气体液化与分离

第三章低温原理和技术，第一节气体液化和分离，第二节低温冰箱，第三节低温绝热，3.1气体液化和分离，3.1.1气体液化，3.1.2气体分离和净化系统，3.1.4变压吸附，3.1.5空气分离系统，3.1.3气体分离原理，基本概念，2 .热力学异常系统，3 .简单的林德汉姆森系统，4 .耶冷林德汉姆森系统，5。林德双重压力系统，6。嵌套系统，7 .克罗夫特系统，8。卡皮查系统，9 .赫兰特系统，10。使用膨胀机的其他液化系统，11 .液化系统，12。各种液化系统的性能比较，13 .为氖和氢预冷林德汉姆森系统，14 .氖或氢的克罗夫特系统，15 .变成氦制冷的氢液化系统，16。柯林斯氦液化系统，17。西蒙氦液化系统，1。基本概念，(3.1)，系统的性能参数，单位质量气体的压缩工作单位质量气体液化率，这三者的关系为：循环效率FOM(热完成度):一般以理想周期所需的最小工作与实际循环液火力之比为评价标准。压缩机和膨胀机的绝热效率压缩机和膨胀机的机械效率换热器的效率换热器和管道的压降系统和环境的热交换，(3.2)，实际性能参数，2。热力学异常系统，图3.1热力学异常液化系统。(a)T-S图，(b)系统图。稳定物流的热力学第一定律：通常动能和势能的变化比焓小得多，在理想的系统中，熵过程为：等熵过程为：液化气的理论工作最小值为：(3.3)，(3.4)，(3.4)简单linde-hampson系统，图3.2 linde-hampson系统。图3.3 linde-hampson循环的T-S图，气体液化率根据大气条件(点1)中的压力和温度确定；等温压缩后的压力由确定。因为我们不能改变环境状态，所以系统的性能必须降到最低：热力学第一定律适用于除压缩机外的所有设备，(3.8)，(3.10)，图3.4工作流体使用氦或氢的简单linde-hampton系统的启动过程，简单linde这种气体的转换温度低于环境温度，启动无法冷却。2.用林德汉普森系统可以得到冷却，通过低温节流后完全是蒸汽，气体没有液化。图3.5带有氢或氦的简单linde-hampson系统即使在正确的方向运行，也不能传递足够的能量来获得液体，linde-hampson系统的功耗为：单位质量消耗功率为：单位质量液化功率为：(3.11)，(3.11)预冷linde-hampson系统、预冷linde-hampson系统3360可以改善简单linde-hampson系统、热开关入口温度低于环境温度的简单linde-hampson系统，图3.6液化率随换热器入口温度变化，(图3.7预冷林德汉普森系统，图3.8预冷林德-汉普森循环的T-S图，制冷剂的质量流量为3360，液化率为：预冷系统的最大液化率为：(3.14)，)单位质量处理气体压缩消耗功率：(3.18)，图3.9根据制冷剂流量的液化速度和极限液化速度。图3.10预冷林德汉普森系统单位质量氮液化操作，5 .林德双压力系统，图3.11林德双压力系统，图3.12林德双压力系统T-S图，换热器，两个气液分离器，两个节流作为热分析系统，稳定流，根据能量守恒原理液化速度3360，中压蒸汽流动速度：嵌套系统，嵌套系统是预冷系统的展开，是其他冷却系统的预冷。优点液空生产的第一液化池系统的性能良好所需的压力减少缺点系统的每个周期都必须完全不泄漏，以防止流体泄漏图3.14嵌套系统，图3.15克罗系统，图3.15克罗系统，图3.16理论克罗系统t-s图，没有外部热交换的热交换器，节流，气液分离器的能量分析卡皮车系统，卡皮车循环：有高效涡轮膨胀机的低压液化循环。低压力，等温节流效果及膨胀机焓降低。