低溫原理講課教案

1、低溫原理講課教案第一章 低溫工程的性質(zhì)通常指的工質(zhì)為低溫工質(zhì)與制冷工質(zhì)的不同：1、即可作為制冷工質(zhì)，又可作為原料、產(chǎn)品。 2、可以是相變制冷，可能是單相制冷。 3、單靠加壓不能液化。低溫與普冷的區(qū)別：1、可能是閉式循環(huán)，也可能是開式循環(huán)。 2、高低溫熱源溫差較大，須采用回熱系統(tǒng)。以120K為界以下：（1）烴類：烷、烯、炔 約120K（）石油氣（戊，已烷）， 天然氣（甲烷） （2）空分成分： 約80K（3）超低溫： H2, 20K, He, 4.2K§1-1 低溫工程的種類120K級的低溫：天然氣（廣義）的液化分離-石化行業(yè)80K級的低溫： 空氣的液化分離 -制氧行業(yè)20K級以下的低溫

2、：氫氣的液化，氦的液化。低溫工程的性質(zhì)：（1）甲烷，天然氣的主要成分：（5）氖 來自空氣， 燈炮氣（6）氫 來自煤、天然氣，燃料（7）氦 來自合成氨尾氣、天然氣制冷劑所指的低溫技術(shù)：（1） 獲得純凈的低溫介質(zhì)（分離技術(shù)）（2） 獲得低溫液態(tài)工質(zhì) （液化技術(shù)）（3） 利用低溫工質(zhì)獲得所需的低溫溫度（低溫制冷技術(shù)）（4） 利用低溫制冷獲得高真空（低溫泵）（5） 低溫工質(zhì)的儲藏與運輸（6） 低溫絕熱技術(shù)。§1-2 空氣及其組成氣體的性質(zhì)空氣=干空氣+水蒸氣干空氣： 78% 21% 1% 二元：N2 + O2三元：N2 + O2 + Ar 可寫作理想氣體對待，M=28.97， 在相平衡（汽/

3、液）情況下： 液體中，N2：59% O2：40% ：1%（1）：安全，無味無毒，保護氣體，是極好的冷源介質(zhì)，保存生命（生物），預(yù)冷和保護層（）（2）：助燃，促進動植物生命新陳代謝，很活潑。 易于爆炸，在空分裝置，輸氧管道，。是無色，煉鋼助燃，火箭發(fā)動機，焊接，切割。（制氧機的名字來源）（3），隋性氣體（不氧化），作為保護氣體或切燈泡氣，空氣含量大。（4）：很好的制冷劑，安全可靠（）所謂的空分：就是從空氣中提取N2、O2、Ar以及Ne 。主要是低溫分離，此外還有常溫分離方法：分子篩變壓吸附（SPA）， 膜分離等。§1-3 氫的性質(zhì)（1）性質(zhì)最為復(fù)雜的低溫工質(zhì)有三個同位素 H D T。H

4、：0個中子，1個質(zhì)子；D：1個中子，1個質(zhì)子氫是，而HD僅占0.0260.032%的比例。的密度最小，最大，最小、最小，擴散能力很強，可以滲透金屬 。：a、制冷工質(zhì) b、潔凈燃料 c、重氫的原料 不易處理，易燃易炸，易泄漏。（2）正氫與仲氫 Ortha-Hydrogen 正氫，Para-Hydrogen 仲氫，平衡氫( e- ) = 正常氫（標準氫）(n- ) = 75%（OP）正仲轉(zhuǎn)化，放熱反應(yīng)，汽態(tài)時要催化。轉(zhuǎn)化熱 > 汽化潛熱，液態(tài)時可自動轉(zhuǎn)化，但很慢。的儲存：由于轉(zhuǎn)化熱放出，易于汽化，故生產(chǎn)時加催化劑。促使Op轉(zhuǎn)化。（ne的放熱，和nP的放熱）所以的性質(zhì)有多種正常氫（），平衡氫（

5、），仲氫（）同位素有正常氘（），。§14 氦的性質(zhì)氦有兩種同位素主要是天然氣中提取通常指的氦為，同為含量很少。氦是最難液化的氣體，很長時間被認為是永久氣體。氦有兩個三相點，在25bar以下得不到固體，但存在一個高階的液態(tài)相變：叫做超液氦，中間的線叫入線。 入轉(zhuǎn)變點約2.17K，“”顯示了Cp的變化關(guān)系突變，無氣化潛熱特性：（1）超流性“爬膜”、“噴泉” （2）超導熱性。當時， 的混合物存在。， 越高。超導特性是固體導電特性（電阻為0，抗磁性=）超導與超流均為量子特性。phonon聲子 photon光子 quantum量子。第二章 獲得低溫的方法§2-1 獲得低溫方法有物理法

6、（1）相變制冷（液體氣化，固體融化，固體升華，液體抽氣）(2)壓縮氣體絕熱節(jié)流 （3）等熵膨脹 （4）輻射制冷 （5）渦流制冷 （6）熱電制冷，（7）吸收制冷 吸附制冷。§2-2 絕熱節(jié)流低溫制冷裝置中，主要是絕熱節(jié)流和等熵膨脹（主動）什么是節(jié)流過程： 理想氣體 焦一湯效應(yīng)，節(jié)流后的溫度變化效應(yīng)（實際氣體）微分節(jié)流效應(yīng) 理想氣體積分節(jié)流效應(yīng) 取決于節(jié)流前的氣體狀態(tài)。三種情況內(nèi)在機理，節(jié)流后，但d(pv)不定， 也不確定。轉(zhuǎn)化溫度與轉(zhuǎn)化曲線 根據(jù)微分節(jié)流效應(yīng) 關(guān)系，可以求出時的狀態(tài)此時為轉(zhuǎn)化溫度實踐證明，當節(jié)流前如果是，則節(jié)流后產(chǎn)生制冷效果。通常必須以后節(jié)流才能制冷積分節(jié)流效應(yīng)的計算（

