1、 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术第三章第三章 低温原理与技术低温原理与技术第一节第一节 气体液化与分离气体液化与分离第二节第二节 低温制冷机低温制冷机 第三节第三节 低温绝热低温绝热 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术3.1 3.1 气体液化与分离气体液化与分离3.1.1 3.1.1 气体液化气体液化3.1.2 3.1.2 气体分离和纯化系统气体分离和纯化系统3.1.4 3.1.4 变压吸附变压吸附3.1.5 3.1.5 空气分离系统空气分离系统3.1.3 3.1.3 气体的分离原理气体的分离原理 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术3.1.1 3.1.1 气体液化气体液化
2、1.1.基本概念基本概念2.2.热力学理想系统热力学理想系统 3.3.简单林德汉普逊系统简单林德汉普逊系统 4.4.带预冷林德汉普逊系统带预冷林德汉普逊系统 5.5.林德双压系统林德双压系统6.6.复迭式系统复迭式系统7.7.克劳特系统克劳特系统8.8.卡皮查系统卡皮查系统9.9.海兰特系统海兰特系统10.10.采用膨胀机的其它液化系统采用膨胀机的其它液化系统11.11.液化系统液化系统12.12.各种液化系统的性能比较各种液化系统的性能比较13.13.用于氖和氢的预冷林德汉普逊系统用于氖和氢的预冷林德汉普逊系统14.14.用于氖或氢的克劳特系统用于氖或氢的克劳特系统15.15.氦制冷的氢液化
3、系统氦制冷的氢液化系统16.16.考林斯氦液化系统考林斯氦液化系统17.17.西蒙氦液化系统西蒙氦液化系统 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术1.1.基本概念基本概念 mw/fm/wm/myfymwmwf)/()/(3.1)系统的性能参数系统的性能参数单位质量气体的压缩功单位质量气体的压缩功单位质量气体液化功单位质量气体液化功 液化率液化率三者之间的关系是三者之间的关系是:制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术循环效率循环效率FOM(FOM(热力完善度热力完善度):):通常以理想循通常以理想循环所需的最小功与实际循环液化功比值作为环所需的最小功与实际循环液化功比值作为评定的标准。评定的
4、标准。压缩机和膨胀机的绝热效率压缩机和膨胀机的绝热效率压缩机和膨胀机的机械效率压缩机和膨胀机的机械效率换热器的效率换热器的效率换热器和管道的压降换热器和管道的压降系统与环境的热交换系统与环境的热交换ffiim/wm/wwwFOM(3.2)实际性能参数实际性能参数 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术2.2.热力学理想系统热力学理想系统 图图3.1 3.1 热力学理想液化系统热力学理想液化系统.(a)T-S.(a)T-S图，图，(b)(b)系统图。系统图。制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术.in.outnetnet)gz/vh(m)gz/vh(
5、mWQ2222稳定物流的热力学第一定律稳定物流的热力学第一定律:通常动能和势能的变化相对于焓变而言小得多通常动能和势能的变化相对于焓变而言小得多:netnetWQ.mhmhinout.理想系统时理想系统时:)hh(.m)hh(.m.wQffiR.11 等熵过程等熵过程 :SSf2QmT SSmT SSRf.().()12111液化气体的理论最小功液化气体的理论最小功:fiffimwhhSSTmw)()(111(3.3)(3.4)(3.5)(3.6)(3.7)制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术表3.1 液化气体的理论最小功(初始点P=101.3kPa，T=300K)气体名称沸点(K)理论最
6、小功(kJ/kg)氦33.198178氦44.216819氢20.2712019氖27.091335氮77.36768.1空气78.8738.9一氧化碳81.6768.6氩87.28478.6氧90.18635.6甲烷111.71091乙烷184.5353.1丙烷231.1140.4氨239.8359.1 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术3.3.简单林德汉普逊系统简单林德汉普逊系统 图图3.2 3.2 林德汉普逊系统林德汉普逊系统.制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.3 3.3 林德汉普逊循环的林德汉普逊循环的T TS S图图 制制
