第一章　气体深冷分离工艺基础

第一节　原料、产品、半成品的组成及性质

1.空气的物理性质

（1）温度　温度是描述空气冷热程度的物理量，主要有三种标定方法：摄氏温标、华氏温标和绝对温标（又称热力学温标或开氏温标）。

（2）压力　空气的压力就是当地的大气压，用符号p表示。常用单位有国际单位帕（Pa）；工程单位kfg/cm2；液柱高单位毫米汞柱（mmHg）和毫米水柱（mmH2O）。

（3）湿度　空气湿度是指空气中含水蒸气量的多少，有以下几种表示方法。

①绝对湿度。即每平方米空气中含有水蒸气的质量，用符号γZ表示,单位为kg/m3。如果在某一温度下，空气中水蒸气的含量达到了最大值，此时的绝对湿度称为饱和空气的绝对湿度，用γB表示。

②相对湿度。为了能准确说明空气中的干湿程度，在空调中采用了相对湿度这个参数，它是空气的绝对湿度γZ与同温度下饱和空气的绝对湿度γB的比值，用符号Φ表示。

（4）比焓　空气的焓值是指空气中含有的总热量，通常以干空气的单位质量为基准，称作比焓，工程上简称焓。因此，空气的比焓是指1kg干空气的焓和与它相对应的水蒸气的焓的总和，用符号h表示，单位是kJ/kg。

（5）密度和比容　空气的密度是指每立方米空气中干空气的质量与水蒸气的质量之和，用ρ表示，单位为kg/m3。空气的比容是指单位质量的空气所占有的容积，用符号ν表示，单位为m3/kg。因此空气的密度与比容互为倒数关系。

（6）空气的密度　空气具有一定的质量，质量常用密度来表示。密度是单位体积内空气的质量，用ρ表示。

ρ=M/V

式中M、V分别为气体的质量与体积。

（7）空气的黏度　黏度是空气质点相对运动时产生阻力的性质。空气黏度的变化只受温度变化的影响，而压力变化对其影响甚微，可忽略不计。空气的运动黏度与温度的关系如下。

（8）空气的压缩性与膨胀性　当气体的压力变化时体积随之改变的性质称为气体的压缩性；气体因温度变化体积随之改变的性质称为气体的膨胀性。空气的压缩性和膨胀性都远大于液体的压缩性和膨胀性。气体的体积随温度和压力的变化规律服从气体状态方程。

2.空气及其组成气体的性质

空气是一种多组分混合气体，其主要组分是氧、氮、氩、二氧化碳，还有微量的稀有气体（氖、氦、氪、氙）、甲烷及其他碳氢化合物、氢、臭氧等。此外，空气中还有量少而不定的水蒸气及灰尘等。空气的组成如下。

若不考虑水蒸气、二氧化碳和各种碳氢化合物，则地面至100km高度的空气平均组成保持恒定值。在25km高空臭氧的含量有所增加。在更高的高空，空气的组成随高度而变，且明显地同每天的时间及太阳活动有关。

常温下的空气是无色无味的气体，液态空气则是一种易流动的浅黄色液体。一般当空气被液化时二氧化碳已经清除掉，因而液态空气的组成是20.95%氧，78.12%氮和0.93%氩，其他组分含量甚微，可以略而不计。

空气作为混合气体，在定压下冷凝时温度连续降低，如在标准大气压（101.3kPa）下，空气于81.7K（露点）开始冷凝，温度降低到78.9K（泡点）时全部转变为饱和液体。这是由于高沸点组分（氧、氩）开始冷凝较多，而低沸点组分（氧）到过程终了才较多地冷凝。

液态空气作为混合液，在定压蒸发时蒸发温度也是连续变化的。随着蒸发过程的进行，因低沸点组分氮较多地蒸发，混合液组成发生变化，致使液体的高组分氧含量相应地增加，所以沸点也就相应提高。

液态空气具有较低的沸点约81.62K和凝固温度（约60.15K），可以用作冷却剂。通过减压（抽真空）的方法，还可以将其沸点温度降低到65K左右。但是这种操作是危险的，因为蒸发会使剩余液体中氧的浓度增加，在减压用的真空泵里引起爆炸。

