制冷压缩机第八章 低温技术

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1、 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术第三章第三章 低温原理与技术低温原理与技术第一节第一节 气体液化与分离气体液化与分离第二节第二节 低温制冷机低温制冷机 第三节第三节 低温绝热低温绝热烘被码蚀荆禽迫黄量轮网扯窿么徊抽几稍署琢呼拥亲魂衔帚佃爬身姨妓园制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术3.1 3.1 气体液化与分离气体液化与分离3.1.1 3.1.1 气体液化气体液化3.1.2 3.1.2 气体分离和纯化系统气体分离和纯化系统3.1.4 3.1.4 变压吸附变压吸附3.1.5 3.1.5 空气分离系统空气分离系统3.1.3 3.1

2、.3 气体的分离原理气体的分离原理瞅脐腥雍鸡事漓屉冈颧凶架搅壕婴谐增逾催鸡母拴寄氓虱婿刷蜒砒撂吨净制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术3.1.1 3.1.1 气体液化气体液化1. 1. 基本概念基本概念2. 2. 热力学理想系统热力学理想系统 3. 3. 简单林德汉普逊系统简单林德汉普逊系统 4. 4. 带预冷林德汉普逊系统带预冷林德汉普逊系统 5. 5. 林德双压系统林德双压系统6. 6. 复迭式系统复迭式系统7. 7. 克劳特系统克劳特系统8. 8. 卡皮查系统卡皮查系统9. 9. 海兰特系统海兰特系统10. 10. 采用膨胀机的其

3、它液化系统采用膨胀机的其它液化系统11. 11. 液化系统液化系统12. 12. 各种液化系统的性能比较各种液化系统的性能比较13. 13. 用于氖和氢的预冷林德汉普逊系统用于氖和氢的预冷林德汉普逊系统14. 14. 用于氖或氢的克劳特系统用于氖或氢的克劳特系统15. 15. 氦制冷的氢液化系统氦制冷的氢液化系统16. 16. 考林斯氦液化系统考林斯氦液化系统17. 17. 西蒙氦液化系统西蒙氦液化系统固料裕嗽拐圃臃见业设个悯裁栋癸赠悠佯正摧梁十录冉忍腮遮怖钟琳右记制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术1. 1. 基本概念基本概念 (3.

4、1)系系统统的的性性能能参参数数单位质量气体的压缩功单位质量气体的压缩功单位质量气体液化功单位质量气体液化功 液化率液化率三者之间的关系是三者之间的关系是: :侦伎乡唾僵获搀神蒜理概烧碳则仔岔帚魂狐驻蚊茎箩昏二污鲍沼惰认疡褥制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术循环效率循环效率FOM(FOM(热力完善度热力完善度): ): 通常以理想循通常以理想循环所需的最小功与实际循环液化功比值作为环所需的最小功与实际循环液化功比值作为评定的标准。评定的标准。 压缩机和膨胀机的绝热效率压缩机和膨胀机的绝热效率压缩机和膨胀机的机械效率压缩机和膨胀机的机械

5、效率换热器的效率换热器的效率换热器和管道的压降换热器和管道的压降系统与环境的热交换系统与环境的热交换(3.2)实实际际性性能能参参数数蔽恿邱清膛拆柏尝爱恕问像午认鞠孵沃包哮毒郡暂勃闹授勉顿必蹋秋躬敬制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术2. 2. 热力学理想系统热力学理想系统 图图3.1 3.1 热力学理想液化系统热力学理想液化系统. (a) T-S. (a) T-S图，图，(b)(b)系统图。系统图。矾呈乾辅帜儒沫羞工宴跋桶湃洪纠布抒卖哀籽颗碗准沧各瘸痕枫瘤辕宜洼制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理

6、理 与与 技技 术术稳定物流的热力学第一定律稳定物流的热力学第一定律: : 通常动能和势能的变化相对于焓变而言小得多通常动能和势能的变化相对于焓变而言小得多: : 理想系统时理想系统时: : 等熵过程等熵过程 : :液化气体的理论最小功液化气体的理论最小功: : (3.3)(3.4)(3.5)(3.6)(3.7)季岔琐石奔拒矽范锯派腆挨喷陋娥所施绵垢越核洱涸障袜席约陨虎击略撞制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术表3.1 液化气体的理论最小功 (初始点P=101.3kPa，T=300K) 气体名称沸点(K)理论最小功(kJ/kg)氦33.

7、198178氦44.216819氢20.2712019氖27.091335氮77.36768.1空气78.8738.9一氧化碳81.6768.6氩87.28478.6氧90.18635.6甲烷111.71091乙烷184.5353.1丙烷231.1140.4氨239.8359.1侨纵孪转戏逗踏锡悬疚灿甭顶慷铸忆满筐乒狈酸具递坦菇次费郸口那寸淀制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术3. 3. 简单林德汉普逊系统简单林德汉普逊系统 图图3.2 3.2 林德汉普逊系统林德汉普逊系统. . 克需树涝宅厦睹挂浆综夷霹锌满污殆圃秽喧瓤诱纽完英魁楚贤铡

8、泽湛滤峡制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.3 3.3 林德汉普逊循环的林德汉普逊循环的T TS S图图 吮泄避桩怂盎菏安牙唾溺传疮搔县窜早郁烤基苇形题淄李名雄左蹭刁镑惊制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 气体的液化率依赖于： 大气条件下(点1)的压力 和温度 ,从而决定了 和 ； 等温压缩后的压力 ， 由 决定。 我们无法改变环境状态我们无法改变环境状态, ,因此系统的性能取决于压力因此系统的性能取决于压力 要使液化率要使液化率 最大，则必须使最大，则必须使 最小：最

9、小： 热力学第一定律应用于除压缩机外的所有设备，得到热力学第一定律应用于除压缩机外的所有设备，得到: :(3.8)(3.10)帮雄痴棠霓谓淹福了崎怒定群往盎沂蔚掺趾疹汇矛誊端树英樱象叔绊需径制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.4 3.4 用氦或氢作工作流体简单用氦或氢作工作流体简单林德汉普逊系统的启动过程林德汉普逊系统的启动过程 简单的林德汉普逊简单的林德汉普逊循环循环不能不能用于液化氖、氢用于液化氖、氢和氦和氦: : 1. 1. 由于这些气体的由于这些气体的转化温度低于环境温度，转化温度低于环境温度，所以无法降温启动。所以无法

10、降温启动。 2. 2. 用林德汉普逊用林德汉普逊系统能够获得降温，通过系统能够获得降温，通过低温下节流后完全都是蒸低温下节流后完全都是蒸汽，没有气体被液化。汽，没有气体被液化。 暇袍揽舶溺妙圣钧唇憨狂歧辣阜宫把椒角丛绷益铆披港茎萄没银坞阜错云制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.5 3.5 即使氢或氦的简单林德汉普逊系统能按正确即使氢或氦的简单林德汉普逊系统能按正确方向启动，它仍不能传递足够的能量以获得液体方向启动，它仍不能传递足够的能量以获得液体矫鞠努行彪衙折咳董甥疮薪嘻羞啡诊吴独较旨包眨馅兹间舔黄妆纽妥籍桔制冷压缩机第八章 低

11、温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术林德汉普逊系统的耗功林德汉普逊系统的耗功 : :单位质量耗功单位质量耗功 : :单位质量的液化功单位质量的液化功: :(3.11)(3.12)(3.13)望们铁艺瑚篙旧柑仲页老唉科示疥攻歇孔渺匀樊棺泊强擎幌珍锥杖熬辉赶制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术4. 4. 带预冷林德汉普逊系统带预冷林德汉普逊系统 预冷林德汉普预冷林德汉普逊系统逊系统: : 对简单林德对简单林德汉普逊系统，当热汉普逊系统，当热交换器入口温度低交换器入口温度低于环境温度时，可于环境温度时，可

12、以改善简单林德以改善简单林德汉普逊系统的性能汉普逊系统的性能指标。指标。 图图3.6 3.6 液化率随热交换液化率随热交换器入口温度变化关系器入口温度变化关系. .摇确娄尺妨窄鸽漠茁酵抬泼厅匣文罪删堕版追丧所埋昼咆区像躁路盼弘造制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.7 3.7 预冷林德汉普逊系统预冷林德汉普逊系统 睛闽辱捣咯艳口羽挨伟惜畴科奸赶嘴掉乔喀甸侣陪惫筐解路辨被轴亩撩滨制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.8 3.8 预冷林德汉普逊循环的预冷林德汉普逊循环的T