7、 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 21)(0hmhmhmmfff f.fhhhhymm1211hfh 气体的液化率依赖于：大气条件下(点1)的压力 和温度 ,从而决定了 和 ；等温压缩后的压力 ，由 决定。1PT1P2P2h2我们无法改变环境状态我们无法改变环境状态,因此系统的性能取决于压力因此系统的性能取决于压力 要使液化率要使液化率 最大，则必须使最大，则必须使 最小：最小：(hP)TT10热力学第一定律应用于除压缩机外的所有设备，得到热力学第一定律应用于除压缩机外的所有设备，得到:0)11TTpJTTTC()Ph(2hy2p(3.8)(3.10)制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术
8、术图图3.4 3.4 用氦或氢作工作流体简单用氦或氢作工作流体简单林德汉普逊系统的启动过程林德汉普逊系统的启动过程 简单的林德汉普逊简单的林德汉普逊循环循环不能不能用于液化氖、氢用于液化氖、氢和氦和氦:1.1.由于这些气体的由于这些气体的转化温度低于环境温度，转化温度低于环境温度，所以无法降温启动。所以无法降温启动。2.2.用林德汉普逊用林德汉普逊系统能够获得降温，通过系统能够获得降温，通过低温下节流后完全都是蒸低温下节流后完全都是蒸汽，没有气体被液化。汽，没有气体被液化。制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.5 3.5 即使氢或氦的简单林德汉普逊系统能按正确即使氢或氦的简单林德汉普
9、逊系统能按正确方向启动，它仍不能传递足够的能量以获得液体方向启动，它仍不能传递足够的能量以获得液体 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术林德汉普逊系统的耗功林德汉普逊系统的耗功 :)(12hhmwQR单位质量耗功单位质量耗功 :)()(/21211hhssTmw)()()(21211211hhssThhhhymwmwff单位质量的液化功单位质量的液化功:(3.11)(3.12)(3.13)制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术4.4.带预冷林德汉普逊系统带预冷林德汉普逊系统 预冷林德汉普预冷林德汉普逊系统逊系统:对简单林德对简单林德汉普逊系统，当热汉普逊系统，当热交换器入口温度低交换器入
10、口温度低于环境温度时，可于环境温度时，可以改善简单林德以改善简单林德汉普逊系统的性能汉普逊系统的性能指标。指标。图图3.6 3.6 液化率随热交换液化率随热交换器入口温度变化关系器入口温度变化关系.制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.7 3.7 预冷林德汉普逊系统预冷林德汉普逊系统 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.8 3.8 预冷林德汉普逊循环的预冷林德汉普逊循环的T-ST-S图图 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术应用热力学第一定律应用热力学第一定律 drffarfhmhmhmhmhmm21)(0定义制冷剂的质量流率
11、比定义制冷剂的质量流率比:mmrr液化率液化率:yhhhhrhhhhfacf1211带预冷系统的最大液化率带预冷系统的最大液化率:yhhhhfmax636(3.14)(3.15)(3.16)(3.17)假定主压缩机是可逆等温的假定主压缩机是可逆等温的,附加压缩机是可逆绝附加压缩机是可逆绝热的热的.单位质量加工气体压缩耗功单位质量加工气体压缩耗功:fiffimwhhSSTmw)()(111(3.18)制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.9 3.9 液化率与极限液化率液化率与极限液化率随制冷剂流率的变化。随制冷剂流率的变化。图图3.10 3.10 带预冷林德汉普带预冷林德汉普逊系统单位
12、质量氮气液化功逊系统单位质量氮气液化功 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术5.5.林德双压系林德双压系统统图图3.11 3.11 林德双压系统林德双压系统 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.12 3.12 林德双压系统林德双压系统T TS S图图 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 取热交换器，两个气液分离器，二个节流阀，作为热力分析系统，针对稳定流动，根据能量守恒原则，根据能量守恒原则，可得液化率为可得液化率为:yhhhhihhhhff131121中间压力蒸汽流率比：中间压力蒸汽流率比：im mi./热力学第一定律应用于两个
