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  蒸汽压缩制冷_物理_自然科学_专业原料。3.1 气体液化与分手 3.1.1 气体液化 制 冷 3.1.2 气体分手和纯化体系 原 3.1.3 气体的分手道理 理 3.1.4 变压吸附 与 技 3.1.5 气氛分手体系

  3.1 气体液化与分手 3.1.1 气体液化 制 冷 3.1.2 气体分手和纯化体系 原 3.1.3 气体的分手道理 理 3.1.4 变压吸附 与 技 3.1.5 气氛分手体系 术 3.1.1 气体液化 1. 基础观点 2. 热力学理思体系 3. 简略林德-汉普逊体系 4. 带预冷林德-汉普逊体系 制 5. 林德双压体系 冷 6. 复迭式体系 7. 克劳特体系 原 8. 卡皮查体系 理 9. 海兰特体系 与 10. 采用膨胀机的其它液化体系 11. 液化体系 技 12. 各类液化体系的职能较量 术 13. 用于氖和氢的预冷林德-汉普逊体系 14. 用于氖或氢的克劳特体系 15. 氦制冷的氢液化体系 16. 考林斯氦液化体系 17. 西蒙氦液化体系 1. 基础观点 制 冷 原 理 系 统 单元质地气体的压缩功 w/ m 的 性 单元质地气体液化功 w/ mf 能 参 液化率 y mf / m 与 数 技 三者之间的联系是: 术 (w/ m) (w/ mf ) y (3.1) 轮回效能FOM(热力美满度): 凡是以理思循 环所需的最小功与本质轮回液化功比值行动 评定的准绳。 制 冷 FOM wi wi / mf w w/ mf (3.2) 原 理 实 与 际 性 技 能 术 参 数 压缩机和膨胀机的绝热效能 压缩机和膨胀机的板滞效能 换热器的效能 换热器和管道的压降 体系与处境的热交流 2. 热力学理思体系 制 冷 原 理 与 技 术 图3.1 热力学理思液化体系. (a) T-S图,(b)体系图。 制 冷 原 理 与 技 术 ?安谧物流的热力学第肯定律: Qnet Wnet . m( h v 2 / 2 gz ) . m( h v 2 / 2 gz ) (3.3) out in 制 ?凡是动能和势能的改观相关于焓变而言小得众: . . .. .. 冷 Q net W net mh mh (3.4) out in 原 ?理思体系时: 理 . .. . Q R wi m( hf h1 ) m( h1 hf ) (3.5) 与 ?. 等熵过. 程 S2 Sf .: 技 Q R mT1(S2 S1) mT1(S1 Sf ) (3.6) 术 ?液化气体的外面最小功: wi T 1(S1 Sf ) (h1 hf ) wi m mf (3.7) 外3.1 液化气体的外面最小功 (初始点P=101.3kPa,T=300K) 气体名称 沸点(K) 外面最小功(kJ/kg) 氦-3 3.19 8178 氦-4 4.21 6819 制 氢 20.27 冷 氖 27.09 原 氮 77.36 气氛 78.8 理 一氧化碳 81.6 与 氩 87.28 技 氧 90.18 术 甲烷 111.7 乙烷 184.5 12019 1335 768.1 738.9 768.6 478.6 635.6 1091 353.1 丙烷 231.1 140.4 氨 239.8 359.1 3. 简略林德-汉普逊体系 制 冷 原 理 与 技 术 图3.2 林德-汉普逊体系. 制 冷 原 理 与 技 术 制 冷 原 理 与 技 术 图3.3 林德-汉普逊轮回的T-S图 ?热力学第肯定律运用于除压缩机外的一齐配置,获得: 0 (m mf )h1 mf h f mh2 . 制 mf . m y h1 h2 h1 hf 冷 气体的液化率依赖于: (3.8) 原 大气前提下(点1)的压力 P1和温度T1 ,从而决议了h1和hf ; 理 等温压缩后的压力 P2 ,h2由 P2决议。 与 ?咱们无法改动处境形态,所以体系的职能取决于压力 p2 技 要使液化率 y 最大,则必需使 h2最小: 术 h ( P )T T1 0 ( h P )T T1 (JT C p )T T1 0 (3.10) 简略的林德-汉普逊 轮回不行用于液化氖、氢 和氦: 1. 因为这些气体的 制 转化温度低于处境温度, 冷 于是无法降温启动。 原 2. 用林德-汉普逊 体系不妨获取降温,通过 理 低温下撙节后齐全都是蒸 与 汽,没有气体被液化。 技 术 图3.4 用氦或氢作劳动流体简略 林德-汉普逊体系的启动经过 制 冷 原 理 与 技 术 图3.5 纵使氢或氦的简略林德-汉普逊体系能按精确 对象启动,它仍不行通报足够的能量以获取液体 ?