低温原理讲课教案

低温原理讲课教案第一章 低温工程的性质通常指的工质为低温工质与制冷工质的不同：1、即可作为制冷工质，又可作为原料、产品。 2、可以是相变制冷，可能是单相制冷。 3、单靠加压不能液化。低温与普冷的区别：1、可能是闭式循环，也可能是开式循环。 2、高低温热源温差较大，须采用回热系统。以120K为界以下：（1）烃类：烷、烯、炔 约120K（）石油气（戊，已烷）， 天然气（甲烷） （2）空分成分： 约80K（3）超低温： H2, 20K, He, 4.2K1-1 低温工程的种类120K级的低温：天然气（广义）的液化分离-石化行业80K级的低温： 空气的液化分离 -制氧行业20K级以下的低温：氢气的液化，氦的液化。低温工程的性质：（1）甲烷，天然气的主要成分：（5）氖 来自空气， 灯炮气（6）氢 来自煤、天然气，燃料（7）氦 来自合成氨尾气、天然气制冷剂所指的低温技术：（1） 获得纯净的低温介质（分离技术）（2） 获得低温液态工质 （液化技术）（3） 利用低温工质获得所需的低温温度（低温制冷技术）（4） 利用低温制冷获得高真空（低温泵）（5） 低温工质的储藏与运输（6） 低温绝热技术。1-2 空气及其组成气体的性质空气=干空气+水蒸气干空气： 78% 21% 1% 二元：N2 + O2三元：N2 + O2 + Ar 可写作理想气体对待，M=28.97， 在相平衡（汽/液）情况下： 液体中，N2：59% O2：40% ：1%（1）：安全，无味无毒，保护气体，是极好的冷源介质，保存生命（生物），预冷和保护层（）（2）：助燃，促进动植物生命新陈代谢，很活泼。 易于爆炸，在空分装置，输氧管道，。是无色，炼钢助燃，火箭发动机，焊接，切割。（制氧机的名字来源）（3），隋性气体（不氧化），作为保护气体或切灯泡气，空气含量大。（4）：很好的制冷剂，安全可靠（）所谓的空分：就是从空气中提取N2、O2、Ar以及Ne 。主要是低温分离，此外还有常温分离方法：分子筛变压吸附（SPA）， 膜分离等。1-3 氢的性质（1）性质最为复杂的低温工质有三个同位素 H D T。H：0个中子，1个质子；D：1个中子，1个质子氢是，而HD仅占0.0260.032%的比例。的密度最小，最大，最小、最小，扩散能力很强，可以渗透金属 。：a、制冷工质 b、洁净燃料 c、重氢的原料 不易处理，易燃易炸，易泄漏。（2）正氢与仲氢 Ortha-Hydrogen 正氢，Para-Hydrogen 仲氢，平衡氢( e- ) = 正常氢（标准氢）(n- ) = 75%（OP）正仲转化，放热反应，汽态时要催化。转化热 汽化潜热，液态时可自动转化，但很慢。的储存：由于转化热放出，易于汽化，故生产时加催化剂。促使Op转化。（ne的放热，和nP的放热）所以的性质有多种正常氢（），平衡氢（），仲氢（）同位素有正常氘（），。14 氦的性质氦有两种同位素主要是天然气中提取通常指的氦为，同为含量很少。氦是最难液化的气体，很长时间被认为是永久气体。氦有两个三相点，在25bar以下得不到固体，但存在一个高阶的液态相变：叫做超液氦，中间的线叫入线。 入转变点约2.17K，“”显示了Cp的变化关系突变，无气化潜热特性：（1）超流性“爬膜”、“喷泉” （2）超导热性。当时， 的混合物存在。， 越高。超导特性是固体导电特性（电阻为0，抗磁性=）超导与超流均为量子特性。phonon声子 photon光子 quantum量子。第二章 获得低温的方法2-1 获得低温方法有物理法（1）相变制冷（液体气化，固体融化，固体升华，液体抽气）(2)压缩气体绝热节流 （3）等熵膨胀 （4）辐射制冷 （5）涡流制冷 （6）热电制冷，（7）吸收制冷 吸附制冷。2-2 绝热节流低温制冷装置中，主要是绝热节流和等熵膨胀（主动）什么是节流过程： 理想气体 焦一汤效应，节流后的温度变化效应（实际气体）微分节流效应 理想气体积分节流效应 取决于节流前的气体状态。三种情况内在机理，节流后，但d(pv)不定， 也不确定。转化温度与转化曲线 根据微分节流效应 关系，可以求出时的状态此时为转化温度实践证明，当节流前如果是，则节流后产生制冷效果。