7、1）圖上表示（2），為平均微分節(jié)流效應(yīng)等溫節(jié)流的效應(yīng)節(jié)流后升溫至節(jié)流前溫度所需熱量微分節(jié)流效應(yīng)， 積分節(jié)流效應(yīng) 等溫節(jié)流效應(yīng) §2-3 氣體等熵膨脹通過膨脹機實現(xiàn)，對外做功微分等熵效應(yīng) 已知 則故總是具有冷效應(yīng)對外作功的內(nèi)位能的增加，都是通過消耗內(nèi)動能而產(chǎn)生的，因此理想氣體膨脹前后溫差 T1 為初溫，為膨脹比制冷量計算 等溫節(jié)流效應(yīng) 膨脹輸出功要提高膨脹前后溫差：（1）增加初溫 （2）增加膨脹比膨脹機效率等熵效率，實際焓降與理論焓降之比絕熱節(jié)流與等熵膨脹比較溫度效應(yīng)和制冷量均是等熵膨脹高第三章 氣體液化循環(huán)§3-1 概述1、制冷的目的：（1） 低溫氣體液化，必須降

8、溫至以下，需要制冷降溫（2） 維持低溫系統(tǒng)所需制冷以補償冷損（3） 如產(chǎn)生低溫液體，補償帶走的的冷量不同于為獲取冷量的制冷目的2、 氣體液化理論最小功獲得低溫實現(xiàn)熱量從低高的轉(zhuǎn)移，必須投入能量。理想過程：等溫壓縮+等熵膨脹理想最小功 按即為循環(huán)包圍的面積理想最小功是全面可逆循環(huán)的過程組成循環(huán)，如果有不可逆過程則系統(tǒng)，與（環(huán)境溫度）的乘積，即是不可逆所致3、液化循環(huán)指標有理論最小功單位能耗（獲得1kg液態(tài)氣體所消耗的功）W為1kg氣體耗功 Z為1kg氣體的液體量制冷系數(shù)，制冷量與耗功之比（單位耗功的制冷量）1kg氣體產(chǎn)生的液化冷量 循環(huán)效率又稱熱力不完善度，為實際循環(huán)制冷系數(shù)與理論循環(huán)系數(shù)之比。

9、也是理論最小功與實際耗功之比。§3-2 空氣 氧 氮的節(jié)流液化循環(huán)性質(zhì)接近、循環(huán)相似，主要來自空氣。低溫液化循環(huán)：（1） 節(jié)流液化循環(huán)：利用節(jié)流裝置，獲得等溫節(jié)流效應(yīng)（2） 帶膨脹機的液化循環(huán)：利用膨脹機獲取大的等熵膨脹制冷量（3） 帶氣體制冷機的液化循環(huán)：利用其它的低沸點工質(zhì)的氣體制冷效應(yīng)來液化。（4） 復(fù)疊式液化循環(huán)：利用不同沸點工質(zhì)逐級冷卻最終液化 （1）+（2）是自身制冷，最常見，特別是由于節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)簡單、可靠，使用方便，但不可逆，制冷量小。一、一次節(jié)流液化循環(huán)是最早的液化循環(huán)，被德國的林德所采用，故命名林德循環(huán)。1、理想循環(huán)等溫壓縮 等壓冷卻 節(jié)流膨脹 液化 等壓復(fù)熱起動

10、過程：節(jié)流過程逐漸降溫，直至到達穩(wěn)定狀態(tài)液化量：1kg空氣， 單位冷量 由于一定（狀態(tài)參數(shù)）要想獲得較多液化量，等流節(jié)流效應(yīng)要大，是壓力的函數(shù)（環(huán)境溫度一定時）實際上是 轉(zhuǎn)化曲線上要一定，一定，則等熵壓縮的最佳壓力應(yīng)在等溫線與轉(zhuǎn)化線的交點2、實際循環(huán)不可逆因素：a、 壓縮機過程不可逆，用來反映b、 換熱器又溫差，不完全換熱，c、 跑冷（裝置大小、絕熱條件等）實際液化量 單位（加工空氣）制冷量為 適當升高，升高，高壓氣體T下降，對提高有利。二、有預(yù)冷的一次節(jié)流液化循環(huán)降低高壓氣體溫度，減小換熱器的溫差三、二次節(jié)流液化循環(huán)提高 循環(huán)氣體高壓氣體節(jié)流 進高壓壓機 中壓節(jié)流 進低壓壓機 液體§

11、;3-3等膨脹機的空氣液化循環(huán)一、克勞特循環(huán)根據(jù)系統(tǒng)能量守恒的關(guān)系，并考慮跑冷損失，不完全熱交換損失則有膨脹機的非等熵過程，定為膨脹機等熵效率則 等溫節(jié)流效應(yīng) 膨脹制冷量耗功為影響因素：冷量過剩？冷量過剩？過分高，冷量不能被高壓氣所用。換熱器溫度曲線（第）關(guān)系曲線高壓空氣比熱變化大，而低壓基本不變正流體，返流氣任意截面，截面上流體溫度流量之比，熱端溫差一定，規(guī)定，從而畫出上述虛線，則從而確定 及二、海蘭德循環(huán)高壓常溫膨脹，增加絕熱焓降可預(yù)冷，增加適用于小型液態(tài)裝置。三、卡皮查循環(huán)低壓低溫膨脹，液體節(jié)流流程簡單，能耗小，投資低，適用于大中型空分。§3-4 氦液化循環(huán)臨界點低，為5.2K

