低温原理讲课教案

可修改精选文档第一章低温工程的性质s (1)烃类：烷、烯、炔石油气(戊，已烷)，约120K(T)s天然气(甲烷) (2)空分成分：OAN约80K2r2 (3)超低温：H20K,He,4.2K2,120K级的低温：天然气(广义)的液化分离-----------石化行业可修改精选文档((民用2 2|化学产HsM=1622r (5)氖NeM:20 (6)氢HM:22 (7)氦HM:4eT:90k(——炼钢sT:90k(——炼钢s||sss(1)获得纯净的低温介质(分离技术)(4)利用低温制冷获得高真空(低温泵)NONO21%1%2222可修改精选文档s在相平衡(汽/液)情况下：22 (1)N：安全，无味无毒，保护气体，2LN是极好的冷源介质，保存生命(生物)，预冷和保护层(LN,LHe)2 2 (3)Ar，隋性气体(不氧化)，作为保护气体或切灯泡气，空气含量大。 (4)Ne：很好的制冷剂，安全可靠(T=27k)s22分子筛变压吸附(SPA)，膜分离等。 (1)性质最为复杂的低温工质有三个同位素HDT。HHDHD.032%的比例。222可修改精选文档 (2)正氢与仲氢平衡氢(e-)=OH+PH=f(T)22标准氢)(n-)=75%OH+25%PH2 LH的储存：由于转化热放出，易于汽化，故生产LH时加催化剂。促使O→p222正常氢(n-H)，平衡氢(e-H)，仲氢(p-H)2222正常氘(n-D)，……。2氦有两种同位素M=3sHe||氦是最难液化的气体，很长时间被认为是永久气体。可修改精选文档 )]可修改h精选文档 (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)低温制冷装置中，主要是绝热节流和等熵膨胀(主动)12焦一汤效应，节流后的温度变化效应(实际气体)h积分节流效应AT=jp2adpphp1??TT动势势动势转化温度与转化曲线根据微分节流效应可修改精选文档hinv实践证明，当p共p时出现一个转化温度的曲线max节流前如果是p<pT"<T<T'，则节流后产生制冷效果。maxinvinv通常必须p<pmaxTT以后节流才能制冷 hhTT10p10ahhTsp(?T)p(?T)pspsp可修改 (2)增加膨胀比1 (2)增加膨胀比1p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TJ理想气体av=v=R,a=vaTTpscp12—为膨胀比p1020112Ah——等温节流效应TW——膨胀输出功e要提高膨胀前后温差：(1)增加初温T1p2p实际焓降与理论焓降之比hhhth12可修改精选文档 (1)低温气体液化，必须降温至T以下，需要制冷降温cr(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W=WWminTsTs=h+wt(W=Ts=T(ss)=T(ss)W=h=hh〈W=h=hhs10mins=clnT2Rlnp2pTpW即为循环包围的面积mins与T(环境温度)的乘积，Ts即是不可逆所致1有理论最小功单位能耗(获得1kg液态气体所消耗的功)W=W[W为1kg气体耗功Z0Z可修改精选文档制冷系数，制冷量与耗功之比(单位耗功的制冷量)c=b0[b1kg气体产生W0W010循环效率又称热力不完善度，为实际循环制冷系数c与理论循环系数c之dl1V也是理论最小功与实际耗功之比。AlO22O22 (1)+(2)是自身制冷，最常见，特别是AlON2精选文档→等压冷却→节流膨胀→液化↓——————————←等压复热温，直至到达稳定状态201单位冷量q=-AhT由于h-h一定(状态参数)z~-Ah10T要想获得较多液化量，等流节流效应要大，-Ah是压力的函数(环境温度一定TTTTT要T一定，p一定，则等熵压缩的最佳压力应在等温线与转化线的交点11a、压缩机过程不可逆，用n来反映T2prp11c、跑冷(装置大小、绝热条件等)q3-prh-h可修改精选文档单位(加工空气)制冷量为q=hqT21液化循环z=T0cprh`h101322pr11则有z==q0prprh`hh`hhhn=3hhshh34s则q=h0prThh 34hsss可修改精选文档prTsT1p个2T个3T0TT3ppr0Z个pr换热器温度曲线(第Ⅱ)高压空气比热变化大，而低压c基本不变pVc.(TT)=(1z)c(TT)thp236p2p196p1，T，T截面上流体温度p1Vth热端温差一定，T规定，从而画出上述虚线，则min===从而确定Ve及z===从而确定Ve及z二、海兰德循环高压常温膨胀，增加绝热焓降r适用于小型液态装置。三、卡皮查循环精选文档流。 (1)预冷，用LN2LH2 (1)LN预冷+TE2 (2)LN预冷+2×TE(柯林斯循环)2根据最小功设计各级TE的参数e精选文档组成：(1)两种液体混合 (2)固体溶解于液体 (3)气体溶解于液体：各组成物质的比分 i (2)摩尔成分：x，第i组分在溶液中的摩尔分数i如第i组分的摩尔数为n=mi,xn=niMiiiiiiMmMiMiii的溶解度为0~100%完全溶液的溶解度为0%可修改y=py=pA=x.p0AA,y=pB=x.p0BBAppBppq=hq=hh0+h01122 (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。iii实际溶液可能有出入适用于理想溶液二、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p=xp0,p=x.p0(溶液)AAABBB则yA=xA.p如果饱和蒸气压p1p0高沸点p0低沸点yxp0p0ABBBBB则yAxAyxBB二、相平衡(溶液)可修改精选文档在等温(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2Npp变条件)与组分数及相数间的关系。