低溫原理講課教案

低溫原理講課教案低溫工程的性質(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?zé)嵩礈夭钶^大，須采用回?zé)嵯到y(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(jí)的低溫：天然氣（廣義）的液化分離-----------石化行業(yè)80K級(jí)的低溫：空氣的液化分離-----------制氧行業(yè)20K級(jí)以下的低溫：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)：獲得純凈的低溫介質(zhì)（分離技術(shù)）獲得低溫液態(tài)工質(zhì)（液化技術(shù)）利用低溫工質(zhì)獲得所需的低溫溫度（低溫制冷技術(shù)）利用低溫制冷獲得高真空（低溫泵）低溫工質(zhì)的儲(chǔ)藏與運(yùn)輸?shù)蜏亟^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/液）情況下：液體中，N2：59%O2：40%：1%（1）：安全，無味無毒，保護(hù)氣體，是極好的冷源介質(zhì)，保存生命（生物），預(yù)冷和保護(hù)層（）（2）：助燃，促進(jìn)動(dòng)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(dòng)機(jī)，焊接，切割……。（制氧機(jī)的名字來源）（3），隋性氣體（不氧化），作為保護(hù)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?！?-3氫的性質(zhì)（1）性質(zhì)最為復(fù)雜的低溫工質(zhì)有三個(gè)同位素HDT。H：0個(gè)中子，1個(gè)質(zhì)子；D：1個(gè)中子，1個(gè)質(zhì)子氫是，而HD僅占0.026~0.032%的比例。的密度最小，最大，最小、最小，擴(kuò)散能力很強(qiáng)，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(biāo)準(zhǔn)氫）(n-)=75%（O—P）正—仲轉(zhuǎn)化，放熱反應(yīng)，汽態(tài)時(shí)要催化。轉(zhuǎn)化熱>汽化潛熱，液態(tài)時(shí)可自動(dòng)轉(zhuǎn)化，但很慢。的儲(chǔ)存：由于轉(zhuǎn)化熱放出，易于汽化，故生產(chǎn)時(shí)加催化劑。促使O→p轉(zhuǎn)化。（n→e的放熱，和n→P的放熱）所以的性質(zhì)有多種正常氫（），平衡氫（），仲氫（）同位素有正常氘（），……?！?—4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(shí)間被認(rèn)為是永久氣體。氦有兩個(gè)三相點(diǎn)，在25bar以下得不到固體，但存在一個(gè)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(diǎn)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(dǎo)熱性。當(dāng)時(shí)，的混合物存在。，越高。[超導(dǎo)特性是固體導(dǎo)電特性（電阻為0，抗磁性=）]超導(dǎo)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（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(dòng)）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(shí)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(jī)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(shí)的狀態(tài)此時(shí)為轉(zhuǎn)化溫度實(shí)踐證明，當(dāng)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(jì)算（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(jī)實(shí)現(xiàn)，對外做功微分等熵效應(yīng)已知?jiǎng)t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(dòng)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(jì)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(jī)效率——等熵效率，實(shí)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：低溫氣體液化，必須降溫至以下，需要制冷降溫維持低溫系統(tǒng)所需制冷以補(bǔ)償冷損如產(chǎn)生低溫液體，補(bǔ)償帶走的的冷量不同于為獲取冷量的制冷目的氣體液化理論最小功獲得低溫實(shí)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(biāo)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(shí)際循環(huán)制冷系數(shù)與理論循環(huán)系數(shù)之比。也是理論最小功與實(shí)際耗功之比?！?-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)：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)帶膨脹機(jī)的液化循環(huán)：利用膨脹機(jī)獲取大的等熵膨脹制冷量帶氣體制冷機(jī)的液化循環(huán)：利用其它的低沸點(diǎn)工質(zhì)的氣體制冷效應(yīng)來液化。