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1、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KTs120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（ ）sT石油气（戊，已烷） ， 天然气（甲烷）（2）空分成分： 约 80K22NAOr（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 -

2、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：4CH2H化 学 产 汽 车民 用用 以 燃 烧167.MKTs焊 接 保 护 气保 护 气炼 钢空 气 主 要 成 分氩氮氧 8740)4( :239322kTMANOsrs（5）氖 来自空气， 灯炮气e:s:（6）氢 来自煤、天然气， 燃料2Hks20（7）氦 来自合成氨尾气、天然气 制冷剂e4:Ts.: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

3、） 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： .22COANr78% 21% 1% 二元：N 2 + O2三元：N 2 + O2 + Ar 可写作理想气体对待，M=28.97， )(7.81/)(9.7露 点泡 点sT在相平衡（汽/液）情况下：液体中，N 2：59% O2：40% ：1%Ar（1） ：安全，无味无毒，保护气体，2是极好的冷源介质，保存生命（生物） ，预冷和保护层L（ ）HeN,2（2） ：助燃，促进动植物生命新陈代谢，很活泼。O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。2L（制氧机的

4、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。Ar（4） ：很好的制冷剂，安全可靠（ ）Ne kTs27所谓的空分：就是从空气中提取 N2、O 2、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 混 合 物和2的密度最小， 最大， 最小、 最小，扩散能力很强，可以渗透金属 。Cp：a、制冷工质 b、洁净燃料 c、重氢的原料 2不易处理

5、，易燃易炸，易泄漏。（2）正氢与仲氢 Ortha-Hydrogen 正氢， 双 原 子 同 向 旋 转Para-Hydrogen 仲氢， 双 原 子 异 向 旋 转平衡氢( e- ) = )(2TfPHO正常氢（标准氢）(n- ) = 75% 22%5PH（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2LH2LOp 转化。 （ne 的放热，和 nP 的放热）所以 的性质有多种2正常氢（ ） ，平衡氢（ ） ，仲氢（ ）2H2He2p同位素有 2D正常氘（ ） ，。2n14 氦的性质氦有两种同位素

6、主要是天然气中提取kTMHes2.419.343通常指的氦为 ，同为 含量很少。e4e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He变 ：叫做超液氦，中间的线叫入线。LHe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”e,0（2）超导热性 。当 时， 的混合物存在。7.THe/， 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

7、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： 21h理想气体),(Tph)(Tf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hp2Tv积分节流效应 1dT 增 加降 低不 变TvcPhpphh 0取决于节流前的气体状态。ppcTd三种情况内在机理， )(0pvduvduh即，节流后 ，但 d(pv)不定， 也不确势动 u势 )(pvdu势动定。转化温度

8、与转化曲线根据微分节流效应 关系，可以求出 时的状态hnpT0h此时 为转化温度invhT0实践证明，当 曲 线时 出 现 一 个 转 化 温 度 的maxp节流前如果是 ，则节流后产生制冷效果。“invinvT通常必须 以后节流才能制冷maxi积分节流效应的计算（1） 图上表示sT（2） ， 为平均微分节流效应phh等温节流的效应 T)(0101chpT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hhTTh2-3 气体等熵膨胀通过膨胀机实现，对外做功微分等熵效应 sspT已知 dvTdChvTspp则 cTspp故 总是具有冷效应0pssTv对外作功的内位能的增加

9、，都是通过消耗内动能而产生的，因此 T理想气体 pscvRTv,膨胀前后温差 1212kpTT1 为初温， 为膨胀比12p制冷量计算 eTWhhq)()(21020等温节流效应 膨胀输出功Th要提高膨胀前后温差：（1）增加初温 （2）增加膨胀比1T21p膨胀机效率等熵效率，实际焓降与理论焓降之比 21hthprs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ehspWqcv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crT（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

10、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sTWmin twhsd01012)()(hWssTmin1212llpRTcsp即为循环包围的面积minW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 ，s与 （环境温度）的乘积， 即是不可逆所致s1TsT3、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 ZZW0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q0生的液化冷量 )(010hzq循环效率又称热力不完善度，为实际循环制冷系数

11、与理论循环系数pr之比。th prthprthrag Wwqmin00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。2NOAr 2NO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 2NOAr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

