3-1蒸汽壓縮制冷1.ppt

1、第三章 低溫原理與技術(shù),第一節(jié) 氣體液化與分離,第二節(jié) 低溫制冷機(jī),第三節(jié) 低溫絕熱,3.1 氣體液化與分離,3.1.1 氣體液化,3.1.2 氣體分離和純化系統(tǒng),3.1.4 變壓吸附,3.1.5 空氣分離系統(tǒng),3.1.3 氣體的分離原理,3.1.1 氣體液化,1. 基本概念,2. 熱力學(xué)理想系統(tǒng),3. 簡單林德漢普遜系統(tǒng),4. 帶預(yù)冷林德漢普遜系統(tǒng),5. 林德雙壓系統(tǒng),6. 復(fù)迭式系統(tǒng),7. 克勞特系統(tǒng),8. 卡皮查系統(tǒng),9. 海蘭特系統(tǒng),10. 采用膨脹機(jī)的其它液化系統(tǒng),11. 液化系統(tǒng),12. 各種液化系統(tǒng)的性能比較,13. 用于氖和氫的預(yù)冷林德漢普遜系統(tǒng),14. 用于氖或氫的克勞特系統(tǒng)

2、,15. 氦制冷的氫液化系統(tǒng),16. 考林斯氦液化系統(tǒng),17. 西蒙氦液化系統(tǒng),1. 基本概念,(3.1),系統(tǒng)的性能參數(shù),單位質(zhì)量氣體的壓縮功 單位質(zhì)量氣體液化功 液化率,三者之間的關(guān)系是:,循環(huán)效率FOM(熱力完善度): 通常以理想循環(huán)所需的最小功與實(shí)際循環(huán)液化功比值作為評定的標(biāo)準(zhǔn)。,壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的絕熱效率 壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的機(jī)械效率 換熱器的效率 換熱器和管道的壓降 系統(tǒng)與環(huán)境的熱交換,(3.2),實(shí)際性能參數(shù),2. 熱力學(xué)理想系統(tǒng),圖3.1 熱力學(xué)理想液化系統(tǒng). (a) T-S圖，(b)系統(tǒng)圖。,穩(wěn)定物流的熱力學(xué)第一定律:,通常動能和勢能的變化相對于焓變而言小得多:,理想系統(tǒng)時(shí):,等熵

3、過程 :,液化氣體的理論最小功:,(3.3),(3.4),(3.5),(3.6),(3.7),表3.1 液化氣體的理論最小功 (初始點(diǎn)P=101.3kPa，T=300K),3. 簡單林德漢普遜系統(tǒng),圖3.2 林德漢普遜系統(tǒng).,圖3.3 林德漢普遜循環(huán)的TS圖,氣體的液化率依賴于： 大氣條件下(點(diǎn)1)的壓力 和溫度 ,從而決定了 和 ； 等溫壓縮后的壓力 ， 由 決定。,我們無法改變環(huán)境狀態(tài),因此系統(tǒng)的性能取決于壓力 要使液化率 最大，則必須使 最?。?熱力學(xué)第一定律應(yīng)用于除壓縮機(jī)外的所有設(shè)備，得到:,(3.8),(3.10),圖3.4 用氦或氫作工作流體簡單 林德漢普遜系統(tǒng)的啟動過程,簡單的林

4、德漢普遜循環(huán)不能用于液化氖、氫和氦: 1. 由于這些氣體的轉(zhuǎn)化溫度低于環(huán)境溫度，所以無法降溫啟動。 2. 用林德漢普遜系統(tǒng)能夠獲得降溫，通過低溫下節(jié)流后完全都是蒸汽，沒有氣體被液化。,圖3.5 即使氫或氦的簡單林德漢普遜系統(tǒng)能按正確方向啟動，它仍不能傳遞足夠的能量以獲得液體,林德漢普遜系統(tǒng)的耗功 :,單位質(zhì)量耗功 :,單位質(zhì)量的液化功:,(3.11),(3.12),(3.13),4. 帶預(yù)冷林德漢普遜系統(tǒng),預(yù)冷林德漢普遜系統(tǒng): 對簡單林德漢普遜系統(tǒng)，當(dāng)熱交換器入口溫度低于環(huán)境溫度時(shí)，可以改善簡單林德漢普遜系統(tǒng)的性能指標(biāo)。,圖3.6 液化率隨熱交換器入口溫度變化關(guān)系.,圖3.7 預(yù)冷林德漢普遜系

