B-空分高级工题库200808.doc

B-空分高级工题库200808

===== 四、问答题 =====
1、简要说明氧气的主要工业用途。（W3）
答：（1）冶金工业的吹氧炼钢、高炉富氧、有色金属富氧冶炼。（2）合成氨生产
（3）国防工业的火箭助推剂、制作液氧炸药等。

2、请分析全低压空分装置N平均纯度过低的原因。（W139）
答：氮平均纯度过低的原因有
（1）精馏塔板效率低；
（2）冷损过大，造成膨胀机的膨胀量过大；
（3）下塔液氮纯度过低，液氮量太大；
（4）液氮量过小；
（5）液空、液氮过冷器泄漏；
（6）污液氮取出量过大；
（7）液空中含氧量过低。

3、试回答透平膨胀机的结构和安装特点。（J216）
答：（1）结构简单，制造和维修工作量较小。
（2）流通部份无磨擦表面，在运转期间气体泄漏的间隙实际上是不变的，故它的效率与机器工作年限无关。
（3）可以直接安装在保冷箱内，它可以缩短与空分装置连接的低温管道的长度，减少冷损。
（4）气体在喷嘴内全部膨胀到工作轮出口压力，而在工作轮叶道中不再膨胀，这种膨胀机习惯上称为冲动式。
（5）气体在透平膨胀机内的能量转换，分别在导流器和工作轮叶道中先后进行，即气体在喷嘴中部分膨胀，而后在工作轮叶道中再继续膨胀，直到透平膨胀机的背压，这种透平膨胀机称为反动式膨胀机。

4、比较膨胀机风机制动、电机制动和增压器制动的优缺点。W172、J228）
答：风机制动：
(1)优点是设备简单，造价低，维护操作方便。
(2)缺点是功率不能转换成电能，噪音大。
电机制动：
(1)优点是能回收冷量，噪音小。
(2)缺点是设备复杂，造价高。
增压制动：
(1)优点是将功回收给膨胀工质本身，提高膨胀机进口压力，增加膨胀机单位制冷量。
(2)缺点是设备复杂（点），设备造价高。

5、在实际生产应用过程中气开式、气闭式薄膜调节阀根据什么来选择？（W247）
答：在生产应用中，气开、气闭式薄膜调节阀的选择，主要是从生产的安全要求出发，考虑原则是看没有压力信号时（如气源故障），调节阀处于什么状态对生产的危害最小。如果阀门打开时危害最小，要选用气闭式；如果阀门关闭时危害最小，要选用气开式。

6、气开式薄膜调节阀的工作原理如何？（W247）
答：气开式薄膜阀的工作原理是：当没有压力信号输入时，阀门关死；有压力信号时，阀门开始打开，而且输入信号越大，阀门开度越大。到输入信号达最大时阀门全开。

7、哪些因素可能影响产品氧的纯度？（W143）
答：影响氧纯度的因素有
（1）氧气取出量过大
（2）液空中氧纯度过低
（3）进上塔膨胀空气量过大
（4）冷凝蒸发器液氧面过高
（5）塔板效率下降
（6）精馏工况异常
（7）主冷泄露

8、采用规整填料上塔有何优点？（W133）
答： （1）上塔采用填料，阻力明显降低，上塔底部压力下降，从而降低空压机排气压力，节约能耗。
（2）上、下塔压力下降，提高分离效率。
（3）填料塔持液量少，变工况迅速，操作弹性大。
（4）简化制氧流程，提高氩产品质量。
（5）塔径小，设备紧凑，有利于运输。

9、提取稀有气体有几种方法？（W156）
答：（1）精馏法。利用多次重复蒸发和冷凝过程来分离组分。
（2）分凝法
（3）冷凝冻结法
（4）吸附法。利用吸附剂是有选择性吸附使组分分离。
（5）催化反应法。

10、制氧机采用分子筛流程有哪些优点？（W31、J278）
（1）提高产气量
（2）降低能耗；
（3）运转周期延长；
（4）简化设备，提高安全性；
（5）可以用分子筛后的空气加温，取消加温解冻系统；
（6）易于实现自动化。

