不用担心水分、二氧化碳在设备内冻结，使启动操作大大简化；
4)不需要专门的加热解冻系统。加热干燥可直接利用净化后的低温原料空气，简化了加热操作，减少了设备，也减轻了加热带来的热影响；
5)返流污氮没有从换热器通道带走冻结的水分和二氧化碳的任务，所以对它的数量没有要求，因此，可以增大纯氮的产量。切换式流程氧与纯氮产量比为1：1.1，而分子筛净化流程二者之比可达1：(2.5～3.5)；
6)由于切换式换热器的切换时间约为4~8min，而吸附器的切换时间可延长到2～4h， 因此大大减少了空气的切换损失，从而可降低能耗，提高氧的提取率；
7)延长设备的运转周期。在正常情况下，分子筛净化的效果优于冻结法自清除的效果，设备连续运转的周期可从1年延长到2年。
由于以上的这些优点，新的空分装置均采用分子筛吸附净化流程。
54.采用分子筛吸附净化流程为什么多数要采用制冷机预冷系统？
答：由于使用了分子筛吸附净化流程，可以把压缩后的空气中的水分、二氧化碳及部分的碳氢化合物在纯化器中被吸附掉，这样，在设计中可以取消液空吸附器和液氧吸附器，从而简化了空分生产的工艺流程，同时也延长了设备的运转周期，提高了设备使用率。
但是，要使分子筛能够正常工作，对其吸附介质温度要求比较苛刻。因为温度越高，空气中的水分含量越大，增大纯化器的清除负荷。而分子筛的吸附性能随温度升高而降低，所以，分子筛纯化器的入口温度必须控制在15℃以下才能正常工作，一般要在8～15℃之间。而普通冷却水很难将空气冷却到这样的温度条件，所以一般都需要增加制冷机预冷系统，才能把空气温度降到8～15℃以内，以确保生产顺利进行。
55.如果分子筛吸附器净化流程不采用冷冻机预冷系统，则需要采取什么措施，这些措 施有什么优缺点?
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答：由于分子筛吸附器对吸附介质的温度要求比较严格，其分子筛的入口温度必须在15℃以下才能正常工作，通常在8～15℃之间，而普通冷却水很难使空气被冷却到分子筛需要的条件。
如果分子筛吸附器净化流程不采用冷冻机预冷系统，势必造成分子筛的入口温度提高。通过理论计算可知，经过分子筛的气体介质温度每提高1℃，分子筛的负荷量增加5%左右。所以，在可能的条件下，要充分利用污氮的冷量和干燥度，将冷却水在水冷却塔内冷却到尽可能低的温度。
此外，为了抵消由于温度的提高而增加的负荷量，从设计上就要分子筛纯化器进行改进。例如：增大分子筛吸附器的容量，将罐的结构由卧式改为竖式；缩短纯化器的使用周期，减少分子筛的加热和冷吹时间等。
这种措施的优缺点是：
1)减少了冷冻机冷却系统的一次性设计投资，但要加大纯化系统的投资； 2)要减少纯氮气的产量，以便有足够多的污氮来冷却水； 3)立式罐的截面积较小，使气流分配较均匀；
4)提高了分子筛床的高度，增加了分子筛的阻力，使氧气产品能耗增加； 5)随季节的变化，通过分子筛床层的气体温度变化大，使空分生产不够稳定。
56.为什么分子筛纯化空分流程氩的提取率高？
答：氩气生产需要主塔工况稳定，这样才能保证从精馏塔上塔抽出来的氩馏分的组成不变。从实践得知，尽管精馏塔工况只有微小的变化，氩馏分的组成也会产生较大的变化。通常，氧气纯度变化0.1%，氩馏分中的含氧量变化约为1%，为其变化量的10倍。氩馏分是提取氩的原料，氩馏分组成的变化会直接影响粗氩塔的精馏工况。氩馏分中含氮量高，粗氩中含氧高，氩的产量都会降低，造成氩的提取率下降。氩馏分中含氮量高，还会使粗氩塔冷凝器温差减小，造成粗氩塔回流比下降，精馏工况变差。 切换式换热器流程由于采取冻结法清除水分及二氧化碳，为保证杂质的自清除，必须在几分钟内就切换一次，短的3min，切换时间较长的也只有10min。这势必使空分装置的压力、温度、流量以及精馏塔的精馏工况等，在几分钟内就波动一次。主精馏塔的精馏工况周期性变化，氧、氮的产量及纯度都不够稳定，导致氩馏分的组成和量都不稳定。
分子筛纯化流程的空分设备采用分子筛吸附空气中的水分、二氧化碳、乙炔等其他碳氢化合物。分子筛纯化器的切换是为了分子筛的解吸、再生，全低压分子筛纯化器的切换时间设计为1.5～2.5h，长周期为4～6h。中压分子筛纯化器的切换时间设计为8h。由此可见，分子筛纯化的全低压流程比切换式换热器流程运行波动小，精馏工况相对稳定，所以氩馏分的组成和量都可以稳定。粗氩塔和精氩塔的分离工况都得到了保证，分离比较完善；氩的提取率也就提高了。据统计，切换式换热器流程的全低压空分设备氩的提取率只有30%～35%，而分子筛纯化流程的全低压空分设备氩的提取率可高达60%～87%。
57.什么是液氧内压缩流程，有什么特点?
答：一般的空分装置生产的氧、氮产品来自上塔的低压氧、氮气体，经换热器复热后出空分冷箱，绝对压力约为0.12MPa。然后再由氧气压缩机将它压缩到所需的压力(3.1MPa)供给用户。液氧内压缩流程是从冷凝蒸发器抽出液氧产品，经液氧泵压缩到所需的压力(约3.1MPa)，再经换热器复热、气化后供给用户。即它是在冷箱内压缩到所需压力的。与原有的流程相比，有以下特点：
1)不需要氧气压缩机。由于将液体压缩到相同的压力所消耗的功率比压缩同样数量的气体要小得多。并且，液氧泵的体积小，结构简单，费用要比氧气压缩机便宜得多。 2)液氧压缩比气氧压缩较为安全。
3)由于不断有大量液氧从主冷中排出，碳氢化合物不易在主冷中浓缩，有利于设备的安全运转。 4)由于液氧复热、气化时的压力高，换热器的氧通道需承受高压，因此，换热器的成本将 比原有流程提高。并且，在设计时应充分考虑换热器的强度的安全性。
5)液氧气化的冷量充足，在换热器的热端温差较大，即冷损相对较大，为了保持冷量平衡，要求原料空气的压力较高，空压机的能耗有所增加。
一般来说，空压机增加的能耗与液氧泵减少的能耗大致相抵，或略有增加。设备费用也大体相当，或略有减少。但从安全性和可靠性方面来看，内压缩流程有它的优越性。随着变频液体泵的应用，产品氧气、氮气流量的调节非常灵活，产品纯度的稳定性也较好，是目前国际上采用较多的流程。
58.为什么内压缩流程能将膨胀空气送人下塔?
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