第一章　氣體深冷分離工藝基礎

第一節　原料、產品、半成品的組成及性質

1.空氣的物理性質

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

（2）壓力　空氣的壓力就是當地的大氣壓，用符號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。為了能準確說明空氣中的干濕程度，在空調中采用了相對濕度這個參數，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量為基準，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量與水蒸氣的質量之和，用ρ表示，單位為kg/m3。空氣的比容是指單位質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關系。

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

ρ=M/V

式中M、V分別為氣體的質量與體積。

（7）空氣的黏度　黏度是空氣質點相對運動時產生阻力的性質。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。空氣的運動黏度與溫度的關系如下。

（8）空氣的壓縮性與膨脹性　當氣體的壓力變化時體積隨之改變的性質稱為氣體的壓縮性；氣體因溫度變化體積隨之改變的性質稱為氣體的膨脹性。空氣的壓縮性和膨脹性都遠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律服從氣體狀態方程。

2.空氣及其組成氣體的性質

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）、甲烷及其他碳氫化合物、氫、臭氧等。此外，空氣中還有量少而不定的水蒸氣及灰塵等。空氣的組成如下。

若不考慮水蒸氣、二氧化碳和各種碳氫化合物，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。

常溫下的空氣是無色無味的氣體，液態空氣則是一種易流動的淺黃色液體。一般當空氣被液化時二氧化碳已經清除掉，因而液態空氣的組成是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降低，如在標準大氣壓（101.3kPa）下，空氣于81.7K（露點）開始冷凝，溫度降低到78.9K（泡點）時全部轉變為飽和液體。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。

液態空氣作為混合液，在定壓蒸發時蒸發溫度也是連續變化的。隨著蒸發過程的進行，因低沸點組分氮較多地蒸發，混合液組成發生變化，致使液體的高組分氧含量相應地增加，所以沸點也就相應提高。

液態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；化學性質很穩定，一般狀態下不生成化合物，沒有毒性。

（1）氧氣的物理性質　氧氣在常溫常壓下是無色無味的氣體。標準狀態下的密度為1.43kg/m3，比空氣略重。氧氣較難溶解于水；在標準大氣壓下，氧在-182.9℃時變為易流動的淡藍色液體，在-218.7℃凝固成無色透明的結晶。氧氣與其他大多數氣體的顯著不同在于具有較強的順磁性和助燃性。在標準大氣壓下，氧在90.188K時變為易于流動的淡藍色液體；在54.4K時凝固成淡藍色的固體結晶。液氧和固態氧的淡藍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。固態氧的密度大，因此在液氧中下沉。在43.80K和23.89K時，固態氧發生同素異形轉變，并伴隨有轉化熱。在40.80K時轉化熱超過溶化熱，約為23.2kJ/kg；在23.89K時轉化熱只有2.93kJ/kg。

（2）氧氣化學性質及用途　氧氣的化學性質非常活潑，它能跟許多物質（單質或化合物）發生化學反應，同時放出熱量；反應劇烈時還燃燒發光。由于氧的化學活性很強，是一種強氧化劑，所以氧同碳氫化合物混合是很危險的，液氧中存在碳氫化合物結晶體已不止一次引起過嚴重的爆炸事故。因此，液氧必須嚴格避免同各種油脂、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。

氧氣被廣泛地應用于高爐及煉鋼生產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能力提高80%。當在轉爐頂吹氧氣煉鋼時可大大提高煉鋼速度，提高生產能力，改善鋼的質量，降低成本并節省燃料。

氧氣也是化肥工業上的煤汽化、重油汽化常用的汽化劑和氧化劑。

（3）氮氣的物理性質　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。標準狀態下的密度為1.25kg/m3，在-195.8℃時變為易流動的液體，液氮冷卻到-210.0℃時轉變成透明的結晶體。液氮的蒸發溫度為77.36K。在標準大氣壓下，液氮冷卻到63.2K時轉變成無色透明的結晶體。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。因固態氮的密度比液氮大，所以沉降在底部。在大約35.6K時，固態氮產生同素異形轉變，并伴隨比熱容的增大。轉化熱約為8.2kJ/kg。氮氣為惰性氣體，對人有窒息性。

產品氣體物性常數表見表1-1。

（4）氮氣化學性質及用途　氮氣的化學性質不活潑，在通常情況很難跟其他元素直接化合，故可用作保護氣體；但在高溫下，氮能夠同氫、氧及某些金屬發生化學反應。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，但需當心窒息。液氮也用于氫、氦液化裝置中，作為預冷。液氮應小心儲存，避免同碳氫化合物長時間的接觸，以防止碳氫化合物過量溶于其中而引起爆炸。

氮氣除了用于化肥工業上的合成氨的原料氣外，還用于化工生產，煉鋼等保護氣，吹洗設備，液氮在火箭技術中應用，壓送氧化劑等。

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