12、，也低4.6K，7K以下節(jié)流才會產(chǎn)生液體故必須預(yù)冷+節(jié)流，或膨脹對外輸出功+節(jié)流。一、節(jié)流液化循環(huán)（1）預(yù)冷， 用二、帶膨脹機液化循環(huán)（1）預(yù)冷+TE（2）預(yù)冷 + 2×TE（柯林斯循環(huán)）根據(jù)最小功設(shè)計各級TE的參數(shù)保證每級的EX正常工作。三、其它型式的He液化循環(huán)1、 雙壓2、 雙級膨脹，兩級節(jié)流3、 附加制冷循環(huán)第四章 溶液熱力學基礎(chǔ)§4-1 概述一、溶液：兩種級以上物質(zhì)組成的均勻，穩(wěn)定的液體，可以蒸發(fā)和凝固。組成：（1）兩種液體混合（2）固體溶解于液體（3）氣體溶解于液體二、成分：各組成物質(zhì)的比分（1）質(zhì)量成分：，第組分在溶液中的質(zhì)量分數(shù)。（2）摩爾成分：，第i組分在

13、溶液中的摩爾分數(shù)如第i組分的摩爾數(shù)為則也為三、溶解度溶質(zhì)在溶劑中可溶解的最大量，是T，的函數(shù)。但，完全溶液的溶解度為0100%不完全溶液的溶解度為0%四、溶解熱，溶解通常伴著熱效應(yīng)吸熱或放熱反應(yīng)。吸熱為正，§4-2 溶液的基本定律一、理想溶液及拉烏爾定律理想溶液與各組成的性質(zhì)接近，分子作用力同純物質(zhì)，無溶解熱。（1）拉烏爾定律：蒸氣混合物中某一組分的分壓，等于該純凈物質(zhì)同一狀態(tài)下的飽和蒸汽壓與該組分在溶液中的摩爾成分的乘積。 適用于理想溶液實際溶液可能有出入二、康諾瓦羅夫定律理想溶液中液相中和氣相中的成分是不同的由拉烏爾定律 （溶液）由道爾頓定律 則 如果飽和蒸氣壓則§4-

14、3 溶液相平衡條件一、相：凝聚態(tài)內(nèi)部均勻的部分 通過相的界面進行物質(zhì)的轉(zhuǎn)移稱為相變二、相平衡（溶液）在等溫（T=C）、等壓(p=C)的條件下，相平衡的條件是同一成份在不同相內(nèi)的化學勢相等。某個組分，在多相平衡系統(tǒng)中的條件是 個式子三、吉布斯相律按相平衡系統(tǒng)的自由度（可變條件）與組分數(shù)及相數(shù)間的關(guān)系。分析知：獨立變量（自由度）= 相數(shù) 成份數(shù) 狀態(tài)參數(shù)（p，T）相關(guān)關(guān)系式個數(shù) =個式子，使其相關(guān)所以獨立變量如水水蒸汽平衡 鹽水鹽水蒸氣平衡 空氣中， §4-4 二元溶液的相平衡一、氣液相平衡 有圖，圖，圖由康諾瓦羅夫定律知：不同在Tx圖上可看出x的濃度時，露點溫度和飽點溫度在之間壓力越高

15、，氣液濃度差越小，越難以分離。在p一定期時，按圖指出圖，反映過程熱量的進出特點：（1）兩條飽和線不相交，在處反映了A和B的氣化潛熱（2）兩相區(qū)的等溫線由垂直到傾斜又到垂直的變化。（3）壓力變化升高時，飽和線上移。§4-5多種分氣體的相平衡一、逸度與活度的概念考慮實際氣體與理想氣體，實際溶液與理想深液的不同，同時不使方程復(fù)雜化。逸度代替壓力 ，拉烏爾定律 逸度系數(shù) ，考慮其偏差活度代替濃度 類似道爾頓分壓定律活度系數(shù) 則 氣相中，理想系中， 液相中二、氣液平衡系的分類1、2、理想系 氣相和液相均為理想溶液 （服從拉烏爾定律）（逸度規(guī)律）3、非理想系 有一相為非理想溶液，用活度系數(shù)考慮其

16、修正。，三、氣液相平衡表示相平衡常數(shù) 平衡時，氣液中，T，p，g，均相同，則（1），露點方程 已知，假定 則（2），泡點方程 已知§4-6 溶液基本熱力（工作）過程一、混合 總質(zhì)量守恒：總能量守恒：溶質(zhì)質(zhì)量守恒：二、蒸發(fā)與冷凝蒸發(fā)：質(zhì)量守恒： 溶質(zhì)質(zhì)量守恒： 氣化量效，杠桿規(guī)則在p一定時，圖（1） 蒸發(fā)起始溫度與終止溫度不同（2） 液相氣相中成分變化連續(xù)凝結(jié)的過程按相反方向進行。三、節(jié)流前后：節(jié)流前，狀態(tài)為過冷液體節(jié)流后，狀態(tài)為濕蒸氣通過溫蒸汽的線上，可以確定氣化率，節(jié)流前過冷度越大，節(jié)流后氣化率越小。四、吸收氣體溶于溶液之中叫吸收（氣體溶于固體中叫吸附）溶液的溫度低于蒸氣溫度導致蒸

17、氣液化冷凝溶液的飽和蒸氣壓低于蒸氣壓力導致蒸氣液化吸收類似于一股蒸氣與一股溶液的簡單混合所以溶液對蒸氣最大吸收使得溶液達到飽和氣體溶液 1點的溶液+d點的蒸氣2點的飽和溶液 （） （） （）線上的線表示吸收的蒸氣量比例吸收每kg蒸氣所需溶液量即 可見過冷度越大，所需溶液量越少，吸收蒸氣量越大。如果吸收過程有熱量排出，則吸收量增加：如，排熱過程為根據(jù)能量守恒關(guān)系，則：第五章 氣體的精餾原理與設(shè)備氣體混合物的分離：空氣，天然氣，焦爐氣氣體的分離與氣體的液化相關(guān)，低溫分離是主要手段。氣體分離方法：（1）精餾，多次的蒸發(fā)與冷凝，適用于沸點相近物質(zhì) （2）分凝，部分蒸發(fā)與冷凝，適用于沸點較遠物質(zhì)。 （3