图3.18卡皮车系统，Helan循环：带高压膨胀机的气体液化循环。事实上，这也是克劳狄周期的特殊情况。图3.19贺兰系统，9 .hellan系统，10。使用膨胀机的其他液化系统，双压力克劳狄3360原理类似于林德双压力系统。通过节流的气体以高压压缩，通过膨胀机循环气体仅以中压压缩。图3.20双压力克罗夫特系统、自动冷却叠加系统：运行时的重新组合分流，轻成分后冷凝液特性依次冷凝、节流、蒸发，在不同温度等级下得到冷量，天然气对应成分凝结，全部液化。11 .液化系统，图3.21混合制冷剂液化天然气系统，12 .各种液化系统的性能比较，表3.3空气工质，=300K，p=101.3kpa液化系统比较，上表：13。霓虹灯和氢气用预冷林德汉普顿系统，图3.22液化霓虹灯和氢气用液氮预冷林德汉普顿系统，单位质量压缩氢气或氖等氮的蒸发速度：是没有热泄漏的稳定流：的分析系统，3个换热器、液氮罐、液态氢或氖罐和节流的蒸发速度：用于氖或氢的克罗夫系统，图3.24用于液态氢或氖的液氮的预冷克罗夫系统，15。氦制冷氢液化系统，使用氦冷却系统与高压系统相比具有：的优点：相应减少使用压力压缩压缩机尺寸系统材料的壁厚：需要2台压缩机，氦冰箱采用在循环中不会液化氦，但达到低于液态氢或氖的温度的增强的整流系统。压缩氦通过液氮罐冷却预冷、膨胀机膨胀冷却、冷却氦冷却高压氢或氖，使其液化。图3.25氦制冷的氢液化系统，氢液化器中-二次氦转换，氢可能存在两种不同的状态，净化氢和二次氢在平衡氢中的浓度主要是氢的温度：常温下平衡氢是75%净化氢和25%二次氢的混合物。氢的标准沸点处氢的平衡组成几乎为99.8%。氢通过液化系统后，气体无法在热交换器内保持在一定温度下构成平衡氢的足够时间，结果液体氢由接近环境温度的正氢组成。图3.26正氢转换布局，16 .柯林斯氦液化系统，早期的氦液化器使用氢作为预冷剂，使用预冷林德汉森系统可以液化氦。柯林斯氦汽化器是克罗夫特系统的进一步发展，有低温工程里程碑。除了氦压缩机和膨胀机以外的所有部件都是热力学第一定律：(3.32)，图3.27科林斯氦液化系统，图3.28西蒙液化系统，17。Simon氦液化系统，用作图3.29 Simon液化系统的T-S图，假定厚壁容器可以回热，同时容器材料的比热与debye表示：一致，容器的熵为：泄漏热：液化率3:热力学异常分离系统，反渗透膜：这种薄膜只能自由地完全通过一种气体，不能通过另一种气体。使用此设备，气体混合时可以输出，输入相同的操作后可以分离，所以这个过程是可逆的。图3.30左侧的活塞只能通过气体a，右侧的活塞只能通过气体b，两个活塞一起移动，将气体a和b的混合物可逆分离为纯气体a和气体b。图3.30热力学理想分离系统模型，理想气体混合物分离的理论工作：分压比=质量比：理想气体混合物功率：分离系统的分离效率为：(3.45)，(3.3)对于相态组，物理特性之间存在蒸汽压力方程的关系。对于一相以上和两个以上成分物质，必须应用Gibbs相位定律(1878年发现)来说明状态所需的独立变量的数量。T=C-P 2T:系统状态所需的独立变量数说明C:组分数P:存在的相数，图3.31典型双组分温度-组件图，(a)两个组件的临界压力以下，(b)两个组件的临界压力之间的压力，(C)对于像稀溶液一样在分子内作用的弱液体混合物，著名的Raoult定律表达：第j成分是液体的上气相分压：和混合温度下第j成分的蒸汽压：在液体的第j成分中具有摩尔的百分比(3.51)，在所有浓度中遵循Raoult定律的混合物称为理想溶液。