13、压缩机，单位质量气体单位质量气体的压缩耗功为的压缩耗功为:wmT SShhi T SShh.()()()()1131311212(3.19)(3.20)(3.21)制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.13 林德双压系统液化功林德双压系统液化功 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术6.6.复迭式系统复迭式系统复迭式系统是预冷系统的展开，由其它制冷复迭式系统是预冷系统的展开，由其它制冷系统来预冷。系统来预冷。优点优点Y 第一个用于生产液空的液化装置第一个用于生产液空的液化装置Y 系统的性能好系统的性能好Y 所需压力降低所需压力降低缺点Y 系统的每一级循环都必须完全不漏，以防止流体渗
14、系统的每一级循环都必须完全不漏，以防止流体渗漏漏 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.14复迭式系统复迭式系统 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术7.7.克劳特系统克劳特系统图图3.15 克劳特系统克劳特系统 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.16 3.16 理论克劳特系统理论克劳特系统T TS S图图 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 取热交换器、节流阀、气液分离器作为能量分析系统，该系统没有外部热功交换，对该系统应用热力学对该系统应用热力学第一定律第一定律:231)(0hmhmhmhmhmmeeefff膨胀机
15、的流量比率膨胀机的流量比率:进膨胀机质量流量占总流量比例进膨胀机质量流量占总流量比例:mmxe/液化率液化率:ymmhhhhxhhhhffef.12131净耗功净耗功:)(43hhmwee)()()(321211ehhxhhssTmw(3.22)(3.23)(3.24)(3.26)(3.25)制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.17 克劳特循环单位质量液化功克劳特循环单位质量液化功 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术8.8.卡皮查系统卡皮查系统卡皮查循环：带有高效率透平卡皮查循环：带有高效率透平膨胀机的低压液化循环。膨胀机的低压液化循环。它采用低压力，等温节流效应及膨胀机焓降
16、均较小。图图3.18 卡皮查系统卡皮查系统.制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术海兰特循环海兰特循环：带高压膨胀机的气体液化循环。：带高压膨胀机的气体液化循环。实际上实际上它也是克劳特循环的一种特殊情况。它也是克劳特循环的一种特殊情况。图图3.19 海兰特系统海兰特系统 9.9.海兰特系统海兰特系统 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术10.10.采用膨胀机的其它液化系统采用膨胀机的其它液化系统 双压克劳特双压克劳特:原理与林德双压系统相似。原理与林德双压系统相似。通过节流阀的气体被压缩至高压通过节流阀
17、的气体被压缩至高压 经过膨胀机循环气体仅压缩至中压经过膨胀机循环气体仅压缩至中压 图图3.20 双压克劳特系统双压克劳特系统 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术自动制冷复迭系统自动制冷复迭系统:工作时重组分先冷凝，轻组分后冷工作时重组分先冷凝，轻组分后冷凝的特性，将它们依次冷凝、节流、蒸发得到不同温度凝的特性，将它们依次冷凝、节流、蒸发得到不同温度级的冷量，使天然气对应组分冷凝并全部液化。级的冷量，使天然气对应组分冷凝并全部液化。11.11.液化系统液化系统 图图3.21混合制冷剂混合制冷剂液化天然气系统液化天然气系统 制制 冷冷 原原 理理 与
18、与 技技 术术12.12.各种液化系统的性能比较各种液化系统的性能比较表表3.3 以空气为工质，以空气为工质，300K，P101.3kPa液化系统的比较液化系统的比较 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术续上表：续上表：制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术13.13.用于氖和氢的预冷林德汉普逊系统用于氖和氢的预冷林德汉普逊系统 图图3.22 适用于液化氖和氢的适用于液化氖和氢的液氮预冷林德汉普逊系统液氮预冷林德汉普逊系统 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术单位质量压缩氢或氖所对应的氮的蒸发率蒸发率:取三个换热器、液氮槽、液氢或氖的储罐和节