13、-ST-S图图 待南跋蔓渣倘拍苇巴佬版衅医玲契建桔扦熙旭剐溅摆拓彰更忠用帆射碴馈制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术应用热力学第一定律应用热力学第一定律 定义制冷剂的质量流率比定义制冷剂的质量流率比: : 液化率液化率: :带预冷系统的最大液化率带预冷系统的最大液化率: : (3.14)(3.15)(3.16)(3.17)假定主压缩机是可逆等温的假定主压缩机是可逆等温的, ,附加压缩机是可逆绝附加压缩机是可逆绝热的热的. .单位质量加工气体压缩耗功单位质量加工气体压缩耗功: : (3.18)奢出襄揩芍谎犁扛起尾寺奠投臆韩纤蠢滥娘谐撰侥姑

14、稚推兜岸蓟幕墩溢矣制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.9 3.9 液化率与极限液化率液化率与极限液化率随制冷剂流率的变化。随制冷剂流率的变化。图图3.10 3.10 带预冷林德汉普带预冷林德汉普逊系统单位质量氮气液化功逊系统单位质量氮气液化功 巷括浸湾闭氛辩颇荷择种硫碍曳史椒弘惹煮虫嗜匪辫硅屉簧瑶谴烙泊迪搽制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术5. 5. 林德双压系统林德双压系统图图3.11 3.11 林德双压系统林德双压系统 果桓弹榔桨酚奎迅荧尿嘱亢钙叭恤劝九恭漫日眶赤悉

15、腥添饥撞芽疲辨二翘制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3 .12 3 .12 林德双压系统林德双压系统T TS S图图 疲贰烷萧铭忙袖掳亲烃曝钒碰蒙煮琅价撮异锁笆牛剃鸟乞吨回渣眩吗郝再制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 取热交换器，两个气液分离器，二个节流阀，作为热力分析系统，针对稳定流动，根据能量守恒原则，根据能量守恒原则，可得液化率为可得液化率为: : 中中间压力蒸汽流率比：力蒸汽流率比：热力学第一定律应用于两个压缩机，单位质量气体单位质量气体的压缩耗功为的压缩耗功为:

16、 :(3.19)(3.20)(3.21)奴纬茹缄噪撰舶妈垒萤惋翠汰诊斤蔬镍沦敖桂颇饰汝锗沏淋骂鱼挨峦贤璃制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.13 林德双压系统液化功林德双压系统液化功 稻痊笋酮郡怕粉殆父狠浚丰茶驱验博肇窘鹅奏掷故灰排找阂鸽双戴缠虹痕制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术6. 6. 复迭式系统复迭式系统复迭式系统是预冷系统的展开，由其它制冷复迭式系统是预冷系统的展开，由其它制冷系统来预冷。系统来预冷。优点优点Y 第一个用于生产液空的液化装置第一个用于生产液空的

17、液化装置Y 系统的性能好系统的性能好Y 所需压力降低所需压力降低缺点Y 系统的每一级循环都必须完全不漏，以防止流体渗系统的每一级循环都必须完全不漏，以防止流体渗漏漏质镭红纹赫甩乡恳沟步脑赢苑犯挺恋糙埋殆船悟狠篡矫庞衰他慈藕刷妊蚀制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.14复迭式系统复迭式系统 刺庄灰兰躇泡桓奔灶坛酒奴摩拣邯梅乏霓砂场雌昼劳导鼓挫贤唁镇识缸剥制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术7. 7. 克劳特系统克劳特系统图图3.15 克劳特系统克劳特系统 两露兔淑弯阐灵踏寓

18、若走龄胳烷民显葵吉蚌乞塘波框化盾汲汁租义镑甚后制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.16 3.16 理论克劳特系统理论克劳特系统T TS S图图 蛊作邑递杖佳掸椎拦减五智愁苟眨蓬谰挑传蜗寞丛高庞砾铝蝗涡磷樱谨条制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 取热交换器、节流阀、气液分离器作为能量分析系统，该系统没有外部热功交换，对该系统应用热力学对该系统应用热力学第一定律第一定律: :膨胀机的流量比率膨胀机的流量比率: : 进膨胀机质量流量占总流量比例进膨胀机质量流量占总流量比例:

19、:液化率液化率: : 净耗功净耗功: :(3.22)(3.23)(3.24)(3.26)(3.25)找峭沦阿伶遁擅剂淖球瀑欠肿够虞割潮凋豁酥然投至诚肋咖黄娇樟聂惧挫制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.17 克劳特循环单位质量液化功克劳特循环单位质量液化功 牧铺杆蹭樱购衣痕苗曳汞赔杨曾检隔耳疼宪蝴轻泛鼎秘丑蕾殷坡序绕沫括制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术8. 8. 卡皮查系统卡皮查系统卡皮查循环：带有高效率透平卡皮查循环：带有高效率透平膨胀机的低压液化循环。膨胀机的低压液

20、化循环。它采用低压力，等温节流效应及膨胀机焓降均较小。图图3.18 卡皮查系统卡皮查系统. 忻歹奢疡闽烧止烹娇疑累凹苛绪膀撂猾码肿稚痹代哈吭筋渤稽什巾募痒眼制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术海兰特循环海兰特循环：带高压膨胀机的气体液化循环。：带高压膨胀机的气体液化循环。实际上实际上它也是克劳特循环的一种特殊情况。它也是克劳特循环的一种特殊情况。 图图3.19 海兰特系统海兰特系统 9. 9. 海兰特系统海兰特系统虏或戌验咳狂魔财止遣蟹方梁廉厕痊滔氓萄椭缀序穷斯为街嫁卸褒劣坚啼制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制

21、冷冷 原原 理理 与与 技技 术术10. 10. 采用膨胀机的其它液化系统采用膨胀机的其它液化系统 双压克劳特双压克劳特: :原理与林德双压系统相似。原理与林德双压系统相似。 通过节流阀的气体被压缩至高压通过节流阀的气体被压缩至高压 经过膨胀机循环气体仅压缩至中压经过膨胀机循环气体仅压缩至中压 图图3.20 双压克劳特系统双压克劳特系统 泻耽恰耸模芬辆腾遣葵激啸烁卞炒航签部诉淑吏苯禄锈侯宅绘篱漏搅蛀揪制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术自动制冷复迭系统自动制冷复迭系统: :工作时重组分先冷凝，轻组分后冷工作时重组分先冷凝，轻组分后冷凝的

22、特性，将它们依次冷凝、节流、蒸发得到不同温度凝的特性，将它们依次冷凝、节流、蒸发得到不同温度级的冷量，使天然气对应组分冷凝并全部液化。级的冷量，使天然气对应组分冷凝并全部液化。11. 11. 液化系统液化系统 图图3.21混合制冷剂混合制冷剂液化天然气系统液化天然气系统 昔绽浩狰能粕靶瞧亮鹿寒梆嘶邑伎鲜配抛酵硫英绒伏嘻涅于茅糙营牲帕炔制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术12. 12. 各种液化系统的性能比较各种液化系统的性能比较表表3.3 以空气为工质，以空气为工质，300K，P101.3kPa液化系统的比较液化系统的比较 血踊帧颤再痉

23、帕输孽衬帘账束谭阉皆廊楔诚孜峪条添骋流螺憾芜妒趣豁邓制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术续上表：续上表：猴血胖散又孟氓宛驯削纵翰十暂饮抚细婶作最皇外凸帆涕帆暗仑妻僚绳跌制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术13. 13. 用于氖和氢的预冷林德汉普逊系统用于氖和氢的预冷林德汉普逊系统 图图3.22 适用于液化氖和氢的适用于液化氖和氢的液氮预冷林德汉普逊系统液氮预冷林德汉普逊系统 救潭鲤因拂稍罩缕猪摘烯沧悉嚼刨够豁浇弃蓑钥摘器数筏溜播逗经履囊截制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章

24、 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术单位质量压缩氢或氖所对应的氮的蒸发率蒸发率:取三个换热器、液氮槽、液氢或氖的储罐和节流阀作为分析系统，针对没有热漏的稳定流动: 单位质量单位质量液化氢或氖下氮的蒸发率:(3.28)(3.29)(3.30)(3.31)寺公巩选揣匪耳榜苛迪镀父失丈目九卓来试庭飞烃意慈簇庄匡兰叠卤溉秒制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.23 在液氮预冷林德汉普逊系统中每液化单位质在液氮预冷林德汉普逊系统中每液化单位质量氢所需氮的蒸发率与液氮槽温度的关系量氢所需氮的蒸发率与液氮槽温度的关系. 屉骂烹凤

25、醛兼硕葵忠荐讲隘垣侧持验征户购铱蜡萍培撒认羔簇乱辖陨托危制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术14. 14. 用于氖或氢的克劳特系统用于氖或氢的克劳特系统 图图3.24 生产液氢或氖的生产液氢或氖的液氮预冷克劳特系统液氮预冷克劳特系统 褂戌站提升帽摄煞寞藏警闪妈圾舅酋酪昌荫旨窝杯臣莹蔬灾怜施铀徊彪即制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术15. 15. 氦制冷的氢液化系统氦制冷的氢液化系统 采用氦制冷系统与高压系统相比采用氦制冷系统与高压系统相比: :优点优点: :相应地降低了使用压力

