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空氣中的主要成分是氮和氧
空氣中的主要成分是氮和氧，它們分別以分子狀態(tài)存在，均勻的混合在一起，要將它們分離出來(lái)比較困難，目前工業(yè)上分離空氣的方法主要有3種，分別是吸附法、膜分離法、和低溫法。而低溫法是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的空氣分離方法。
低溫法的基本過(guò)程是先將混合空氣經(jīng)過(guò)壓縮、膨脹和降溫，直至空氣液化，然后再利用氧、氮汽化溫度的不同進(jìn)行蒸餾分離。其流程主要有空氣過(guò)濾系統(tǒng)、空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)、空氣預(yù)冷系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)、空氣壓縮膨脹制冷系統(tǒng)及空氣分離系統(tǒng)。其中空氣壓縮膨脹制冷系統(tǒng)在整個(gè)過(guò)程中至關(guān)重要。 根據(jù)熱力學(xué)第二定律的表述：不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產(chǎn)生其他影響，或不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響。
逆卡諾循環(huán)：它由兩個(gè)等溫過(guò)程和兩個(gè)絕熱過(guò)程組成。假設(shè)低溫?zé)嵩矗幢焕鋮s物體）的溫度為T0，高溫?zé)嵩矗喘h(huán)境介質(zhì)）的溫度為Tk, 則工質(zhì)的溫度在吸熱過(guò)程中為T0， 在放熱過(guò)程中為Tk, 就是說(shuō)在吸熱和放熱過(guò)程中工質(zhì)與冷源及高溫?zé)嵩粗g沒(méi)有溫差，即傳熱是在等溫下進(jìn)行的，壓縮和膨脹過(guò)程是在沒(méi)有任何損失情況下進(jìn)行的。
其循環(huán)過(guò)程為：首先工質(zhì)在T0下從冷源（即被冷卻物體）吸取熱量q0，并進(jìn)行等溫膨脹4-1，然后通過(guò)絕熱壓縮1-2，使其溫度由T0升高至環(huán)境介質(zhì)的溫度Tk, 再在Tk下進(jìn)行等溫壓縮2-3，并向環(huán)境介質(zhì)（即高溫?zé)嵩矗┓懦鰺崃縬k, 最后再進(jìn)行絕熱膨脹3-4，使其溫度由Tk 降至T0即使工質(zhì)回到初始狀態(tài)4，從而完成一個(gè)循環(huán)。
對(duì)于逆卡諾循環(huán)：
q0=T0(S1-S4）
qk=Tk(S2-S3)=Tk(S1-S4）
w0=qk-q0=Tk(S1-S4)-T0(S1-S4)=(Tk-T0)(S1-S4）由上式可見(jiàn)，逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)與工質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)，只取決于冷源（即被冷卻物體）的溫度 T0 和熱源（即環(huán)境介質(zhì)）的溫度 Tk；降低 Tk，提高 T0 ，均可提高制冷系數(shù)。
由熱力學(xué)第二定律還可以證明：“在給定的冷源和熱源溫度范圍內(nèi)工作的逆循環(huán)，以逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)為最高”。任何實(shí)際制冷循環(huán)的制冷系數(shù)都小于逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)�？偵纤�，理想制冷循環(huán)應(yīng)為逆卡諾循環(huán)。而實(shí)際上逆卡諾循環(huán)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，但它可以用作評(píng)價(jià)實(shí)際制冷循環(huán)完善程度的指標(biāo)。通常將工作于相同溫度間的實(shí)際制冷循環(huán)的制冷系數(shù)ε與逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)εk之比，稱為該制冷機(jī)循環(huán)的熱力完善度，用符號(hào)η表示。即： η=ε/εk。
現(xiàn)在工業(yè)上主要使用的空分裝置就是KDON48000/8000型空分裝置，其流程主要包括： ⑴空氣凈化：
過(guò)濾及壓縮：原料空氣自吸入口吸入，經(jīng)自潔式空氣過(guò)濾器，除去灰塵及其它機(jī)械雜質(zhì)，空氣經(jīng)過(guò)濾后經(jīng)離心式空壓機(jī)壓縮至壓縮至0.575Mpa 后經(jīng)空氣冷卻塔預(yù)冷，空氣自下而上穿過(guò)空氣冷卻塔，在冷卻的同時(shí)，又得到清洗。