18、）吸收（4）吸附（5）薄膜滲透法-常溫法以下以空氣為例§5-1空氣組成及其主要成分間的氣液平衡表3-2：O2: 20.95%, 90.188K, N2:78.084%, 77.36K,Ar: 0.93%, 87.29K, 其它二元氣液平衡：近似認為：氣體為理想氣體，液體為理想溶液 （道爾頓） （拉烏爾） 且 則相平衡圖：圖，p為參變量，濃度 圖，p為參變量，濃度圖，以為坐標，p為參變量，濃度，x，y分開作圖。三元系氣液平衡 三個自由度 加一個濃度平衡圖：（壓力一定）§5-2 空氣的精餾以二元組成為例在高壓下進行。一、液空部分蒸發(fā)與空氣部分冷凝蒸氣不斷引出后，液相中的氧濃度不

19、斷增加，最后獲得高濃度，但量很少。空氣凝結(jié)后不斷把凝液取走，剩余蒸氣中的濃度增加，最后獲得高濃度的氣。二、空氣精餾（多次蒸發(fā)+多次冷凝）部分蒸發(fā)使得液體量越來越少，必須補充液體才能連續(xù)進行，獲得純，而部分冷凝氣體量越來越少，必須補充氣體才能連續(xù)進行獲得把部分蒸發(fā)與部分冷凝連結(jié)起來。三、精餾塔篩板塔：高溫的氣體穿過低溫的液體層，熱質(zhì)交換填料塔：氣體與液體連續(xù)雙向熱質(zhì)交換，大量交換面積。單級塔：高純氮制取，高純氧制取。雙級塔：由兩上單級塔疊加而成。下塔提，上塔提塔板數(shù)越多，精餾效果越高，阻力損失越大。提餾段越高，純度越高；精餾段越高，純度越高。氣液比，之比，液體量越大，純度越高； 氣體量越大，純度

20、越高。制冷：系統(tǒng)維持低溫需補充冷量，由膨脹機提供，在全低壓系統(tǒng)中，膨脹后的氣體壓力，無法再進下塔，直接送入上塔（20%左右）拉赫曼原理：上塔精餾所需氣液比應(yīng)小些，即氣體量可以更大些，精餾效果更好。要制取高純氮，需除去Ar等其它成分（污氮排出），增加輔塔。§5-3 精餾過程計算一、塔板上工作過程得， 汽液比二、理想塔板數(shù)確定，（以理想過程，篩板塔為例）實際過程在理想塔板數(shù)基礎(chǔ)上乘以系數(shù)，包括填料塔計算假定，上升氣量下降回流液量分別保持不變即在塔中以下塔為例：，如果進塔空氣是飽和狀態(tài)，是則在任意的斷面上，則有則 操作線方程上塔中以液空進料口為界，以上為精餾段，以下為提餾段，分別建立物料平

21、衡關(guān)系式，由于兩段的汽液比不同，故其操作線斜率不同。對理論塔板數(shù)的影響：上塔中，塔頂出口氮，塔底出氧的濃度一定。中部液空進料濃度一定。精餾段汽液比小，塔板數(shù)愈多處，最小汽液比最大氣液比§5-4 精餾塔塔板效率由于假定：氣液達相平衡，壓力沿塔高不變，無混合熱，與相等。與實際存在差異，致使實際的分離效率低于理論值。一、塔板效率的定義（1） 全塔效率：理論塔板數(shù)與實際塔板數(shù)之比，（2） 板效率：某個塔板上實際濃度變化與理論濃度變化之比。 （3） 點效率：塔板上某點處實際濃度變化與理論濃度變化之比。同板上的板效率為各點效率的積分均值。全塔效率由各板效率計算出實際濃度變化后達到所需塔板數(shù)塔板數(shù)

22、之比。二、塔效率：可以由分析計算和經(jīng)驗方法給出。第六章 空氣的凈化§6-1 概述大氣原料中有雜質(zhì)，在液化與分離之前必須先除掉，固體顆粒、水蒸氣、二氧化碳及碳氫化合物等，到低溫形成為固體，形成阻塞，乃至暴炸危險。§6-2 空氣的干燥空氣中含水量與溫度和其相對濕度有關(guān)，見表11-4多種表示方法： TD， PPM， j(%)一、 化學法：堿+水堿與結(jié)晶水 如：二、 吸附法：硅膠、分子篩等吸附能力與有關(guān)，與有關(guān)，還與空氣速度、層高度有關(guān)吸附能力減弱吸附與解吸：a、加溫解吸（400500），b、降壓解吸（常壓或真空）或采用變壓吸附微熱再生技術(shù)，延長分子篩壽命。三、 凍結(jié)法：氨液冷凍，

23、蓄冷器冷凍。§6-3 的清除一、在空氣中含量，約為0.030.04%清除：化學法 吸咐法 冷凍法（1） 化學法：堿洗，（2） 分子篩吸附：入冷箱之前，多采用變壓吸附，雙塔切換。（3） 冷凍法：主換熱器中，空氣與污切換（可逆式）二、的清除在空氣中含量為：0.0011ppm（1） 低溫硅膠吸附低溫吸附：液空吸附器：節(jié)流閥之前 液氧吸附器：液氧回路上 a、自循環(huán) b、動力循環(huán)（2） 常溫分子篩吸附常溫吸附：同一起吸附，進冷箱之前。第七章 空氣的分離第一節(jié) 概述1、空氣的分離的實用意義 空分裝置：制氧機、制氮機及氬氣等。大用戶：煉鋼：氧氣為助燃劑化工：合成氨中：原料，為氧化劑 酸、醇、醛：作