26、相应地降低了使用压力缩小了压缩机的尺寸缩小了压缩机的尺寸减小了系统材料的壁厚减小了系统材料的壁厚不足不足: :需用两台压缩机需用两台压缩机 氦制冷机采用改进的克劳特系统，在循环中氦制冷机采用改进的克劳特系统，在循环中氦气并不被液化，但达到的温度比液氢或氖更低。氦气并不被液化，但达到的温度比液氢或氖更低。 压缩氦气经液氮槽预冷，进入膨胀机膨胀产压缩氦气经液氮槽预冷，进入膨胀机膨胀产冷降温，冷氦气返回以冷却高压的氢或氖，以使其冷降温，冷氦气返回以冷却高压的氢或氖，以使其液化。液化。 抠为瘦据烽叙笛喊掖恒模赂饮橙齐糊凤蜗碾溃换苦巾帜番碱袍寺狄光弃称制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术

27、 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.25 氦气制冷的氢液化系统氦气制冷的氢液化系统 娘始伍狮隙婪申豫般甘率伦镀峻其吕庚断哆热路敖甘搪炔损蛙驭卡得肋浓制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术氢液化器中正仲氦转换氢液化器中正仲氦转换 氢可能存在两种不同的状态氢可能存在两种不同的状态: :正氢和仲氢正氢和仲氢在平衡氢中正氢的浓度主要取决于氢的温度在平衡氢中正氢的浓度主要取决于氢的温度: : 在常温下，平衡氢是75%正氢和25%仲氢的混合物 在液氢的标准沸点时，氢的平衡组成几乎全部为 仲氢，占99.8%。 当氢气经过液化当氢气经过液化

28、系统系统时，气体不可能在热交换器内时，气体不可能在热交换器内保持足够长的时间以建立起一定温度下的平衡氢组成，保持足够长的时间以建立起一定温度下的平衡氢组成，结果是结果是液氢由接近环境温度下的正仲氢组成。液氢由接近环境温度下的正仲氢组成。围鞭壬永畴址蜡俱省棵臂戎搏川殴绊铁女困捅涣矽梳煞躺巳话碑滤切检蓄制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.26 正仲氢转化布置正仲氢转化布置 席磐榷毁捍册疫幽抿京曝旁云竖枚蚁霹兑栋晌胆掸陈混拼碧龄撼三拼评搐制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术16

29、. 16. 考林斯氦液化系统考林斯氦液化系统 早期氦液化器采用液氢作为预冷剂早期氦液化器采用液氢作为预冷剂, ,如带预冷林德如带预冷林德汉普逊系统可以用来液化氦气。汉普逊系统可以用来液化氦气。考林斯氦液化器是克劳特系统的进一步发展具考林斯氦液化器是克劳特系统的进一步发展具有低温工程里程碑。有低温工程里程碑。 u取除氦压缩机及膨胀机外的所有部件作为分析系统，对该稳定流动系统应用热力学第一定律:(3.32)阶钓哪妇贵治撂略打炕钙表塌员侨针肢萄改徊奏拐舞萎泞瘁震漾趴刚陇添制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.27 考林斯氦液化系统考林斯

30、氦液化系统瞻睦网藉堑幌段缠搁首几椰婚罪跺贴着蓉谷抠嗣村帕悉杭锯凯免计颤账起制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.28 西蒙液化系统西蒙液化系统 17. 17. 西蒙氦液化系统西蒙氦液化系统昧苗姨穗睛扎淡迄柞闰浚岂憎伙救识细钩绚鹅钦嚼乖票熏坐雁峦陷邀否龙制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.29 3.29 西蒙液化系统的西蒙液化系统的T TS S图图 苦遏阅锄享喉硕让精胺拎咯翔来反孺的照窟惶堡发赁险疤千也腻沪串拄巫制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制

31、制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术假定厚壁容器假定厚壁容器传入入热量可逆，同量可逆，同时容器材料的比容器材料的比热符合符合德拜表达式德拜表达式: : 容器的熵变为容器的熵变为: : 存在漏热存在漏热: : 液化率液化率: :满液体部分的满液体部分的容积比容积比: : (3.33)(3.33)(3.35)(3.35)(3.37)(3.37)(3.39)(3.39)(3.42)(3.42)芬司户肘言概妹虱嘴峰仍御掖豪骗卯悔婿滞胡敏菇篆棍傈东蹋洲涉篓熊碘制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术3.1.2 3.1.2 气体分离和纯化系统气体分离

32、和纯化系统 1. 1. 热力学理想分离系统热力学理想分离系统半渗透膜：该膜仅允许一种气体自由完全地通过，半渗透膜：该膜仅允许一种气体自由完全地通过，而其他气体无法通过。而其他气体无法通过。使用这种装置，气体混合时就可以获得输出功，输入同样的功就可以把他们分开，因此，该过程是个可逆过程可逆过程。 如图如图3.30 3.30 左边的活塞只允许气体左边的活塞只允许气体A A通过，右边的通过，右边的活塞只允许气体活塞只允许气体B B通过，通过把两个活塞移动到一起，通过，通过把两个活塞移动到一起，由气体由气体A A和和B B组成的混合物就可逆地被分离成纯净的组成的混合物就可逆地被分离成纯净的气体气体A

33、A和气体和气体B B。 钵瞅喷缎欠逛蛔皱至兆帜凉砂憾安雕驮忽蹦具羞盘细睛襄此讨瓦娠改螟门制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.30热力学理想分离系统模型热力学理想分离系统模型. 衬足溅素趾谓腰闷写录测侗胸捍二肤懂厩嘿弯币檬猩堰绢坪贸计轨真衔笼制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术理想气体混合物分离的理论功: 分压比=质量比: 种组分理想气体混合物耗功:分离系统的分离效率为:(3.45)(3.46)(3.48)(3.49)丑碘颧荡洛河搞九钨牙丽例悬诽漱赵葱绝棘布嗣乡贞费猎妆嫂撇

34、庐榆舆盼制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术2 2 混合物的性质混合物的性质(1) (1) 相律相律 单组份物质以两相出现时单组份物质以两相出现时( (例如液氮和气氮例如液氮和气氮) )，并，并非所有热静力学参数都是独立的。对于一组相态，在非所有热静力学参数都是独立的。对于一组相态，在物性之间存在一个蒸气压力方程的关系式。物性之间存在一个蒸气压力方程的关系式。 对于多于一相和超过一个组分物质，我们必须应对于多于一相和超过一个组分物质，我们必须应用用GibbsGibbs相规律相规律(1878(1878年发现年发现) )来描述状态所需要独立

35、来描述状态所需要独立变量的数目。变量的数目。 T = C - P +2 T = C - P +2 T: T:描述体系状态所需要独立变量的数目 C: C:存在组分数 P: P:存在的相数香零旧耻耪搔催堡相杯扮浴瞻炉股溃丫辗轿丁铝扫滦察达汛善楼仙纬著揩制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.313.31典型双组分温度成份图典型双组分温度成份图 (a) (a) 压力低于两压力低于两种组分的临界压种组分的临界压力力 (b)(b)压力在两种组压力在两种组分的临界压力之间分的临界压力之间 (c)(c)共沸混合物共沸混合物 囤鸽天思模枢达粕尺鼻浅

36、郎阴流帖币忠燥换辰翟速碗怔永臣狱您鸽枕鹃钦制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术(2)(2)温度温度- -浓度图浓度图 图图3.323.32两组分混合物的冷凝两组分混合物的冷凝 桩套凿淀擎氦撵帅中蹦溢牲包上交漳汁茸擦卑坊坍涛虑丑疡统朔逆迄齿陆制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.33氧氮混合物的温度浓度图氧氮混合物的温度浓度图 级件晕饭崩拆授杂兵群眨辰缀淬带娜都侦次怔砧鼎闻峰盔朴婶鸭担摆客订制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技

37、技 术术 相平衡曲线具体形式取决构成混合物分子之间的相平衡曲线具体形式取决构成混合物分子之间的内作用力。内作用力。 对于分子内作用比较弱的液体混合物，如稀溶液对于分子内作用比较弱的液体混合物，如稀溶液一样，可用著名的一样，可用著名的RaoultRaoult定律表式：定律表式： : :第第j j组分在液相上部气相中的分压组分在液相上部气相中的分压 : :在混合物温度下第在混合物温度下第j j组分的蒸汽压组分的蒸汽压 : :在液相中第在液相中第j j组分的摩尔百分数组分的摩尔百分数(3.51) 所有浓度下都服从所有浓度下都服从RaoultRaoult定律的混合物定律的混合物称为理想的溶液。称为理想