復(fù)疊式液化循環(huán)：利用不同沸點(diǎn)工質(zhì)逐級(jí)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(dòng)過程：節(jié)流過程逐漸降溫，直至到達(dá)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(shí)）實(shí)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(diǎn)2、實(shí)際循環(huán)不可逆因素：壓縮機(jī)過程不可逆，用來反映換熱器又溫差，不完全換熱，跑冷（裝置大小、絕熱條件等）實(shí)際液化量單位（加工空氣）制冷量為適當(dāng)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(jìn)高壓壓機(jī)中壓節(jié)流進(jìn)低壓壓機(jī)液體§3-3等膨脹機(jī)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(jī)的非等熵過程，定為膨脹機(jī)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Ⅱ）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?！?-4氦液化循環(huán)臨界點(diǎn)低，為5.2K，也低4.6K，7K以下節(jié)流才會(huì)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(jī)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(jì)各級(jí)TE的參數(shù)保證每級(jí)的EX正常工作。三、其它型式的He液化循環(huán)雙壓雙級(jí)膨脹，兩級(jí)節(jié)流附加制冷循環(huán)第四章溶液熱力學(xué)基礎(chǔ)§4-1概述一、溶液：兩種級(jí)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?jǐn)?shù)。（2）摩爾成分：，第i組分在溶液中的摩爾分?jǐn)?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0~100%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(shí)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§4-3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(jìn)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(xué)勢相等。某個(gè)組分，在多相平衡系統(tǒng)中的條件是個(gè)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?jǐn)?shù)及相數(shù)間的關(guān)系。分析知：獨(dú)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(gè)數(shù)=個(gè)式子，使其相關(guān)所以獨(dú)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T—x圖上可看出x的濃度時(shí)，露點(diǎn)溫度和飽點(diǎn)溫度在之間壓力越高，氣液濃度差越小，越難以分離。在p一定期時(shí)，按圖指出圖，反映過程熱量的進(jìn)出特點(diǎn)：（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(shí)，飽和線上移?！?-5多種分氣體的相平衡一、逸度與活度的概念考慮實(shí)際氣體與理想氣體，實(shí)際溶液與理想深液的不同，同時(shí)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)考慮其修正。，三、氣液相平衡表示相平衡常數(shù)平衡時(shí)，氣液中，T，p，g，均相同，則（1），露點(diǎn)方程已知，假定則（2），泡點(diǎn)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(shí)，圖蒸發(fā)起始溫度與終止溫度不同液相——?dú)庀嘀谐煞肿兓B續(xù)凝結(jié)的過程按相反方向進(jìn)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(dǎo)致蒸氣液化——冷凝溶液的飽和蒸氣壓低于蒸氣壓力導(dǎo)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(dá)到飽和氣體氣體溶液溶液1點(diǎn)的溶液+d點(diǎn)的蒸氣→2點(diǎn)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?fàn)t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(diǎn)相近物質(zhì)（2）分凝，部分蒸發(fā)與冷凝，適用于沸點(diǎn)較遠(yuǎn)物質(zhì)。（3）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?dú)庖浩胶猓航普J(rèn)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(biāo)，p為參變量，濃度，x，y分開作圖。三元系氣液平衡三個(gè)自由度加一個(gè)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(jìn)行。一、液空部分蒸發(fā)與空氣部分冷凝蒸氣不斷引出后，液相中的氧濃度不斷增加，最后獲得高濃度，但量很少?？諝饽Y(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(bǔ)充液體才能連續(xù)進(jìn)行，獲得純，而部分冷凝氣體量越來越少，必須補(bǔ)充氣體才能連續(xù)進(jìn)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(jí)塔：高純氮制取，高純氧制取。雙級(jí)塔：由兩上單級(jí)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，純度越高。制冷：系統(tǒng)維持低溫需補(bǔ)充冷量，由膨脹機(jī)提供，在全低壓系統(tǒng)中，膨脹后的氣體壓力↓，無法再進(jìn)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(jì)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(shí)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(jì)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(jìn)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(jìn)料口為界，以上為精餾段，以下為提餾段，分別建立物料平衡關(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(jìn)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(dá)相平衡，壓力沿塔高不變，無混合熱，與相等。