水蒸汽
基本介紹
水蒸汽：指特定空間的水存在形態是氣-液二相，其中液相可以是「霧」狀分散形式存在（水蒸氣是水的氣態形式），也可以是大量液滴聚集形式存在，當然這也必須滿足一定的物理條件和其他的一些環境條件。在實際應用中，接觸到的大多數指的是「水蒸汽」。氣體與蒸汽是有區別的。蒸汽（例如水、水銀、乙醚、氨、汽油等的蒸汽）是這樣一種氣體，它由液體生成的，在普通大氣壓下與液體同時存在，並且很容易變成液體。而氣體（例如氫、氧、氮等）比較卻比較穩定，必須在非常低的溫度和高的壓力下才能變成液體。 [1]
詞語解釋
2000年版的《現代漢語詞典》解釋如下： 汽：1.液體或某些固體受熱而變成的氣體，例如水變成的水蒸氣；2.特指水蒸氣：汽機、汽船。 氣：1.氣體。2.特指空氣。4.自然界冷熱陰晴等現象。……其中，1和4也是《古漢語常用字字典》上的解釋。《列子·天瑞》：虹霓也，雲霧也，風雨也，四時也，此積氣之成乎天者也。
飽和狀態
將水置於抽盡空氣的密封容器中，就會有分子從水面逸出，同時又有分子從蒸汽空間返回水中。在同一時間內，如逸出與返回水中的分子數量相同，達到動平衡，水和水蒸汽便處於飽和狀態，並分別稱為飽和水和飽和水蒸汽，相應的壓力和溫度分別稱為飽和壓力和飽和溫度。飽和溫度越高，飽和壓力也越高
相關圖表
水和水蒸汽圖表：水蒸汽不能用理想氣體狀態方程描述。為計算方便，常將其熱力性質製成圖和表。圖、表中規定三相點的飽和水的內能和熵值為零，焓值也接近零。水和水蒸汽圖有：壓溫圖、壓容圖、溫熵圖和焓熵圖。水和水蒸汽表有兩種：飽和水蒸汽表，未飽和水和過熱蒸汽表。用以表示水的三相狀態之間的關係。圖1中蒸發線表示水-汽兩相共存的平衡飽和狀態的集合，溶化線和升華線分別表示冰-水和冰-汽的平衡飽和狀態的集合。三條飽和曲線把水的存在形式劃分為冰、水、汽三個區域。蒸發線的頂點C 稱為臨界點。超過臨界壓力時，液相與氣相的互相轉變過程便是連續的，沒有兩相共存的情況。水的臨界壓力p0=22.1287兆帕，臨界溫度T0=647.3K。在三相點T上，冰、水和水蒸汽三相處於動平衡狀態。水的三相點壓力pT=610.76帕，溫度TT=273.16K。 水蒸汽的狀態及其變化過程可用水的壓容圖表示。圖2中，a0a′a″a線表示在一定壓力下水蒸汽的形成過程線，AT為冰水共存的飽和水線，AT左側為固相的冰區；TC為水汽共存的飽和水線，AT 和TC 線之間為液相的水區；CV為干飽和蒸汽線，TC 和CV 線之間為水和蒸汽兩相共存的濕蒸汽區，用干度x表示每千克濕蒸汽中所含干飽和蒸汽量；CV 線右側表示過熱蒸汽區。分析水蒸汽的熱力過程或熱力循環時常使用溫熵圖。圖3中，TC 為飽和水線，CV 為干飽和蒸汽線，根據比熵的定義，定壓過程線a0a′a″a下面的面積表示在可逆的定壓過程中每千克水的吸熱量。其中a0a′線下的面積表示在該壓力下將未飽和的水加熱至飽和水所需要的熱量qL，a′a″線下的面積表示汽化過程的吸熱量，即汽化潛熱 γ，a″a表示由飽和蒸汽轉變為過熱蒸汽的加熱量qS。 在蒸汽動力工程的計算中使用焓熵圖更為方便。圖4中，CV 為飽和曲線，C 為臨界點，飽和曲線下側為濕蒸汽區，上側為過熱蒸汽區。在濕蒸汽區中畫有定干度線和定壓線（這時即定溫線），在過熱蒸汽區中分別畫出定壓線和定溫線。
蒸汽利用