5、統(tǒng),圖3.8 預(yù)冷林德漢普遜循環(huán)的T-S圖,應(yīng)用熱力學(xué)第一定律,定義制冷劑的質(zhì)量流率比:,液化率:,帶預(yù)冷系統(tǒng)的最大液化率:,(3.14),(3.15),(3.16),(3.17),假定主壓縮機(jī)是可逆等溫的,附加壓縮機(jī)是可逆絕熱的.單位質(zhì)量加工氣體壓縮耗功:,(3.18),圖3.9 液化率與極限液化率隨制冷劑流率的變化。,圖3.10 帶預(yù)冷林德漢普遜系統(tǒng)單位質(zhì)量氮?dú)庖夯?5. 林德雙壓系統(tǒng),圖3.11 林德雙壓系統(tǒng),圖3 .12 林德雙壓系統(tǒng)TS圖,取熱交換器，兩個氣液分離器，二個節(jié)流閥，作為熱力分析系統(tǒng)，針對穩(wěn)定流動，根據(jù)能量守恒原則，可得液化率為:,中間壓力蒸汽流率比：,熱力學(xué)第一定律應(yīng)

6、用于兩個壓縮機(jī)，單位質(zhì)量氣體的壓縮耗功為:,(3.19),(3.20),(3.21),圖3.13 林德雙壓系統(tǒng)液化功,6. 復(fù)迭式系統(tǒng),復(fù)迭式系統(tǒng)是預(yù)冷系統(tǒng)的展開，由其它制冷系統(tǒng)來預(yù)冷。 優(yōu)點(diǎn) 第一個用于生產(chǎn)液空的液化裝置 系統(tǒng)的性能好 所需壓力降低 缺點(diǎn) 系統(tǒng)的每一級循環(huán)都必須完全不漏，以防止流體滲漏,圖3.14復(fù)迭式系統(tǒng),7. 克勞特系統(tǒng),圖3.15 克勞特系統(tǒng),圖3.16 理論克勞特系統(tǒng)TS圖,取熱交換器、節(jié)流閥、氣液分離器作為能量分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)沒有外部熱功交換，對該系統(tǒng)應(yīng)用熱力學(xué)第一定律:,膨脹機(jī)的流量比率: 進(jìn)膨脹機(jī)質(zhì)量流量占總流量比例:,液化率:,凈耗功:,(3.22),(3.2

7、3),(3.24),(3.26),(3.25),圖3.17 克勞特循環(huán)單位質(zhì)量液化功,8. 卡皮查系統(tǒng),卡皮查循環(huán)：帶有高效率透平膨脹機(jī)的低壓液化循環(huán)。它采用低壓力，等溫節(jié)流效應(yīng)及膨脹機(jī)焓降均較小。,圖3.18 卡皮查系統(tǒng).,海蘭特循環(huán)：帶高壓膨脹機(jī)的氣體液化循環(huán)。實(shí)際上它也是克勞特循環(huán)的一種特殊情況。,圖3.19 海蘭特系統(tǒng),9. 海蘭特系統(tǒng),10. 采用膨脹機(jī)的其它液化系統(tǒng),雙壓克勞特:原理與林德雙壓系統(tǒng)相似。 通過節(jié)流閥的氣體被壓縮至高壓 經(jīng)過膨脹機(jī)循環(huán)氣體僅壓縮至中壓,圖3.20 雙壓克勞特系統(tǒng),自動制冷復(fù)迭系統(tǒng):工作時(shí)重組分先冷凝，輕組分后冷凝的特性，將它們依次冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)得到不

8、同溫度級的冷量，使天然氣對應(yīng)組分冷凝并全部液化。,11. 液化系統(tǒng),圖3.21混合制冷劑液化天然氣系統(tǒng),12. 各種液化系統(tǒng)的性能比較,表3.3 以空氣為工質(zhì)，300K，P101.3kPa液化系統(tǒng)的比較,續(xù)上表：,13. 用于氖和氫的預(yù)冷林德漢普遜系統(tǒng),圖3.22 適用于液化氖和氫的 液氮預(yù)冷林德漢普遜系統(tǒng),單位質(zhì)量壓縮氫或氖所對應(yīng)的氮的蒸發(fā)率:,取三個換熱器、液氮槽、液氫或氖的儲罐和節(jié)流閥作為分析系統(tǒng)，針對沒有熱漏的穩(wěn)定流動:,單位質(zhì)量液化氫或氖下氮的蒸發(fā)率:,(3.28),(3.29),(3.30),(3.31),圖3.23 在液氮預(yù)冷林德漢普遜系統(tǒng)中每液化單位質(zhì)量氫所需氮的蒸發(fā)率與液氮槽