11、液氧内压缩流程有什么特点？（W33）
答：（1）内压缩流程产品氧氩提取率略低。
（2）由于没采用氧气压缩机，设备紧凑。
（3）可以避免氧气的二次污染
（4）可以提高安全性。
（5）能耗较高。
（6）比较适应生产液体产品。

12、相同状态下，氮的液化温度比氧的液化温度低，为什么在主冷中能把液氧蒸发，气氮冷凝？（只要答出 这是利用气体在不同的压力下，它的液化温度也不同，压力越大，液化温度也就越高。而上、下塔的压力不同就是促使气氮冷凝，液氧蒸发的根本原因。）（J12）（W53）
答：在同样压力下，氮的饱和温度比氧低，这表示氮比氧容易气化。但是在不同的压力下，氮的饱和温度有可能比氧高。例如 ：氧在温度1.5×105Pa下的饱和温度为93K；而氮在6×105Pa下的饱和温度为96K，比氧高3K。
在空分装置中，为保证上塔的液氧在冷凝蒸发器中蒸发，下塔的气氮在冷凝蒸发器中冷凝，必须使下塔氮的饱和温度高于上塔氧的饱和温度。就是利用气体在不同的压力下，它的液化温度也不同，压力越大，液化温度也就越高。而上、下塔的压力不同就是促使气氮冷凝，液氧蒸发的根本原因。

13、为什么空气经过冷却塔后水分含量会减少？（W25、答出温度下降水分析出）
答：从空压机排出的压缩空气的绝对压力为6公斤/厘米2左右，其中水分含量已达到饱和状态。在流经空气冷却塔时，随着温度的降低，饱和水分含量减少，即有一部分水分自空气中析出。这部分水蒸气凝结成水，同时放出冷凝潜热，不仅使冷却水增加，而且水温也会增加。

14、分子筛吸附剂的吸附特点是什么？（J58、 W77）
a、选择吸附；
b、干燥度很高；
c、有其它吸附能力；
d、分子筛具有高的稳定性；
e、有简单的加热可使其再生。

15、吸附剂的解吸方法有哪些？（J60）
答：加热法、减压法、清洗法、置换法。

16、试分析制氧生产中的检测参数有哪些？并各举一应用实例。
答：检测参数有：温度、压力、流量、阻力、液面、产品纯度等。
应用实例有：主冷温度、下载压力、入塔空气流量、上塔阻力、下载液空液位、产品氧气纯度等。

17、气缸内的气体经过一个不可逆过程之后，还能不能恢复到原来状态？为什么？（J15）
答：不能。因为系统内状态A经过一过程达到状态B，再从状态B恢复到原来状态A，且周围环境并没发生变化，这样的循环过程叫做可逆过程，否则就是不可逆过程。

18、热力学和第一定律和第二定律的具体表述是什么？（J15、J17）
答：：第一定律是：一定量的热消失时，必定产生一定量的功，消失一定量的功时，必定出现与之对应的一定量的热。
第二定律：热不可能自发的、不付代价从一个低温物体传给另一个高温物体。

19、请分析在理想状态下，一定质量气体的压力P，温度T及体积V之间的关系？（J5）
答：（Tpv）在一定温度下，气体在各状态下的压力P与体积v成反比。
（Pv/T）在压力不变的条件下，气体在各状态下的体积V与绝对温度T成正比。
（Vp/T）在体积不变的条件下，气体在各状态下的绝对温度T与压力P成正比。

20、现在由2#空压机向2#空分所供气，要求改为1#机供气，该如何操作？（不得影响空分生产）
答：倒机操作如下：
A、按正常开机程序启动1#机；
B、对1#机进行加量和升压，直至压力与2#机管网压力相同；
C、缓慢打开中间阀；
D、中间阀打开后，缓慢打开2#机的放空阀，缓慢关闭2#机机旁阀，同时关闭1#机的放空阀，注意在操作时，应协调操作，保持管网压力稳定，直至2#机放空阀全开，2#机机旁阀全关，1#机放空阀全关；
E、按停车程序全停2机。