pcN相数N成份数2状态参数(p，T)pccpfpcpcp22N=1cN=2cN=3cN=2pN=2pN=1pN力)f则N=2(压力、成分)ffN=2,N=2则N=2cpfx与x与x的浓度时，露点温度T和饱点温度T在T0和T0之间DBAB可修改f精选文档f 逸度代替压力f)p，拉乌尔定律f=xf0iiipp活度代替浓度a)xiia=(ff0)类似道尔顿分压定律iiiTixixiiiiiifY`f`0x液相中iiii(气相为理想气体混合物(服从道尔分压定律(气相为理想气体混合物(服从道尔分压定律)l液相为理想溶液(服从拉乌尔定律)可修改 (1)x=y (1)x=yi11112222yf``y`f`0相平衡常数k=iyf``y`f`0xf`xf`y``f``0iiiiiiik=y`f0`iiiy``f``0iiixiiikiy，假定Tkxx=1则T=TiiiiD iiiiiiiii2B§4-6溶液基本热力(工作)过程1211221122h=h+m2(hh)=h+pp1(hh)+[q][q]如果混合过程有热效应2m212pp2122精选文档(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hhp>p121212节流前p，状态为过冷液体1节流后p，状态为湿蒸气2通过温蒸汽的t线上，可以确定气化率，节流前过冷度越大，节流后气化率2气体溶于溶液之中叫吸收(气体溶于固体中叫吸附)rrr液11112222d饱和溶液 (t)1 (t)u (t)2精m2dg=1吸收每kg蒸气所需溶液量即g=m2dD12D12 如g=m1=dM，排热过程为M2`D1M根据能量守恒关系，Q=Dh+mhmhav1122aDq=h+1hq=h+1h2h=h+2h2havD1D2vD1D2=hh+m2(hh)=hh+v1(hh)v1D12v11221可修改精选文档分离：空气，天然气，焦炉气…… (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O:20.95%,90.188K,2N:78.084%,77.36K,Ar:0.93%,87.29K,其它22 )(p=py〈O2O2pN=pyN2(|p=p0x|pN2=p|pN2=p2xN2222且p=p+pNO22pppO2pp+pp0xpppO2pp+pp0x+p0xONOONN2222222222可修改精选文档1122212空气凝结后不断把凝液取走，剩余蒸气中的二、空气精馏(多次蒸发+多次冷凝)N2浓度增加，最后获得高浓度的N2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N把部分蒸发与部2筛板塔：高温的气体穿过低温的液体层，热质交换体与液体连续双向热质交换，大量交换面积。双级塔：由两上单级塔叠加而成。下塔提N，上塔提O22损失越大。22V22可修改|1|1221的气体压力↓，无法再进下塔，直接送入上塔(20%左右)要制取高纯氮，需除去Ar等其它成分(污氮排出)，增加辅塔。1212=21汽液比L=21汽液比Vxx21VV+L=V+LkkVyN+LxN=VyN+LxN，如果进塔空气是饱和状态，是V=V则L=L2kN2N2NkN2kk222kN22则y=Lx+1(VykLxk)VVkN2kN2可修改精选文档LVLV小，塔板数愈多C处，最小汽液比1C最大气液比L=V2NO22N (1)全塔效率：理论塔板数与实际塔板数之比，n=thNNpr(2)板效率：某个塔板上实际浓度变化与理论浓度变化之比。yyn=nn1vythyxxn=n+1nLxxthnn可修改精选文档二D与结晶水NaOHHO)NaOH.4HO22(T个〈pJ〈pJa，b、降压解吸(常压或真空)可修改精选文档22220.03~0.04%吸咐法冷冻法2232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N切换(可逆式)22222(1)低温硅胶吸附吸附器：节流阀之前a自循环b、动力循环(2)常温分子筛吸附常温吸附：同HO,CO一起吸附，进冷箱之前。22精选文档：炼钢：氧气为助燃剂222222222离：液化+精馏如NOArNeHe224KXerCH222精选文档 (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LindeL`Air神钢日立APCI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) (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2222图12-3(P26)O塔改变之后与图12-1相同(P24)，这里以LO作为产品输出。