通常必须以后节流才能制冷积分节流效应的计算（1）图上表示（2），为平均微分节流效应等温节流的效应节流后升温至节流前温度所需热量微分节流效应， 积分节流效应 等温节流效应 2-3 气体等熵膨胀通过膨胀机实现，对外做功微分等熵效应 已知 则故总是具有冷效应对外作功的内位能的增加，都是通过消耗内动能而产生的，因此理想气体膨胀前后温差 T1为初温，为膨胀比制冷量计算 等温节流效应 膨胀输出功要提高膨胀前后温差：（1）增加初温 （2）增加膨胀比膨胀机效率等熵效率，实际焓降与理论焓降之比绝热节流与等熵膨胀比较温度效应和制冷量均是等熵膨胀高第三章 气体液化循环3-1 概述1、制冷的目的：（1） 低温气体液化，必须降温至以下，需要制冷降温（2） 维持低温系统所需制冷以补偿冷损（3） 如产生低温液体，补偿带走的的冷量不同于为获取冷量的制冷目的2、 气体液化理论最小功获得低温实现热量从低高的转移，必须投入能量。理想过程：等温压缩+等熵膨胀理想最小功 按即为循环包围的面积理想最小功是全面可逆循环的过程组成循环，如果有不可逆过程则系统，与（环境温度）的乘积，即是不可逆所致3、液化循环指标有理论最小功单位能耗（获得1kg液态气体所消耗的功）W为1kg气体耗功 Z为1kg气体的液体量制冷系数，制冷量与耗功之比（单位耗功的制冷量）1kg气体产生的液化冷量 循环效率又称热力不完善度，为实际循环制冷系数与理论循环系数之比。也是理论最小功与实际耗功之比。3-2 空气 氧 氮的节流液化循环性质接近、循环相似，主要来自空气。低温液化循环：（1） 节流液化循环：利用节流装置，获得等温节流效应（2） 带膨胀机的液化循环：利用膨胀机获取大的等熵膨胀制冷量（3） 带气体制冷机的液化循环：利用其它的低沸点工质的气体制冷效应来液化。（4） 复叠式液化循环：利用不同沸点工质逐级冷却最终液化 （1）+（2）是自身制冷，最常见，特别是由于节流装置结构简单、可靠，使用方便，但不可逆，制冷量小。一、一次节流液化循环是最早的液化循环，被德国的林德所采用，故命名林德循环。1、理想循环等温压缩 等压冷却 节流膨胀 液化 等压复热起动过程：节流过程逐渐降温，直至到达稳定状态液化量：1kg空气， 单位冷量 由于一定（状态参数）要想获得较多液化量，等流节流效应要大，是压力的函数（环境温度一定时）实际上是 转化曲线上要一定，一定，则等熵压缩的最佳压力应在等温线与转化线的交点2、实际循环不可逆因素：a、 压缩机过程不可逆，用来反映b、 换热器又温差，不完全换热，c、 跑冷（装置大小、绝热条件等）实际液化量 单位（加工空气）制冷量为 适当升高，升高，高压气体T下降，对提高有利。二、有预冷的一次节流液化循环降低高压气体温度，减小换热器的温差三、二次节流液化循环提高 循环气体高压气体节流 进高压压机 中压节流 进低压压机 液体3-3等膨胀机的空气液化循环一、克劳特循环根据系统能量守恒的关系，并考虑跑冷损失，不完全热交换损失则有膨胀机的非等熵过程，定为膨胀机等熵效率则 等温节流效应 膨胀制冷量耗功为影响因素：冷量过剩？冷量过剩？过分高，冷量不能被高压气所用。换热器温度曲线（第）关系曲线高压空气比热变化大，而低压基本不变正流体，返流气任意截面，截面上流体温度流量之比，热端温差一定，规定，从而画出上述虚线，则从而确定 及二、海兰德循环高压常温膨胀，增加绝热焓降可预冷，增加适用于小型液态装置。三、卡皮查循环低压低温膨胀，液体节流流程简单，能耗小，投资低，适用于大中型空分。3-4 氦液化循环临界点低，为5.2K，也低4.6K，7K以下节流才会产生液体故必须预冷+节流，或膨胀对外输出功+节流。一、节流液化循环（1）预冷， 用二、带膨胀机液化循环（1）预冷+TE（2）预冷 + 2TE（柯林斯循环）根据最小功设计各级TE的参数保证每级的EX正常工作。三、其它型式的He液化循环1、 双压2、 双级膨胀，两级节流3、 附加制冷循环第四章 溶液热力学基础4-1 概述一、溶液：两种级以上物质组成的均匀，稳定的液体，可以蒸发和凝固。组成：（1）两种液体混合（2）固体溶解于液体（3）气体溶解于液体二、成分：各组成物质的比分（1）质量成分：，第组分在溶液中的质量分数。