林德-汉普逊体系的耗功 : QR w m(h2 h1) (3.11) 制 冷 ?单元质地耗功 : 原 w/ m T1(s1 s2 ) (h1 h2 ) (3.12) 理 与 ?单元质地的液化功: 技 术 w mf w my ( h1 h1 hf h2 )[T1(s1 s2 ) (h1 h2 )] (3.13) 4. 带预冷林德-汉普逊体系 预冷林德-汉普 逊体系: 制 对简略林德- 汉普逊体系,当热 冷 交流器入口温度低 原 于处境温度时,可 以改进简略林德- 理 汉普逊体系的职能 与 目标。 技 术 图3.6 液化率随热交流 器入口温度改观联系. 图3.7 预冷林德-汉普逊体系 制 冷 原 理 与 技 术 制 冷 原 理 与 技 术 图3.8 预冷林德-汉普逊轮回的T-S图 制 冷 原 理 与 技 术 ?运用热力学第肯定律 0 (m mf )h1 mrha mf hf mh2 mrhd (3.14) ?界说制冷剂的质地流率比: r mr 制 m 冷 ?液化率: y h1 h2 r ha hc 原 h1 h f h1 h f (3.15) (3.16) 理 与 技 ?带预冷体系的最大液化率: h6 h3 y max h6 hf (3.17) 术 ?假定主压缩机是可逆等温的,附加压缩机是可逆绝 热的.单元质地加工气体压缩耗功: wi T1(S1 Sf ) (h1 hf ) wi (3.18) m mf 图3.9 液化率与极限液化率 随制冷剂流率的改观。 制 冷 原 理 与 技 术 图3.10 带预冷林德-汉普 逊体系单元质地氮气液化功 5. 林德双压体系 制 冷 原 理 与 技 术 图3.11 林德双压体系 制 冷 原 理 与 技 术 图3 .12 林德双压体系T-S图 制 冷 原 理 与 技 术 ? 取热交流器,两个气液分手器,二个撙节阀,行动 热力说明体系,针对安谧活动,按照能量守恒规矩, 可得液化率为: 制 h1 h3 h1 h2 y i (3.19) 冷 h1 hf h1 hf 原 .. ?中心压力蒸汽流率比: i mi / m (3.20) 理 与 ?热力学第肯定律运用于两个压缩机,单元质地气体 技 的压缩耗功为: 术 . w . [T1(S1 S3 ) (h1 h3 )] i[T1(S1 S2 ) (h1 h2 )] m (3.21) 图3.13 林德双压体系液化功 制 冷 原 理 与 技 术 6. 复迭式体系 复迭式体系是预冷体系的伸开,由其它制冷 制 体系来预冷。 冷 所长 原 第一个用于分娩液空的液扮装备 理 体系的职能好 与 所需压力下降 技 差池 术 体系的每一级轮回都必需齐全不漏,以预防流体渗 漏 图3.14复迭式体系 制 冷 原 理 与 技 术 7. 克劳特体系 制 冷 原 理 与 技 术 图3.15 克劳特体系 制 冷 原 理 与 技 术 图3.16 外面克劳特体系T-S图 制 冷 原 理 与 技 术 ? 取热交流器、撙节阀、气液分手器行动能量说明系 统,该体系没有外部热功交流,对该体系运用热力学 第肯定律: 制 0 (m mf )h1 mf hf mehe meh3 mh2 (3.22) ?膨胀机的流量比率: 冷 原 理 与 进膨胀机质地流量占总流量比例: ?液化率: . m f h1 h2 h3 he y . m h1 hf x h1 hf x me / m (3.23) (3.24) 技 术 ?净耗功: w m [T1 (s1 s2 ) (h1 h2 )] x(h3 he ) (3.26) we me (h3 h4 ) (3.25) 图3.17 克劳特轮回单元质地液化功 制 冷 原 理 与 技 术 8. 卡皮查体系 图3.18 卡皮查体系. 制 冷 原 理 与 技 术 卡皮查轮回:带有高效能透平 膨胀机的低压液化轮回。它采用 低压力,等温撙节效应及膨胀机 焓降均较小。 制 冷 原 理 与 技 术 9. 海兰特体系 海兰特轮回:带高压膨胀机的气体液化轮回。本质上 它也是克劳特轮回的一种特别境况。 制 图3.19 海兰特体系 冷 原 理 与 技 术 制 冷 原 理 与 技 术 10. 采用膨胀机的其它液化体系 双压克劳特:道理与林德双压体系相像。 通过撙节阀的气体被压缩至高压 始末膨胀机轮回气体仅压缩至中压 制 冷 原 理 与 技 术 图3.20 双压克劳特体系 制 冷 原 理 与 技 术 11. 液化体系 自愿制冷复迭体系:劳动时重组分先冷凝,轻组分后冷 凝的特色,将它们顺次冷凝、撙节、蒸发获得分别温度 级的冷量,使自然气对应组分冷凝并全面液化。 