9、溫度的關(guān)系.,14. 用于氖或氫的克勞特系統(tǒng),圖3.24 生產(chǎn)液氫或氖的 液氮預(yù)冷克勞特系統(tǒng),15. 氦制冷的氫液化系統(tǒng),采用氦制冷系統(tǒng)與高壓系統(tǒng)相比: 優(yōu)點(diǎn): 相應(yīng)地降低了使用壓力 縮小了壓縮機(jī)的尺寸 減小了系統(tǒng)材料的壁厚 不足: 需用兩臺壓縮機(jī),氦制冷機(jī)采用改進(jìn)的克勞特系統(tǒng)，在循環(huán)中氦氣并不被液化，但達(dá)到的溫度比液氫或氖更低。 壓縮氦氣經(jīng)液氮槽預(yù)冷，進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹產(chǎn)冷降溫，冷氦氣返回以冷卻高壓的氫或氖，以使其液化。,圖3.25 氦氣制冷的氫液化系統(tǒng),氫液化器中正仲氦轉(zhuǎn)換,氫可能存在兩種不同的狀態(tài):正氫和仲氫 在平衡氫中正氫的濃度主要取決于氫的溫度: 在常溫下，平衡氫是75%正氫和25%仲氫

10、的混合物 在液氫的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)時(shí)，氫的平衡組成幾乎全部為 仲氫，占99.8%。,當(dāng)氫氣經(jīng)過液化系統(tǒng)時(shí)，氣體不可能在熱交換器內(nèi)保持足夠長的時(shí)間以建立起一定溫度下的平衡氫組成，結(jié)果是液氫由接近環(huán)境溫度下的正仲氫組成。,圖3.26 正仲氫轉(zhuǎn)化布置,16. 考林斯氦液化系統(tǒng),早期氦液化器采用液氫作為預(yù)冷劑,如帶預(yù)冷林德漢普遜系統(tǒng)可以用來液化氦氣。 考林斯氦液化器是克勞特系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展具有低溫工程里程碑。,取除氦壓縮機(jī)及膨脹機(jī)外的所有部件作為分析系統(tǒng)，對該穩(wěn)定流動系統(tǒng)應(yīng)用熱力學(xué)第一定律:,(3.32),圖3.27 考林斯氦液化系統(tǒng),圖3.28 西蒙液化系統(tǒng),17. 西蒙氦液化系統(tǒng),圖3.29 西蒙液化系統(tǒng)

11、的TS圖,假定厚壁容器傳入熱量可逆，同時(shí)容器材料的比熱符合德拜表達(dá)式:,容器的熵變?yōu)?,存在漏熱:,液化率:,滿液體部分的容積比:,(3.33),(3.35),(3.37),(3.39),(3.42),3.1.2 氣體分離和純化系統(tǒng),1. 熱力學(xué)理想分離系統(tǒng),半滲透膜：該膜僅允許一種氣體自由完全地通過，而其他氣體無法通過。 使用這種裝置，氣體混合時(shí)就可以獲得輸出功，輸入同樣的功就可以把他們分開，因此，該過程是個可逆過程。,如圖3.30 左邊的活塞只允許氣體A通過，右邊的活塞只允許氣體B通過，通過把兩個活塞移動到一起，由氣體A和B組成的混合物就可逆地被分離成純凈的氣體A和氣體B。,圖3.30熱力

12、學(xué)理想分離系統(tǒng)模型.,理想氣體混合物分離的理論功:,分壓比=質(zhì)量比:,種組分理想氣體混合物耗功:,分離系統(tǒng)的分離效率為:,(3.45),(3.46),(3.48),(3.49),2 混合物的性質(zhì),(1) 相律,單組份物質(zhì)以兩相出現(xiàn)時(shí)(例如液氮和氣氮)，并非所有熱靜力學(xué)參數(shù)都是獨(dú)立的。對于一組相態(tài)，在物性之間存在一個蒸氣壓力方程的關(guān)系式。,對于多于一相和超過一個組分物質(zhì)，我們必須應(yīng)用Gibbs相規(guī)律(1878年發(fā)現(xiàn))來描述狀態(tài)所需要獨(dú)立變量的數(shù)目。,T = C - P +2 T:描述體系狀態(tài)所需要獨(dú)立變量的數(shù)目 C:存在組分?jǐn)?shù) P:存在的相數(shù),圖3.31典型雙組分溫度成份圖,(a) 壓力低于兩種