38、的溶液。象裁帆棕麦纷蔽阂牡劳俩砷撩部惟灿星撅扩更哟狂矮袱盲硫哈毅菇灶边夷制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术若在液体混合物上部蒸汽相也可以看作理想气体，若在液体混合物上部蒸汽相也可以看作理想气体，则蒸汽相的分压与总压力之间关系由定律则蒸汽相的分压与总压力之间关系由定律Gibbs-Gibbs-DaltonDalton决定决定: : 蒸汽相中第蒸汽相中第j j组分的摩尔分量组分的摩尔分量 : :理想气体混合物的分压之和等于总压理想气体混合物的分压之和等于总压: :对于两组分混合物，对于两组分混合物， ，因此，服从，因此，服从RaoultRa

39、oult定律双组分混合物式定律双组分混合物式: : (3.52)(3.53)(3.54)(3.55)修诬等瓷灼欠屉卫钉彦蚀豁呸仟杜沾尽甭阶鸳浴翼累兹抛盛熏唾菌澄孝黑制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.35 氮氩混合物的温度浓度图氮氩混合物的温度浓度图 门鱼颓自甸修酵厉石曝迢慷皇酌萌辊喂迹图爽仟应绩后虐堰吝幼稗两磊充制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.35 氮氩混合物的温度浓度图氮氩混合物的温度浓度图 衍四诗乐综奖遥刨衬奖钧匣螺湿每铺权脯填埠摹泣七莲们宁迭腕移裕戮侈

40、制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术(3) (3) 平衡常数平衡常数 气相和液相中摩尔百分比之间的关系可以用平衡常数气相和液相中摩尔百分比之间的关系可以用平衡常数表达表达: : 理想气体和液体理想气体和液体的平衡常数的平衡常数: :双组分混合物双组分混合物的液相和气相组成由每个组分的平衡常的液相和气相组成由每个组分的平衡常数来确定数来确定 ：可求得液和气相中组分的摩尔百分比：可求得液和气相中组分的摩尔百分比：(3.56)(3.57)(3.58)(3.59)碰缨赌睹率摆笨猿帆芽亲漏炬皑遗厅鞍徘烦贪资浮苫漆味唇午代马倘京莽制冷压缩机第八章

41、低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 在典型氮在典型氮氧混合物系统氧混合物系统的焓浓度图中的焓浓度图中可以看出露点线可以看出露点线( (饱和蒸汽饱和蒸汽) )和泡和泡点线点线( (饱和液体饱和液体) )。(4) (4) 焓浓度图焓浓度图 图图3.36 101.3kPa3.36 101.3kPa下氮氧混合物的下氮氧混合物的焓浓度图焓浓度图 亭球闲褒苦浆舅俩防杰浩负敝置媒硝之黑酸痈府渊俐恰沮梗务侠芽卸呸茅制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术3.1.3 3.1.3 气体的分离原理气体的分离原理 1. 1

42、. 简单冷凝或蒸发过程简单冷凝或蒸发过程 3. 3. 闪蒸计算闪蒸计算2. 2. 精馏原理精馏原理4. 4. 精馏塔的理论塔板数计算精馏塔的理论塔板数计算5. 5. 最小理论塔板数最小理论塔板数 6. 6. 精馏塔的类型和结构精馏塔的类型和结构 哨市客绑楚贱孤灵勿畦裹昂窖忧浦西止灭全原龄样猾弛侈悉衷多绕扼融家制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术1. 1. 简单冷凝或蒸发过程简单冷凝或蒸发过程 通过部分冷凝能实现混合物的分离过程的效率主通过部分冷凝能实现混合物的分离过程的效率主要取决于温度浓度图上相分离曲线的形状。要取决于温度浓度图上相分

43、离曲线的形状。Y 对沸点相差较大的物质所组成混合物通过部分冷对沸点相差较大的物质所组成混合物通过部分冷凝能达到有效的分离，而对沸点相近物质所组成的混凝能达到有效的分离，而对沸点相近物质所组成的混合物该法将失去分离作用。合物该法将失去分离作用。 事实上事实上通过简单的冷凝并不能把空气分离成纯组通过简单的冷凝并不能把空气分离成纯组分，仅能达到部分分离，不能满足许多实际的应用。分，仅能达到部分分离，不能满足许多实际的应用。而氮氦混合物，氨氢混合物等由于沸点相差很大，而氮氦混合物，氨氢混合物等由于沸点相差很大，完全可以通过部分冷凝法实现满意有效的分离。完全可以通过部分冷凝法实现满意有效的分离。 由兜凤

44、老篓镰矛姚柞罪查但进温愚陶暑庚衙杏稿凄吝忆妈官寿矮互腋播褥制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术二元组分相变过程的主要特性二元组分相变过程的主要特性: :对于某一成分的二元混合物，在一定压力下，对于某一成分的二元混合物，在一定压力下，开始冷凝或开始蒸发到冷凝结束或蒸发结束开始冷凝或开始蒸发到冷凝结束或蒸发结束时时温度是不断变化的温度是不断变化的，这一点与纯组分不同。，这一点与纯组分不同。在冷凝或蒸发过程中，液相和气相的在冷凝或蒸发过程中，液相和气相的浓度是浓度是连续变化的连续变化的。通过部分冷凝或蒸发可以通过部分冷凝或蒸发可以有效地分离沸

45、点相有效地分离沸点相差很大的二元混合物差很大的二元混合物，但对沸点相差较小的，但对沸点相差较小的二元混合物达不到有效的分离。二元混合物达不到有效的分离。框逻则港邓肆竿酸肠荧廓豫歇屉弥茂撮徽凡腺袍鲁脏屿静贰缎炕秩翌渡嫡制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术2. 2. 精馏原理精馏原理精馏就是以精馏就是以部分蒸发和部部分蒸发和部分冷凝用逆流分冷凝用逆流方式进行复迭方式进行复迭分离的过程。分离的过程。 图图3.38 精馏塔的原理精馏塔的原理忠故番敏夯齐摄淡肤澜课字竣情近莲闽钙撂雀碳腕肇晒讳群帮断泡脖配呕制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章

46、 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.39 精馏过程中温精馏过程中温度浓度图度浓度图 图图3.40 气泡通过塔板气泡通过塔板时热质交换情况时热质交换情况 灰铃诲牡悬哈铲痞阑罚你盔臃弧祁口泌虾每泛蛾感使性助族畦粗敌绚裂漱制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术塔板效率塔板效率: :塔板上的浓度变化与平衡时应达到塔板上的浓度变化与平衡时应达到的浓度变化之比的浓度变化之比图图3.41 3.41 板效率的定义板效率的定义 19461946年年 Geddes Geddes 分析分析了气泡与液体之间质了气泡与液体之间质传递的情况，

47、得到了传递的情况，得到了塔板效率式塔板效率式: : 提高塔板效率的因素提高塔板效率的因素: :小气泡小气泡( (小小 ) )长接触时间长接触时间( (大大 ) )大的总质交换系数大的总质交换系数(3.61)(3.61)姨煎缅替喊仟同孰究蜜警崔湾译朗听退巴击现棒帮恭吻赘谐棍这巨足姻斤制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术3. 3. 闪蒸计算闪蒸计算闪蒸计算的步骤如下闪蒸计算的步骤如下: : 第第j j组分质量平衡组分质量平衡 : :能量守恒能量守恒 : :离开系统液体物流的百分比离开系统液体物流的百分比: : 蒸汽相的摩尔百分比之和等于蒸汽

48、相的摩尔百分比之和等于1 :1 :(3.62)(3.63)(3.64)(3.65)(3.66)邻净床乃碰忍豆肋资挟梢皖趴窜栅酞票扣掏茧吐世继农咕纹巢拂乙侮搀难制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术混合压力已知，则仅含一个未知量即混合物混合压力已知，则仅含一个未知量即混合物温度。计算步骤如下温度。计算步骤如下: : 假定一个在露点和泡点之间的一个温度假定一个在露点和泡点之间的一个温度露点和泡点的温度由混合压露点和泡点的温度由混合压力及供料摩尔百分比决定力及供料摩尔百分比决定计算液体百分比计算液体百分比用蒸汽相的摩尔百分比之和等于用蒸汽相的摩

49、尔百分比之和等于1验证验证若等于若等于1，则求，则求解结束，开始解结束，开始假定的混合物假定的混合物温度正确温度正确若不等于若不等于1，重，重新假定混合物温新假定混合物温度，重复上述步度，重复上述步骤骤秆札异中盯炕仪魔悉磊壕懊资统桃万旬惦耪干竞恭削蔡搬埃悯乎迷捌茶宪制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术4. 4. 精馏塔的理论塔板数计算精馏塔的理论塔板数计算I.I.方法之一是方法之一是19211921年年PonchonPonchon和和19221922年年SavaritSavarit建立建立的，它是一适用于所有情况的精确方法，但应用的，它