24、為原料 玻 璃：保護氣航天：助燃推進，壓送劑其它：作為冷源，是生產(chǎn)的副產(chǎn)品作為保護氣：窒氣、防氧化、防腐蝕、干燥氣。Ar：保護氣，焊接中2、低溫分離：液化+精餾 常溫分離：吸附法：固體對氣體的吸附 薄膜滲透法：特點：低溫分離投入大，設(shè)備復(fù)雜，可獲得任意純度的產(chǎn)品。常溫分離特別是吸附分離，設(shè)備簡單，但純度不高，近幾年發(fā)展很快。面臨的工業(yè)：（1）氣體工業(yè)：生產(chǎn)各類工業(yè)及生活用氣 如 Ar 從空氣中提烷、烯、炔，主要是 從天然氣中提以液態(tài)形式越來越多，便于儲運。 LAir、 BOC Praxair APCI 酸素 巖谷 Messer Linde （2）設(shè)備制造業(yè)：生產(chǎn)能分離氣體的各種設(shè)備 （含儲、運

25、設(shè)備）空分設(shè)備（制氧機），液化器（將氣體再液化），儲運設(shè)備Linde LAir 神鋼 日立 APCI第二節(jié) 空氣裝置工藝流程取決于：產(chǎn)品類型：單高產(chǎn)品（純氧、純氧），雙高產(chǎn)品（純氧和純氮） 產(chǎn)量以Nm3/h為單位，目前：5072000Nm3/h型號：KF或K，Z為中壓，D為低壓區(qū)別：（1）產(chǎn)品類型：產(chǎn)量等，單級或雙級。（2）壓力類型：高、中、低（3）凈化方式：分子篩、切換式。（4）換熱器：線管式（高壓），板翅片（中低壓），管式（5）增壓與否：來流或回流氣膨脹，氣體軸承或油軸承。（6）內(nèi)壓縮否：（液氧泵工作）（7）填料塔或篩板塔精餾（8）配氬塔與否圖：生產(chǎn)N2的單高塔，生產(chǎn)O2的單高塔，同時生產(chǎn)

26、N2和O2的雙高塔，塔中必須有回流液、上升氣保證精餾過程，加上輔助換熱和膨脹設(shè)備則有了圖12-3（P26）塔改變之后與圖12-1相同（P24），這里以作為產(chǎn)品輸出。(1) 分子篩純化器，自動切換。(2) 過冷器作用，液空、液氧(3) 返流氣膨脹、壓力低(4) 液氧泵：出口147at，無需氧壓機，如泵不工作可得低壓，此時高壓氧換熱器不工作。小型制氧機：以前高壓多，現(xiàn)為中低壓<13at一、圖12-3的小型制氮機（1） 中低壓10.3at時，8.83at出（2） 氣、液產(chǎn)品同時（3） 返流氣膨脹（4） 分子篩凈化圖12-6 日本小型制氮機實例與圖12-3的區(qū)別：（1）連續(xù)排富氧液空，增加了輔助

27、蒸發(fā)器強制汽化，防止?jié)饪s（2）產(chǎn)品經(jīng)過了兩級換熱器二、 帶中壓制冷機的低壓制氧機即要產(chǎn)氧氣，又要產(chǎn)，當產(chǎn)量高時，需要冷量大。附加制冷機投入更多的冷量。（1）污氮中壓循環(huán)制冷系統(tǒng)污氮復(fù)熱壓縮至中壓級預(yù)冷氟里昂制冷換熱器級中壓膨脹（返流）下塔中抽污氮膨脹進上塔；一部分污氮氣復(fù)熱氮水預(yù)冷器布置了多個熱交換器，提高循環(huán)效率： 液空過冷器（17） 液氧過冷器（18） 液氮過冷器（12） 污液氮過冷器（12） 下塔上塔 高壓氮液化器（9） 氧液化器（10） 低壓氮液化器（11） 離開塔之前冷量回收另： 液氧吸附器（15） 液氧吸附器（16） 過濾器（8） 切換凍結(jié)式換熱器（2）空氣中壓循環(huán)制冷系統(tǒng) Fig

28、12-9空氣復(fù)熱壓縮預(yù)冷氟里昂制冷換熱器膨脹（返流）下塔 膨脹機上塔圖中雖未畫出過冷器、液化器、吸附器等，但也存在，由于采用低壓+中壓制冷，調(diào)節(jié)性能好。（3）附加液化循環(huán) 生產(chǎn)（既是制冷工質(zhì)，又是液化介質(zhì)） 生產(chǎn)（既是制冷工質(zhì)，液化介質(zhì)）在原生產(chǎn)裝置上附加上述方案可以制取 or 。制冷工質(zhì)也可用污氮氣、空氣等。圖三、用分子篩凈化空氣的大型空分裝置（1）LAir 加工空氣：96639 約10萬 實際91100：19780 約2萬：30370 約3萬：750 特點：純氮氣膨脹（來自下塔進換熱器）液氧自循環(huán)、清除CH化合物（含）液氧過冷器，液氮過冷器，熱虹吸蒸發(fā)器（2）LAir 加工空氣：19800