制 冷 原 理 与 技 术 图3.21搀和制冷剂 液化自然气体系 12. 各类液化体系的职能较量 外3.3 以气氛为工质,=300K,P=101.3kPa液化体系的较量 制 冷 原 理 与 技 术 续上外: 制 冷 原 理 与 技 术 13. 用于氖和氢的预冷林德-汉普逊体系 制 冷 原 理 与 技 术 图3.22 实用于液化氖和氢的 液氮预冷林德-汉普逊体系 制 冷 原 理 与 技 术 ?取三个换热器、液氮槽、液氢或氖的储罐和撙节阀 行动说明体系,针对没有热漏的安谧活动: 制 0 mN2 hc (m mf )h1 mf hf mN2 ha mh2 (3.28) 冷 ?单元质地压缩氢或氖所对应的氮的蒸发率: 原 z mN2 / m 理 (3.29) 与 h2 h1 h1 hf z y (3.30) 技 hc ha hc ha 术 ?单元质地液化氢或氖下氮的蒸发率: . . mN 2 mN 2 / m z . mf . . mf / m y (3.31) 图3.23 正在液氮预冷林德-汉普逊体系中每液化单元质 量氢所需氮的蒸发率与液氮槽温度的联系. 制 冷 原 理 与 技 术 14. 用于氖或氢的克劳特体系 制 冷 原 理 与 技 术 图3.24 分娩液氢或氖的 液氮预冷克劳特体系 制 冷 原 理 与 技 术 15. 氦制冷的氢液化体系 氦制冷机采用改革的克劳特体系,正在轮回中 制 氦气并不被液化,但到达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 冷 冷降温,冷氦气返回以冷却高压的氢或氖,以使其 原 液化。 理 采用氦制冷体系与高压体系比拟: 与 所长: 技 相应地下降了行使压力 缩小了压缩机的尺寸 术 减小了体系原料的壁厚 不敷: 需用两台压缩机 图3.25 氦气制冷的氢液化体系 制 冷 原 理 与 技 术 制 冷 原 理 与 技 术 氢液化器中正-仲氦转换 氢大概存正在两种分别的形态:正氢和仲氢 制 正在均衡氢中正氢的浓度闭键取决于氢的温度: 冷 ? 正在常温下,均衡氢是75%正氢和25%仲氢的搀和物 原 ? 正在液氢的准绳沸点时,氢的均衡构成简直全面为 理 仲氢,占99.8%。 与 技 ?当氢气始末液化体系时,气体不大概正在热交流器内 术 仍旧足够长的工夫以创办起肯定温度下的均衡氢构成, 结果是液氢由贴近处境温度下的正仲氢构成。 图3.26 正仲氢转化摆设 制 冷 原 理 与 技 术 16. 考林斯氦液化体系 ?早期氦液化器采用液氢行动预冷剂,如带预冷林德 -汉普逊体系能够用来液化氦气。 制 冷 原 考林斯氦液化器是克劳特体系的进一步进展具 理 有低温工程里程碑。 与 取除氦压缩机及膨胀机外的一齐部件行动说明 技 体系,对该安谧活动体系运用热力学第肯定律: 术 y h1 h2 h1 hf x1 he1 h1 hf x2 he2 h1 hf (3.32) 图3.27 考林斯氦液化体系 制 冷 原 理 与 技 术 制 冷 原 理 与 技 术 17. 西蒙氦液化体系 制 冷 原 理 与 技 术 图3.28 西蒙液化体系 制 冷 原 理 与 技 术 图3.29 西蒙液化体系的T-S图 制 冷 原 理 与 技 术 ?假定厚壁容器传入热量可逆,同时容器械料的比热 吻合德拜外达式: dQ mcTcdSc CcmcdTc (3.33) 制 冷 ?容器的熵变为: Sc 77.93Rc D3 (T 3 5 Tf 3) (3.35) 原 ?存正在漏热: S6 S5 (mc / m6)Sc (3.37) 理 与 ?液化率: (Sg S5) (mc / m6)Sc y (3.39) 技 Sg Sf 术 ?满液体一面的容积比: Vf mf f yf V m66 6 g / f y y g / f -1 (3.42) 3.1.2 气体分手和纯化体系 1. 热力学理思分手体系 制 半排泄膜:该膜仅答允一种气体自正在齐全地通过, 冷 而其他气体无法通过。 原 ?行使这种装备,气体搀和时就能够获取输出功,输 理 入同样的功就能够把他们分隔,所以,该经过是个 与 可逆经过。 技 ?如图3.30 左边的活塞只答允气体A通过,右边的 术 活塞只答允气体B通过,通过把两个活塞挪动到一块, 由气体A和B构成的搀和物就可逆地被分手成纯净的 气体A和气体B。 图3.30热力学理思分手体系模子. 制 冷 原 理 与 技 术 制 冷 原 理 与 技 术 制 冷 j原 理 与 技 术 ?理思气体搀和物分手的外面功: Wi / mm Tm[(ma / mm )Ra ln(Pm / P1a ) (mb / mm )Rb ln(Pm / P1b )] ?