13、組分的臨界壓力,(b)壓力在兩種組分的臨界壓力之間,(c)共沸混合物,(2)溫度-濃度圖,圖3.32兩組分混合物的冷凝,圖3.33氧氮混合物的溫度濃度圖,相平衡曲線具體形式取決構(gòu)成混合物分子之間的內(nèi)作用力。 對于分子內(nèi)作用比較弱的液體混合物，如稀溶液一樣，可用著名的Raoult定律表式：,:第j組分在液相上部氣相中的分壓 :在混合物溫度下第j組分的蒸汽壓 :在液相中第j組分的摩爾百分?jǐn)?shù),(3.51),所有濃度下都服從Raoult定律的混合物稱為理想的溶液。,若在液體混合物上部蒸汽相也可以看作理想氣體，則蒸汽相的分壓與總壓力之間關(guān)系由定律Gibbs-Dalton決定:,蒸汽相中第j組分的摩爾分量

14、 :,理想氣體混合物的分壓之和等于總壓:,對于兩組分混合物， ，因此，服從Raoult定律雙組分混合物式:,(3.52),(3.53),(3.54),(3.55),圖3.35 氮?dú)寤旌衔锏臏囟葷舛葓D,圖3.35 氮?dú)寤旌衔锏臏囟葷舛葓D,(3) 平衡常數(shù),氣相和液相中摩爾百分比之間的關(guān)系可以用平衡常數(shù)表達(dá):,理想氣體和液體的平衡常數(shù):,雙組分混合物的液相和氣相組成由每個組分的平衡常數(shù)來確定 ：,可求得液和氣相中組分的摩爾百分比：,(3.56),(3.57),(3.58),(3.59),在典型氮氧混合物系統(tǒng)的焓濃度圖中可以看出露點(diǎn)線(飽和蒸汽)和泡點(diǎn)線(飽和液體)。,(4) 焓濃度圖,圖3.36

15、101.3kPa下氮氧混合物的焓濃度圖,3.1.3 氣體的分離原理,1. 簡單冷凝或蒸發(fā)過程,3. 閃蒸計(jì)算,2. 精餾原理,4. 精餾塔的理論塔板數(shù)計(jì)算,5. 最小理論塔板數(shù),6. 精餾塔的類型和結(jié)構(gòu),1. 簡單冷凝或蒸發(fā)過程,通過部分冷凝能實(shí)現(xiàn)混合物的分離過程的效率主要取決于溫度濃度圖上相分離曲線的形狀。 對沸點(diǎn)相差較大的物質(zhì)所組成混合物通過部分冷凝能達(dá)到有效的分離，而對沸點(diǎn)相近物質(zhì)所組成的混合物該法將失去分離作用。,事實(shí)上通過簡單的冷凝并不能把空氣分離成純組分，僅能達(dá)到部分分離，不能滿足許多實(shí)際的應(yīng)用。而氮氦混合物，氨氫混合物等由于沸點(diǎn)相差很大，完全可以通過部分冷凝法實(shí)現(xiàn)滿意有效的分離。

16、,二元組分相變過程的主要特性: 對于某一成分的二元混合物，在一定壓力下，開始冷凝或開始蒸發(fā)到冷凝結(jié)束或蒸發(fā)結(jié)束時(shí)溫度是不斷變化的，這一點(diǎn)與純組分不同。 在冷凝或蒸發(fā)過程中，液相和氣相的濃度是連續(xù)變化的。 通過部分冷凝或蒸發(fā)可以有效地分離沸點(diǎn)相差很大的二元混合物，但對沸點(diǎn)相差較小的二元混合物達(dá)不到有效的分離。,2. 精餾原理,精餾就是以部分蒸發(fā)和部分冷凝用逆流方式進(jìn)行復(fù)迭分離的過程。,圖3.38 精餾塔的原理,圖3.39 精餾過程中溫度濃度圖,圖3.40 氣泡通過塔板時(shí)熱質(zhì)交換情況,塔板效率:塔板上的濃度變化與平衡時(shí)應(yīng)達(dá)到的濃度變化之比,圖3.41 板效率的定義,1946年 Geddes 分析了