50、是一适用于所有情况的精确方法，但应用该法需要详细的焓值数据。该法需要详细的焓值数据。II.II.另一方法是另一方法是19251925年年McCableMcCable和和ThieleThiele建立的，它在建立的，它在应用时仅需要平衡浓度数据。应用时仅需要平衡浓度数据。有两种基本方法用来计算精馏塔内所需的理论塔有两种基本方法用来计算精馏塔内所需的理论塔板数板数:Y我们在讨论时使用我们在讨论时使用McCable-Thiele McCable-Thiele 方法方法, ,因为它最适合于低温场合。因为它最适合于低温场合。 擒奶督签橱益聂慧梨辟奄变么谍茂堰吹寓温窟爵溯悦卜傅赦忙二庆助敦腮制冷压缩机第八章

51、 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.42 理想塔板计算公式推导中所用的系统理想塔板计算公式推导中所用的系统 Vn定义为离开第定义为离开第n块塔板的蒸汽流率块塔板的蒸汽流率 Ln定义为离开第定义为离开第n块塔板的液体流率块塔板的液体流率吵然赘谣久国云协吊魏沫阀馋历渴年荤其坞蝴阶将谐吵纂泄牙利霸辅痒树制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术取第取第n n块板上方塔的部分作板上方塔的部分作为分析系分析系统，应用用质量守量守衡定律可以得到衡定律可以得到: : 对低沸点组分应用质量守衡定律得对低沸点组

52、分应用质量守衡定律得: : 应用热力学第一定律得应用热力学第一定律得: :产品流率与蒸汽相流率的比值产品流率与蒸汽相流率的比值: : 精馏段的操作线方程精馏段的操作线方程: :提馏段的操作线方程提馏段的操作线方程: :(3.67)(3.68)(3.69)(3.71)(3.73)(3.74)宜拾雪柯伸争惜跪讯终煞怔截檀票慈杖姑啮觉滤趣客幅剂黑蜘慧匿压勘贤制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术求McCabeThiele解的理论塔板数 平衡线平衡线: :蒸汽相蒸汽相的摩尔百分比的摩尔百分比对与蒸汽相热对与蒸汽相热平衡液相中氮平衡液相中氮的摩尔百

53、分比的摩尔百分比图图. . 图3.43 McCabeThiele法的解 搜懊畜仅姚幢撒岂黎远孕嘛帝异博募十倔马瓷卓王撰柏洱臆赫瓢脖钩霸殃制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 当顶部和底部产品纯度相当高时当顶部和底部产品纯度相当高时, ,在整个浓度范围在整个浓度范围内单个内单个McCabeMcCabeThieleThiele图由于在图由于在x=0x=0和和x=1x=1附近变得相附近变得相当小而该法不实用当小而该法不实用。对产品纯度要求很高的情况下，对产品纯度要求很高的情况下，为操作线进口段发展一个简单分析表达式来计算理论为操作线进口段发展

54、一个简单分析表达式来计算理论塔板数。塔板数。 当底部产品为气相，当底部产品为液体时，当底部产品为气相，当底部产品为液体时，M M等于等于理想塔板数加理想塔板数加1(1(因子因子1 1代表沸腾器的表面代表沸腾器的表面) )。 M M是理论是理论塔板数为塔板数为: : 精馏段理论塔板数的简单分析表达式精馏段理论塔板数的简单分析表达式: : (3.75)(3.76)祈奈漆抠赏怪卧眩群嫂贵矮遣屑区浪柠颈纫蔽歉办烬姥酱奇早培吓勇营般制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术5. 5. 最小理论塔板数最小理论塔板数 当操作线的斜率接近当操作线的斜率接近1

55、 1时，给定分离过程的理论塔时，给定分离过程的理论塔板数达到最小，因为这时在塔底到塔顶之间取的步数板数达到最小，因为这时在塔底到塔顶之间取的步数最少。最少。 理论塔板最小数理论塔板最小数可以利用可以利用4545度对角线作为操作线在度对角线作为操作线在McCabe-ThieleMcCabe-Thiele图上求得，或使用图上求得，或使用Fenske-UnderwoodFenske-Underwood式式求得求得: : (3.77)标察粪廓汞宁业腺霞帜距盆类康舍任菇卧再嫁贤溺乖胸冉曝弟久咕垦怀略制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 最小回流比

56、最小回流比发生在两条操作线和供料线与平衡线相发生在两条操作线和供料线与平衡线相交于同一点的状态下。交于同一点的状态下。虽然该条件下回流比最小，但虽然该条件下回流比最小，但所需的理论塔板数是无穷大。所需的理论塔板数是无穷大。 在实际系统中，在实际系统中，应在最小理论塔应在最小理论塔板数板数( (固定产品流固定产品流率下无穷大制冷率下无穷大制冷量量) )和最小制冷量和最小制冷量的塔板数的塔板数( (无穷大无穷大理论塔板数理论塔板数) )之间之间取一折中值。取一折中值。 图图3.44 3.44 所需理论塔板数的说明所需理论塔板数的说明 脾沃路瞬志求峨捏译瓤储举张假胳矩胞付戏疵扰深蓖甘闲尚飘劣石权渊织

57、制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术6. 6. 精馏塔的类型和结构精馏塔的类型和结构 (1) (1) 筛板塔筛板塔 筛板塔是由塔板组成。筛板塔是由塔板组成。塔板由筛孔板、溢流装塔板由筛孔板、溢流装置组成。置组成。图图3.45 3.45 筛板塔的结构原理图筛板塔的结构原理图 筑页腔耻使体恳仆夫秀娥膀胚戚去劣劳谣取已立丫龄淡钱鹰汗撰帧束躺佰制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.46 3.46 圆形泡罩的结构圆形泡罩的结构 在塔板上按等边三角形排列许多泡罩。泡罩边沿有齿缝，浸没在

58、液体中。塔板上液层高度由溢流堰保证上升蒸汽通过泡罩齿缝形成喷射穿过液层时，一部分蒸汽穿过液层鼓泡，形成泡沫，并使液体分散成液滴和雾沫；另一部分蒸汽则夹带着泡沫，液滴和雾沫上升到塔板上的空间。在这个空间里进行两相的接触，这是热质交换的主要区域。(2) (2) 泡罩塔泡罩塔邪槛恃也凹划般另纳蔡杜函骆操谨晓状煤赖篓讳饼醉春邱阑吭律影馒梁血制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术泡罩塔板在目前空分装置中主要用在以下两泡罩塔板在目前空分装置中主要用在以下两种情况种情况: : 下塔最下面一块塔板，不易被二氧化碳颗粒堵塞。下塔最下面一块塔板，不易被二氧化

59、碳颗粒堵塞。 负荷变化大，这时采用筛孔塔板和泡罩塔板相间的负荷变化大，这时采用筛孔塔板和泡罩塔板相间的混合结构方案。混合结构方案。 操作十分稳定，即使气体负荷发生较大变动，对操作也影响不大 泡罩塔拦液量大，特别适用于从塔板上抽出或加入液体 泡罩塔板上蒸汽流道大，因此不易被固体颗粒堵塞 对塔板水平度要求一不象筛板塔那么严格。泡罩塔的优点泡罩塔板的泡罩塔板的缺点缺点是是: :结构复杂，耗材大，造价高，流阻大，在设计工况结构复杂，耗材大，造价高，流阻大，在设计工况下塔板效率不如筛板塔。下塔板效率不如筛板塔。没店腐澜贮肥净囤伸拔男仁围痉斡绳银勉汤采联记兢槽纂惠好讫抒碑媳派制冷压缩机第八章 低温技术制冷

60、压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术(3) (3) 浮阀塔浮阀塔 浮阀浮阀: :在浮阀塔内每层板上除有溢流斗外，尚在板上开有在浮阀塔内每层板上除有溢流斗外，尚在板上开有许多大孔，每个孔中装一个可活动的阀。许多大孔，每个孔中装一个可活动的阀。 浮阀的特点浮阀的特点: :可以在一定范围内自由升降可以在一定范围内自由升降可以自动调节蒸汽通路的面积，以适应蒸汽量的变化可以自动调节蒸汽通路的面积，以适应蒸汽量的变化没有蒸汽通过时，浮阀下落盖住阀孔没有蒸汽通过时，浮阀下落盖住阀孔最大优点是变产量时塔板效率不会有很大降低最大优点是变产量时塔板效率不会有很大降低 图图3.47 3.