與實(shí)際存在差異，致使實(shí)際的分離效率低于理論值。一、塔板效率的定義全塔效率：理論塔板數(shù)與實(shí)際塔板數(shù)之比，板效率：某個(gè)塔板上實(shí)際濃度變化與理論濃度變化之比。點(diǎn)效率：塔板上某點(diǎn)處實(shí)際濃度變化與理論濃度變化之比。同板上的板效率為各點(diǎn)效率的積分均值。全塔效率由各板效率計(jì)算出實(shí)際濃度變化后達(dá)到所需塔板數(shù)塔板數(shù)之比。二、塔效率：可以由分析計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)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?xì)浠衔锏?，到低溫形成為固體，形成阻塞，乃至暴炸危險(xiǎn)?！?-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，(%)化學(xué)法：堿+水→堿與結(jié)晶水如：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（400~500℃），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。凍結(jié)法：氨液冷凍，蓄冷器冷凍?！?-3的清除一、在空氣中含量，約為0.03~0.04%清除：化學(xué)法吸咐法冷凍法化學(xué)法：堿洗，分子篩吸附：入冷箱之前，多采用變壓吸附，雙塔切換。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：0.001~1ppm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(dòng)力循環(huán)常溫分子篩吸附常溫吸附：同一起吸附，進(jìn)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(shí)用意義空分裝置：制氧機(jī)、制氮機(jī)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：作為原料玻璃：保護(hù)氣航天：助燃推進(jìn)，壓送劑其它：作為冷源，是生產(chǎn)的副產(chǎn)品作為保護(hù)氣：窒氣、防氧化、防腐蝕、干燥氣。Ar：保護(hù)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(diǎn)：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(chǔ)運(yùn)。 L’Air、BOCPraxairAPCI酸素巖谷MesserLinde（2）設(shè)備制造業(yè)：生產(chǎn)能分離氣體的各種設(shè)備（含儲(chǔ)、運(yùn)設(shè)備）空分設(shè)備（制氧機(jī)），液化器（將氣體再液化），儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備LindeL`Air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：50~72000Nm3/h型號(hào)：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(jí)或雙級(jí)。（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(shí)生產(chǎn)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。分子篩純化器，自動(dòng)切換。過冷器作用，液空、液氧返流氣膨脹、壓力低液氧泵：出口147at，無需氧壓機(jī)，如泵不工作可得低壓，此時(shí)高壓氧換熱器不工作。小型制氧機(jī)：以前高壓多，現(xiàn)為中低壓<13at一、圖12-3的小型制氮機(jī)中低壓10.3at時(shí)，8.83at出氣、液產(chǎn)品同時(shí)返流氣膨脹分子篩凈化圖12-6日本小型制氮機(jī)實(shí)例與圖12-3的區(qū)別：（1）連續(xù)排富氧液空，增加了輔助蒸發(fā)器強(qiáng)制汽化，防止?jié)饪s（2）產(chǎn)品經(jīng)過了兩級(jí)換熱器帶中壓制冷機(jī)的低壓制氧機(jī)即要產(chǎn)氧氣，又要產(chǎn)，當(dāng)產(chǎn)量高時(shí)，需要冷量大。附加制冷機(jī)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→Ⅰ級(jí)預(yù)冷→氟里昂制冷→換熱器Ⅱ級(jí)→中壓膨脹（返流）→下塔→中抽污氮膨脹→進(jìn)上塔；一部分污氮?dú)鈴?fù)熱→氮水預(yù)冷器布置了多個(gè)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：①液氧吸附器（15）液氧吸附器（16）過濾器（8）②切換凍結(jié)式換熱器（2）空氣中壓循環(huán)制冷系統(tǒng)Fig12-9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(jī)→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?dú)?、空氣等。圖三、用分子篩凈化空氣的大型空分裝置（1）L`Air①加工空氣：96639約10萬實(shí)際91100：19780約2萬：30370約3萬：750特點(diǎn)：①純氮?dú)馀蛎洠▉碜韵滤M(jìn)換熱器）②液氧自循環(huán)、清除CH化合物（含）③液氧過冷器，液氮過冷器，熱虹吸蒸發(fā)器（2）L`Air②加工空氣：1980000.629MPa：400008.55MPa中壓：80000.561MPa高壓：90800+11600（返回）（2.663MPa）（3.63MPa增壓后）（二級(jí)后7.0MPa）特點(diǎn)：①純氮膨脹（來自下塔+Ⅰ級(jí)氮壓縮+風(fēng)機(jī)增壓→）膨脹機(jī)→氣體回?fù)Q熱器液體進(jìn)上塔頂部（少量）②帶粗氬塔③液空過冷，污液氮過冷④液氧泵⑤上塔不提純氮⑥主冷分別用純氮和污氮?dú)饫淠龍D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。