分压比=质地比: (3.45) Pm mmRmTm /Vm mmRm P1a maRaTa / Va maRa (3.46) ?种组分理思气体搀和物耗功: Wi / nm Tm yi ln(1/ yi ) j ?分手体系的分手效能为: (3.48) FOM Wi / nm Wi / mm W / nm W / mm (3.49) 2 搀和物的本质 (1) 相律 制 单组份物质以两相呈现时(比如液氮和气氮),并 冷 非一齐热静力学参数都是独立的。关于一组相态,正在 物性之间存正在一个蒸气压力方程的联系式。 原 理 关于众于一相和抢先一个组分物质,咱们必需应 与 用Gibbs相次序(1878年发觉)来描写形态所必要独立 变量的数目。 技 术 T = C - P +2 T:描写系统形态所必要独立变量的数目 C:存正在组分数 P:存正在的相数 图3.31榜样双组分温度-成份图 (a) 压力低于两 种组分的临界压 制 力 冷 原 (b)压力正在两种组 分的临界压力之间 理 与 技 (c)共沸搀和物 术 (2)温度-浓度图 图3.32两组分搀和物的冷凝 制 冷 原 理 与 技 术 图3.33氧-氮搀和物的温度-浓度图 制 冷 原 理 与 技 术 ? 相均衡弧线整个阵势取决组成搀和物分子之间的 内效率力。 ? 关于分子内效率较量弱的液体搀和物,如稀溶液 制 相似,可用闻名的Raoult定律外式: 冷 Pj j x j (3.51) 原 理 Pj :第j组分正在液相上部气相中的分压 j :正在搀和物温度下第j组分的蒸汽压 与 x j :正在液相中第j组分的摩尔百分数 技 术 一齐浓度下都遵照Raoult定律的搀和物 称为理思的溶液。 ?若正在液体搀和物上部蒸汽相也能够看作理思气体, 则蒸汽相的分压与总压力之间联系由定律GibbsDalton决议: 制 Pj py j (3.52) 冷 ?蒸汽相中第j组分的摩尔分量 : 原 y j ( j / p)x j (3.53) 理 ?理思气体搀和物的分压之和等于总压: 与 P Pj j xj (3.54) 技 j j 术 ?关于两组分搀和物,x2 1 x1,所以,遵照Raoult 定律双组分搀和物式: P 1x1 2 (1 x1) (3.55) 图3.35 氮-氩搀和物的温度-浓度图 制 冷 原 理 与 技 术 图3.35 氮-氩搀和物的温度-浓度图 制 冷 原 理 与 技 术 (3) 均衡常数 ?气相和液相中摩尔百分比之间的联系能够用均衡常 数外达: Kj yj / xj (3.56) 制 ?理思气体和液体的均衡常数: K j j / P (3.57) 冷 原 ?双组分搀和物的液相和气相构成由每个组分的均衡 常数来确定 : 理 y1 K1x1 与 技 y1 K2x1 K2 (1 x1) y1 y2 1 术 ?可求得液和气相中组分的摩尔百分比: x1 1 K2 K1 K2 (3.58) y1 K1x1 K1(1 K2 ) K1 K2 (3.59) (4) 焓-浓度图 ? 正在榜样氮 制 -氧搀和物体系 冷 的焓-浓度图中 能够看出露点线 原 (饱和蒸汽)和泡 理 点线(饱和液体)。 与 技 术 图3.36 101.3kPa 下氮-氧搀和物的 焓-浓度图 3.1.3 气体的分手道理 1. 简略冷凝或蒸发经过 制 2. 精馏道理 冷 原 3. 闪蒸揣测 理 4. 精馏塔的外面塔板数揣测 与 技 5. 最小外面塔板数 术 6. 精馏塔的类型和机闭 1. 简略冷凝或蒸发经过 通过一面冷凝能杀青搀和物的分手经过的效能主 要取决于温度-浓度图上相分手弧线的形式。 制 冷 对沸点相差较大的物质所构成搀和物通过一面冷 原 凝能到达有用的分手,而对沸点邻近物质所构成的混 合物该法将遗失分手效率。 理 与 技 真相上通过简略的冷凝并不行把气氛分手成纯组 分,仅能到达一面分手,不行知足很众本质的运用。 术 而氮-氦搀和物,氨-氢搀和物等因为沸点相差很大, 齐全能够通过一面冷凝法杀青写意有用的分手。 二元组分相变经过的闭键特色: 关于某一因素的二元搀和物,正在肯定压力 制 下,初阶冷凝或初阶蒸发到冷凝聚束或蒸发 冷 终止时温度是一直改观的,这一点与纯组分 原 分别。 理 正在冷凝或蒸发经过中,液相和气相的浓度 与 是接连改观的。 技 术 通过一面冷凝或蒸发能够有用地分手沸点 相差很大的二元搀和物,但对沸点相差较小 的二元搀和物达不到有用的分手。 2. 精馏道理 精馏便是以 一面蒸发和部 制 分冷凝用逆流 冷 方法举行复迭 原 分手的经过。 