12、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， 102)(hzhkgAirzT001单位冷量 Thq0由于 一定（状态参数）1hThz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T时） 0)(Tph实际上是 转化曲线上Th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1T1p2、实际循环不可逆因素：a、 压缩机过程不可逆，用 来反映Tb、换热器又温差，不完全换热， )()1(12Tczqprc、 跑冷（装置大小、绝热条件等） 3实际液化量 21hzTpr单

13、位（加工空气）制冷量为 qqT0适当升高， 升高，高压气体 T 下降，对提高 有利。2p1p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 01hqzcTpr三、二次节流液化循环提高 1p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3q2q)(112hzqpr则有 010143)hVeprTpr 膨胀机的非等熵过程，定为膨胀机等熵效率 sssh4343则 qVeqsTpr0等温节流效应 膨胀制冷量耗功为 msTsprheRW12ln影响因素： 32V冷量过剩？pr

14、Tzqhp02冷量过剩？prZQVe0过分高，冷量不能被高压气所用。3换热器温度曲线（第）关系曲线ThG高压空气比热变化大，而低压 基本不变pc正流体 ，返流气)(kgVthkgz)1(任意截面， )(16912632 ppppt TcTc， 截面上流体温度26pT1流量之比，thVzVeth1热端温差一定， 规定，从而画出上述虚线，则minT从而确定 及Vezcbath1ez二、海兰德循环高压常温膨胀，增加绝热焓降可预冷，增加 wzr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，

15、7K 以下节流才会产生液体invT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 22LHN二、带膨胀机液化循环（1） 预冷+TE2L（2） 预冷 + 2TE（柯林斯循环）N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。i 10,21 iii

16、ii m（2）摩尔成分： ，第 i 组分在溶液中的摩尔分数ix如第 i 组分的摩尔数为 nMniii,则 10, iiiii xxnx也为 iiiiii MmiiiiiiiMnxiiiiiii xnxNm三、溶解度溶质在溶剂中可溶解的最大量，是 T， 的函数。p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， 021hq4-2 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

17、分的乘积。适用于理想溶液00iii pxp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）00,BApxpx由道尔顿定律 pxyy B0,则 如果饱和蒸气压0BABApxy 低 沸 点高 沸 点 0001BABAp则 BA4-3 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i iNpiigg21 1三、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

18、。分析知：独立变量（自由度）= 2)1(cpN相数 成份数 状态参数（p，T）pNc2相关关系式个数 = 个式子，使其相关)1(N所以独立变量 2)1(pcpcpf N如水水蒸汽平衡 )(1压 力则 f盐水盐水蒸气平衡 )2成 分压 力则 Nfpc空气中， ArO2 2,(43xpTNf则4-4 二元溶液的相平衡一、气液相平衡 2,2fpc NN则有 图， 图， 图)(x)(xT或)(xh或由康诺瓦罗夫定律知： 不同iiy与在 Tx 图上可看出x 的浓度时，露点温度 和饱点温度 在 之间DTBT0BA和压力越高，气液浓度差越小，越难以分离。 图或 )(h在 p 一定期时，按 图指出 图，反映过

19、程热量的进出Th特点：（1）两条饱和线不相交，在 处反映了 A 和 B 的气化潜热10和（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 pf0iifx逸度系数 ，考虑其偏差活度代替浓度 iix类似道尔顿分压定律Tiif0活度系数 iix则 气相中，理想系中，iiiyff0 1i液相中iiix二、气液平衡系的分类1、 服 从 拉 乌 尔 定 律液 相 为 理 想 溶 液 服 从 道 尔 分 压 定 律气 相 为 理 想

20、气 体 混 合 物完 全 理 想 系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 0iiii fyfxyk平衡时，气液中，T，p，g，均相同，则 0 iiii fykf（1） ，露点方程 1iiii kyxyx已知 ，假定 则i 1iii xTDT（2） ，泡点方程iiii xkykxy已知 Biii y则假 定, 24-6 溶液基本热力（工作）过程一、混合11,htm,htm22,t总质量守恒： m21总能量守恒： hh溶质质量守恒： 21 如 果 混 合 过 程 有 热 效 应)

21、()( 12122 qhhmh 二、蒸发与冷凝蒸发：质量守恒： m溶质质量守恒： 气化量效，杠杆规则在 p 一定时， 图T（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： 212121 ph节流前 ，状态为过冷液体p节流后 ，状态为湿蒸气2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t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11,thm22,th