（2）摩尔成分：，第i组分在溶液中的摩尔分数如第i组分的摩尔数为则也为三、溶解度溶质在溶剂中可溶解的最大量，是T，的函数。但，完全溶液的溶解度为0100%不完全溶液的溶解度为0%四、溶解热，溶解通常伴着热效应吸热或放热反应。吸热为正，4-2 溶液的基本定律一、理想溶液及拉乌尔定律理想溶液与各组成的性质接近，分子作用力同纯物质，无溶解热。（1）拉乌尔定律：蒸气混合物中某一组分的分压，等于该纯净物质同一状态下的饱和蒸汽压与该组分在溶液中的摩尔成分的乘积。 适用于理想溶液实际溶液可能有出入二、康诺瓦罗夫定律理想溶液中液相中和气相中的成分是不同的由拉乌尔定律 （溶液）由道尔顿定律 则 如果饱和蒸气压则4-3 溶液相平衡条件一、相：凝聚态内部均匀的部分 通过相的界面进行物质的转移称为相变二、相平衡（溶液）在等温（T=C）、等压(p=C)的条件下，相平衡的条件是同一成份在不同相内的化学势相等。某个组分，在多相平衡系统中的条件是 个式子三、吉布斯相律按相平衡系统的自由度（可变条件）与组分数及相数间的关系。分析知：独立变量（自由度）= 相数 成份数 状态参数（p，T）相关关系式个数 =个式子，使其相关所以独立变量如水水蒸汽平衡 盐水盐水蒸气平衡 空气中， 4-4 二元溶液的相平衡一、气液相平衡 有图，图，图由康诺瓦罗夫定律知：不同在Tx图上可看出x的浓度时，露点温度和饱点温度在之间压力越高，气液浓度差越小，越难以分离。在p一定期时，按图指出图，反映过程热量的进出特点：（1）两条饱和线不相交，在处反映了A和B的气化潜热（2）两相区的等温线由垂直到倾斜又到垂直的变化。（3）压力变化升高时，饱和线上移。4-5多种分气体的相平衡一、逸度与活度的概念考虑实际气体与理想气体，实际溶液与理想深液的不同，同时不使方程复杂化。逸度代替压力 ，拉乌尔定律 逸度系数 ，考虑其偏差活度代替浓度 类似道尔顿分压定律活度系数 则 气相中，理想系中， 液相中二、气液平衡系的分类1、2、理想系 气相和液相均为理想溶液 （服从拉乌尔定律）（逸度规律）3、非理想系 有一相为非理想溶液，用活度系数考虑其修正。，三、气液相平衡表示相平衡常数 平衡时，气液中，T，p，g，均相同，则（1），露点方程 已知，假定 则（2），泡点方程 已知4-6 溶液基本热力（工作）过程一、混合 总质量守恒：总能量守恒：溶质质量守恒：二、蒸发与冷凝蒸发：质量守恒： 溶质质量守恒： 气化量效，杠杆规则在p一定时，图（1） 蒸发起始温度与终止温度不同（2） 液相气相中成分变化连续凝结的过程按相反方向进行。三、节流前后：节流前，状态为过冷液体节流后，状态为湿蒸气通过温蒸汽的线上，可以确定气化率，节流前过冷度越大，节流后气化率越小。四、吸收气体溶于溶液之中叫吸收（气体溶于固体中叫吸附）溶液的温度低于蒸气温度导致蒸气液化冷凝溶液的饱和蒸气压低于蒸气压力导致蒸气液化吸收类似于一股蒸气与一股溶液的简单混合所以溶液对蒸气最大吸收使得溶液达到饱和气体溶液 1点的溶液+d点的蒸气2点的饱和溶液 （） （） （）线上的线表示吸收的蒸气量比例吸收每kg蒸气所需溶液量即 可见过冷度越大，所需溶液量越少，吸收蒸气量越大。如果吸收过程有热量排出，则吸收量增加：如，排热过程为根据能量守恒关系，则：第五章 气体的精馏原理与设备气体混合物的分离：空气，天然气，焦炉气气体的分离与气体的液化相关，低温分离是主要手段。气体分离方法：（1）精馏，多次的蒸发与冷凝，适用于沸点相近物质 （2）分凝，部分蒸发与冷凝，适用于沸点较远物质。 （3）吸收（4）吸附（5）薄膜渗透法-常温法以下以空气为例5-1空气组成及其主要成分间的气液平衡表3-2：O2: 20.95%, 90.188K, N2:78.084%, 77.36K,Ar: 0.93%, 87.29K, 其它二元气液平衡：近似认为：气体为理想气体，液体为理想溶液 （道尔顿） （拉乌尔） 且 则相平衡图：图，p为参变量，浓度 图，p为参变量，浓度图，以为坐标，p为参变量，浓度，x，y分开作图。三元系气液平衡 三个自由度 加一个浓度平衡图：（压力一定）5-2 空气的精馏以二元组成为例在高压下进行。一、液空部分蒸发与空气部分冷凝蒸气不断引出后，液相中的氧浓度不断增加，最后获得高浓度，但量很少。