水蒸汽的熱能可以轉變成機械能、加熱和蒸發液體等。利用水蒸汽來做功（把水提到高處）的初步嘗試是在17世紀開始的。 [1] 2002年大島克仁利用水蒸汽處理裝置進行了過熱水蒸氣條件下柳杉試件的力學特性的研究。 1999年李傑等研究了脈衝放電等離子體中水蒸汽活化作用。 1998年4月，鞍山焦化耐火材料設計研究總院為江西景德鎮焦化煤氣總廠設計的工業燃氣生產裝置，選用了該項技術，以義馬長焰煤為原料，以空氣一水蒸汽為氣化劑，生產工業燃氣，單爐制氣能力lxl了襯/h，已於2001年2月投人使用。 1997年該工作組提出了工業用水和水蒸汽熱力性質計算公式。 王良恩等於1997年分別對福州市塑料橡膠廠和福建省三豐鞋業有限公司運動鞋車間的三苯廢氣進行治理，採用了活性炭吸附—水蒸汽脫附—工業水冷凝的組合技術。 1997年1月，利用燒結廠停產的間隙，上了一套重力噴淋除塵器，利用含水蒸汽煙氣與大氣的密度差，不需任何外用動力，靠自然抽風進行工作。 鋁板順水搭縫處塗玻璃膠密封后鋁板既起着保護作用，又起防潮層作用，但在實際施工中由於搭縫多，塗膠密封這項工作大都疏忽做得不好，外界空氣中的水蒸汽易滲入聚氨酯孔隙中熱脹冷縮造成破壞，因此我們在1995年新建12隻大罐的續建工程保溫中特別注意做好這項工作。 歐空局在1991年發射的歐洲遙感衛星，裝載有兩波段的微波輻射計，用來復原大氣中總的水蒸汽含量，解譯海洋表面溫度受大氣的影響，開始了星載微波輻射計的研究工作等等。 1990年國際水和水蒸汽性質學會IAPWS成立了一個由多個國家的科學家組成的工作組，研究新的計算公式。 金陵石化公司煉油廠發明的「不用水蒸汽的大氣式熱力除氧方法」於1986年3月12日向中國專利局申請了發明專利，經過將近五年的審查，中國專利局於1990年12月12日授予發明專利權。 在1984年安全月中查出的18條重大隱患，已整改了10條，象山冶金機械廠鑄造車間廠房原設計起重荷載為8噸，但經常超負荷作業，造成屋面多處裂縫；水爆房鋼屋架受水蒸汽和煤氣侵蝕，焊縫府蝕嚴重，水泥掛條外面巳剝落。 1982年11月中旬，工作面上隅角再次出現達37℃的高溫，同時有水蒸汽和「掛汗.現象，煤炭自燃徵兆已相當明顯。 這意味着無需加防水塗層就足以擋住風和雨滴，但對人體散發的水蒸汽而言，又足以使之逸散出去，即具有能「呼吸」透濕防風雨性能，如1981年鍾紡公司開發的SavinaDP超高密防水織物。 後來，於1975年和1977年由國際水蒸汽性質協會（I APS）先後公布了經過鑑定的粘度和導熱係數的最新測試數據表〔一川。 1972年2月電解槽預試途中因槽蓋在90℃濕氯氣及鹽水蒸汽侵襲下，使用不到幾小時就鼓泡整塊脫落，槽底因水泥養護質量差裂紋多，鹽水滲透，陽極頭接縫處及底邊周圍漏出鹽水，與此同時瀝青被軟化呈菌狀滲出槽底表面。 1972年進行了硫化料礦濃密機的各種覆蓋層在溫度為80℃的含有硫化氫、水蒸汽介質中的耐腐蝕試驗研究。 自1972年英國的APV公司和托里（Torry）研究所聯合研製的第一台生產型真空水蒸汽解凍裝置問世後，這種解凍方法就進入了實用階段，並在凍品解凍工藝中發揮了重要作用。 1971年該廠在一個按兩個階段減輕臭 蒸濃器的效果氣、飛灰和水蒸汽逸出的方案中，在470噸/ 最先使用PFR蒸濃器的工廠之一是設日回收爐系統用一台PFR蒸濃器代替直接在美國蒙大拿州的Hoerner Waldorf公司的接觸蒸發器，並同時安裝了一台省煤器、靜工廠。 中國自行研究開發的水蒸汽脫附固定床分子篩脫蠟技術，已有二十多年的歷史，1969年至今先後在南京、燕化煉、大慶煉廠、荊門煉廠和林源煉廠建成五套用於生產輕液蠟或重液蠟的生產裝置。 