22、m1 点的溶液+d 点的蒸气2 点的饱和溶液（ ） （ ） （ ）tut2t线上的 线表示吸收的蒸气量比例d吸收每 kg 蒸气所需溶液量即 Dmg112dg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Mdg12根据能量守恒关系， ，则：DQqhmDhQava 21)()( 2121211221 hhhmhqvvva 气体 rtD,溶液第五章 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

23、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： %1.79:.0:2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 22NOpy220NOxp22ONp则 222222 00OOOxpy相平衡图： 图，p 为参变量， 浓度yxT图，p 为参变量， 浓度2N图，以 为坐标，p 为参变量， 浓度，x，y 分开作图。yxhh2N三元系气液平衡 %1.78:93.0:

24、%95.20: 2ArO三个自由度 加一个浓度,pT平衡图：（压力一定） 参 变 量 图参 变 量 和 1221, yxyx5-2 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。2O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2N气。2N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 ，2O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2N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

25、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2N2O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；2O精馏段越高， 纯度越高。N气液比， 之比，液体量越大， 纯度越高；VL2N气体量越大， 纯度越高。O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1221

26、hLVhxyxy能 量 守 恒 ：氮 组 分 守 恒 ：质 量 守 恒 ：得 ，L21汽液比12xyV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 CVL以下塔为例： kk，如果进塔空气是饱和状态，是 则NkNxLyxy2222 VkLk在任意的断面上，则有 kNkxLVy22则 操作线方程)(122NxyVxy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：VL上塔中，塔顶出口氮，塔底出氧的浓度一定。中部

27、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1C最大气液比2VL5-4 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。2N2O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， prthN（2） 板效率：某个塔板上实际浓度变化与理论浓度变化之比。1nthvythnLx1（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

28、 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， (%)、化学法：碱+水 碱与结晶水如： OHNaNaOH2244、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pT,吸附能力减弱pT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。、冻结法：氨液冷冻，蓄冷器冷冻。6-3 的清除22HCO及一、 在空气中含量，约为

29、 0.030.04%清除：化学法 吸咐法 冷冻法（1） 化学法：碱洗， OHCNaaOH2322（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）2N二、 的清除2HC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。2,COH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2N2O酸、醇、醛：

30、作为原料玻 璃： 保护气2航天： 助燃推进， 压送剂2OLN其它： 作为冷源，是 生产的副产品L2O作为保护气：窒气、防氧化、防腐蚀、干燥气。2NAr：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 PSAT变 压 吸 附变 温 吸 附薄膜渗透法： 气 体的 空 心 纤 维 中 获 得 分 离md105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2NOeHXeKr2CO烷、烯、炔，主要是 从天然气中提24以液态形式越来越多，便于

31、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：5072000Nm 3/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

32、）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。2O2L(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 ，2LO2LO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

33、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2HC（2）产品 经过了两级换热器N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。2LO2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（

34、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）2CO 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）2LN 生产 （ 既是制冷工质， 液化介质）O2O在原生产装置上附加上述方案可以制取 or 。2LN2制冷工质也可用污氮气、空气等。图三、

35、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 91100hm3 hm3：19780 约 2 万2O：30370 约 3 万N：750 2LNhm3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 ）2HC液氧过冷器，液氮过冷器，热虹吸蒸发器（2）LAir 加工空气：198000 0.629MPahm3：40000 8.55 MPa2O中压 ：8000 0.561 MPaN3高压 ： 90800 + 11600（返回）2（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+

36、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、

37、低压流程制冷系统耗能低：14002100 压力：0.50.6MPa23/OmkJ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

38、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

39、况：气液比（ ）大传热、传质动力大VL不可逆损失大，系统效率低考虑使上塔 VL拉 赫 曼 原 理增 加 气 体 量减 少 液 体 量 （a ）空气膨胀：下塔冷凝液少，进入上塔的液体量少 L膨胀后空气进上塔 拉赫曼气体V（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VL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23/460325.1OmkJMPa能 耗等 温 节 流 效 率 压 力下 塔中 压 膨 胀图（1）参数选择：（a ）高压压力 2P高压压力 节流制冷占比例大，膨胀量2P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