理 与 技 术 图3.38 精馏塔的道理 图3.39 精馏经过中温 度-浓度图 制 冷 原 理 与 技 术 图3.40 气泡通过塔板 时热质交流境况 塔板效能:塔板上的浓度改观与均衡时应到达 的浓度改观之比 ?1946年 Geddes 说明 制 了气泡与液体之间质 通报的境况,获得了 冷 塔板效能式: 原 M 1 exp( 3UM t0 / Rb ) 理 (3.61) 与 普及塔板效能的要素: 技 术 ① 小气泡(小 Rb ) ② 长接触工夫(大t 0 ) ③ 大的总质交流系数U M 图3.41 板效能的界说 3. 闪蒸揣测 闪蒸揣测的办法如下: 第j组分质地均衡 : 制 xFj F y jV x j L y j (F L) x j L (3.62) 冷 原 yj xjK j 1 xFj L / F (1/ Kj 1) (3.63) 理 能量守恒 : 与 hF F hL HV hL H (F L) (3.64) 技 分开体系液体物流的百分比: L H hF (3.65) 术 F H h 蒸汽相的摩尔百分比之和等于1 : j yj 1 xFj j 1 L / F(1/ Kj 1) (3.66) 搀和压力已知,则仅含一个未知量即搀和物 温度。揣测办法如下: 假定一个正在露点和泡点之间的一个温度 制 露点和泡点的温度由搀和压 力及供料摩尔百分比决议 冷 原 揣测液体百分比 理 与 用蒸汽相的摩尔百分比之和等于1验证 技 术 若不等于1,重 若等于1,则 新假定搀和物温 求解终止,开 度,反复上述步 始假定的搀和 骤 物温度精确 4. 精馏塔的外面塔板数揣测 有两种基础本事用来揣测精馏塔内所需的外面塔 板数: 制 I. 本事之一是1921年Ponchon和1922年Savarit创办 冷 的,它是一实用于一齐境况的无误本事,但运用 原 该法必要精确的焓值数据。 理 II.另一本事是1925年McCable和Thiele创办的,它正在 与 运用时仅必要均衡浓度数据。 技 术 咱们正在筹议时行使McCable-Thiele 本事, 由于它最适合于低温形势。 图3.42 理思塔板揣测公式推导中所用的体系 Vn界说为分开第n块塔板的蒸汽流率 Ln界说为分开第n块塔板的液体流率 制 冷 原 理 与 技 术 ?取第n块板上方塔的一面行动说明体系,运用质地守 衡定律能够获得: Vn Ln1 D (3.67) ?对低沸点组分运用质地守衡定律得: ynVn xn1Ln1 xD D 制 ?运用热力学第肯定律得: (3.68) 冷 H nVn hn1Ln1 hD D QD 原 ?产物流率与蒸汽相流率的比值: (3.69) 理 D Hn hn 1 与 Vn (QD / D) hD hn 1 (3.71) 技 ?精馏段的操作线方程: 术 yn (Ln1 / Vn ) xn1 (D / Vn ) xD (3.73) ?提馏段的操作线 (B /Vm )xB (3.74) 求McCabe-Thiele解的外面塔板数 均衡线:蒸汽相 制 的摩尔百分比 冷 对与蒸汽相热 原 均衡液相中氮 理 的摩尔百分比 与 图. 技 术 图3.43 McCabe -Thiele法的解 ? 当顶部和底部产物纯度相当高时,正在全部浓度边界 内单个McCabe-Thiele图因为正在x=0和x=1邻近变得相 当小而该法不适用。对产物纯度央浼很高的境况下, 为操作线进口段进展一个简略说明外达式来揣测外面 制 塔板数。 冷 ? 当底部产物为气相,当底部产物为液体时,M等于 原 理思塔板数加1(因子1代外欢娱器的外貌)。 M是外面 理 塔板数为: 与 技 M ln(xB / y M ) ln( Lm 1 / VmK1) (3.75) 术 ? 精馏段外面塔板数的简略说明外达式: ln(1 yN ) N 1 xD ln(Ln 1 /VnK 2) (3.76) 5. 最小外面塔板数 ? 当操作线时,给定分手经过的外面塔 制 板数到达最小,由于这时正在塔底到塔顶之间取的步数 起码。 冷 原 ? 外面塔板最小数能够行使45度对角线行动操作线 理 正在McCabe-Thiele图上求得,或行使Fenske-Underwood 与 式求得: 技 术 N m in ln xD xB (1 (1 xB xD ) ) ln( K1 / K 2) 1 (3.77) ? 最小回流比爆发正在两条操作线和供料线与均衡线相 交于统一点的形态下。固然该前提下回流比最小,但 所需的外面塔板数是无限大。 制 ? 正在本质体系中, 冷 应正在最小外面塔 原 板数(固定产物流 率下无限大制冷 理 量)和最小制冷量 与 的塔板数(无限大 外面塔板数)之间 技 取一折中值。 