空气凝结后不断把凝液取走，剩余蒸气中的浓度增加，最后获得高浓度的气。二、空气精馏（多次蒸发+多次冷凝）部分蒸发使得液体量越来越少，必须补充液体才能连续进行，获得纯，而部分冷凝气体量越来越少，必须补充气体才能连续进行获得把部分蒸发与部分冷凝连结起来。三、精馏塔筛板塔：高温的气体穿过低温的液体层，热质交换填料塔：气体与液体连续双向热质交换，大量交换面积。单级塔：高纯氮制取，高纯氧制取。双级塔：由两上单级塔叠加而成。下塔提，上塔提塔板数越多，精馏效果越高，阻力损失越大。提馏段越高，纯度越高；精馏段越高，纯度越高。气液比，之比，液体量越大，纯度越高； 气体量越大，纯度越高。制冷：系统维持低温需补充冷量，由膨胀机提供，在全低压系统中，膨胀后的气体压力，无法再进下塔，直接送入上塔（20%左右）拉赫曼原理：上塔精馏所需气液比应小些，即气体量可以更大些，精馏效果更好。要制取高纯氮，需除去Ar等其它成分（污氮排出），增加辅塔。5-3 精馏过程计算一、塔板上工作过程得， 汽液比二、理想塔板数确定，（以理想过程，筛板塔为例）实际过程在理想塔板数基础上乘以系数，包括填料塔计算假定，上升气量下降回流液量分别保持不变即在塔中以下塔为例：，如果进塔空气是饱和状态，是则在任意的断面上，则有则 操作线方程上塔中以液空进料口为界，以上为精馏段，以下为提馏段，分别建立物料平衡关系式，由于两段的汽液比不同，故其操作线斜率不同。对理论塔板数的影响：上塔中，塔顶出口氮，塔底出氧的浓度一定。中部液空进料浓度一定。精馏段汽液比小，塔板数愈多处，最小汽液比最大气液比5-4 精馏塔塔板效率由于假定：气液达相平衡，压力沿塔高不变，无混合热，与相等。与实际存在差异，致使实际的分离效率低于理论值。一、塔板效率的定义（1） 全塔效率：理论塔板数与实际塔板数之比，（2） 板效率：某个塔板上实际浓度变化与理论浓度变化之比。 （3） 点效率：塔板上某点处实际浓度变化与理论浓度变化之比。同板上的板效率为各点效率的积分均值。全塔效率由各板效率计算出实际浓度变化后达到所需塔板数塔板数之比。二、塔效率：可以由分析计算和经验方法给出。第六章 空气的净化6-1 概述大气原料中有杂质，在液化与分离之前必须先除掉，固体颗粒、水蒸气、二氧化碳及碳氢化合物等，到低温形成为固体，形成阻塞，乃至暴炸危险。6-2 空气的干燥空气中含水量与温度和其相对湿度有关，见表11-4多种表示方法： TD， PPM， j(%)一、 化学法：碱+水碱与结晶水 如：二、 吸附法：硅胶、分子筛等吸附能力与有关，与有关，还与空气速度、层高度有关吸附能力减弱吸附与解吸：a、加温解吸（400500），b、降压解吸（常压或真空）或采用变压吸附微热再生技术，延长分子筛寿命。三、 冻结法：氨液冷冻，蓄冷器冷冻。6-3 的清除一、在空气中含量，约为0.030.04%清除：化学法 吸咐法 冷冻法（1） 化学法：碱洗，（2） 分子筛吸附：入冷箱之前，多采用变压吸附，双塔切换。（3） 冷冻法：主换热器中，空气与污切换（可逆式）二、的清除在空气中含量为：0.0011ppm（1） 低温硅胶吸附低温吸附：液空吸附器：节流阀之前 液氧吸附器：液氧回路上 a、自循环 b、动力循环（2） 常温分子筛吸附常温吸附：同一起吸附，进冷箱之前。第七章 空气的分离第一节 概述1、空气的分离的实用意义 空分装置：制氧机、制氮机及氩气等。大用户：炼钢：氧气为助燃剂化工：合成氨中：原料，为氧化剂 酸、醇、醛：作为原料 玻 璃：保护气航天：助燃推进，压送剂其它：作为冷源，是生产的副产品作为保护气：窒气、防氧化、防腐蚀、干燥气。Ar：保护气，焊接中2、低温分离：液化+精馏 常温分离：吸附法：固体对气体的吸附 薄膜渗透法：特点：低温分离投入大，设备复杂，可获得任意纯度的产品。常温分离特别是吸附分离，设备简单，但纯度不高，近几年发展很快。面临的工业：（1）气体工业：生产各类工业及生活用气 如 Ar 从空气中提烷、烯、炔，主要是 从天然气中提以液态形式越来越多，便于储运。 