液体混合物上部的蒸汽相也可以看作理想气体，蒸汽相分压和总压力之间的关系由定律吉布斯道尔顿决定，蒸汽相j成分的摩尔成分：理想气体混合物的分压之和等于总压力：对于两种成分的混合物，Raoult定律双成分混合物3360 (3.52)可以求出液体和气相成分的摩尔百分比：(3.56)，(3.57)，(3.58)，(3.59)，(3.59)，典型氮氧混合物系统的焓-浓度图中露点线(饱和蒸汽)和发泡剂线()，(4)焓-浓度图，图3.36101.3kPa中氮氧混合物的焓-浓度图，3.1.3气体的分离原理，1 .简单的冷凝或蒸发工艺，3 .闪存计算，2 .蒸馏原理，4 .精馏塔理论塔板数的计算，5 .最小理论托盘数，6。精馏塔的类型和结构，1 .简单冷凝或蒸发过程，通过部分冷凝的混合物分离过程的效率主要取决于温度-浓度图中相分离曲线的形状。沸点差异较大的物质组成的混合物可以通过部分冷凝进行有效分离，沸点相似物质组成的混合物会失去分离效果。实际上，简单的冷凝不能把空气分离成纯成分，只能达到部分分离，不能满足很多实际应用。氮-氦混合物、氨-氢混合物等沸点差异较大，可以用部分凝结水方法进行满意有效的分离。二元成分相变过程的主要特性：对于特定成分的二元混合物，在一定压力下开始冷凝或蒸发到冷凝末端时，或蒸发结束时，温度变化恒定，与纯成分不同。在冷凝或蒸发过程中，液相和气相浓度连续变化。通过部分冷凝或蒸发，可以有效地分离沸点差异较大的二元混合物，但沸点差异较小的二元混合物不能有效地分离。2 .蒸馏原理，蒸馏是部分蒸发和部分冷凝以逆流方式进行叠加分离的过程。图3.38精馏塔的原理，图3.39蒸馏过程中的温度-浓度图，图3.40气泡通过托盘时的热交换图，托盘效率3360塔板的浓度变化与平衡时需要实现的浓度变化的比例，图3.41版效率的定义，1946年基底斯分析泡沫与液体之间的质量转移，托盘效率型：提高托盘效率的因素：闪存计算，闪存计算阶段为：j组件质量平衡：能量守恒：离开系统液体物流的比率：汽相摩尔百分比之和为1:(3.62)，(3.64)，(3.64)计算步骤为：露点和发点之间的温度，露点和发点的温度由混合压力和供应摩尔的百分比决定，计算液体百分比，蒸汽上摩尔的百分比之和等于1，等于1假定混合温度正确，如果不等于1，则再次假定混合温度，重复上述步骤，然后，4。计算精馏塔的理论塔板数。方法之一是1921年由Ponchon和1922年Savarit创建的，这是适用于所有情况的正确方法，但应用该方法需要详细的焓数据。另一种方法是1925年由McCable和Thiele创建的，应用只需要浓度数据的平衡。计算精馏塔所需理论塔板数：的基本方法有两种。此方法在低温下也最合适，因此讨论时使用McCable-Thiele方法。图3.42用于推导理想托盘计算公式的系统Vn被定义为离开第n托盘的蒸汽流速，Ln以离开第n托盘的液体流速为单位，将第n板上方的塔部分作为分析系统，应用质量数刑法法获得：将质量数刑法法应用于低沸点组件获得：应用热力学第1定律获得：产品流速和蒸汽相流速的比率3: McCabe-Thiele解决方案的理论塔板数，平衡线：蒸汽相摩尔分与蒸汽相热平衡液相氮的摩尔分百分比图3.43McCabe-Thiele方法的答案是，当顶部和底部产品纯度相当高时，在整个浓度范围内，单个McCabe-Thiele图在x=0和x=1附近相当小在产品纯度要求高的情况下，开发了工作线进口段的简单分析表达式，计算了理论塔板数。如果底部产品是气象，底部产品是液体，则m等于理想的托盘数加1(元素1表示沸腾的表面)。m表示理论托盘数为：蒸馏段理论托盘数的简单分析表示法为：(3.75)，(3.76)，5。最小理论塔板数，在工作线斜率接近1