29、0 0.629MPa：40000 8.55 MPa中壓：8000 0.561 MPa高壓： 90800 + 11600（返回）（2.663MPa） （3.63 MPa增壓后）（二級后7.0 MPa）特點：純氮膨脹（來自下塔+級氮壓縮+風機增壓）膨脹機氣體回換熱器 液體進上塔頂部（少量）帶粗氬塔液空過冷，污液氮過冷液氧泵上塔不提純氮主冷分別用純氮和污氮氣冷凝圖第三節(jié) 工藝流程制冷系統(tǒng)的組織工藝流程：制冷系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)輔助以：空分凈化系統(tǒng)、加溫、防爆、儀控一、制冷系統(tǒng)目的：（1）創(chuàng)建低溫 氣體液體分離 （2）維持低溫：與吸傳熱溫差不可逆，傳質(zhì)分離的建立，跑冷損失，生產(chǎn)液態(tài)產(chǎn)品。如果完全生

30、產(chǎn)氣態(tài)產(chǎn)品，無不可逆損失，正常運轉(zhuǎn)無需附加冷量。方法：通過節(jié)流的絕熱膨脹制冷量=等溫節(jié)流效應(yīng) 通過膨脹機的等熵膨脹制冷量=膨脹焓降+節(jié)流效應(yīng) 膨脹制冷量大得多， 但不能產(chǎn)生液體 （低壓中膨脹制冷占：85-90% 中壓流程中，節(jié)流制冷量會大。二、低壓流程制冷系統(tǒng) 耗能低：14002100 壓力：0.50.6MPa 采 用：離心壓縮機，透平膨脹機，緊湊換熱器，液化器，過冷器。 特 點：空氣由下塔入換熱器環(huán)流復(fù)溫，膨脹進上塔典型系統(tǒng) 改 變：（1）加液化器調(diào)節(jié)膨脹機入口氣流溫度、氣量 （林德） （2）來自入塔前的空氣，理論相同，節(jié)省管路，但CH進入塔多（日立） （3）增加膨脹后的溫度，使上塔更穩(wěn)定

31、（法） 注 意：膨脹氣進上塔，對上塔影響很大。 （1）減少膨脹氣量，對精餾有利，氧提取率，所需塔板數(shù)也少。 但：系統(tǒng)跑冷大膨脹量必然大。復(fù)熱不足（傳熱溫度大）膨脹量必然大。 （2）提高膨脹進口溫度，制冷量會增加，“高溫高焓降”，但其出口溫度必須與上塔溫度相適應(yīng)。制冷量調(diào)節(jié)： （1）調(diào)節(jié)膨脹空氣量（效率不變，焓降不變）（a） 噴咀分組，每組由閥門控制：25%、50%、75%、100%（b） 轉(zhuǎn)動葉片傾角，改變流體通道面積 2025%范圍（c） 多臺膨脹機，分別控制開啟停止。（d） 機前調(diào)節(jié)閥（e） 風機制動時，用風機氣量改變透平轉(zhuǎn)速。（2）調(diào)節(jié)入口氣流溫度（方便，但改變了機效率）（a） 改變環(huán)流

32、氣量，（環(huán)流氣+下塔經(jīng)過液化的旁通氣混合）（b） 改變機前換熱器的污氮氣量（冷源氣）流程組織： （1）低壓流程中，膨脹氣體來自下塔，膨脹后進上塔或排出冷箱空氣膨脹：進上塔，如不進上塔，氧氣提不了，降低氧提取率。氮氣膨脹：排出系統(tǒng) （2）上塔精餾工況：氣液比（）大傳熱、傳質(zhì)動力大不可逆損失大，系統(tǒng)效率低考慮使上塔 （a）空氣膨脹：下塔冷凝液少，進入上塔的液體量少膨脹后空氣進上塔拉赫曼氣體 （b）氮氣膨脹：下塔冷凝液少，進上塔的液體量少兩種氣體膨脹的簡單流程圖（3）制冷系統(tǒng)與精餾系統(tǒng)相結(jié)合小型裝置：空氣膨脹大型裝置：氮氣膨脹上塔縮小；膨脹后氣體溫度對精餾影響??；制冷量大膨脹機更安全可靠；改變膨脹量

33、時，對氧提取率影響大。膨脹氣量以及汽液比對精餾的影響 汽液比塔板數(shù) 塔板一定時，產(chǎn)品純度氧提取率能耗 產(chǎn)品純度一定時，塔板數(shù)阻力能耗所以膨脹量：影響制冷量，1525%占加工空氣量的比例，影響精餾工況，環(huán)流氣<入上塔空氣量。三、中壓流程制冷系統(tǒng)圖（1）參數(shù)選擇：（a）高壓壓力高壓壓力節(jié)流制冷占比例大，膨脹量壓力膨脹量大，節(jié)流氣量小（極限是第換熱器要正常工作，不出現(xiàn)負溫差）必須滿足熱平衡（制冷量）與第換熱器的正常工作（b）膨脹前溫度第四節(jié) 精餾系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)組織一、精餾系統(tǒng)組成：上塔、下塔、冷凝蒸發(fā)器（主冷）、節(jié)流閥（1）保證產(chǎn)品純度進料與抽口的質(zhì)量，影響精餾工況及塔板效率餾分抽取 提高純度

34、，如取氬加輔塔 如高純氮輔塔（2）產(chǎn)品產(chǎn)量與純度雙方面要求單高產(chǎn)品：雙高產(chǎn)品：加輔塔，得到高純氮，上塔總的塔板數(shù)增加，阻力增加，（產(chǎn)量相等）但能耗增加。外設(shè)純氮塔，上塔的塔板數(shù)不增加，但僅保證純度，在純氮塔中保證氮純度，但的產(chǎn)量小。 雙種氧產(chǎn)品（工業(yè)氧+工藝氧）：如果工業(yè)氧量較小，也可在上塔底部多幾塊塔板，但阻力加大。外設(shè)工業(yè)氧塔，進一步提純。二、換熱系統(tǒng)工藝流程的需要，改善流程工況，合理分配與傳遞冷量1、主換熱器，切換式，非切換式（分子篩流程）多采用板翅式，多股流體換熱，使空氣冷到飽和狀態(tài)（略高11.5k）2、主冷（冷凝蒸發(fā)器）液氧與氣氮換熱，聯(lián)系上下塔 雙側(cè)相變 其性能對塔工況影響很大 上