LAir、 BOC Praxair APCI 酸素 岩谷 Messer Linde （2）设备制造业：生产能分离气体的各种设备 （含储、运设备）空分设备（制氧机），液化器（将气体再液化），储运设备Linde LAir 神钢 日立 APCI第二节 空气装置工艺流程取决于：产品类型：单高产品（纯氧、纯氧），双高产品（纯氧和纯氮） 产量以Nm3/h为单位，目前：5072000Nm3/h型号：KF或K，Z为中压，D为低压区别：（1）产品类型：产量等，单级或双级。（2）压力类型：高、中、低（3）净化方式：分子筛、切换式。（4）换热器：线管式（高压），板翅片（中低压），管式（5）增压与否：来流或回流气膨胀，气体轴承或油轴承。（6）内压缩否：（液氧泵工作）（7）填料塔或筛板塔精馏（8）配氩塔与否图：生产N2的单高塔，生产O2的单高塔，同时生产N2和O2的双高塔，塔中必须有回流液、上升气保证精馏过程，加上辅助换热和膨胀设备则有了图12-3（P26）塔改变之后与图12-1相同（P24），这里以作为产品输出。(1) 分子筛纯化器，自动切换。(2) 过冷器作用，液空、液氧(3) 返流气膨胀、压力低(4) 液氧泵：出口147at，无需氧压机，如泵不工作可得低压，此时高压氧换热器不工作。小型制氧机：以前高压多，现为中低压13at一、图12-3的小型制氮机（1） 中低压10.3at时，8.83at出（2） 气、液产品同时（3） 返流气膨胀（4） 分子筛净化图12-6 日本小型制氮机实例与图12-3的区别：（1）连续排富氧液空，增加了辅助蒸发器强制汽化，防止浓缩（2）产品经过了两级换热器二、 带中压制冷机的低压制氧机即要产氧气，又要产，当产量高时，需要冷量大。附加制冷机投入更多的冷量。（1）污氮中压循环制冷系统污氮复热压缩至中压级预冷氟里昂制冷换热器级中压膨胀（返流）下塔中抽污氮膨胀进上塔；一部分污氮气复热氮水预冷器布置了多个热交换器，提高循环效率： 液空过冷器（17） 液氧过冷器（18） 液氮过冷器（12） 污液氮过冷器（12） 下塔上塔 高压氮液化器（9） 氧液化器（10） 低压氮液化器（11） 离开塔之前冷量回收另： 液氧吸附器（15） 液氧吸附器（16） 过滤器（8） 切换冻结式换热器（2）空气中压循环制冷系统 Fig12-9空气复热压缩预冷氟里昂制冷换热器膨胀（返流）下塔 膨胀机上塔图中虽未画出过冷器、液化器、吸附器等，但也存在，由于采用低压+中压制冷，调节性能好。（3）附加液化循环 生产（既是制冷工质，又是液化介质） 生产（既是制冷工质，液化介质）在原生产装置上附加上述方案可以制取 or 。制冷工质也可用污氮气、空气等。图三、用分子筛净化空气的大型空分装置（1）LAir 加工空气：96639 约10万 实际91100：19780 约2万：30370 约3万：750 特点：纯氮气膨胀（来自下塔进换热器）液氧自循环、清除CH化合物（含）液氧过冷器，液氮过冷器，热虹吸蒸发器（2）LAir 加工空气：198000 0.629MPa：40000 8.55 MPa中压：8000 0.561 MPa高压： 90800 + 11600（返回）（2.663MPa） （3.63 MPa增压后）（二级后7.0 MPa）特点：纯氮膨胀（来自下塔+级氮压缩+风机增压）膨胀机气体回换热器 液体进上塔顶部（少量）带粗氩塔液空过冷，污液氮过冷液氧泵上塔不提纯氮主冷分别用纯氮和污氮气冷凝图第三节 工艺流程制冷系统的组织工艺流程：制冷系统、精馏系统、换热系统辅助以：空分净化系统、加温、防爆、仪控一、制冷系统目的：（1）创建低温 气体液体分离 （2）维持低温：与吸传热温差不可逆，传质分离的建立，跑冷损失，生产液态产品。如果完全生产气态产品，无不可逆损失，正常运转无需附加冷量。方法：通过节流的绝热膨胀制冷量=等温节流效应 通过膨胀机的等熵膨胀制冷量=膨胀焓降+节流效应 膨胀制冷量大得多， 但不能产生液体 （低压中膨胀制冷占：85-90% 中压流程中，节流制冷量会大。二、低压流程制冷系统 耗能低：14002100 压力：0.50.6MPa 采 用：离心压缩机，透平膨胀机，紧凑换热器，液化器，过冷器。 特 点：空气由下塔入换热器环流复温，膨胀进上塔典型系统 改 变：（1）加液化器调节膨胀机入口气流温度、气量 （林德） （2）来自入塔前的空气，理论相同，节省管路，但CH进入塔多（日立） （3）增加膨胀后的温度，使上塔更稳定 （法） 注 意：膨胀气进上塔，对上塔影响很大。 （1）减少膨胀气量，对精馏有利，氧提取率，所需塔板数也少。 但：系统跑冷大膨胀量必然大。复热不足（传热温度大）膨胀量必然大。 （2）提高膨胀进口温度，制冷量会增加，“高温高焓降”，但其出口温度必须与上塔温度相适应。制冷量调节： （1）调节膨胀空气量（效率不变，焓降不变）（a） 喷咀分组，每组由阀门控制：25%、50%、75%、100%（b） 转动叶片倾角，改变流体通道面积 2025%范围（c） 多台膨胀机，分别控制开启停止。（d） 机前调节阀（e） 风机制动时，用风机气量改变透平转速。（2）调节入口气流温度（方便，但改变了机效率）（a） 改变环流气量，（环流气+下塔经过液化的旁通气混合）（b） 改变机前换热器的污氮气量（冷源气）流程组织： （1）低压流程中，膨胀气体来自下塔，膨胀后进上塔或排出冷箱空气膨胀：进上塔，如不进上塔，氧气提不了，降低氧提取率。氮气膨胀：排出系统 （2）上塔精馏工况：气液比（）大传热、传质动力大不可逆损失大，系统效率低考虑使上塔 （a）空气膨胀：下塔冷凝液少，进入上塔的液体量少膨胀后空气进上塔拉赫曼气体 （b）氮气膨胀：下塔冷凝液少，进上塔的液体量少两种气体膨胀的简单流程图（3）制冷系统与精馏系统相结合小型装置：空气膨胀大型装置：氮气膨胀上塔缩小；膨胀后气体温度对精馏影响小；制冷量大膨胀机更安全可靠；改变膨胀量时，对氧提取率影响大。膨胀气量以及汽液比对精馏的影响 汽液比塔板数 塔板一定时，产品纯度氧提取率能耗 产品纯度一定时，塔板数阻力能耗所以膨胀量：影响制冷量，1525%占加工空气量的比例，影响精馏工况，环流气入上塔空气量。三、中压流程制冷系统图（1）参数选择：（a）高压压力高压压力节流制冷占比例大，膨胀量压力膨胀量大，节流气量小（极限是第换热器要正常工作，不出现负温差）必须满足热平衡（制冷量）与第换热器的正常工作（b）膨胀前温度第四节 精馏系统、换热系统组织一、精馏系统组成：上塔、下塔、冷凝蒸发器（主冷）、节流阀（1）保证产品纯度进料与抽口的质量，影响精馏工况及塔板效率馏分抽取 提高纯度，如取氩加辅塔 如高纯氮辅塔（2）产品产量与纯度双方面要求单高产品：双高产品：加辅塔，得到高纯氮，上塔总的塔板数增加，阻力增加，（产量相等）但能耗增加。外设纯氮塔，上塔的塔板数不增加，但仅保证纯度，在纯氮塔中保证氮纯度，但的产量小。 双种氧产品（工业氧+工艺氧）：如果工业氧量较小，也可在上塔底部多几块塔板，但阻力加大。外设工业氧塔，进一步提纯。二、换热系统工艺流程的需要，改善流程工况，合理分配与传递冷量1、主换热器，切换式，非切换式（分子筛流程）多采用板翅式，多股流体换热，使空气冷到饱和状态（略高11.5k）2、主冷（冷凝蒸发器）液氧与气氮换热，联系上下塔 双侧相变 其性能对塔工况影响很大 上下塔压力及纯度以及液体深度对主冷换热有影响3、过冷器，液空、液氧、液氮三种使进上塔的组分气化率，降低保证上塔的回流液量；冷量回收 产品气升温，使主换冷端温差减小。4、液化器：下塔的气体受上塔气体的冷却而液化，污氮液化器，也有纯氮液化器或纯氧液化器 启动阶段为下塔积蓄液体膨胀空气进上塔带进大量热（过热，跑冷）要求进下塔空气带湿；冷量分配与调节，从主换上下塔间换热及恒温作用。5、膨胀换热器：控制膨胀前入口温度，减小出口过热度。6、氮水预冷器：污氮气冷却压缩空气。第五节 工艺流程设计一、工艺流程拟定工艺流程使机器、设备、管路、阀门有机的连接在一起。根据产品种类、纯度、数量要求而定综合考虑技术性、经济性、实用性、以气体液化与空气分离理论为依据（1）小型气液产品装备，海兰德循环，节流+高压膨胀制冷（2）中小型，中压 克劳特循环，主要以中压膨胀制冷（3）中大型，低压 卡皮查循环，主要以绝热膨胀制冷能耗随规模增加或减少，能耗指标指生产1气体的值，如果生产液态产品则另加的能耗，43005300方法：（1）变工况：在低压流转中，增加膨胀量（8%） 但代价是膨胀后的气体排出，使氧提取率。 （2）增加外部液化循环（中压），附加制冷系统等 （3）利用其它冷源，如LNG二、设计程序及参数确定设计计算的目的：确定流程工作参数，工作介质流量，各种单元设备热负荷。