預(yù)冷： 進(jìn)入空冷塔的水分為兩段。下段為由涼水塔來(lái)的冷卻水，經(jīng)循環(huán)水泵加壓入空冷塔中部自上而下出空冷塔回涼水塔。上段為由水冷塔來(lái)的冷卻水，經(jīng)水冷塔與由分餾塔來(lái)污氮?dú)鉄豳|(zhì)交換冷卻后由冷凍水泵加壓，送入空氣冷卻塔頂部，自上而下出空氣冷卻塔回涼水塔。空氣經(jīng)空氣冷卻塔冷卻后，溫度降至18℃。
純化： 空氣經(jīng)空氣冷卻塔冷卻后進(jìn)入切換使用的分子篩純化器，空氣中的二氧化碳、碳?xì)浠衔锛皻埩舻乃羝晃健?分子篩吸附器為臥式雙層床結(jié)構(gòu)，下層為活性氧化鋁，上層為分子篩，兩只吸附器切換工作。當(dāng)一臺(tái)吸附器工作時(shí)，另一臺(tái)吸附器則進(jìn)行再生、冷吹備用。由分餾塔來(lái)的污氮?dú)�，�?jīng)蒸汽加熱器加熱至-170℃后，入吸附器加熱再生（高溫再生時(shí)，再生氣經(jīng)蒸汽加熱器及電加熱器加熱至260℃后，入吸附器加熱再生），脫附掉其中的水份及CO2，再生結(jié)束由分餾塔來(lái)的污氮?dú)饫浯担缓笈湃氪髿夥趴铡?/p>
⑵空氣液化 空氣經(jīng)凈化后，由于分子篩的吸附熱，溫度升至～20℃，然后分兩路： 第一路：空氣在低壓主換熱器中與返流氣體(純氮?dú)�、壓力氮�(dú)�、污氮�?換熱達(dá)到接近空氣液化溫 約-173℃后進(jìn)入下塔進(jìn)行精餾； 第二路：空氣進(jìn)入增壓空氣壓縮機(jī)1段進(jìn)行增壓，壓縮后的這部分空氣又分為二部分：
相當(dāng)于膨脹空氣的這部分空氣從增壓空氣壓縮機(jī)的Ⅰ段抽出，經(jīng)膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)的增壓機(jī)，消耗掉由膨脹機(jī)輸出的能量，使空氣的壓力得以進(jìn)一步提高，增壓后進(jìn)入高壓主換熱器。在高壓主換熱器內(nèi)被返流氣體冷卻至152k(-121℃）抽出，進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹制冷，膨脹后的空氣，經(jīng)汽液分離器分離后氣體部分進(jìn)入下塔，液體經(jīng)節(jié)流后送入粗氬冷凝器（液空冷源）。 ② 另一部分繼續(xù)進(jìn)增壓空氣壓縮機(jī)的Ⅱ段增壓，從增壓空氣壓縮機(jī)的Ⅱ段抽出后，進(jìn)入高壓主換熱器，與返流的液氧和其他氣體換熱后冷卻至106K（-167℃）經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入下塔中部；
⑶空氣精餾：
下塔精餾： 在下塔中，空氣被初步分離成頂部氮?dú)夂偷撞扛谎跻簯B(tài)空氣。 頂部氮?dú)猓喉敳繗獾谥骼淠舭l(fā)器中液化，同時(shí)主冷凝蒸發(fā)器的低壓側(cè)液氧被氣化。絕大部分液氮作為下塔回流液回流到下塔，其余液氮經(jīng)過(guò)冷器，被純氣氮和污氣氮過(guò)冷并節(jié)流后送入上塔頂部作為上塔回流液。 壓力氮?dú)猓簤毫Φ獨(dú)鈴南滤敳恳鰜?lái)，在低壓主換熱器中復(fù)熱后出冷箱。 污液氮：在下塔下部得到污液氮，經(jīng)過(guò)冷器過(guò)冷后，節(jié)流至上塔上部參與精餾。 富氧液態(tài)空氣：從下塔底部抽出的富氧液空在過(guò)冷器中過(guò)冷后
空氣中的主要成分是氮和氧 ，一部分作為粗氬冷凝器冷源，另一部分經(jīng)節(jié)流送入上塔中部作回流液。②上塔精餾： 經(jīng)上塔的精餾，在頂部得到產(chǎn)品氮?dú)猓谏喜康玫轿鄣獨(dú)�，底部得到液氧�?液氧：液氧從上塔底部通過(guò)管道導(dǎo)入主冷凝蒸發(fā)器中，在主冷凝蒸發(fā)器中被來(lái)自下塔的壓力氮?dú)馄?汽化后的低壓工藝氧氣通過(guò)管道導(dǎo)入上塔。液氧在主冷凝蒸發(fā)器底部導(dǎo)出經(jīng)高壓液氧泵加壓，然后在高壓換熱器復(fù)熱后以4.7MPa(G)的壓力作為氣體產(chǎn)品出冷箱。 污氣氮：污氣氮從上塔上部引出，并在過(guò)冷器中復(fù)熱后，部分低壓主換熱器中復(fù)熱后做為分子篩純化器的再生氣體；其在余高壓主換熱器中復(fù)熱后，進(jìn)入水冷塔作為冷源。 純氣氮：純氣氮從上塔頂部引出， 在過(guò)冷器及低壓主換熱器中復(fù)熱后出冷箱，作為產(chǎn)品送往氮壓機(jī)，多余部分送往水冷卻塔中作為冷源冷卻外界水。 氬餾份：從上塔相應(yīng)部位抽出氬餾份送入粗氬冷凝器，粗氬冷凝器采用過(guò)冷后的液空作冷源，氬餾份直接從增效塔的底部導(dǎo)入，上升氣體在粗氬冷凝器中液化，得到粗液氬和粗氬氣，前者作為回流液入增效塔，而后者經(jīng)進(jìn)入低壓換熱器復(fù)熱到常溫送出冷箱；在粗氬冷凝器蒸發(fā)后的液空蒸汽和底部少量液空同時(shí)返回上塔。
最后，熱力學(xué)第二定律是熱力學(xué)重要組成部分，空氣冷凍裝置的實(shí)際循環(huán)都基于熱力學(xué)第二定律。
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