五、计算题
1、空分系统进行中压系统的保压，气体保压前压力为0.5Mpa（表压），温度为15℃，保压12小时后系统内压力为0.4Mpa（表压），温度为15℃。请计算系统的保压12小时的气体残留率，该中压保压是否合格？(J.352)
解：保压前气体的压力P1 = 0.5＋0.1=0.6 Mpa
保压后气体的压力P2 = 0.4＋0.1=0.5 Mpa
保压前后气体的温度一样T2 = 273＋15=288 K
气体保压力12小时的残留率：
ε= P2T1 / P1T2×100% = P2T / P1T×100% = P2 / P1×100% = 0.5 /0.6×100%= 83.33%
答：因该系统工程12小时的残留率是83.33%＜95%，固该系统不合格。

2、已知膨胀机前压力P1=0.58Mpa ，温度T1=134K，焓值h1=8608 kJ / kmol ，出口空气压力P2=0.12Mpa ，温度T2=93K，h2=7532 kJ / kmol 理论焓降h"=7264 kJ / kmol , 求该透平膨胀机效率。(J.227)
解：实际焓降 h实＝h1－h2＝8608－7532＝1076 kJ / Kmol
理论焓降 h0＝h1－h"＝8608－7264＝1344 kJ / Kmol
效率 ηS＝h实 /h0×100%＝1076/1244×100% = 80%
答：该透平膨胀机效率是86.5%。

3、已知10000 m3/h制氧机液氩的出冷箱压力的设计值为28米液氩柱，试计算相应的出口压力？（已知g=9.8米/秒2 ，液氩密度ρ液氩=14kg/升）
解： P =ρ液氩gh = 1400×9.8×28 = 3.84×105 Pa = 0.384 Mpa 答：该制氧机液氩的出口压力是0.384Mpa 。

4、已知10000空分进塔空气量51000m3/h ，产品氧10200m3/h ，氧含氧量99.7%。求氧的提取率。（空气中的含氧量按21%计算）
解：氧气的提取率β=10200×99.73% / 51000×21%=94.95% 答：该空分装置的氧气提取率为94.95% 。

5、有一板式换热器热负荷Q=3.5×106KJ / h ，主冷的传热系数为938.6W/m2K,两侧液体的温差Δt=1.8℃，求所需的传热面积为多少？(J.73)
解：Q =KFΔt
F = Q / k·Δt
= 3.5×106×103÷3600 / 938.6×1.8
= 972222 / 938.6×1.8 = 575.5 （㎡）
答：主冷的传热面积为575.5平方米。

6、如果空气中的CO2的浓度为0.03%，即300ppm。经压缩至6绝对大气压后，温度为30℃，CO2浓度是多少？（提示：CO2浓度与总压力成正比）
解：加压到6个绝对大气压下，二氧化碳的分压为：
PCO2=yCO2P=0.03%×6×735.6×6=1.32 mmHg
答：该温度下二氧化碳所对应的饱和蒸气压远远大于二氧化碳的分压力，二氧化碳的分压力为1.32毫米汞柱。

7、气体在某一过程中吸收了50焦耳的热量，同时内能增加了384焦耳，问此过程是膨胀过程还是压缩过程？对外做的功是多少焦耳？
解：因为E=Q+W
所以W=E-Q=384-50=334J
因为W＞0
所以压缩过程。
答：此过程是压缩过程，并且外界对其作功334J。

8、已知气体的质量流量为G=6.95kg/s ，泄漏损失系数β漏=0.012，轮阻损失系数β阻=0.03，叶片功h叶片=45.85KJ/kg，求级的实际功耗。（J.191）
解： N实=（1+β漏+β阻）×G×h叶片
=（1+0.012+0.03）×6.95×45.85
= 332（kw）
答：级的实际功耗为332kw。

9、下塔的表压指示为5.00公斤/厘米2，则它的绝对压力均是多少？
解：绝对压力=5.00+1=6公斤/厘米2
答：它的绝对压力约是6公斤/厘米2 。

10、在20℃时，密闭容器内装有氧气，体积为1升，绝对压力为0.1Mpa，现将其等温压缩到0.5升，请计算它的压力是多少？
解：压缩前体积为V1、压力为P1
压缩后体积为V2、压力为P2
P1V1 = P2V2
0.1×1 = P2×0.5
P2 = 0.2MPa
答：它的压力是0.2MPa 。