35、下塔壓力及純度以及液體深度對主冷換熱有影響3、過冷器，液空、液氧、液氮三種使進上塔的組分氣化率，降低保證上塔的回流液量；冷量回收 產(chǎn)品氣升溫，使主換冷端溫差減小。4、液化器：下塔的氣體受上塔氣體的冷卻而液化，污氮液化器，也有純氮液化器或純氧液化器 啟動階段為下塔積蓄液體膨脹空氣進上塔帶進大量熱（過熱，跑冷）要求進下塔空氣帶濕；冷量分配與調(diào)節(jié)，從主換上下塔間換熱及恒溫作用。5、膨脹換熱器：控制膨脹前入口溫度，減小出口過熱度。6、氮水預(yù)冷器：污氮氣冷卻壓縮空氣。第五節(jié) 工藝流程設(shè)計一、工藝流程擬定工藝流程使機器、設(shè)備、管路、閥門有機的連接在一起。根據(jù)產(chǎn)品種類、純度、數(shù)量要求而定綜合考慮技術(shù)性、經(jīng)濟

36、性、實用性、以氣體液化與空氣分離理論為依據(jù)（1）小型氣液產(chǎn)品裝備，海蘭德循環(huán)，節(jié)流+高壓膨脹制冷（2）中小型，中壓 克勞特循環(huán)，主要以中壓膨脹制冷（3）中大型，低壓 卡皮查循環(huán)，主要以絕熱膨脹制冷能耗隨規(guī)模增加或減少，能耗指標指生產(chǎn)1氣體的值，如果生產(chǎn)液態(tài)產(chǎn)品則另加的能耗，43005300方法：（1）變工況：在低壓流轉(zhuǎn)中，增加膨脹量（<8%） 但代價是膨脹后的氣體排出，使氧提取率。 （2）增加外部液化循環(huán)（中壓），附加制冷系統(tǒng)等 （3）利用其它冷源，如LNG二、設(shè)計程序及參數(shù)確定設(shè)計計算的目的：確定流程工作參數(shù)，工作介質(zhì)流量，各種單元設(shè)備熱負荷。依據(jù)：質(zhì)量守恒定律物料平衡（組分平衡） 能

37、量守恒定律熱平衡程序步驟：原始參數(shù)的選擇各狀態(tài)點參數(shù)流量、總流量各部分流量膨脹量，實際系統(tǒng)的冷量平衡各單元設(shè)備的流量，進出口參數(shù)及熱負荷經(jīng)濟指標設(shè)計計算參數(shù)包括：產(chǎn)品產(chǎn)量及純度，設(shè)計書給定冷損及分配，流阻，物流損失，機器效率，經(jīng)驗選取與實際吻合壓力、溫度、溫差等，按優(yōu)化原則選。產(chǎn)品純度：產(chǎn)品設(shè)計要求已定，但液空的純度根據(jù)產(chǎn)品類型定。 高純氮產(chǎn)品時，液空的氧量低些（3638%），高純氧產(chǎn)品時，液空中應(yīng)高些（3842%）冷損：設(shè)備越大，單位冷損越小，與溫度水平有關(guān)，設(shè)備大小有關(guān)溫度及溫差：空氣進系統(tǒng)（303k），中抽純度（180143k），膨脹前純度（123k），主換熱端溫差（3k），主冷換熱（1

38、2k）物流損失：46%機器效率：T Expander 7580%， Compressor: 6070%主冷液氧液位，80100%。三、計算步驟：1、確定塔內(nèi)的壓力及對應(yīng)溫度。上塔頂部上塔底部下塔頂部下塔底部壓縮機出口2、物料及各主要組分的流量物料平衡：進氣=產(chǎn)品氣之和 組分平衡：通常以氮組分平衡氧提取率：3、膨脹氣量，熱平衡：產(chǎn)冷：（等溫節(jié)流效應(yīng)） （膨脹機產(chǎn)冷） 冷損：復(fù)熱不足（溫差傳熱） 跑冷 液氧泵的功變熱 液氧產(chǎn)品帶出4、各段設(shè)備熱平衡（物料平衡+熱量平衡）5、經(jīng)濟指標：加工空氣量， 壓縮機排氣量=加工空氣量+物流損失 氧提取率，單位能耗。第七節(jié) 安全與防爆（1）主要部位：主冷，有蒸發(fā)

39、現(xiàn)象，可燃物料積聚。（2）爆炸條件：a、可燃物質(zhì)的積累 b、有氧的助燃 c、有引爆源（機械摩擦與撞擊、靜電等）（3）爆炸危險雜質(zhì)：可燃雜質(zhì)碳氫化合物 不可燃雜質(zhì)臭氧、氮氧化合物（4）來源：原料空氣，壓縮機油的高溫裂解。（5）防爆措施：液空吸附器：硅胺吸乙炔，其它碳氫化合物，分子篩吸附時，可不設(shè)。 液氧吸附器：液氧泵循環(huán) 液氧自循環(huán) 排放液氧：0.51%第八節(jié) 自動調(diào)節(jié)一、壓縮機：流量穩(wěn)定或壓力穩(wěn)定，防喘振（與流量<或臨界值） （離心機）（調(diào)壓力） （調(diào)流量） （回流或旁通）二、可逆式（切換式）換熱器： 自動切換 中部溫度調(diào)節(jié)三、 分離設(shè)備（1）下塔（保證下塔的氣液比）四、 膨脹機（透平）