术 图3.44 所需外面塔板数的注释 6. 精馏塔的类型和机闭 (1) 筛板塔 ? 筛板塔是由塔板构成。 制 ?塔板由筛孔板、溢流装 冷 置构成。 原 理 与 技 术 图3.45 筛板塔的机闭道理图 (2) 泡罩塔 ? 正在塔板上按等边三角形分列很众泡罩。泡罩边沿有 齿缝,浸没正在液体中。塔板上液层高度由溢流堰保 证.上升蒸汽通过泡罩齿缝造成喷射穿过液层时,一 制 一面蒸汽穿过液层饱泡,造成泡沫,并使液体分袂成 冷 液滴和雾沫;另一一面蒸汽则夹带着泡沫,液滴和雾 沫上升到塔板上的空间。正在这个空间里举行两相的接 原 触,这是热质交流的闭键区域。 理 与 图3.46 圆形泡罩的机闭 技 术 泡 操作相等安谧,即负气体负荷爆发较大变化, 罩 对操作也影响不大 塔 泡罩塔拦液量大,希奇实用于从塔板上抽出 的 或参加液体 制 冷 优 点 泡罩塔板上蒸汽流道大,所以不易被固体颗 粒停顿 对塔板程度度央浼一不象筛板塔那么厉刻。 原 泡罩塔板正在目前空分装备中闭键用正在以下两 理 种境况: 与 下塔最下面一块塔板,不易被二氧化碳颗粒停顿。 技 负荷改观大,这时采用筛孔塔板和泡罩塔板相间的 搀和机闭计划。 术 泡罩塔板的差池是: 机闭纷乱,耗材大,制价高,流阻大,正在打算工况 下塔板效能不如筛板塔。 (3) 浮阀塔 浮阀:正在浮阀塔内每层板上除有溢流斗外,尚正在板上开有 很众大孔,每个孔中装一个可举止的阀。 制 浮阀的特色: ?能够正在肯定边界内自正在起落 冷 ?能够自愿调整蒸汽通途的面积,以合适蒸汽量的改观 原 ?没有蒸汽通落伍,浮阀下跌盖住阀孔 理 最大所长是变产量时塔板效能不会有很大下降 与 技 术 图3.47 浮阀机闭示妄图a)型机闭简略修制便利省原料;b)型阀 孔为文丘里型,阻力小,实用于减压体系;c)型操作弹性边界大, 实用于中型试验装备。 (4) 填料塔 ?填料塔由塔体、填料、喷淋装备、撑持栅板、 再分派器、气液进口管等构成。 制 冷 填料可负气液两相高度分袂,增加相间接触面积。 原 喷淋装备可使液体匀称地喷洒正在填料层上。 撑持栅板撑持填料层,使蒸汽匀称地通过填料层。 理 再分派器使液体不妨匀称地润湿一齐填料,可避免 与 液体沿筒壳活动而使中心填料得不到润湿。 技 填料塔填料中金属丝网鞍形和金属波纹填料已得 术 到了广博行使。它们具有比外貌积大、传质成果好、 阻力小、密度小、金属耗量少等所长。 3.2.4 变压吸附 少许具有代外性的工业经过中的绝大大批都采用了 变压吸附(PSA)轮回。 制 一个榜样的PSA体系是由三到四个互相毗连的吸附器 冷 构成,它可使原料进料和产品出料接连活动。 原 理 工 业 对吸附质有大的吸附才干 有高度的挑选性 与 吸 能再生和众次使 技 术 附 有足够的板滞强度 剂 化学本质安谧 性 供应量大 质 价值低 ? 目前闭键有以下几种吸附剂:活性炭、硅胶、活性 氧化铝和沸石分子筛。 ?行动吸附剂的沸石分子筛有下列特色: 制 (1)有极强的吸附挑选性。 冷 (2)正在气体组分浓度低(分压低)的境况下,具有较大的 吸附才干. 原 理 与 图3.48微孔径散布图 技 a) 3A型沸石 术 b) 4A c) 5A d) 10X e) 13X f) 分子筛炭 g) 活性炭 ?正在肯定温度和压力下,当脱附速率和吸附速率相当 时,便到达吸附均衡。正在均衡前提下吸附物质的众少 用吸附量外现。 ?吸附均衡数据外现方法闭键有三种:吸附等温线,吸 制 附等压线和吸附等量线,最常用的是吸附等温线。 冷 原 理 与 技 术 图3.49五品种型的吸附等温线 ?Skarstrom轮回:最早的无热吸附,它是两床配置。 ?轮回经过为:正在吸附阶段后,第一床被泄压到大气压, 同时,受压缩的原料搀和气被送到第二床以充压,然 后正在进料压力下初阶吸附阶段。一一面由第二床出来 制 的纯化气以逆流方法通过第一床,正在低压(大气压)下 冷 吹扫床层,使吸附剂活化,以打定下一次轮回。 原 Skarstrom轮回的两 理 个有效点: 为“存在吸附热” 与 应仍旧短的轮回和 技 低产量。 术 用于低压吹扫气 的体积起码不少于 高压原料气的体积。 图3.50 Skarstrom 变压吸附轮回 ? Guerin-Domine轮回能够按照待分手搀和气体的性 质,改动吸附床的数目、互相毗连方法和操作计划。 正在这个轮回中每个床包括三个阶段: 用气氛使A床加压,(而B床正被抽空) 制 通过B床使A床泄压(两床气都往卑鄙动)搜聚氧气 冷 A床抽气 原 ?鄙人半个轮回 理 中A和B的效率相 与 反而结束一个吸 附分手轮回。 