鍋爐熱力計算方案多數參考日方白皮書，汽機按簡化熱力試驗（水電部規範）進行，公式參考日方白皮書，水和水蒸汽狀態方程用1968年IFC公式。 設備於1967年投入生產，操作介質為焦碳、渣油、油氣和水蒸汽等。為了適應上述變化，我們基於國際公式化委員會提出的「工業用1967年IFC公式，編制通用的水和水蒸汽熱力性質計算軟件，實現水和水蒸汽熱力性質的計算機通用求解。在編制水和水蒸汽熱力性質計算通用程序時，主要依照工業用1967年IFC公式，對其中某些不準確區域採用了蘇聯熱工研究所擬合的公式，且對公式中個別係數做小幅度修改。IFC公式是由國際公式化委員會（IFC）於1967年提出來的，直到2013年採用的水蒸汽性質圖、表就是以IFC公式為基礎的。水和水蒸汽性質表採用1967年IWi公式。計算範圍為第六屆國際水蒸汽性質會議的國際公式化委員會（IFC）擬定的「工業用1967年IFC公式」規定的整個區域。水和水蒸汽表計算程序採用當前國際公認的「工業用1967年IFC公式」作為計算依據，能夠計算水和水蒸汽的飽和溫度、飽和壓力、焓h、熵s、比容v、火用e。以Baker的流動圖為基礎，1961年，Goldman〔得到了絕熱的水蒸汽一水二相流的流動圖，使二相流研究進入汽一液二相流研究階段。 1960年武大周嫦、楊弘適兩先生採用普通熱水瓶中保存的溫熱水蒸汽來處理稽穗,達到催花毅雄的目的。 我吲扯1959年曾終大搞松針油的生產，將粉碎的針葉，用水蒸汽進行蒸餾，餾出液經油水分離收集松針油。 某廠在1956年新建一座尾氣吸收塔，投產後，茫茫一股自煙從尾氣煙囪冒出，當時對其不夠了解，孰為尾氣吸收塔用氨水循環吸收，必定有水蒸汽產生，自煙就是水蒸汽是不可避免的。 自1954年到2013年短短几年中就迎檀舉行了雨灰國際性會畿來尊同封諭水和水蒸汽的性耍。 自1954年到2013年短短几年中就連續舉行了兩次國際性會議來專門討論水和水蒸汽的性質。 自1954年起，由於及氣層核試驗，使大氣層水蒸汽和雨水中的氮濃度逐步增加。 1941年德國Harteck和美國urey等人提出用水蒸汽和氫交換生產重水，不久在挪威建成世界上第一座氫一水同位素交換法重水生產工廠協，l。 1929年日本宮田等發明了鋁陽極氧化膜水蒸汽封孔法，1931年歐洲出現了沸水和重鉻酸鉀溶液封閉法，至此為鋁陽極化工業化奠定了實用技術基礎。 1904年德國人莫利哀提出水蒸汽的焓熵圖。 16.1904年德國人莫利哀提出水蒸汽焓一熵圖。 1895年初，威爾遜採用愛特肯（J．Aitken）創造的方法：愛特肯早在1880年就發現，火焰升起的氣體，可以引起飽和氣體中水蒸汽沉積，愛特肯把能讓水蒸汽自行凝結的裝置稱之為「記塵計」 1705年英國的鐵匠紐可門製成了第一台礦井抽水蒸汽機。
水蒸氣蒸餾
原理
水蒸氣蒸餾操作是將水蒸氣通入不溶或難溶於水但有一定揮發性的有機物質（近100℃時其蒸氣壓至少為1333.9Pa）中，使該有機物質在低於100℃的溫度下，隨着水蒸氣一起蒸餾出來。兩種互不相溶的液體混合物的蒸氣壓，等於兩液體單獨存在時的蒸氣壓之和。當組成混合物的兩液體的蒸氣壓之和等於大氣壓力時，混合物就開始沸騰。互不相溶的液化混合物的沸點，要比每一物質單獨存在時的沸點低。因此，在不溶於水的有機物質中，通入水蒸氣進行水蒸氣蒸餾時，在比該物質的沸點低得多的溫度，而且比100℃還要低的溫度就可使該物質蒸餾出來。