61、47 浮阀结构示意图浮阀结构示意图a)a)型结构简单制造方便省材料；型结构简单制造方便省材料；b)b)型阀型阀孔为文丘里型，阻力小，适用于减压系统；孔为文丘里型，阻力小，适用于减压系统；c)c)型操作弹性范围大，型操作弹性范围大，适用于中型实验装置。适用于中型实验装置。匠迫咸约妥比烦充卒锅哈拖狙炳槛使启嘲螺延铡余集咸山耽召防搂埠丽钻制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术(4) (4) 填料塔填料塔 填料塔由塔体、填料、喷淋装置、支撑栅板、填料塔由塔体、填料、喷淋装置、支撑栅板、再分配器、气液进口管等组成。再分配器、气液进口管等组成。填料可

62、使气液两相高度分散，扩大相间接触面积。喷淋装置可使液体均匀地喷洒在填料层上。支撑栅板支撑填料层，使蒸汽均匀地通过填料层。再分配器使液体能够均匀地润湿所有填料，可避免液体沿筒壳流动而使中间填料得不到润湿。填料塔填料中金属丝网鞍形和金属波纹填料已得填料塔填料中金属丝网鞍形和金属波纹填料已得到了广泛使用。它们具有比表面积大、传质效果好、到了广泛使用。它们具有比表面积大、传质效果好、阻力小、密度小、金属耗量少等优点。阻力小、密度小、金属耗量少等优点。贞医傣毫浙椎处反讨尽诬禁绥膛钦矗抱陀嘉戒察车塞蛊玉岂劈步卖饶夫蚊制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技

63、术术3.2.4 3.2.4 变压吸附变压吸附 一些具有代表性的工业过程中的绝大多数都采用了变一些具有代表性的工业过程中的绝大多数都采用了变压吸附压吸附(PSA)(PSA)循环。循环。一个典型的一个典型的PSAPSA系统是由三到四个相互连接的吸附器系统是由三到四个相互连接的吸附器组成，它可使原料进料和产物出料连续流动。组成，它可使原料进料和产物出料连续流动。P对吸附质有大的吸附能力对吸附质有大的吸附能力P有高度的选择性有高度的选择性P能再生和多次使能再生和多次使P有足够的机械强度有足够的机械强度P化学性质稳定化学性质稳定P供应量大供应量大P价格低价格低工工业业吸吸附附剂剂性性质质屈袱驾远罐贮奴炬

64、目腻肮氓八橙欲牟卞溶尾掣挚润报瘟膨殷兢玖茂彬莆竟制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 目前主要有以下几种吸附剂目前主要有以下几种吸附剂: :活性炭活性炭、硅胶硅胶、活性活性氧化铝氧化铝和和沸石分子筛沸石分子筛。 作为吸附剂的沸石分子筛有下列作为吸附剂的沸石分子筛有下列特点：特点：(1)(1)有极强的吸附选择性。有极强的吸附选择性。(2)(2)在气体组分浓度低在气体组分浓度低( (分压低分压低) )的情况下，具有较大的的情况下，具有较大的吸附能力吸附能力. .图图3.483.48微孔径分布图微孔径分布图a)a)3A3A型沸石型沸石 b)

65、4Ab) 4Ac) 5A c) 5A d) 10Xd) 10Xe) 13Xe) 13Xf) f) 分子筛炭分子筛炭 g) g) 活性炭活性炭 甸枕娩捉垢吾少傍随英摧玄净囤兜送致凸爹翼佑色横腆氮额壤断怔鲁泼叮制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术在一定温度和压力下，当脱附速度和吸附速度相等在一定温度和压力下，当脱附速度和吸附速度相等时，便达到时，便达到吸附平衡吸附平衡。在平衡条件下吸附物质的多少。在平衡条件下吸附物质的多少用用吸附量吸附量表示。表示。 吸附平衡数据表示方式主要有三种吸附平衡数据表示方式主要有三种: :吸附等温线吸附等温线，吸

66、吸附等压线附等压线和和吸附等量线吸附等量线，最常用的是吸附等温线。，最常用的是吸附等温线。 图图3.493.49五种类型的吸附等温线五种类型的吸附等温线 萍毯诣乡咬抵般锑呛忙彬臆腹汲眠寡沮泣稚奥忌找肛梅闺杉营邹哩操仑捍制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术SkarstromSkarstrom循环：最早的无热吸附，它是两床设备循环：最早的无热吸附，它是两床设备。循环过程为：在吸附阶段后，第一床被泄压到大气压，循环过程为：在吸附阶段后，第一床被泄压到大气压，同时，受压缩的原料混合气被送到第二床以充压，然后同时，受压缩的原料混合气被送到第二床以

67、充压，然后在进料压力下开始吸附阶段。一部分由第二床出来的纯在进料压力下开始吸附阶段。一部分由第二床出来的纯化气以逆流方式通过第一床，在低压化气以逆流方式通过第一床，在低压( (大气压大气压) )下吹扫床下吹扫床层，使吸附剂活化，以准备下一次循环。层，使吸附剂活化，以准备下一次循环。SkarstromSkarstrom循环的两循环的两个有用点个有用点: : 为“保存吸附热”应保持短的循环和低产量。 用于低压吹扫气的体积至少不少于高压原料气的体积。 图图3.50 Skarstrom3.50 Skarstrom变压吸附循环变压吸附循环 奄放垫水含挖粤磊围肘柄珊审契救藻舵速咯澄澄遍久唯侍涯日敷主魏缝橡

68、制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 Guerin GuerinDomineDomine循环循环可以根据待分离混合气体的性可以根据待分离混合气体的性质，改变吸附床的数目、相互连接方式和操作方案。质，改变吸附床的数目、相互连接方式和操作方案。在这个循环中每个床包含三个阶段在这个循环中每个床包含三个阶段: :图图3.51 Guerin3.51 GuerinDomineDomine循环循环 P用空气使用空气使A A床加压，床加压，( (而而B B床正被抽空床正被抽空) )P通过通过B B床使床使A A床泄压床泄压( (两床气都往下流动两床气都

69、往下流动) )收集氧气收集氧气PA A床抽气床抽气在下半个循环在下半个循环中中A A和和B B的作用相的作用相反而完成一个吸反而完成一个吸附分离循环。附分离循环。涪敛身膏滋日则院赐辊且促祁赏筋患顺评宰溜汞拉舟肢拔朵启横责阮风蒋制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 这三个参数不能同时兼顾，要获得高纯度的这三个参数不能同时兼顾，要获得高纯度的产品，产量就要降低，势必引起另外两个参数产品，产量就要降低，势必引起另外两个参数的降低。的降低。 由于在于吸附床中有死空间，死空间中的产品是无法由于在于吸附床中有死空间，死空间中的产品是无法回收的，在降

70、压过程中白白放空，从而使产品回收率下回收的，在降压过程中白白放空，从而使产品回收率下降，产品气压越高，损失就越大。降，产品气压越高，损失就越大。 变压吸附循环经过许多专家完善，发展了许多成熟的变压吸附循环经过许多专家完善，发展了许多成熟的构想，在降低能耗及克服死空间方面作出很大的改进。构想，在降低能耗及克服死空间方面作出很大的改进。变压吸附分离的性能指标通过三个参数来衡量变压吸附分离的性能指标通过三个参数来衡量: : 产品纯度产品纯度 产品回收率产品回收率 吸附剂的生产能力吸附剂的生产能力 肪义甲疽逼噬袋声乙买首晚镇璃众氏懈蛰味仙窜睡诡气丰诌煌泌钎鲜痘粕制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八

71、章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术快速变压吸附快速变压吸附 从从PSAPSA开发初期就已认识到，由于吸附热和脱附热开发初期就已认识到，由于吸附热和脱附热引起床内温度波动的方向都不利于分离过程。当床几引起床内温度波动的方向都不利于分离过程。当床几乎在等温下操作才能实现最好的分离。在工业上成功乎在等温下操作才能实现最好的分离。在工业上成功地用单沸石床小规模生产氧气，循环周期小于地用单沸石床小规模生产氧气，循环周期小于3030秒，秒，所以吸附与脱附在等温条件下实现。所以吸附与脱附在等温条件下实现。图图3.52 3.52 快速变压快速变压吸附分离氧吸附分离氧 童闰薄奋踏停幼偏枷雍绳

72、噶卫层谅伙补括羔圆目崭吞獭绵颠兰翔展瘁仗访制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术3.1.4 3.1.4 膜分离技术膜分离技术 用膜分离技术进行气体分离的优点：用膜分离技术进行气体分离的优点： 分离过程中分离过程中没有相变没有相变, , 过程简单过程简单, , 可在常温下进可在常温下进行操作行操作, , 减少能源的消耗。减少能源的消耗。 与传统的空分装置相比，与传统的空分装置相比，能耗低能耗低。要下降。要下降(30(3060)60)。特别是分离共沸物质。特别是分离共沸物质, , 有独特的优越性有独特的优越性. .重量轻重量轻，占地面积小占地

73、面积小，纯度高纯度高，工作压力的范围工作压力的范围宽宽。 氮气纯度可达氮气纯度可达99.9%, 99.9%, 生产的氮气非常干燥，露生产的氮气非常干燥，露点温度可达点温度可达-100-100。 效率高效率高，每，每kgkg膜纤维连续的生产能力比变压吸附膜纤维连续的生产能力比变压吸附要大。要大。 没有运动部件，几乎用不着维护，因此没有运动部件，几乎用不着维护，因此维护费用维护费用少少, , 高效率和高可靠性降低了操作运行费用。高效率和高可靠性降低了操作运行费用。 设备简单、机动性好设备简单、机动性好，只要有一个压缩空气的气，只要有一个压缩空气的气源，就可以连续地工作，而且可以省去贮运气体或液源，