如果完全生產(chǎn)氣態(tài)產(chǎn)品，無不可逆損失，正常運(yùn)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(jī)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(huì)大。二、低壓流程制冷系統(tǒng)耗能低：1400~2100壓力：0.5~0.6MPa采用：離心壓縮機(jī)，透平膨脹機(jī)，緊湊換熱器，液化器，過冷器。特點(diǎn)：空氣由下塔入換熱器環(huán)流復(fù)溫，膨脹進(jìn)上塔——典型系統(tǒng)改變：（1）加液化器調(diào)節(jié)膨脹機(jī)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(jìn)入塔多（日立）（3）增加膨脹后的溫度，使上塔更穩(wěn)定（法）注意：膨脹氣進(jìn)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(jìn)口溫度，制冷量會(huì)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）噴咀分組，每組由閥門控制：25%、50%、75%、100%轉(zhuǎn)動(dòng)葉片傾角，改變流體通道面積20~25%范圍多臺(tái)膨脹機(jī)，分別控制開啟停止。機(jī)前調(diào)節(jié)閥風(fēng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，用風(fēng)機(jī)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(jī)效率）改變環(huán)流氣量，（環(huán)流氣+下塔經(jīng)過液化的旁通氣混合）改變機(jī)前換熱器的污氮?dú)饬浚ɡ湓礆猓┝鞒探M織：（1）低壓流程中，膨脹氣體來自下塔，膨脹后進(jìn)上塔或排出冷箱空氣膨脹：進(jìn)上塔，如不進(jìn)上塔，氧氣提不了，降低氧提取率。氮?dú)馀蛎洠号懦鱿到y(tǒng)（2）上塔精餾工況：氣液比（）大→傳熱、傳質(zhì)動(dòng)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(jìn)入上塔的液體量少膨脹后空氣進(jìn)上塔——拉赫曼氣體（b）氮?dú)馀蛎洠合滤淠荷?，進(jìn)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?dú)馀蛎洝偕纤s?。虎谂蛎浐髿怏w溫度對精餾影響小；③制冷量大④膨脹機(jī)更安全可靠；⑤改變膨脹量時(shí)，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)↓①塔板一定時(shí)，↓——產(chǎn)品純度↓——氧提取率↓——能耗↑②產(chǎn)品純度一定時(shí)，↓——塔板數(shù)↑——阻力↑——能耗↑所以膨脹量：影響制冷量，15~25%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?。O限是第Ⅱ換熱器要正常工作，不出現(xiàn)負(fù)溫差）必須滿足熱平衡（制冷量）與第Ⅱ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①進(jìn)料與抽口的質(zhì)量，影響精餾工況及塔板效率②餾分抽取提高純度，如取氬③加輔塔如高純氮輔塔（2）產(chǎn)品產(chǎn)量與純度雙方面要求①單高產(chǎn)品：②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(jìn)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1~1.5k）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①使進(jìn)上塔的組分氣化率，降低保證上塔的回流液量；②冷量回收③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①啟動(dòng)階段為下塔積蓄液體②膨脹空氣進(jìn)上塔帶進(jìn)大量熱（過熱，跑冷）要求進(jìn)下塔空氣帶濕；③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?dú)饫鋮s壓縮空氣。第五節(jié)工藝流程設(shè)計(jì)一、工藝流程擬定工藝流程使機(jī)器、設(shè)備、管路、閥門有機(jī)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(jì)性、實(shí)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(biāo)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，4300~5300方法：（1）變工況：在低壓流轉(zhuǎn)中，增加膨脹量（<8%）但代價(jià)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(jì)程序及參數(shù)確定設(shè)計(jì)計(jì)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(fù)荷。依據(jù)：質(zhì)量守恒定律——物料平衡（組分平衡）能量守恒定律——熱平衡程序步驟：①原始參數(shù)的選擇②各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)③流量、總流量各部分流量④膨脹量，實(shí)際系統(tǒng)的冷量平衡⑤各單元設(shè)備的流量，進(jìn)出口參數(shù)及熱負(fù)荷⑥經(jīng)濟(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)包括：①產(chǎn)品產(chǎn)量及純度，設(shè)計(jì)書給定②冷損及分配，流阻，物流損失，機(jī)器效率，經(jīng)驗(yàn)選取與實(shí)際吻合③壓力、溫度、溫差等，按優(yōu)化原則選。