技 术 图3.51 Guerin- Domine轮回 变压吸附分手的职能目标通过三个参数来量度: ? 产物纯度 制 ? 产物接受率 ? 吸附剂的分娩才干 冷 这三个参数不行同时两全,要获取高纯度的 原 产物,产量就要下降,势必惹起其余两个参数 理 的下降。 与 技 ? 因为正在于吸附床中有死空间,死空间中的产物是无法 接受的,正在降压经过中白白放空,从而使产物接受率下 术 降,产物气压越高,失掉就越大。 ?变压吸附轮回始末很众专家美满,进展了很众成熟的 构想,正在下降能耗及制服死空间方面作出很大的改革。 疾速变压吸附 从PSA斥地初期就已清楚到,因为吸附热和脱附热 惹起床内温度颠簸的对象都倒霉于分手经过。当床几 乎正在等温下操作能力杀青最好的分手。正在工业上告捷 制 地用单沸石床小范畴分娩氧气,轮回周期小于30秒, 于是吸附与脱附正在等温前提下杀青。 冷 原 理 与 技 术 图3.52 疾速变压 吸附分手氧 3.1.4 膜分手本事 用膜分手本事举行气体分手的所长: ? 分手经过中没有相变, 经过简略, 可正在常温下进 制 行操作, 裁减能源的花费。 ? 与古代的空分装备比拟,能耗低。要降落(30~60) 冷 %。希奇是分手共沸物质, 有奇特的良好性. 原 ? 重量轻,占地面积小,纯度高,劳动压力的边界 理 宽。 氮气纯度可达99.9%, 分娩的氮气特地干燥,露 点温度可达-100℃。 与 ? 效能高,每kg膜纤维接连的分娩才干比变压吸附 技 要大。 ? 没有运动部件,简直用不着庇护,所以庇护用度 术 少, 高效能和高牢靠性下降了操作运转用度。 ? 配置简略、机动性好,只须有一个压缩气氛的气 源,就能够接连地劳动,并且能够省去贮运气体或液 体的配置。 膜分手配置中的环节是膜组件: 从气体分手的机理分:众孔型膜和非众孔型膜。 从原料本质分:有机膜(高分子膜)和无机膜。 制 从膜组件的机闭型式分:中空纤维型和缓板型两种。 冷 用于气氛分手装备的膜组件闭键是中空纤维型。 原 理 与 技 术 图3.53 膜组件的机闭 ?中空纤维型的膜组件是由上百万根空心纤维 构成的纤维束。 制 ?膜的特色:对某些气体有优先排泄或熔化的能 力。 冷 原 理 与 技 术 图3. 54气体分手模子 气体膜分手装备是通过膜壁对气体排泄来杀青的。 用于气体分手的膜有两品种型:众孔型膜和非众孔型膜。 膜的职能央浼: 制 具有很高的气体排泄通量和高的挑选性,能正在高 冷 压下劳动,抗杂质的才干要强,并且要持久仍旧高的 效能。 原 从膜排泄出来的气流中,可运用正在良众方面: 理 制药工业 与 养殖业,能鼓吹鱼的滋长 技 助燃富氧气氛正在燃烧中能够裁减散射和加添效能 家庭富氧疗法对呼吸坚苦的病人的看护是有利的 术 废物的收拾,正在发酵经过和处境废物的收拾经过中, 富氧气氛能够加添细菌的活性 空间本事燃料体系的惰化 食物工业生果和蔬菜的保鲜 3.1.5 气氛分手体系 1. 林德单塔体系 制 冷 原 理 与 技 术 图3.55 林德单塔气体分手体系 制 冷 原 理 与 技 术 ?林德单塔分手体系是最简略的气氛分手体系之一,采 用的是基础的林德-汉普逊液化体系,捕鱼游戏平台用精馏塔取代了 储液器,当然也能够用其他液化体系来为塔内供应液体. 制 林德的单塔体系 冷 有两大差池: 1)仅能获得纯氧 原 产物 理 2)污氮放空挥霍 与 了大方的氧 技 术 图3.56为单塔体系 精馏劳动经过图。 2 林德双塔体系 ?采用两个精馏塔,下塔氮气液化行动下塔回流液通过 上塔氧的欢娱来杀青,上塔欢娱氧蒸汽行动上塔的上 升蒸汽。下塔发作众余的液氮撙节到上塔顶部作回流 制 液。 冷 原 理 与 技 术 图3.57 林德双 塔气氛分手体系 3 林德-弗兰克体系 ? 林德-弗兰克体系采用蓄冷器和氨预冷及膨胀机, 分手体系的液化一面是氨预冷的双压克劳特液化体系. 制 冷 原 理 与 技 术 图3.58 林德-弗兰 克气氛分手体系 4 海兰特体系 ? 海兰特体系能够获得液氮和液氧产物。 制 冷 原 理 与 技 术 图3.59海兰特气氛分手体系 5 氩分手体系 ? 大气中不光仅是氧和氮的搀和物,而是9种气体所组 成的搀和物。有数气体闭键是体积比为0.93%的氩。 制 冷 ? 氩气的沸点介 于氧和氮之间,空 外3.5干燥气氛的构成 成份 氮 体积百分比 78.084 重量百分比 75.521 原 气进入塔后,始末 氧 20.946 23.139 理 与 精馏,将正在上塔中 氩 0.934 间某些部位造成氩 二氧化碳 0.033 的富集区。 