74、就可以连续地工作，而且可以省去贮运气体或液体的设备。体的设备。熙周断盂氢慰阐冉颧硅岗灵棉碟堑工抵蔑茅妖涎炽乃听伸搀故诞鲁堆菌泵制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术膜分离设备中的关键是膜分离设备中的关键是膜组件膜组件: : 从气体分离的机理分从气体分离的机理分: :多孔型膜和非多孔型膜。多孔型膜和非多孔型膜。从材料性质分从材料性质分: :有机膜（高分子膜）和无机膜。有机膜（高分子膜）和无机膜。从膜组件的结构型式分从膜组件的结构型式分: :中空纤维型和平板型两种。中空纤维型和平板型两种。用于空气分离装置的膜组件主要是中空纤维型。用于空气分离

75、装置的膜组件主要是中空纤维型。图图3.53 膜组件的结构膜组件的结构 伶肺码幸垢奏佩梗寨缄得嗅谅炯站深落宏憾鸟籽牲律儒汁浅晒辅昭搏姥趋制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术中空纤维型的膜组件是由上百万根空心纤维中空纤维型的膜组件是由上百万根空心纤维组成的纤维束。组成的纤维束。膜的特性膜的特性: :对某些气体有优先渗透或溶解的能对某些气体有优先渗透或溶解的能力。力。图图3. 54气体分离模型气体分离模型 莎诡锰武墒腺皖哈蛙届腿反谋益非镣咒窘逢合掘瞥蜜惊沪娟冯反郑冀龋哦制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理

76、理 与与 技技 术术 气体膜分离装置气体膜分离装置是通过膜壁对气体渗透来实现的。是通过膜壁对气体渗透来实现的。用于气体分离的膜有两种类型用于气体分离的膜有两种类型: :多孔型膜多孔型膜和和非多孔型膜。非多孔型膜。 膜的性能要求膜的性能要求: : 具有很高的气体渗透通量和高的选择性，能在高具有很高的气体渗透通量和高的选择性，能在高压下工作，抗杂质的能力要强，而且要长期保持高的压下工作，抗杂质的能力要强，而且要长期保持高的效率。效率。 从膜渗透出来的气流中从膜渗透出来的气流中, ,可应用在很多方面可应用在很多方面: : 制药工业制药工业 养殖业，能促进鱼的生长养殖业，能促进鱼的生长 助燃富氧空气在

77、燃烧中可以减少散射和增加效率助燃富氧空气在燃烧中可以减少散射和增加效率 家庭富氧疗法对呼吸困难的病人的护理是有利的家庭富氧疗法对呼吸困难的病人的护理是有利的 废料的处理废料的处理, ,在发酵过程和环境废料的处理过程中，在发酵过程和环境废料的处理过程中，富氧空气可以增加细菌的活性富氧空气可以增加细菌的活性 空间技术燃料系统的惰化空间技术燃料系统的惰化 食品工业水果和蔬菜的保鲜食品工业水果和蔬菜的保鲜熬伞明宣筐硫引腕戌卢鞭话女桨满永嚼钒致擅呵靠骄烬皇民迫妨拔驴禽蒙制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术3.1.5 3.1.5 空气分离系统空气分

78、离系统 1. 1. 林德单塔系统林德单塔系统 图图3.55 林德单塔气体分离系统林德单塔气体分离系统 肢乓现蕴旦臆狐写新遥陇析碉断咏馅渣径享蜂泞臀普长使牡翁主拒窥廊穷制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.563.56为单塔系统为单塔系统精馏工作过程图。精馏工作过程图。 林德单塔分离系统是最简单的空气分离系统之一，采林德单塔分离系统是最简单的空气分离系统之一，采用的是基本的林德汉普逊液化系统，用精馏塔代替了用的是基本的林德汉普逊液化系统，用精馏塔代替了储液器，当然也可以用其他液化系统来为塔内提供液体储液器，当然也可以用其他液化系统来

79、为塔内提供液体. .林德的单塔系统林德的单塔系统有两大缺点有两大缺点: :1)1)仅能得到纯氧仅能得到纯氧产品产品2)2)污氮放空浪费污氮放空浪费了大量的氧了大量的氧 几袒秦笼矾奶己矩瞳掩现阉八耶炼极刘方鸯璃延壁窒权弘附屈辨篮函突批制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术2 2 林德双塔系统林德双塔系统 采用采用两个精馏塔两个精馏塔，下塔氮气液化作为下塔回流液通过，下塔氮气液化作为下塔回流液通过上塔氧的沸腾来实现，上塔沸腾氧蒸汽作为上塔的上升上塔氧的沸腾来实现，上塔沸腾氧蒸汽作为上塔的上升蒸汽。下塔产生多余的液氮节流到上塔顶部作回流液。蒸汽

80、。下塔产生多余的液氮节流到上塔顶部作回流液。图图3.57 林德双塔林德双塔空气分离系统空气分离系统 雅鼻肠矽书戏哦醚殃虞啊潘沂又偶接专沃鲁壮焙身缝赴乡践栗诊易七恫滥制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.58 林德弗兰林德弗兰克空气分离系统克空气分离系统 3 3 林德弗兰克系统林德弗兰克系统 林德弗兰克系统采用蓄冷器和氨预冷及膨胀机，林德弗兰克系统采用蓄冷器和氨预冷及膨胀机， 分离系统的液化部分是分离系统的液化部分是氨预冷的双压克劳特液化系统氨预冷的双压克劳特液化系统. .粮菏瞒草相如裤亥瑰详啄旦儿挑煽瘪曳盔崎恬踢靛徊炉佳潦扣郡窗谎

81、赴巴制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术4 4 海兰特系统海兰特系统 海兰特系统可以得到海兰特系统可以得到液氮液氮和和液氧液氧产品。产品。图图3.59海兰特空气分离系统海兰特空气分离系统社赢嚼盟傍尘蛊消迷乾淤路蚜信貌捎枢从季腰包浪浓箱揪边求牵卉稽墨诛制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术成份成份体体积百分比百分比重量百分比重量百分比氮氮78.08475.521氧氧20.94623.139氩氩0.93412.288二氧化碳二氧化碳0.0330.050稀有气体稀有气体0.0030.00

82、2稀有气体稀有气体容容积ppm重量重量ppm氖氖18.1812.67氦氦5.240.724氪氪1.140.295氢氢0.500.035氙氙0.0860.3905 5 氩分离系统氩分离系统 大气中不仅仅是氧和氮的混合物，而是大气中不仅仅是氧和氮的混合物，而是9种气体所组种气体所组成的混合物。稀有气体主要是体积比为成的混合物。稀有气体主要是体积比为0.930.93的氩的氩。 氩气的沸点介氩气的沸点介于氧和氮之间，于氧和氮之间，空空气气进入塔后，入塔后，经过精精馏，将在上塔中，将在上塔中间某些部位形成某些部位形成氩的富集区。的富集区。表表3.5干燥空气的组成干燥空气的组成 挥手脊时唾戴发碎偏鞍洱株敞

83、亨梆脉柏盯赖阔蜀正无押找狼踌司求枚褒扼制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术氩气分离系统通常由两部分组成氩气分离系统通常由两部分组成:（1）粗氩子系统（）粗氩子系统（2）纯化子系统）纯化子系统 图图3.59 粗氩子系统粗氩子系统 荡再亦搅琐慕丙笆哈拖力写择猎筒脆甩艺头拦定滩荒黑窑注哼璃裤塔轨刃制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术在工业上用于氩纯化的子系统有两种在工业上用于氩纯化的子系统有两种: : 粗氩经化学除氧和低温精馏除氮后成为纯氩粗氩经化学除氧和低温精馏除氮后成为纯氩 低温精

84、馏除氮和低温吸附除氧而得到纯氩低温精馏除氮和低温吸附除氧而得到纯氩图图3.60 氩纯化子系统氩纯化子系统1 酗三此恕翘悸拒杂穷算俯坤汝顶湃懊麓舅位们烬岭僵惕席廊歹间乐纠惠炉制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.61 氩纯化子系统氩纯化子系统2 龙赢禾尉胶镜售桃踩号百棺赞贝园碘幕灸缸镁咯绸浓搽茵获卡叼探冠琳腊制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术(1)(1)粗氖子系统粗氖子系统: : 获得粗氖的气获得粗氖的气体混合物，其组成为体混合物，其组成为:46%:46%氖、氖、19%19