22精选文档OLO22氮机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22 (2)产品N经过了两级换热器222 (1)污氮中压循环制冷系统胀(返流)→下塔→中抽污氮膨胀→进上塔；一部分污氮气复热→氮水预冷器可修改精选文档①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②高压氮液化器(9)氧液化器(10)低压氮液化器(11)离开塔之另：①液氧吸附器(15)液氧吸附器(16)CO过滤器(8)2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→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 (3)附加液化循环①生产LN(N既是制冷工质，又是液化介质)22222图 (1)L`Air①可修改精选文档2N：3037022约2万约3万特点：①纯氮气膨胀(来自下塔→进换热器)②液氧自循环、清除CH化合物(含CH)22③液氧过冷器，液氮过冷器，热虹吸蒸发器 (2)L`Air②22Pa2 (2.663MPa)(3.63MPa增压后) (二级后7.0MPa)特点：①纯氮膨胀(来自下塔+Ⅰ级氮压缩+风机增压→)液体进上塔顶部(少量)图可修改精选文档组织热系统、防爆、仪控低温气体→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，膨胀——制冷量=等温节流效应胀——制冷量=膨胀焓降+节流效应 2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) (3)增加膨胀后的温度，使上塔更稳定(法) 可修改精选文档复热不足(传热温度大)→膨胀量必然大。 (1)调节膨胀空气量(效率不变，焓降不变)(b)转动叶片倾角，改变流体通道面积20~25%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)(b)改变机前换热器的污氮气量(冷源气) (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L (2)上塔精馏工况：气液比()大→传热、传质动力大LV，系统效率低可修改精选文档考虑使上塔L↓→减少液体量拉赫曼原理V增加气体量J (a)空气膨胀：下塔冷凝液少，进入上塔的液体量少L (b)氮气膨胀：下塔冷凝液少，进上塔的液体量少L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VV〈2图 (1)参数选择：(a)高压压力P2可修改精选文档2压力P↓——膨胀量大，节流气量小(极限是第Ⅱ换热器要正常工作，不2出现负温差)必须满足热平衡(制冷量)与第Ⅱ换热器的正常工作 (b)膨胀前温度32组成：上塔、下塔、冷凝蒸发器(主冷)、节流阀 (1)保证产品纯度 (2)产品产量与纯度双方面要求外设纯氮塔，上塔的塔板数不增加，但仅保证O纯度，在纯氮塔中2③双种氧产品(工业氧+工艺氧)：可修改精选文档理分配与传递冷量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1~1.5k)2、主冷(冷凝蒸发器)液氧与气氮换热，联系上下塔其性能对塔工况影响很大液体深度对主冷换热有影响3、过冷器，液空、液氧、液氮三种①使进上塔的组分气化率，降低保证上塔的回流液量；②冷量回收③产品气升温，使主换冷端温差减小。纯氮液化器或纯氧液化器①启动阶段为下塔积蓄液体②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；第五节工艺流程设计一、工艺流程拟定可修改精选文档量要求而定、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222方法：(1)变工况：在低压流转中，增加膨胀量<(8%) (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可修改精选文档产量及纯度，设计书给定高纯氮产品时，液空的氧量低些(36~38%)，高纯氧产品时，液空中O应高些(38~42%)2备越大，单位冷损越小，与温度水平有关，设备大小有关主换热端温差(3k)，主冷换热T(1~2k)机出口V=V+V+V222K222组分平衡：通常以氮组分平衡Vyk=VyO+VyN+VyWKNONNNWNN22222223、膨胀气量V，热平衡：产冷：H(等温节流效应)pkT可修改精选文档冷损：Q复热不足(温差传热)2Q跑冷3BO4、各段设备热平衡(物料平衡+热量平衡) (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，分子筛吸液氧吸附器：液氧泵循环可修改(起速液压过低(起速液压过低轴承高温第八节自动调节一、压缩机：流量稳定或压力稳定，防喘振(与流量<Q或p2>临界值)minp (离心机)(调压力)(调流量)(回流或旁通)二、可逆式(切换式)换热器：中部温度调节(液空流量由液位控制|成分三、分离设备(1)下塔(保证下塔的气液比)〈||成分四、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，控制薄膜阀开度风机端：流量调节：控制转速。可修改精选文档222222和高纯N(双高)2从上塔提取部分(含氩气体)约10%Ar左右，进粗氩塔。 (加氢)→工艺氩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氮作冷源，纯氩由下部取出。22二、空分装置与提氩22可修改精选文档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。 (1)化学除氧2222H+OHO+Q，但仍存在残余OH和HO蒸气222222334NH+O2N+6HO+Q3222 (2)工艺氩除氮，精馏法222 (3)分子筛低温吸附制氩22222工作在90k，可修改精选文档合成氨尾气石油气：(油田气+石油裂解气)燃料、乙烯原料2424主要成分为CH，80%以上，LNG的体积1的气体，液化的目的是便于运输4625G222 (1)HS及CO清除22 (2)HO清除，水合物CH.7HO，CH.7HO242262可修改精选文档 (1)混合制冷剂液化循