有数气体 0.003 12.288 0.050 0.002 技 有数气体 氖 容积ppm 18.18 重量ppm 12.67 术 氦 5.24 0.724 氪 1.14 0.295 氢 0.50 0.035 氙 0.086 0.390 氩气分手体系凡是由两一面构成: (1)粗氩子体系(2)纯化子体系 制 冷 原 理 与 技 术 图3.59 粗氩子体系 正在工业上用于氩纯化的子体系有两种: 粗氩经化学除氧和低温精馏除氮后成为纯氩 低温精馏除氮和低温吸附除氧而获得纯氩 图3.60 氩纯化子体系1 制 冷 原 理 与 技 术 图3.61 氩纯化子体系2 制 冷 原 理 与 技 术 6 氖分手体系 ? 惰性气体氖的沸点仅高于氦和氢,蒸发潜热大, 适合正在低温试验室内作制冷剂;电导高,正在真空下通 电发红光,所以持久以还用来充填信号装备。 制 氖分手体系由两个子 冷 体系所构成 原 (1)粗氖子体系: 理 获取粗氖的气 与 体搀和物,其构成 技 为:46%氖、19%氦、 33%氮和2%的氢。 术 图3.62 粗氖子体系 (2)纯化子体系 把粗氖-氦搀和气送入纯化子体系,然后加氧正在触 媒炉内氢气与氧气燃烧造成水蒸汽。接下来粗氖-氦气 进入冷却器,水蒸汽被冷凝,正在干燥器内被吸附掉。 制 冷 原 理 与 技 术 图3.63 氖纯化子体系 7 氢分手体系 ? 从搀和气平分离氢的低温体系,闭键用来从焦炉 煤气或富氢的副产物气平分离氢。 ? 工业氢原料气之 外3.6 榜样的焦炉煤气构成及构成物的沸点 制 一是焦炉煤气,一种 构成物 大气下沸点 体积百分比 冷 原 由氢、氮、氧 、一 氧化碳、二氧化碳、 甲烷、乙烷和其它一 H2 N2 (K) 20.3 77.4 (%) 46.5 13.1 理 些碳氢化合物所构成, CO 81.6 6.3 与 技 术 由于氢的沸点与其它 O2 组份相差特地大,所 以从搀和物平分离氢 用不着精馏塔,采用 CO2 CH4 简略的冷凝-蒸发过 C2H6 90.2 194.7 111.7 184.5 1.0 3.2 26.2 1.0 程就能够知足分手的 碳氢化 ── 2.6 央浼。 合物 其它 ── 0.1 图3.64林德-布卢尔氢分手体系 制 冷 原 理 与 技 术 ? 关于氢分手体系加以改革,该体系有别于林德 -布卢尔体系。其不必要附加液氮,而采用膨胀机来 制冷。 制 冷 原 理 与 技 术 图3.65氢分手体系 8 氦分手体系 目前工业上从自然气中提取氦的闭键本事有三种 ? 冷凝法: 将自然气逐级冷却,使各类烃类分凝,得 制 到浓缩氦。用冷凝法可获取浓度为50~90%的粗氦。 ? 膜分手法: 行使各类气体对有机薄膜透气职能上的 冷 分别,使氦从自然气平分离出来。 原 ? 扩散法: 行使氦所具有的高热扩散性使自然气中的 理 氦浓缩,所用的扩散元件为石英玻璃毛细管。 与 技 ? 自然气分手氦体系,和从焦炉煤气平分离氢相似, 自然气中的闭键成份与氦气的沸点相差特地大,不需 术 要精馏塔,只需采用简略的冷凝—蒸发器来分手就足 够了。 图3.66自然气分手氦体系 制 冷 原 理 与 技 术 9. 气体纯化本事 正在各类低温气体分手体系中,去除少量杂质的本事主 要有两种: (1)冷凝纯化,如从气氛中去除水,二氧化碳; 制 (2)物理吸附,如从气氛平分离氩。 冷 (1)冷凝纯化 原 理 ? 气体纯化最简略的本事是通过冷却将搀和气 中杂质气体冷凝或冻结。 与 ? 这种本事的分手效能取决于制冷温度下的杂 技 质气体的分压。若气体间的蒸汽压特地贴近(例 : 术 氧和氮),则冷凝纯化法无效。若气体间蒸汽压相 差很大(例:水蒸汽和气氛),那么这种本事对去 除杂质气体特地有用。 (2) 物理吸附 吸附(固体对气体):当气体与固体接触时, 正在固体外貌或内部爆发容纳气体的征象。 解吸或脱附:已被吸附的原子或分子返回 制 气相或液相中去。 冷 吸附可分为物理吸赞成化学吸附两类: 原 物理吸附是气体分子靠范德瓦尔力吸附正在固体吸 理 附剂上,它相似蒸气的固结和液化。 化学吸附:其效率力与化合物华夏子之间的效率力 与 相像,吸附后气体分子与固体外貌原子之间造成吸附 技 化学键。 术 ? 气体分手体系中碰到的闭键是物理吸附。硅胶、 活性炭、活性氧化铝这些吸附剂具有众孔性机闭,它 们都具有很大的有用外貌积,正在低温下对气体具有很 好的吸附职能。 ?正在很众体系里,冷凝纯化和物理吸附纯化拼装正在一个 单位内。 ?待纯化的气体 开始通入换热器 制 内冷却,正在该换 冷 热器中,把来自 于压缩后纯化气 原 体中的水和油被 理 冷凝或冻结下来。 与 始末换热器的干 燥气体通入低温 技 下的等温吸附器 术 内吸附掉杂质气 体。 图3.67 组合式纯化器