17、氣泡與液體之間質(zhì)傳遞的情況，得到了塔板效率式:,提高塔板效率的因素: 小氣泡(小 ) 長接觸時(shí)間(大 ) 大的總質(zhì)交換系數(shù),(3.61),3. 閃蒸計(jì)算,閃蒸計(jì)算的步驟如下:,第j組分質(zhì)量平衡 :,能量守恒 :,離開系統(tǒng)液體物流的百分比:,蒸汽相的摩爾百分比之和等于1 :,(3.62),(3.63),(3.64),(3.65),(3.66),混合壓力已知，則僅含一個未知量即混合物 溫度。計(jì)算步驟如下:,假定一個在露點(diǎn)和泡點(diǎn)之間的一個溫度,露點(diǎn)和泡點(diǎn)的溫度由混合壓力及供料摩爾百分比決定,計(jì)算液體百分比,用蒸汽相的摩爾百分比之和等于1驗(yàn)證,若等于1，則求解結(jié)束，開始假定的混合物溫度正確,若不等于1

18、，重新假定混合物溫度，重復(fù)上述步驟,4. 精餾塔的理論塔板數(shù)計(jì)算,方法之一是1921年P(guān)onchon和1922年Savarit建立的，它是一適用于所有情況的精確方法，但應(yīng)用該法需要詳細(xì)的焓值數(shù)據(jù)。 另一方法是1925年McCable和Thiele建立的，它在應(yīng)用時(shí)僅需要平衡濃度數(shù)據(jù)。,有兩種基本方法用來計(jì)算精餾塔內(nèi)所需的理論塔板數(shù):,我們在討論時(shí)使用McCable-Thiele 方法,因?yàn)樗钸m合于低溫場合。,圖3.42 理想塔板計(jì)算公式推導(dǎo)中所用的系統(tǒng) Vn定義為離開第n塊塔板的蒸汽流率 Ln定義為離開第n塊塔板的液體流率,取第n塊板上方塔的部分作為分析系統(tǒng)，應(yīng)用質(zhì)量守衡定律可以得到:,對低

19、沸點(diǎn)組分應(yīng)用質(zhì)量守衡定律得:,應(yīng)用熱力學(xué)第一定律得:,產(chǎn)品流率與蒸汽相流率的比值:,精餾段的操作線方程:,提餾段的操作線方程:,(3.67),(3.68),(3.69),(3.71),(3.73),(3.74),求McCabeThiele解的理論塔板數(shù),平衡線:蒸汽相的摩爾百分比對與蒸汽相熱平衡液相中氮的摩爾百分比圖.,圖3.43 McCabe Thiele法的解,當(dāng)頂部和底部產(chǎn)品純度相當(dāng)高時(shí),在整個濃度范圍內(nèi)單個McCabeThiele圖由于在x=0和x=1附近變得相當(dāng)小而該法不實(shí)用。對產(chǎn)品純度要求很高的情況下，為操作線進(jìn)口段發(fā)展一個簡單分析表達(dá)式來計(jì)算理論塔板數(shù)。,當(dāng)?shù)撞慨a(chǎn)品為氣相，當(dāng)?shù)撞?/p>

20、產(chǎn)品為液體時(shí)，M等于理想塔板數(shù)加1(因子1代表沸騰器的表面)。 M是理論塔板數(shù)為:,精餾段理論塔板數(shù)的簡單分析表達(dá)式:,(3.75),(3.76),5. 最小理論塔板數(shù),當(dāng)操作線的斜率接近1時(shí)，給定分離過程的理論塔板數(shù)達(dá)到最小，因?yàn)檫@時(shí)在塔底到塔頂之間取的步數(shù)最少。,理論塔板最小數(shù)可以利用45度對角線作為操作線在McCabe-Thiele圖上求得，或使用Fenske-Underwood式求得:,(3.77),最小回流比發(fā)生在兩條操作線和供料線與平衡線相交于同一點(diǎn)的狀態(tài)下。雖然該條件下回流比最小，但所需的理論塔板數(shù)是無窮大。,在實(shí)際系統(tǒng)中，應(yīng)在最小理論塔板數(shù)(固定產(chǎn)品流率下無窮大制冷量)和最小制