依据：质量守恒定律物料平衡（组分平衡） 能量守恒定律热平衡程序步骤：原始参数的选择各状态点参数流量、总流量各部分流量膨胀量，实际系统的冷量平衡各单元设备的流量，进出口参数及热负荷经济指标设计计算参数包括：产品产量及纯度，设计书给定冷损及分配，流阻，物流损失，机器效率，经验选取与实际吻合压力、温度、温差等，按优化原则选。产品纯度：产品设计要求已定，但液空的纯度根据产品类型定。 高纯氮产品时，液空的氧量低些（3638%），高纯氧产品时，液空中应高些（3842%）冷损：设备越大，单位冷损越小，与温度水平有关，设备大小有关温度及温差：空气进系统（303k），中抽纯度（180143k），膨胀前纯度（123k），主换热端温差（3k），主冷换热（12k）物流损失：46%机器效率：T Expander 7580%， Compressor: 6070%主冷液氧液位，80100%。三、计算步骤：1、确定塔内的压力及对应温度。上塔顶部上塔底部下塔顶部下塔底部压缩机出口2、物料及各主要组分的流量物料平衡：进气=产品气之和 组分平衡：通常以氮组分平衡氧提取率：3、膨胀气量，热平衡：产冷：（等温节流效应） （膨胀机产冷） 冷损：复热不足（温差传热） 跑冷 液氧泵的功变热 液氧产品带出4、各段设备热平衡（物料平衡+热量平衡）5、经济指标：加工空气量， 压缩机排气量=加工空气量+物流损失 氧提取率，单位能耗。第七节 安全与防爆（1）主要部位：主冷，有蒸发现象，可燃物料积聚。（2）爆炸条件：a、可燃物质的积累 b、有氧的助燃 c、有引爆源（机械摩擦与撞击、静电等）（3）爆炸危险杂质：可燃杂质碳氢化合物 不可燃杂质臭氧、氮氧化合物（4）来源：原料空气，压缩机油的高温裂解。（5）防爆措施：液空吸附器：硅胺吸乙炔，其它碳氢化合物，分子筛吸附时，可不设。 液氧吸附器：液氧泵循环 液氧自循环 排放液氧：0.51%第八节 自动调节一、压缩机：流量稳定或压力稳定，防喘振（与流量或临界值） （离心机）（调压力） （调流量） （回流或旁通）二、可逆式（切换式）换热器： 自动切换 中部温度调节三、 分离设备（1）下塔（保证下塔的气液比）四、 膨胀机（透平） 稳定可靠很重要工作端：流量调节：控制冷量的要求，控制薄膜阀开度 安全保护：风机端：流量调节：控制转速 安全保护：超速，断电时全开。第八章 氩的提取氩：隋性、高密度、低热导。主要用于焊接时作为保护气体。主要提取方法：精馏法，利用沸点差分离，a、；b、吸附法，催化反应法 加氢 (沸点87.29k)存在形式：处于之间，空分塔中抽馏分主要是取氩。以使得到高纯和高纯（双高）在提双高产品的同时，通常提氩。一、粗氩提取从上塔提取部分（含氩气体）约10%左右，进粗氩塔。粗氩塔内，液空蒸发，氩气冷凝，保证粗氩95%。粗氩复温常温除氧（加氢）工艺氩去氮塔内：是氩与氮的精馏过程，工艺氩进中部（高压节流），下部与由中压氮蒸发加热，上部与由液氮作冷源，纯氩由下部取出。直接由粗氩塔得粗氩后，再采用分子筛吸附方法除，除，保99.99%的纯。二、空分装置与提氩高压、中压流程，、产量小，产量也小。低压流程：产量大，但提取率低，因空气进上塔后，氩馏分没有经过下塔的初步分离。进上塔的空气量越多，氩提取率越小，0.20.4。当氩提取率一定时，存在最佳氩馏分的浓度7%，使上塔总的塔板数最小。一定的进上塔空气量，有最佳氩提取率（0.30），使上塔总塔板数最少。三、纯氩提取（1）化学除氧 加入可燃物后与氩中氧化合成氧化物，再除去氧化物得工艺氩：通常加，但仍存在残余如果无氢，可用（2）工艺氩除氮，精馏法单级精馏，工艺氩是通过冷凝法除去。双级精馏，下塔用于除氢，上塔是氩塔。灯泡氩不允许含氢，故应严格清除，但含较多的，故采用双级。当生产纯氩时，单级精馏，二元精馏过程，（3）分子筛低温吸附制氩气体状态：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，或维持低温，通过吸附器冷通道。