11、制氧机的氩气产量为300m3/h，加工空气量为53000m3/h，空气中氩气的含量为0.932%，请问此机组的氩提取率是多少？
解：氩的提取率＝300÷（53000×0.932）×100% = 60.7%
答：该制氧机的氩提取率是60.7% 。

12、10000空气设备每小时的电耗为4600kwh，每小时产氧10000m3/h，请问该制氧机的氧气单耗是多少？
解：氧气单耗=4600/10000=0.46 kwh/m3
答：该空分设备的氧气单耗是0.46 kwh/m3。

13、一瓶氧气瓶的氧气相当于多少立方米标态下的氧气？（氧气瓶的容积为40升，充装氧气的压力为150大气压，充装温度为0℃）
解：一瓶氧气瓶换算为标态下的体积为V，则V=0.04×150=6m3
答：一瓶氧气相当于在标态下的6立方米氧气。

14、空分系统进行中压系统的保压，气体保压前压力为0.5Mpa（表压），温度为0℃，保压12小时后系统内还为0.5Mpa (表压)，温度为20℃，请计算系统的保压12小时的气体残留率，该中压保压是否合格？
解：保压前后气体的压力P1 = P2 = 0.5+0.1=0.6 Mpa
保压前气体的温度T1 = 273 + 0 = 273 K
保压后气体的温度T2 = 273 + 20 = 293 K
气体保压力12小时的残留率：
ε=P2T1/P1T2×100%=PT1/PT2×100%=T1/T2×100%=93.2%
因该系统工程12小时的残留率93.2%＜95%
固该系统保压不合格。

16、高压制氧机加工空气量为300m3/h ，氮气平均纯度为96% ，氧气的纯度为99.5% ，请计算氧气产量。
解：加工空气量B=300m3/h
氮气平均纯度yA=96%
氧气中氮浓度：yK=100% - 99.5% = 0.5%
空气中氮浓度：yB=79.1%
N气平均纯度：yA=96%
氧气产量：K = （yA - yB ）/ （yA - yK ）×B
=（96-79.1）/（96-0.5）×300
=53.1m3/h
答：该制氧机的氧气产量为53.1 m3/h。

17、湿空气中水分含量为2.5% ，若湿空气的总压力为1.01×105Pa，求水蒸气的分压力？（J7）
解：PH2O=yH2O×P=2.5%×1.01×105=2.53×103 Pa
答：水蒸气的分压力为2.53×103 Pa。

18、已知：进塔空气量51000 m3 ，氧气产量为10200 m3 ，纯度为99.7%，氮气产量为11000 m3 ，纯度为99.9%。求污氮中含氧量为百分几。（空气含氧量为21%，不计氩中的含氧量）
解：污氮中的氧量Q=51000×21% － 10200×99.7% - 11000×（1 －99.9%）= 529.6
YWN = Q / （51000 － 10200 － 11000）= 529.6 / 29800 = 1.78 %
答：污氮中含氧量为1.78 % 。

19、空气压缩机吸气状态为0.98×105Pa绝对大气压，40℃饱和空气，经压缩至5.88×105Pa绝对大气压后，仍冷却到原来的温度。问析出水量占空气中原有含水量多少？(当温度为40℃，压力为0.98×105Pa时，d1 =0.048kg/kg空气 ；温度为40℃，压力为5.88×105Pa时，d2 =0.007kg/kg空气 ) （J44）
解：（d1 – d2）/ d1×100%
=(0.048 – 0.007) / 0.048×100%
=85.5 %
答：析出水量占空气中原有水量的85.5% 。

20、已知：主冷上下液位阀间的压差为0.029 MPa ，问主冷液位有多高（PLO=1.14×103kg/m3）？
解：△P=ρg△h
△H = △P /ρg = 0.029×106 / 1.14×103×9.8
= 2.6（m）
答：主冷液位2.6m 。