21、冷量的塔板數(shù)(無窮大理論塔板數(shù))之間取一折中值。,圖3.44 所需理論塔板數(shù)的說明,6. 精餾塔的類型和結(jié)構(gòu),(1) 篩板塔,篩板塔是由塔板組成。 塔板由篩孔板、溢流裝置組成。,圖3.45 篩板塔的結(jié)構(gòu)原理圖,圖3.46 圓形泡罩的結(jié)構(gòu),在塔板上按等邊三角形排列許多泡罩。泡罩邊沿有齒縫，浸沒在液體中。塔板上液層高度由溢流堰保證上升蒸汽通過泡罩齒縫形成噴射穿過液層時(shí)，一部分蒸汽穿過液層鼓泡，形成泡沫，并使液體分散成液滴和霧沫；另一部分蒸汽則夾帶著泡沫，液滴和霧沫上升到塔板上的空間。在這個空間里進(jìn)行兩相的接觸，這是熱質(zhì)交換的主要區(qū)域。,(2) 泡罩塔,泡罩塔板在目前空分裝置中主要用在以下兩種情況:

22、 下塔最下面一塊塔板，不易被二氧化碳顆粒堵塞。 負(fù)荷變化大，這時(shí)采用篩孔塔板和泡罩塔板相間的混合結(jié)構(gòu)方案。,操作十分穩(wěn)定，即使氣體負(fù)荷發(fā)生較大變動，對操作也影響不大 泡罩塔攔液量大，特別適用于從塔板上抽出或加入液體 泡罩塔板上蒸汽流道大，因此不易被固體顆粒堵塞 對塔板水平度要求一不象篩板塔那么嚴(yán)格。,泡罩塔的優(yōu)點(diǎn),泡罩塔板的缺點(diǎn)是: 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耗材大，造價(jià)高，流阻大，在設(shè)計(jì)工況下塔板效率不如篩板塔。,(3) 浮閥塔,浮閥:在浮閥塔內(nèi)每層板上除有溢流斗外，尚在板上開有許多大孔，每個孔中裝一個可活動的閥。 浮閥的特點(diǎn): 可以在一定范圍內(nèi)自由升降 可以自動調(diào)節(jié)蒸汽通路的面積，以適應(yīng)蒸汽量的變化 沒有

23、蒸汽通過時(shí)，浮閥下落蓋住閥孔 最大優(yōu)點(diǎn)是變產(chǎn)量時(shí)塔板效率不會有很大降低,圖3.47 浮閥結(jié)構(gòu)示意圖a)型結(jié)構(gòu)簡單制造方便省材料；b)型閥孔為文丘里型，阻力小，適用于減壓系統(tǒng)；c)型操作彈性范圍大，適用于中型實(shí)驗(yàn)裝置。,(4) 填料塔,填料塔由塔體、填料、噴淋裝置、支撐柵板、再分配器、氣液進(jìn)口管等組成。,填料可使氣液兩相高度分散，擴(kuò)大相間接觸面積。 噴淋裝置可使液體均勻地噴灑在填料層上。 支撐柵板支撐填料層，使蒸汽均勻地通過填料層。 再分配器使液體能夠均勻地潤濕所有填料，可避免液體沿筒殼流動而使中間填料得不到潤濕。,填料塔填料中金屬絲網(wǎng)鞍形和金屬波紋填料已得到了廣泛使用。它們具有比表面積大、傳質(zhì)

24、效果好、阻力小、密度小、金屬耗量少等優(yōu)點(diǎn)。,3.2.4 變壓吸附,一些具有代表性的工業(yè)過程中的絕大多數(shù)都采用了變壓吸附(PSA)循環(huán)。 一個典型的PSA系統(tǒng)是由三到四個相互連接的吸附器組成，它可使原料進(jìn)料和產(chǎn)物出料連續(xù)流動。,對吸附質(zhì)有大的吸附能力 有高度的選擇性 能再生和多次使 有足夠的機(jī)械強(qiáng)度 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定 供應(yīng)量大 價(jià)格低,工業(yè)吸附劑性質(zhì),目前主要有以下幾種吸附劑:活性炭、硅膠、活性氧化鋁和沸石分子篩。 作為吸附劑的沸石分子篩有下列特點(diǎn)： (1)有極強(qiáng)的吸附選擇性。 (2)在氣體組分濃度低(分壓低)的情況下，具有較大的吸附能力.,圖3.48微孔徑分布圖 3A型沸石 b) 4A c) 5A

