化工热力学课程论文
专业班级：10级核化101班
姓名：高超
学号：20104150120
任课老师：阳鹏飞
日期：2012年12月28日
空气分离
-----热力学第二定律在空分中的应用
摘要：热力学第二定律作为判定与热现象有关的物理过程进行方向的定律，本文分析了热力学第二定律的涵义以及意义,并阐述了它在在空分中的应用。
关键字：空分制冷
Abstract: the second law of thermodynamics as a judge and thermal phenomena related to the physical process of the direction of the law, this paper analyses the meaning and significance of the second law of thermodynamics, and expounds its application in air separation.
Keywords: air separation refrigeration
引言
空气中的主要成分是氧和氮，它们分别以分子状态存在，均匀地混合在一起，通常要将它们分离出来比较困难，目前工业上主要有３种实现空气分离方法：吸附法、膜分离法和深冷法（也称低温法）。
深冷法是目前工业上应用最广泛的空气分离方法。
其基本过程是先将混合物空气通过压缩、膨胀和降温，直至空气液化，然后利用氧、氮汽化温度（沸点）的不同进行精馏分离。
流程可分为：空气过滤系统、空气压缩机系统、空气预冷系统、空气净化系统、空气压缩膨胀制冷系统、空气分离系统。
其中空气压缩膨胀制冷系统对整个空气分离过程来说至关重要。
制冷按照制冷温度大小，分为三类：普通制冷：t＞－120℃；深度制冷：－120℃＞t＞－253℃；超低温制冷：t＜－253℃。
空气的液化技术属于深度制冷。
工业制冷主要方法之一为气体膨胀制冷：将高压气体做绝热膨胀，使其压力、温度下降，利用降温后的气体来吸取被冷却物体的热量从而制冷。
0.制冷的原理
热力学第二定律表述：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响。
获得低温必须消耗能量。
逆卡诺循环：它由两个等温过程和两个绝热过程组成。
假设低温热源（即被冷却物体）的温度为T0，高温热源（即环境介质）的温度为Tk, 则工质的温度在吸热过程中为T0，在放热过程中为Tk, 就是说在吸热和放热过程中工质与冷源及高温热源之间没有温差，即传热是在等温下进行的，压缩和膨胀过程是在没有任何损失情况下进行的。
其循环过程为：
首先工质在T0下从冷源（即被冷却物体）吸取热量q0，并进行等温膨胀4-1，然后通过绝热压缩1-2，使其温度由T0升高至环境介质的温度Tk, 再在Tk下进行等温压缩2-3，并向环境介质（即高温热源）放出热量qk, 最后再进行绝热膨胀3-4，使其温度由Tk 降至T0即使工质回到初始状态4，从而完成一个循环。
对于逆卡诺循环来说，由图可知：
q0=T0(S1-S4）
qk=Tk(S2-S3)=Tk(S1-S4）
w0=qk-q0=Tk(S1-S4)-T0(S1-S4)=(Tk-T0)(S1-S4）
由上式可见，逆卡诺循环的制冷系数与工质的性质无关，只取决于冷源（即被冷却物体）的温度T0 和热源（即环境介质）的温度Tk；降低Tk，提高T0 ，均可提高制冷系数。
由热力学第二定律还可以证明：“在给定的冷源和热源温度范围内工作的逆循环，以逆卡诺循环的制冷系数为最高”。
任何实际制冷循环的制冷系数都小于逆卡诺循环的制冷系数。
总上所述，理想制冷循环应为逆卡诺循环。
而实际上逆卡诺循环是无法实现的，但它可以用作评价实际制冷循环完善程度的指标。
通常将工作于相同温度间的实际制冷循环的制冷系数ε与逆卡诺循环制冷系数εk之比，称为该制冷机循环的热力完善度，用符号η表示。
即：η=ε/εk
3. KDON48000/80000型空分装置简易流程分析
⑴空气净化：
①过滤及压缩：
原料空气自吸入口吸入，经自洁式空气过滤器，除去灰尘及其它机械杂质，空气经过滤后经离心式空压机压缩至压缩至0.575Mpa 后经空气冷却塔预冷，空气自下而上穿过空气冷却塔，在冷却的同时，又得到清洗。