六、综合分析题
1、全低压空分装置在积累液体阶段应如何操作加速液体的积累？（W337、J370）
答：（一）进入液体前，主冷要尽可能冷透，在主冷出现液体前，要开液氮、污液氮的节流阀，开大液氮吹除阀和氧气阀。
（二）控制好板式温度工况，减小复热不足损失。
（三）最大地增大膨胀机的制冷量。
（四）提高膨胀机前压力。
（五）降低膨胀机后的压力。
（六）提高上塔压力。
（七）降低下塔压力。
（八）提高氧、氮纯度。
（九）全关液氮节流阀、回下塔液氮阀。
（十）关主冷液氮侧不凝气排放阀。

2、试综合分析透平膨胀机的主要调节方法？（J228）
答：目前，实际中应用的冷量调节方法，主要有以下几种：
（一）、进口节流调节
在膨胀机的进口管道上装有气动薄膜调节阀，通过调节阀开度的变化，改变膨胀机的气流压力，从而膨胀机的焓降h0及等熵效率ηs同时发生变化，以实现调节产冷量的目的。
由于进口节流，膨胀机的有效焓降h0减少，等熵效率ηs急剧下降，因此，这种调节方法在经济上是很不合算的。但是，这种调节系统结构简单，操作方便、可靠。
（二）、部分进气度的流量调节
把膨胀机的导游器分成几个相互隔绝的喷嘴组，每组分别用一个阀门控制，实现流量调节。这种调节方法，不改变气体在膨胀机进、出口处的状态参数，主要改变膨胀气体流量，因此它比进口节流调节的经济性高，但调节机构相应复杂一些。）
（三）、转动喷嘴叶片角的流量调节
这种调节是利用转动喷嘴叶片，改变其喉部截面的流通面积，达到改变膨胀机的流量，从而改变其制冷量。
这种调节可以实现在较大范围内的冷量调节，并仍然保持机器有较高的等熵效率。这种调节的经济性好，并可灵活地掌握改变叶片角的大小，得到比较精细的调节效果，是一种先进的调节方法。
（四）、通过变化制动风机的进风量
改变风机转速调节冷量采用风机制动的膨胀机，可通过变化制动风机的进风量来改变膨胀机的转速，达到调节冷量的效果）
（五）、多机组调节。

3、在自清除中，切换换热器为什么切换时间不能过长或过短？（J54）
答：（1）自清除包括两个方面，正流空气通过切换式换热器将水分、二氧化碳冻结在蓄冷器的填料或翅片上，在一定时间内切换，返流污氮流过时，再将冻结下来的水分、二氧化碳蒸发或者升华后带出装置。
（2）若切换时间过长，切换式换热器会被堵塞。
（3）若太短，切换频繁，损坏切换系统，影响切换式换热器寿命、空分塔波动频繁、增加切换损失。

4、简述提氩操作要点？（W353）
答：提氩操作要点如下：
（1）主塔工况正常，并适当提高主冷液面。
（2）缓慢增加冷源使粗氩冷凝器缓慢开始工作。
（3）打开粗氩放空阀，对粗氩塔进行预冷。
（4）当粗氩塔底部建立一定的液面后，对氩泵进行预冷。
（5）启动液氩泵。
（6）缓慢调整，使工艺氩符合标准。
（7）给液化器和精氩塔冷凝器加冷源。
（8）向液化器送氩气，并开废气放空阀进行置放预冷。
（9）使精氩塔蒸发器开始工作。
（10）调整直至产品液氩合格。