在餾出物中，隨水蒸氣一起蒸餾出的有機物質同水的質量之比，等於兩者的分壓（PA和PH2O）分別和兩者的相對分子質量（MA和18）的乘積之比，所以餾出液中有機物質同水的質量之比可按下式計算： 例如，苯胺和水的混合物用水蒸氣蒸餾時，苯胺的沸點是184.4℃，苯胺和水的混合物在98.4℃就沸騰。在這個溫度下，苯胺的蒸氣壓是5599.5Pa，水的蒸氣壓是95725.5Pa，兩者相加等於101325Pa。苯胺的相對分子質量為93，所以餾出液中苯胺與水的質量比等於：由於苯胺略溶於水，這個計算所得的僅是近似值。水蒸氣蒸餾是用以分離和提純有機化合物的重要方法之一，常用於下列各種情況：一般蒸餾會發生分離的高沸點有機化合物；混合物中含有大量的樹脂狀或焦油狀以及不揮發雜質，採用蒸餾、萃取等方法難以分離；從固體較多的反應混合物中分離被吸附的液體；從反應混合物中去除易揮發的有機物。 1 存在的問題 淄博魯中水泥有限公司4 500 t/d生產線自使用SNCR脫硝系統以來，NOx排放值控制在320 mg/Nm3（標態，10% O2，以下同）以下時，氨水使用量在0.9 t/h左右，2016年山東省規定水泥廠NOx排放限值為200 mg/Nm3，為此氨水使用量達到1.25 t/h左右，大量冷風和氨水的進入造成系統熱耗增加，熟料生產成本增加較多，因多用氨水造成噸熟料成本上升3元，影響企業利潤。該公司燒成系統的基本參數見表1。 2 問題分析和方案的確定 結合同類型企業的先進管理經驗，分析認為能耗高的主要原因是：①系統漏風點較多；②用風量偏大；③操作的精細化程度偏低。上述三因素造成氨水使用量增加，最終造成能耗升高。通過分析，經多方考察，決定採用蒸汽低氨燃燒技術對該生產線進行技改。 3 方案的實施 2017年3月5日錯峰生產停窯，由山東卓昶節能科技公司採用總承包的方式對該生產線進行了技改，具體方案的實施如下。 3.1 窯尾蒸汽催化系統技改 在窯尾餘熱發電蒸汽排污管道處開口，安裝上閘閥，通過管道接入催化劑罐，將反應生成的氣體輸入蒸汽控制系統，經過環形管分到錐體4個貧氧燃燒器內，窯尾蒸汽噴槍把蒸汽噴射到窯尾錐體內適當位置，使其與貧氧燃燒器噴入的灼熱煤粉混合。 3.2 分解爐煤粉燃燒系統技改 把4個貧氧燃燒器安裝在分解爐錐體底部膨脹節以上位置，2個噴煤槍放在三次風管上面的合適位置，煤粉經分煤器、輸煤管道進入改造後的4個貧氧燃燒器和2個噴煤槍，噴入分解爐中， 3.3 C4A、C4B下料管技改 分解爐C4A、C4B的生料通過下料管、分料閥、鎖風閥，一股分到三次風管上部，一股分到分解爐錐體。在新的無焰燃燒器上方合適的位置安裝新的撒料盒，並連接新的分料管和新安裝的分料閥。將分出的部分生料經新製作的分料閥、下料管分支、鎖風閥、撒料盒餵入分解爐錐體下部的噴煤槍和水蒸氣噴槍位置的上方合適的位置 3.4 三次風管技改 為了使低氧還原區具有充足的反應空間，按設計要求對分解爐三次風管進行上移改造，C4A、C4B在三次風管上部原下料管整體向上平移。 3.5 輸煤管優化 為提高尾煤風速，拆除舊的主煤管（管道外徑為325 mm），更換新的主煤管道（管道外徑為273 mm），通過變頻調速降低尾煤羅茨風機的使用風量，從而達到節煤和節電的目的。 