25、 d) 10X e) 13X f) 分子篩炭 g) 活性炭,在一定溫度和壓力下，當(dāng)脫附速度和吸附速度相等時(shí)，便達(dá)到吸附平衡。在平衡條件下吸附物質(zhì)的多少用吸附量表示。,吸附平衡數(shù)據(jù)表示方式主要有三種:吸附等溫線，吸附等壓線和吸附等量線，最常用的是吸附等溫線。,圖3.49五種類型的吸附等溫線,Skarstrom循環(huán)：最早的無熱吸附，它是兩床設(shè)備。 循環(huán)過程為：在吸附階段后，第一床被泄壓到大氣壓，同時(shí)，受壓縮的原料混合氣被送到第二床以充壓，然后在進(jìn)料壓力下開始吸附階段。一部分由第二床出來的純化氣以逆流方式通過第一床，在低壓(大氣壓)下吹掃床層，使吸附劑活化，以準(zhǔn)備下一次循環(huán)。,Skarstrom循環(huán)

26、的兩個有用點(diǎn): 為“保存吸附熱”應(yīng)保持短的循環(huán)和低產(chǎn)量。 用于低壓吹掃氣的體積至少不少于高壓原料氣的體積。,圖3.50 Skarstrom 變壓吸附循環(huán),GuerinDomine循環(huán)可以根據(jù)待分離混合氣體的性質(zhì)，改變吸附床的數(shù)目、相互連接方式和操作方案。在這個循環(huán)中每個床包含三個階段:,圖3.51 GuerinDomine循環(huán),用空氣使A床加壓，(而B床正被抽空) 通過B床使A床泄壓(兩床氣都往下流動)收集氧氣 A床抽氣,在下半個循環(huán)中A和B的作用相反而完成一個吸附分離循環(huán)。,這三個參數(shù)不能同時(shí)兼顧，要獲得高純度的產(chǎn)品，產(chǎn)量就要降低，勢必引起另外兩個參數(shù)的降低。 由于在于吸附床中有死空間，死空

27、間中的產(chǎn)品是無法回收的，在降壓過程中白白放空，從而使產(chǎn)品回收率下降，產(chǎn)品氣壓越高，損失就越大。 變壓吸附循環(huán)經(jīng)過許多專家完善，發(fā)展了許多成熟的構(gòu)想，在降低能耗及克服死空間方面作出很大的改進(jìn)。,變壓吸附分離的性能指標(biāo)通過三個參數(shù)來衡量: 產(chǎn)品純度 產(chǎn)品回收率 吸附劑的生產(chǎn)能力,快速變壓吸附 從PSA開發(fā)初期就已認(rèn)識到，由于吸附熱和脫附熱引起床內(nèi)溫度波動的方向都不利于分離過程。當(dāng)床幾乎在等溫下操作才能實(shí)現(xiàn)最好的分離。在工業(yè)上成功地用單沸石床小規(guī)模生產(chǎn)氧氣，循環(huán)周期小于30秒，所以吸附與脫附在等溫條件下實(shí)現(xiàn)。,圖3.52 快速變壓吸附分離氧,3.1.4 膜分離技術(shù),用膜分離技術(shù)進(jìn)行氣體分離的優(yōu)點(diǎn)：

28、分離過程中沒有相變, 過程簡單, 可在常溫下進(jìn)行操作, 減少能源的消耗。 與傳統(tǒng)的空分裝置相比，能耗低。要下降(3060)。特別是分離共沸物質(zhì), 有獨(dú)特的優(yōu)越性. 重量輕，占地面積小，純度高，工作壓力的范圍寬。 氮?dú)饧兌瓤蛇_(dá)99.9%, 生產(chǎn)的氮?dú)夥浅８稍?，露點(diǎn)溫度可達(dá)-100。 效率高，每kg膜纖維連續(xù)的生產(chǎn)能力比變壓吸附要大。 沒有運(yùn)動部件，幾乎用不著維護(hù)，因此維護(hù)費(fèi)用少, 高效率和高可靠性降低了操作運(yùn)行費(fèi)用。 設(shè)備簡單、機(jī)動性好，只要有一個壓縮空氣的氣源，就可以連續(xù)地工作，而且可以省去貯運(yùn)氣體或液體的設(shè)備。,膜分離設(shè)備中的關(guān)鍵是膜組件: 從氣體分離的機(jī)理分:多孔型膜和非多孔型膜。 從材料