5、全低压空分装置的主冷凝蒸发器的液面要保持一定高度的原因是什么？应该怎样才能将其保持在规定的高度上？（W121、W123、J374）
答： （1）主冷凝蒸发器的液面要求保持在一定的高度是为了强化换热和保证运行安全。主冷凝蒸发器的换热过程大多数相当于管内沸腾传热，液氧面过高或过低都将引起传热性能变差。液氧面过高，沸腾区太短，有可能使大量液氧面被吹出而不能形成良好的液膜，沸腾强度减弱。液氧面过低，管内出现蒸气区，管壁不能被充分利用，传热变差。此外，液氧面过高时有静压作用，使液氧平均温度升高，使传热温差减小，热负荷降低。液氧面过低不安全，造成过量的乙炔聚集有爆炸的危险。
（2）通过冷量平衡和液量分配平衡来保持液氧面在一定高度。是因为冷量不平衡而引起的液面变化，应通过增加或减少制冷量来调整，主要是增加或减少膨胀量或改变机前压力。是因为液量分配不平衡引起的液面变化，就应分析，如果是主冷液面过高而下塔液面过低，就应关小液空截流阀，反之，若主冷液面过低而下塔液面过高，就应开大液空截流阀。以保持主冷液面稳定。此外，主冷液面过高，还可排放一部分液氧，使液面下降，保持液面稳定。

6、N塞时如何处理？（W160）
答： （一）全开粗氩塔放空阀
（二）切断精氩塔去贮槽流路
（三）停止精氩系统工作
（四）全开氩泵出口回流阀
（五）粗氩塔底部液位过低时，停氩泵
（六）关氩泵进、出口阀。
（七）对氩泵进行加温。

7、请用节流过程和膨胀过程为例，分析它们是可逆还是不可逆过程？（J18）
答：（1）空气通过节流阀和膨胀机时，压力均从P1降到P2，在理想状态下，两个过程均可看成是绝热过程。
但是，由于节流过程没有对外作机械功，压力降完全消耗在节流阀磨擦、涡流及气流撞击上，要使气流自发的从压力低处（P2）反向流至压力高处（P1）是不可能的，因此它是一个不可逆过程。
（2）对膨胀机而言，膨胀机叶轮对外作功，使气体的压力降低，内部能量减少。
（3）在理想情况下，如果将所作的功用压缩机加以收回，则仍可以将气体由P2压缩至P1，没有消耗外界的能量。因此，膨胀机的理想绝热过程是一可逆过程。

8、离心式压缩机常用的调节方法几种？各有什么优缺点？（W224、J201）
答：离心式压缩机常用的调节方法及优缺点如下。
（1）排气节流调节：即调节空压机出口阀的开度，这种调节方式简单，但节流损失大，不经济且不安全，操作不当易产生喘振。
（2）进口节流调节：即改变进口管路上调节器阀的开度，这种调节优点是简便，且可以缩小喘振区。缺点是节流造成的附加损失大。
（3）改变转速调节：即改变转速，这种调节器的优点是效率变化不大，经济性好，且可缩小喘振区。缺点是需有变速电机，投资大
（4）转动叶片调节：转动进口导流器叶片或扩压器叶片，以适应流量和压力变化。这种调节器的优点是附加损失小。经济性好。缺点是转动叶片的机构较复杂。
（5）放空调节：在出口管路上装有一条旁通管路，将多余的气体放入大气中。这种调节器的优点是调节范围广，安全可靠。缺点是经济性差。

9、哪些原因会造成离心式压缩机的排气量不足？（W216）
答：造成离心式压缩机排气量不足的原因主要有
①进气温度太高；
②过滤器脏堵，引起吸入压力降低；
③过滤效果差，叶轮结垢；
④由于中间冷却器结垢，冷却水温过高或水量不足引起冷却器效果下降；
⑤内部或外部严重气体泄漏；
⑥叶轮磨损严重；
⑦调整导叶不到位；
⑧测量仪表不准

10、全低压制氧机为什么启动时空气量吃不进？（W335）
答：（1）全低压空分装置在启动初期，进塔的空气要全部或大部分经过膨胀机膨胀，而装置所设置的膨胀机的总膨胀量远小于空压机的排气量。
（2）空分在启动初期，其膨胀机的进气温度比设计温度高得多，实际的膨胀量也小于设计膨胀量。
（3）开始积累液体时，空气进下塔，经过节流阀进上塔，但因节流阀以通液体设计，通气时气量有限。
（4）主冷液体的积累初期，液面低于正常值，主冷有限换热面积不足，使下塔气体的冷凝量减少，空气吃不进。