①產(chǎn)品純度：產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shí)，液空的氧量低些（36~38%），高純氧產(chǎn)品時(shí)，液空中應(yīng)高些（38~42%）②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)③溫度及溫差：空氣進(jìn)系統(tǒng)（303k），中抽純度（180~143k），膨脹前純度（123k），主換熱端溫差（3k），主冷換熱（1~2k）④物流損失：4~6%⑤機(jī)器效率：TExpander75~80%，Compressor:60~70%⑥主冷液氧液位，80~100%。三、計(jì)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(jī)出口2、物料及各主要組分的流量 物料平衡：進(jìn)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(jī)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(jì)指標(biāo)：加工空氣量，壓縮機(jī)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)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(jī)械摩擦與撞擊、靜電等）（3）爆炸危險(xiǎn)雜質(zhì)：可燃雜質(zhì)——碳?xì)浠衔锊豢扇茧s質(zhì)——臭氧、氮氧化合物（4）來源：原料空氣，壓縮機(jī)油的高溫裂解。（5）防爆措施：液空吸附器：硅胺吸——乙炔，其它碳?xì)浠衔?，分子篩吸附時(shí)，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：0.5~1%第八節(jié)自動(dòng)調(diào)節(jié)一、壓縮機(jī)：流量穩(wěn)定或壓力穩(wěn)定，防喘振（與流量<或臨界值）（離心機(jī)）（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(dòng)切換中部溫度調(diào)節(jié)分離設(shè)備（1）下塔（保證下塔的氣液比）膨脹機(jī)（透平）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(hù)：風(fēng)機(jī)端：流量調(diào)節(jié)：控制轉(zhuǎn)速安全保護(hù)：超速，斷電時(shí)——全開。第八章氬的提取氬：隋性、高密度、低熱導(dǎo)。主要用于焊接時(shí)作為保護(hù)氣體。主要提取方法：①精餾法，利用沸點(diǎn)差分離，a、—；b、—②吸附法，—③催化反應(yīng)法—加氫(沸點(diǎn)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(shí)，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(jìn)粗氬塔。①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②去氮塔內(nèi)：是氬與氮的精餾過程，工藝氬進(jìn)中部（高壓節(jié)流），下部與由中壓氮蒸發(fā)加熱，上部與由液氮作冷源，純氬由下部取出。③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(jìn)上塔后，氬餾分沒有經(jīng)過下塔的初步分離。進(jìn)上塔的空氣量越多，氬提取率越小，0.2~0.4。當(dāng)氬提取率一定時(shí)，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(jìn)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(xué)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(jí)精餾，工藝氬是通過冷凝法除去。雙級(jí)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(yán)格清除，但含較多的，故采用雙級(jí)。當(dāng)生產(chǎn)純氬時(shí)，單級(jí)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?fàn)t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?fàn)t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(yùn)輸與貯存。LNG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(xué)法：乙醇胺，碳酸鉀（2）清除，水合物，①冷卻法，但溫度高于水物的溶點(diǎn)②甘醇吸收法③固體吸附法、硅酸、分子篩等。二、液化流程1、基本負(fù)荷型：正常規(guī)模連續(xù)運(yùn)行，混合制冷劑逐級(jí)液化膨脹機(jī)的液化。2、高峰負(fù)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的氣化常溫空氣加熱海水直接加熱熱源間接加熱（丙烷為載熱劑）四、LNG冷量的利用+顯熱溫差發(fā)電作為冷源（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(diǎn)相近的氣體石油氣分為三個(gè)餾分：（1）干氣，用作動(dòng)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：①火箭推進(jìn)劑②高能物理，反應(yīng)堆中，腔③低溫冷卻劑④氫氣源，得到高純氫⑤燃料、高熱值，潔凈燃料，汽車、飛機(jī)。1908年保到，1978年以來4900用途①低溫超導(dǎo)環(huán)境②發(fā)動(dòng)機(jī)的加壓與預(yù)冷③低溫吸附泵冷源④低溫電子冷源⑤氦氣的儲(chǔ)運(yùn)§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：80~95%1、純化：防止雜質(zhì)的固化，堵塞，雜質(zhì)要小于1ppm方法：①冷凝法，高沸點(diǎn)組分先冷凝（不能固化）②吸收法，選擇吸收劑，低溫下吸收③低溫吸附法④變壓吸附法2、正一仲轉(zhuǎn)化：常溫時(shí)，正75%，仲25%液態(tài)時(shí)仲99.79%，但需很長時(shí)間達(dá)到平衡正一仲轉(zhuǎn)化緩慢進(jìn)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。三、中小型液化裝置一般指20和20~500的裝置采