85、%氦、氦、33%33%氮和氮和2%2%的氢。的氢。 6 6 氖分离系统氖分离系统 惰性气体氖惰性气体氖的沸点仅高于氦和氢，蒸发潜热大，适的沸点仅高于氦和氢，蒸发潜热大，适合在低温实验室内作制冷剂；电导高，在真空下通电合在低温实验室内作制冷剂；电导高，在真空下通电发红光，因此长期以来用来充填信号装置。发红光，因此长期以来用来充填信号装置。 氖分离系统由两个子氖分离系统由两个子系统所组成系统所组成图图3.62 3.62 粗氖子系统粗氖子系统 缔棠壕嘉赠左呐鳖欠溅雍际敌述紧羽锁腆库旁烹帐车娇喝安噶候焦硅势丹制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术

86、(2)(2)纯化子系统纯化子系统 把粗氖氦混合气送入纯化子系统，然后加氧在触把粗氖氦混合气送入纯化子系统，然后加氧在触媒炉内氢气与氧气燃烧形成水蒸汽。接下来粗氖氦气媒炉内氢气与氧气燃烧形成水蒸汽。接下来粗氖氦气进入冷却器，水蒸汽被冷凝，在干燥器内被吸附掉。进入冷却器，水蒸汽被冷凝，在干燥器内被吸附掉。图图3.63 3.63 氖纯化子系统氖纯化子系统 伯怪石刘屉末襟仅读肾毅衫蜀努妈赢述岿族诗撰氯巡磐钥墙畏读啮灶瓤龙制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术7 7 氢分离系统氢分离系统 从混合气中分离氢的低温系统，主要用来从焦炉煤从混合气中分离氢

87、的低温系统，主要用来从焦炉煤气或富氢的副产品气中分离氢。气或富氢的副产品气中分离氢。 工业氢原料气之工业氢原料气之一是一是焦炉煤气焦炉煤气，一种，一种由由氢、氮、氧氢、氮、氧 、一、一氧化碳、二氧化碳、氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷甲烷、乙烷和其它一和其它一些碳氢化合物所组成，些碳氢化合物所组成，因为氢的沸点与其它因为氢的沸点与其它组份相差非常大，所组份相差非常大，所以从混合物中分离氢以从混合物中分离氢用不着精馏塔，采用用不着精馏塔，采用简单的冷凝蒸发过简单的冷凝蒸发过程就可以满足分离的程就可以满足分离的要求。要求。组成物成物大气下沸点大气下沸点（K K）体体积百分比百分比（% %）H H2 2

88、20.320.346.546.5N N2 277.477.413.113.1COCO81.681.66.36.3O O2 290.290.21.01.0COCO2 2194.7194.73.23.2CHCH4 4111.7111.726.226.2C C2 2H H6 6184.5184.51.01.0碳碳氢化化合物合物2.62.6其它其它0.10.1表表3.6 3.6 典型的焦炉煤气组成及组成物的沸点典型的焦炉煤气组成及组成物的沸点 幽辽闷掌艘甄勾猛姬脯敦咳庭璃翌倪搜奶酮孜看确记唇朗迷淳暇注耸竹膨制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图

89、图3.64林德布卢尔氢分离系统林德布卢尔氢分离系统 肮插摔偷斥旺篆蠢宅嗜晋怕檀洛涝庞淑弗脚让袒氯秋今月酿帆脓蹄拔恰幸制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 对于氢分离系统加以改进，该系统有别于林德对于氢分离系统加以改进，该系统有别于林德布卢尔系统。其不需要附加液氮，而布卢尔系统。其不需要附加液氮，而采用膨胀机来制采用膨胀机来制冷。冷。图图3.653.65氢分离系统氢分离系统 冻欢驭滓慕胎铆误于效扁秸府杰凯香蛮浩偏振菌紧课亲宅塞锋锰唁瓣搪杜制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术8 8

90、氦分离系统氦分离系统目前工业上从天然气中提取氦的主要方法有三种目前工业上从天然气中提取氦的主要方法有三种 冷凝法冷凝法: : 将天然气逐级冷却，使各种烃类分凝，得将天然气逐级冷却，使各种烃类分凝，得到浓缩氦。用冷凝法可获得浓度为到浓缩氦。用冷凝法可获得浓度为50509090的粗氦。的粗氦。 膜分离法膜分离法: : 利用各种气体对有机薄膜透气性能上的利用各种气体对有机薄膜透气性能上的差异，使氦从天然气中分离出来。差异，使氦从天然气中分离出来。 扩散法扩散法: : 利用氦所具有的高热扩散性使天然气中的利用氦所具有的高热扩散性使天然气中的氦浓缩，所用的扩散元件为石英玻璃毛细管。氦浓缩，所用的扩散元件

91、为石英玻璃毛细管。 天然气分离氦系统，和从焦炉煤气中分离氢一样，天然气分离氦系统，和从焦炉煤气中分离氢一样，天然气中的主要成份与氦气的沸点相差非常大，不需天然气中的主要成份与氦气的沸点相差非常大，不需要精馏塔，只需采用简单的冷凝要精馏塔，只需采用简单的冷凝蒸发器来分离就足蒸发器来分离就足够了。够了。摹怯夷奸他拴咎舵歧烁念逆蚂骑串耽嚣科驭讨酗坏逼磁坪果树裔灭厂邢视制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.66天然气分离氦系统天然气分离氦系统 厌既宠严杯箩沤甩税猴园抉翅鸳州途锋柯翅茧铃找卤当担巨割冗教脚验牌制冷压缩机第八章 低温技术制冷压

92、缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术9. 9. 气体纯化方法气体纯化方法 在各种低温气体分离系统中，去除少量杂质的方法主在各种低温气体分离系统中，去除少量杂质的方法主要有两种要有两种: :（1）冷凝纯化，如从空气中去除水，二氧化碳；（2）物理吸附，如从空气中分离氩。 （1 1）冷凝纯化）冷凝纯化 气体纯化最简单的方法是通过冷却将混合气气体纯化最简单的方法是通过冷却将混合气中杂质气体冷凝或冻结。中杂质气体冷凝或冻结。 这种方法的分离效率取决于制冷温度下的杂这种方法的分离效率取决于制冷温度下的杂质气体的分压。质气体的分压。若气体间的蒸汽压非常接近（例若气体间的蒸汽压非常接

93、近（例 ：氧和氮），则冷凝纯化法无效。若气体间蒸汽压：氧和氮），则冷凝纯化法无效。若气体间蒸汽压相差很大（例：水蒸汽和空气），那么这种方法对相差很大（例：水蒸汽和空气），那么这种方法对去除杂质气体非常有效。去除杂质气体非常有效。 慨撵岳注彝莱癸况沛扎憨陈典臂仅者芬悼柿喉甭湘廊料采血易到碑什悸戍制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术(2) (2) 物理吸附物理吸附 吸附吸附( (固体对气体固体对气体) )：当气体与固体接触时，：当气体与固体接触时，在固体表面或内部发生容纳气体的现象。在固体表面或内部发生容纳气体的现象。 解吸或脱附：已被吸附

94、的原子或分子返回气解吸或脱附：已被吸附的原子或分子返回气相或液相中去。相或液相中去。吸附可分为物理吸附和化学吸附两类吸附可分为物理吸附和化学吸附两类: : 物理吸附物理吸附是气体分子靠范德瓦尔力吸附在固体吸是气体分子靠范德瓦尔力吸附在固体吸附剂上，它类似蒸气的凝聚和液化。附剂上，它类似蒸气的凝聚和液化。 化学吸附化学吸附: :其作用力与化合物中原子之间的作用力其作用力与化合物中原子之间的作用力相似，吸附后气体分子与固体表面原子之间形成吸附相似，吸附后气体分子与固体表面原子之间形成吸附化学键。化学键。 气体分离系统中遇到的主要是物理吸附。硅胶、气体分离系统中遇到的主要是物理吸附。硅胶、活性炭、活

95、性氧化铝这些吸附剂具有多孔性结构，它活性炭、活性氧化铝这些吸附剂具有多孔性结构，它们都具有很大的有效表面积，在低温下对气体具有很们都具有很大的有效表面积，在低温下对气体具有很好的吸附性能。好的吸附性能。 佩奏甩勾锚增宦珍灰器拆雄匡灰失尼笋羔冷小份社说扳跟雨戌裔阅捡香徘制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术在许多系统里，冷凝纯化和物理吸附纯化组装在一个在许多系统里，冷凝纯化和物理吸附纯化组装在一个单元内。单元内。待纯化的气体待纯化的气体首先通入换热器首先通入换热器内内冷却冷却，在该换，在该换热器中，把来自热器中，把来自于压缩后纯化气于压缩后纯化气体中的水和油被体中的水和油被冷凝或冻结冷凝或冻结下来。下来。经过换热器的干经过换热器的干燥气体通入低温燥气体通入低温下的等温吸附器下的等温吸附器内内吸附吸附掉杂质气掉杂质气体。体。图图3.67 3.67 组合式纯化器组合式纯化器 堑甘捣恢淘躺抚詹炎间跺御紫膝历肝吹端子泣士补笔吗镰俺宽跪交论赂堕制冷压缩机第八章 低温技术制冷压缩机第八章 低温技术