29、性質(zhì)分:有機(jī)膜（高分子膜）和無機(jī)膜。 從膜組件的結(jié)構(gòu)型式分:中空纖維型和平板型兩種。用于空氣分離裝置的膜組件主要是中空纖維型。,圖3.53 膜組件的結(jié)構(gòu),中空纖維型的膜組件是由上百萬根空心纖維組成的纖維束。 膜的特性:對某些氣體有優(yōu)先滲透或溶解的能力。,圖3. 54氣體分離模型,氣體膜分離裝置是通過膜壁對氣體滲透來實(shí)現(xiàn)的。用于氣體分離的膜有兩種類型:多孔型膜和非多孔型膜。,膜的性能要求: 具有很高的氣體滲透通量和高的選擇性，能在高壓下工作，抗雜質(zhì)的能力要強(qiáng)，而且要長期保持高的效率。,從膜滲透出來的氣流中,可應(yīng)用在很多方面: 制藥工業(yè) 養(yǎng)殖業(yè)，能促進(jìn)魚的生長 助燃富氧空氣在燃燒中可以減少散射和增

30、加效率 家庭富氧療法對呼吸困難的病人的護(hù)理是有利的 廢料的處理,在發(fā)酵過程和環(huán)境廢料的處理過程中，富氧空氣可以增加細(xì)菌的活性 空間技術(shù)燃料系統(tǒng)的惰化 食品工業(yè)水果和蔬菜的保鮮,3.1.5 空氣分離系統(tǒng),1. 林德單塔系統(tǒng),圖3.55 林德單塔氣體分離系統(tǒng),圖3.56為單塔系統(tǒng)精餾工作過程圖。,林德單塔分離系統(tǒng)是最簡單的空氣分離系統(tǒng)之一，采用的是基本的林德漢普遜液化系統(tǒng)，用精餾塔代替了儲液器，當(dāng)然也可以用其他液化系統(tǒng)來為塔內(nèi)提供液體.,林德的單塔系統(tǒng)有兩大缺點(diǎn): 1)僅能得到純氧產(chǎn)品 2)污氮放空浪費(fèi)了大量的氧,2 林德雙塔系統(tǒng),采用兩個精餾塔，下塔氮?dú)庖夯鳛橄滤亓饕和ㄟ^上塔氧的沸騰來實(shí)現(xiàn)，

31、上塔沸騰氧蒸汽作為上塔的上升蒸汽。下塔產(chǎn)生多余的液氮節(jié)流到上塔頂部作回流液。,圖3.57 林德雙塔空氣分離系統(tǒng),圖3.58 林德弗蘭克空氣分離系統(tǒng),3 林德弗蘭克系統(tǒng),林德弗蘭克系統(tǒng)采用蓄冷器和氨預(yù)冷及膨脹機(jī)， 分離系統(tǒng)的液化部分是氨預(yù)冷的雙壓克勞特液化系統(tǒng).,4 海蘭特系統(tǒng),海蘭特系統(tǒng)可以得到液氮和液氧產(chǎn)品。,圖3.59海蘭特空氣分離系統(tǒng),5 氬分離系統(tǒng),大氣中不僅僅是氧和氮的混合物，而是9種氣體所組成的混合物。稀有氣體主要是體積比為0.93的氬。,氬氣的沸點(diǎn)介于氧和氮之間，空氣進(jìn)入塔后，經(jīng)過精餾，將在上塔中間某些部位形成氬的富集區(qū)。,表3.5干燥空氣的組成,氬氣分離系統(tǒng)通常由兩部分組成:

32、（1）粗氬子系統(tǒng)（2）純化子系統(tǒng),圖3.59 粗氬子系統(tǒng),在工業(yè)上用于氬純化的子系統(tǒng)有兩種: 粗氬經(jīng)化學(xué)除氧和低溫精餾除氮后成為純氬 低溫精餾除氮和低溫吸附除氧而得到純氬,圖3.60 氬純化子系統(tǒng)1,圖3.61 氬純化子系統(tǒng)2,(1)粗氖子系統(tǒng): 獲得粗氖的氣體混合物，其組成為:46%氖、19%氦、33%氮和2%的氫。,6 氖分離系統(tǒng),惰性氣體氖的沸點(diǎn)僅高于氦和氫，蒸發(fā)潛熱大，適合在低溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)作制冷劑；電導(dǎo)高，在真空下通電發(fā)紅光，因此長期以來用來充填信號裝置。,氖分離系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)所組成,圖3.62 粗氖子系統(tǒng),(2)純化子系統(tǒng) 把粗氖氦混合氣送入純化子系統(tǒng)，然后加氧在觸媒爐內(nèi)氫氣與氧氣燃燒形成水蒸汽。接下來粗氖氦氣進(jìn)入冷卻器，水蒸汽被冷凝，在干燥器內(nèi)被吸附掉。,圖3.63 氖純化子系統(tǒng),7 氫分離系統(tǒng),從混合氣中分離