空气中除氧、氮外还含有氩、氖、氦、氪、氙等稀有气体。氩是一种无色无味的气体；不燃烧，也不助燃；化学性质很稳定，一般状态下不生成化合物，没有毒性。

（1）氧气的物理性质　氧气在常温常压下是无色无味的气体。标准状态下的密度为1.43kg/m3，比空气略重。氧气较难溶解于水；在标准大气压下，氧在-182.9℃时变为易流动的淡蓝色液体，在-218.7℃凝固成无色透明的结晶。氧气与其他大多数气体的显著不同在于具有较强的顺磁性和助燃性。在标准大气压下，氧在90.188K时变为易于流动的淡蓝色液体；在54.4K时凝固成淡蓝色的固体结晶。液氧和固态氧的淡蓝色是含有少量的氧聚合物O4而引起的。

虽然氧的沸点比氮几乎高13K，可是它的凝固点却比氮低约9K。固态氧的密度大，因此在液氧中下沉。在43.80K和23.89K时，固态氧发生同素异形转变，并伴随有转化热。在40.80K时转化热超过溶化热，约为23.2kJ/kg；在23.89K时转化热只有2.93kJ/kg。

（2）氧气化学性质及用途　氧气的化学性质非常活泼，它能跟许多物质（单质或化合物）发生化学反应，同时放出热量；反应剧烈时还燃烧发光。由于氧的化学活性很强，是一种强氧化剂，所以氧同碳氢化合物混合是很危险的，液氧中存在碳氢化合物结晶体已不止一次引起过严重的爆炸事故。因此，液氧必须严格避免同各种油脂、润滑油、炭、木材、沥青、纺织物品接触。

氧气用于金属的焊接及切割，气焊时氧与乙炔相混合可以加速乙炔的燃烧过程。

氧气被广泛地应用于高炉及炼钢生产中和铁钢的熔炼过程及轧钢过程中，在由矿石熔炼生铁的高炉中把氧吹入炉中可使高炉的生产能力提高80%。当在转炉顶吹氧气炼钢时可大大提高炼钢速度，提高生产能力，改善钢的质量，降低成本并节省燃料。

氧气也是化肥工业上的煤汽化、重油汽化常用的汽化剂和氧化剂。

（3）氮气的物理性质　氮气在常温下是一种无色无味的气体，比空气稍轻，难溶于水。它不能燃烧也不能助燃，可用来灭火。标准状态下的密度为1.25kg/m3，在-195.8℃时变为易流动的液体，液氮冷却到-210.0℃时转变成透明的结晶体。液氮的蒸发温度为77.36K。在标准大气压下，液氮冷却到63.2K时转变成无色透明的结晶体。液氮的沸点和凝固点之间的温差不到15K，因而在用真空泵减压时容易使其固化。因固态氮的密度比液氮大，所以沉降在底部。在大约35.6K时，固态氮产生同素异形转变，并伴随比热容的增大。转化热约为8.2kJ/kg。氮气为惰性气体，对人有窒息性。

产品气体物性常数表见表1-1。

（4）氮气化学性质及用途　氮气的化学性质不活泼，在通常情况很难跟其他元素直接化合，故可用作保护气体；但在高温下，氮能够同氢、氧及某些金属发生化学反应。氮无毒，又不能磁化，其沸点比空气低，所以液氮是低温研究中最常用的安全冷却剂，但需当心窒息。液氮也用于氢、氦液化装置中，作为预冷。液氮应小心储存，避免同碳氢化合物长时间的接触，以防止碳氢化合物过量溶于其中而引起爆炸。

氮气除了用于化肥工业上的合成氨的原料气外，还用于化工生产，炼钢等保护气，吹洗设备，液氮在火箭技术中应用，压送氧化剂等。

氮气在许多场合可作为易燃易爆物质的保护气。在空分装置的保冷箱内充以干燥氮气，保证一定正压，可以排除湿气和防止氧的积聚。