4 改造效果及效益分析 改造後熟料產質量沒有受到任何影響，在NOx排放濃度控制在200 mg/Nm3以下時，改造前使用氨水量1.25 t/h，改造後實際NOx排放濃度控制在150 mg/Nm3以下，氨水量0.425 t/h，降低了0.825 t/h，每天節約氨水19.8 t，氨水價格650元/t，窯年運轉率為85%，每年可節約脫硝成本近400萬元。同時因尾煤系統的優化，煤耗和電耗也有不同程度的降低，年產生綜合效益約550萬元，熟料生產線改造總投資300萬元左右，車間生產改造前後運行參數及窯況基本無變化，在不增加運行成本的情況下，當年可收回成本，並為公司帶來持續的經濟效益，技改前後運行參數對比見表2。 5 結束語 採用蒸汽低氨燃燒技術後，脫硝效率可達到70%以上，熟料產質量沒有任何變化。通過調試對窯系統技術操作參數進一步進行了優化，操作人員須學習領會改造理念，適應改造後的精細化操作要求。蒸汽燃燒技術是一項沒有運行成本的脫硝技術，也是水泥行業節能減排降低NOx的一項技術創新，在改造的過程中還存在很多問題，還有提高效益的空間，需進一步探討和摸索。[1]
水蒸氣蒸餾裝置和操作
水蒸氣蒸餾裝置如圖2—17（a）所示，主要由水蒸氣發生器A、三口或二口圓底燒瓶D和長的直型水冷凝管F組成。若反應在圓底燒瓶內進行，可在圓底燒瓶上裝配蒸餾頭（或克氏蒸餾頭）代替三口燒瓶〔圖2—17（b）〕。鐵質發生器A通常可用二口或三口燒瓶代替。器內盛水約占其容量的1/2，可從其側面的玻璃水位管察看器內的水平面。長玻璃管B為安全管。管的下端接近器底，根據管中水柱的高低，可以估計水蒸氣壓力的大小。圓底燒瓶D應當用鐵夾夾緊，其中口通過螺口接頭插入水蒸氣導管C，其側口插入餾出液導管E。導管C外徑一般不小於7mm，以保證
水蒸氣蒸餾裝置
A—水蒸氣發生器 B—安全管 C—水蒸氣導管 D—三口圓底燒瓶 E—餾出液導管 F—冷凝管 水蒸氣暢通，其末端應接近燒瓶底部，以便水蒸氣和蒸餾物質充分接觸並起攪動作用。導管E應略微粗一些，其外徑約為l0mm，以便蒸氣能暢通地進入冷凝管中。若管E的直徑太小，蒸氣的導出將會受到一定的阻礙，這會增加燒瓶D中的壓力。導管E在彎曲處前的一段應儘可能短一些；在彎曲處後一段則允許稍長一些，因它可起部分的冷凝作用。用長的直型水冷凝管F可以使餾出液充分冷卻。由於水的蒸發潛熱較大，所以冷卻水的流速也宜稍大一些。發生器A的支管和水蒸氣導管C之間用一個T形管連接。在T形管的支管上套一段短橡皮管，用螺旋夾旋緊，它可以用以除去水蒸氣中冷凝下來的水分。在操作中，如果發生不正常現象，應立刻打開夾子，使與大氣相通。把要蒸餾的物質倒入燒瓶D中，其量約為燒瓶容量的1/3。操作前，水蒸氣蒸餾裝置應經過檢查，必須嚴密不漏氣。開始蒸餾時，先把T形管上的夾子打開，用直接火把發生器里的水加熱到沸騰。當有水蒸氣從T形管的支管衝出時，再旋緊夾子，讓水蒸氣通入燒瓶中，這時可以看到瓶中的混合物翻騰不息，不久在冷凝管中就出現有機物質和水的混合物。調節火焰，便瓶內的混合物不致飛濺得太厲害，並控制餾出液的速度約為每秒鐘2～3滴。為了使水蒸氣不致在燒瓶內過多地冷凝，在蒸餾時通常也可用小火將燒瓶加熱。在操作時，要隨時注意安全管中的水柱是否發生不正常的上升現象，應立刻打開夾子，移去火焰，找出發生故障的原因；必須把故障排除後，方可繼續蒸餾。當餾出液澄清透明不再含有有機物質的油滴時，可停止蒸餾。這時應首先打開夾子，然後移去火焰 [2] 。
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有機實驗：水蒸氣蒸餾