40、 穩(wěn)定可靠很重要工作端：流量調(diào)節(jié)：控制冷量的要求，控制薄膜閥開度 安全保護：風機端：流量調(diào)節(jié)：控制轉(zhuǎn)速 安全保護：超速，斷電時全開。第八章 氬的提取氬：隋性、高密度、低熱導。主要用于焊接時作為保護氣體。主要提取方法：精餾法，利用沸點差分離，a、；b、吸附法，催化反應(yīng)法 加氫 (沸點87.29k)存在形式：處于之間，空分塔中抽餾分主要是取氬。以使得到高純和高純（雙高）在提雙高產(chǎn)品的同時，通常提氬。一、粗氬提取從上塔提取部分（含氬氣體）約10%左右，進粗氬塔。粗氬塔內(nèi)，液空蒸發(fā)，氬氣冷凝，保證粗氬95%。粗氬復(fù)溫常溫除氧（加氫）工藝氬去氮塔內(nèi)：是氬與氮的精餾過程，工藝氬進中部（高壓節(jié)流），下部與由

41、中壓氮蒸發(fā)加熱，上部與由液氮作冷源，純氬由下部取出。直接由粗氬塔得粗氬后，再采用分子篩吸附方法除，除，保99.99%的純。二、空分裝置與提氬高壓、中壓流程，、產(chǎn)量小，產(chǎn)量也小。低壓流程：產(chǎn)量大，但提取率低，因空氣進上塔后，氬餾分沒有經(jīng)過下塔的初步分離。進上塔的空氣量越多，氬提取率越小，0.20.4。當氬提取率一定時，存在最佳氬餾分的濃度7%，使上塔總的塔板數(shù)最小。一定的進上塔空氣量，有最佳氬提取率（0.30），使上塔總塔板數(shù)最少。三、純氬提?。?）化學除氧 加入可燃物后與氬中氧化合成氧化物，再除去氧化物得工藝氬：通常加，但仍存在殘余如果無氫，可用（2）工藝氬除氮，精餾法單級精餾，工藝氬是通過冷

42、凝法除去。雙級精餾，下塔用于除氫，上塔是氬塔。燈泡氬不允許含氫，故應(yīng)嚴格清除，但含較多的，故采用雙級。當生產(chǎn)純氬時，單級精餾，二元精餾過程，（3）分子篩低溫吸附制氬氣體狀態(tài)：4A吸附，5A吸附但要含量很小，所以先吸附，后吸附。避免液化，通常工作在90k，用LA，或維持低溫，通過吸附器冷通道。第九章 多組分氣體的液化與分離§9-1 概述多組分氣體：天然氣，油田氣，石油裂解氣、焦爐氣、水煤氣、合成氨尾氣天然氣：燃料、化工原料石油氣：（油田氣+石油裂解氣）燃料、乙烯原料焦爐氣：水煤氣：§9-2 天然氣的液化主要成分為，80%以上，LNG的體積的氣體，液化的目的是便于運輸與貯存。L

43、NG技術(shù)：天然氣預(yù)處理，液化與貯存，LNG的氣化與冷量回收以及天然氣安全技術(shù)。一、預(yù)處理：的清除，以免低溫下凍結(jié)、堵塞。（1）清除 采用化學法：乙醇胺，碳酸鉀（2）清除，水合物 ，冷卻法，但溫度高于水物的溶點甘醇吸收法固體吸附法、硅酸、分子篩等。二、液化流程1、基本負荷型：正常規(guī)模連續(xù)運行，混合制冷劑逐級液化 膨脹機的液化。2、高峰負荷型：規(guī)模小。（1）混合制冷劑液化循環(huán) 圖14-4，14-5（2）天然氣（常壓）直接膨脹， 圖14-6 利用井氣壓力（3）膨脹（閉式）循環(huán) 圖14-7 耗功多（4）利用（50%-50%）膨脹循環(huán) 圖14-8 比就越三、LNG的氣化（1） 常溫空氣加熱（2） 海水直

44、接加熱（3） 熱源間接加熱（丙烷為載熱劑）四、LNG冷量的利用+顯熱 （1） 溫差發(fā)電（2） 作為冷源（書上講了6條）§9-3 石油氣分離一、餾分分離 餾分是混合物，是指沸點相近的氣體石油氣分為三個餾分：（1） 干氣，用作動力及燃料 （2）丙烷，丁烷 LPG 民用燃料 （3）戊烷以上 為輕油 制石油醚或摻入汽油二、純組分分離第十章 氫、氦液化裝置§10-1概述1898年，得到 1959年后大規(guī)模制，日產(chǎn)噸以上。用途：火箭推進劑高能物理，反應(yīng)堆中，腔低溫冷卻劑氫氣源，得到高純氫燃料、高熱值，潔凈燃料，汽車、飛機。1908年保到，1978年以來 4900用途低溫超導環(huán)境發(fā)動機的加壓與預(yù)冷低溫吸附泵冷源低溫電子冷源氦氣的儲運§10-2 氫液化裝置一、氫原料：主要是天然氣、油氣、煉廠氣、和化工廠尾氣等分離生產(chǎn)。含氫量：8095%1、純化：防止雜質(zhì)的固化，堵塞，雜質(zhì)要小于1ppm 方法：冷凝法，高沸點組分先冷凝（不能固化）吸收法，選擇吸收劑，低溫下吸收低溫吸附法變壓吸附法2、正一仲轉(zhuǎn)化：常溫時，正75%，仲25% 液態(tài)時 仲99.79%，但需很長時間達到平衡正一仲轉(zhuǎn)化緩慢進行，需要加催化才能加速，主要是轉(zhuǎn)化熱（大于潛熱值），為避免液化后的轉(zhuǎn)化熱產(chǎn)生，應(yīng)該在液化過程中完成催化轉(zhuǎn)化。