第九章 多组分气体的液化与分离9-1 概述多组分气体：天然气，油田气，石油裂解气、焦炉气、水煤气、合成氨尾气天然气：燃料、化工原料石油气：（油田气+石油裂解气）燃料、乙烯原料焦炉气：水煤气：9-2 天然气的液化主要成分为，80%以上，LNG的体积的气体，液化的目的是便于运输与贮存。LNG技术：天然气预处理，液化与贮存，LNG的气化与冷量回收以及天然气安全技术。一、预处理：的清除，以免低温下冻结、堵塞。（1）清除 采用化学法：乙醇胺，碳酸钾（2）清除，水合物 ，冷却法，但温度高于水物的溶点甘醇吸收法固体吸附法、硅酸、分子筛等。二、液化流程1、基本负荷型：正常规模连续运行，混合制冷剂逐级液化 膨胀机的液化。2、高峰负荷型：规模小。（1）混合制冷剂液化循环 图14-4，14-5（2）天然气（常压）直接膨胀， 图14-6 利用井气压力（3）膨胀（闭式）循环 图14-7 耗功多（4）利用（50%-50%）膨胀循环 图14-8 比就越三、LNG的气化（1） 常温空气加热（2） 海水直接加热（3） 热源间接加热（丙烷为载热剂）四、LNG冷量的利用+显热 （1） 温差发电（2） 作为冷源（书上讲了6条）9-3 石油气分离一、馏分分离 馏分是混合物，是指沸点相近的气体石油气分为三个馏分：（1） 干气，用作动力及燃料 （2）丙烷，丁烷 LPG 民用燃料 （3）戊烷以上 为轻油 制石油醚或掺入汽油二、纯组分分离第十章 氢、氦液化装置10-1概述1898年，得到 1959年后大规模制，日产吨以上。用途：火箭推进剂高能物理，反应堆中，腔低温冷却剂氢气源，得到高纯氢燃料、高热值，洁净燃料，汽车、飞机。1908年保到，1978年以来 4900用途低温超导环境发动机的加压与预冷低温吸附泵冷源低温电子冷源氦气的储运10-2 氢液化装置一、氢原料：主要是天然气、油气、炼厂气、和化工厂尾气等分离生产。含氢量：8095%1、纯化：防止杂质的固化，堵塞，杂质要小于1ppm 方法：冷凝法，高沸点组分先冷凝（不能固化）吸收法，选择吸收剂，低温下吸收低温吸附法变压吸附法2、正一仲转化：常温时，正75%，仲25% 液态时 仲99.79%，但需很长时间达到平衡正一仲转化缓慢进行，需要加催化才能加速，主要是转化热（大于潜热值），为避免液化后的转化热产生，应该在液化过程中完成催化转化。三、中小型液化装置一般指 20和20500的装置采用预冷的节流制冷装置例1：高压流程 150 at减压液氮预冷75k高真空保温，真空泵（）+液氮吸附泵（）无催化例2：高压流程 120 at冷凝干燥，低温吸附（65k）纯化。减压LN2预冷液氢槽中加催化器，但仲氢产量降为60%四、大型H2液化装置指产量 500以上预冷，膨胀机制冷，多级催化， （兴平 1.5）氦循环制冷的液化装置 （Linde 101站 300）10-3 氦液化装置原料气：天然气（0.2%，最多8%） 空气 (mol比) 下塔顶部不凝气中含515%（管式）纯化：通常氦气纯度99.99% 0.01%的杂质， 低温清除 另：运转过程中：油气、水蒸气的渗入， 常温清除常温下：分压、过滤、活性碳吸附，硅胶干燥低温下：80k下吸附 20k下吸附1、 克劳特液化循环2、 日本的 2503、 美国Femi NL（两种工况，油轴承）10-4 流程组织及参数选择流程：根据设计要求（产量、种类、预冷液体、预冷液耗量，运转周期等）预冷：纯化：冷凝法+吸附法 吸收法液化：透平膨胀制冷参数：产量越大，压力越小，纯节流时1015MPa 膨胀机 1.52.5 MPa温差选择与温度水平和换热器类型有关，温度越低，温差应越小冷损：与规模有关，与温度水平有关，中小规模：1020%，大型：510%第十一章 低温液体的贮运贮存：（1）集中生产，分散使用（2）短时生产，长期使用（3）长期生产，短时使用（4）运输交接运输：（1）低温容器；多用 （2）低温管道；大流量，短距离11-1容器：低温容器为：普通绝热：高真空绝热，真空粉末（纤维），真空多层，保护 杜瓦（玻璃、金属）多用于低温液体贮运固定式，移动式（槽车，船） p=13.0MPa结构：一、（1）小型：球形内外胆，常温下夹层真空 （2）固定贮槽：100L1000；小的立式，大的卧式，球形。 真空粉末绝热，日蒸发率10%时剧烈。环境气体的，同种保温材料2、比热3、纯膨胀系数11-3 材料的选择：首先是：小，。