②预冷：
进入空冷塔的水分为两段。
下段为由凉水塔来的冷却水，经循环水泵加压入空冷塔中部自上而下出空冷塔回凉水塔。
上段为由水冷塔来的冷却水，经水冷塔与由分馏塔来污氮气热质交换冷却后由冷冻水泵加压，送入空气冷却塔顶部，自上而下出空气冷却塔回凉水塔。
空气经空气冷却塔冷却后，温度降至18℃。
③纯化：
空气经空气冷却塔冷却后进入切换使用的分子筛纯化器1#或2#，空气中的二氧化碳、碳氢化合物及残留的水蒸汽被吸附。
分子筛吸附器为卧式双层床结构，下层为活性氧化铝，上层为分子筛，两只吸附器切换工作。
当一台吸附器工作时，另一台吸附器则进行再生、冷吹备用。
由分馏塔来的污氮气，经蒸汽加热器加热至-170℃后，入吸附器加热再生（高温再生时，再生气经蒸汽加热器及电加热器加热至260℃后，入吸附器加热再生），脱附掉其中的水份及CO2，再生结束由分馏塔来的污氮气冷吹，然后排入大气放空。
⑵空气液化
空气经净化后，由于分子筛的吸附热，温度升至～20℃，然后分两路：
第一路：空气在低压主换热器中与返流气体(纯氮气、压力氮气、污氮等)换热达到接近空气液化温度约-173℃后进入下塔进行精馏；
第二路：空气进入增压空气压缩机1段进行增压，压缩后的这部分空气又分为二部分：
①相当于膨胀空气的这部分空气从增压空气压缩机的Ⅰ段抽出，经膨胀机驱动的增压机，消耗掉由膨胀机输出的能量，使空气的压力得以进一步提高，增压后进入高压主换热器。
在高压主换热器内被返流气体冷却至152k(-121℃）抽出，进入膨胀机膨胀制冷，膨胀后的空气，经汽液分离器分离后气体部分进入下塔，液体经节流后送入粗氩冷凝器（液空冷源）。
②另一部分继续进增压空气压缩机的Ⅱ段增压，从增压空气压缩机的Ⅱ段抽出后，进入高压主换热器，与返流的液氧和其他气体换热后冷却至106K（-167℃）经节流后进入下塔中部；
⑶空气精馏：
①下塔精馏：
在下塔中，空气被初步分离成顶部氮气和底部富氧液态空气。
顶部氮气：顶部气氮在主冷凝蒸发器中液化，同时主冷凝蒸发器的低压侧液氧被气化。
绝大部分液氮作为下塔回流液回流到下塔，其余液氮经过冷器，被纯气氮和污气氮过冷并节流后送入上塔顶部作为上塔回流液。
压力氮气：压力氮气从下塔顶部引出来，在低压主换热器中复热后出冷箱。
污液氮：在下塔下部得到污液氮，经过冷器过冷后，节流至上塔上部参与精馏。
富氧液态空气：从下塔底部抽出的富氧液空在过冷器中过冷后，一部分作为粗氩冷凝器冷源，另一部分经节流送入上塔中部作回流液。
②上塔精馏：
经上塔的精馏，在顶部得到产品氮气，在上部得到污氮气，底部得到液氧。
液氧：液氧从上塔底部通过管道导入主冷凝蒸发器中，在主冷凝蒸发器中被来自下塔的压力氮气汽化,汽化后的低压工艺氧气通过管道导入上塔。
液氧在主冷凝蒸发器底部导出经高压液氧泵加压，然后在高压换热器复热后以4.7MPa(G)的压力作为气体产品出冷箱。
污气氮：污气氮从上塔上部引出，并在过冷器中复热后，部分低压主换热器中复热后做为分子筛纯化器的再生气体；其在余高压主换热器中复热后，进入水冷塔作为冷源。
纯气氮：纯气氮从上塔顶部引出，在过冷器及低压主换热器中复热后出冷箱，作为产品送往氮压机，多余部分送往水冷却塔中作为冷源冷却外界水。
氩馏份：从上塔相应部位抽出氩馏份送入粗氩冷凝器，粗氩冷凝器采用过冷后的液空作冷源，氩馏份直接从增效塔的底部导入，上升气体在粗氩冷凝器中液化，得到粗液氩和粗氩气，前者作为回流液入增效塔，而后者经进入低压换热器复热到常温送出冷箱；在粗氩冷凝器蒸发后的液空蒸汽和底部少量液空同时返回上塔。
4. 核心制冷设备膨胀机
膨胀机是空分设备的心脏部机之一，由气体在膨胀机中等熵膨胀而制取冷量，正常生产中为系统补充冷损。
工作原理：工质在透平膨胀机的通流部分膨胀获得动能，并由工作轮轴端输出外功，因而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。
5. 结束语
热力学第二定律是热力学的重要部分，空分冷冻装置的实际循环的都基于热力学第二定律。
【参考文献】
【1】朱自强化工热力学.化学工业出版社，2009.
【2】许祥静煤炭气化技术.北京：化学工业出版社,2010.。