19、流阀作为分析系统，针对没有热漏的稳定流动:2122)(0hmhmhmhmmhmaNfffcNmmzN/2zhhhhyhhhhcafca211单位质量单位质量液化氢或氖下氮的蒸发率:yzm/mm/mmm.f.Nf.N22(3.28)(3.29)(3.30)(3.31)制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.23 在液氮预冷林德汉普逊系统中每液化单位质在液氮预冷林德汉普逊系统中每液化单位质量氢所需氮的蒸发率与液氮槽温度的关系量氢所需氮的蒸发率与液氮槽温度的关系.制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术14.14.用于氖或氢的克劳特系统用于氖或氢的克劳特系统 图图3.24 生产液氢或氖的生产
20、液氢或氖的液氮预冷克劳特系统液氮预冷克劳特系统 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术15.15.氦制冷的氢液化系统氦制冷的氢液化系统 采用氦制冷系统与高压系统相比采用氦制冷系统与高压系统相比:优点优点:相应地降低了使用压力相应地降低了使用压力缩小了压缩机的尺寸缩小了压缩机的尺寸减小了系统材料的壁厚减小了系统材料的壁厚不足不足:需用两台压缩机需用两台压缩机 氦制冷机采用改进的克劳特系统，在循环中氦制冷机采用改进的克劳特系统，在循环中氦气并不被液化，但达到的温度比液氢或氖更低。氦气并不被液化，但达到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
21、膨胀产压缩氦气经液氮槽预冷，进入膨胀机膨胀产冷降温，冷氦气返回以冷却高压的氢或氖，以使其冷降温，冷氦气返回以冷却高压的氢或氖，以使其液化。液化。制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.25 氦气制冷的氢液化系统氦气制冷的氢液化系统 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术氢液化器中正仲氦转换氢液化器中正仲氦转换 氢可能存在两种不同的状态氢可能存在两种不同的状态:正氢和仲氢正氢和仲氢在平衡氢中正氢的浓度主要取决于氢的温度在平衡氢中正氢的浓度主要取决于氢的温度:在常温下，平衡氢是75%正氢和25%仲氢的混合物 在液氢的标准沸点时，氢的平衡组成几乎全
22、部为 仲氢，占99.8%。当氢气经过液化当氢气经过液化系统系统时，气体不可能在热交换器内时，气体不可能在热交换器内保持足够长的时间以建立起一定温度下的平衡氢组成，保持足够长的时间以建立起一定温度下的平衡氢组成，结果是结果是液氢由接近环境温度下的正仲氢组成。液氢由接近环境温度下的正仲氢组成。制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.26 正仲氢转化布置正仲氢转化布置 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术16.16.考林斯氦液化系统考林斯氦液化系统 早期氦液化器采用液氢作为预冷剂早期氦液化器采用液氢作为预冷剂,如带预冷林德如带预冷林德汉普逊系统可以用来液化氦气。汉普逊系统可以用来液化氦气
23、。考林斯氦液化器是克劳特系统的进一步发展具考林斯氦液化器是克劳特系统的进一步发展具有低温工程里程碑。有低温工程里程碑。fefefhhhxhhhxhhhhy122111121u取除氦压缩机及膨胀机外的所有部件作为分析系统，对该稳定流动系统应用热力学第一定律:(3.32)制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.27 考林斯氦液化系统考林斯氦液化系统 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.28 西蒙液化系统西蒙液化系统 17.17.西蒙氦液化系统西蒙氦液化系统 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术
24、术图图3.29 3.29 西蒙液化系统的西蒙液化系统的T TS S图图 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术假定厚壁容器传入热量可逆，同时容器材料的比热假定厚壁容器传入热量可逆，同时容器材料的比热符合符合德拜表达式德拜表达式:ccccccdTmCdSTmdQ容器的熵变为容器的熵变为:)(93.773353fDccTTRS存在漏热存在漏热:ccSmmSS)/(656液化率液化率:ySSmmSSSgccgf(/)56满液体部分的满液体部分的容积比容积比:1/666fgfgffyyymmVVff(3.33)(3.33)(3.35)(3.35)(3.37)(3.37)(3.39)(3.39)(3.
25、42)(3.42)制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术3.1.2 3.1.2 气体分离和纯化系统气体分离和纯化系统 1.1.热力学理想分离系统热力学理想分离系统半渗透膜：该膜仅允许一种气体自由完全地通过，半渗透膜：该膜仅允许一种气体自由完全地通过，而其他气体无法通过。而其他气体无法通过。使用这种装置，气体混合时就可以获得输出功，输入同样的功就可以把他们分开，因此，该过程是个可逆过程可逆过程。如图如图3.30 3.30 左边的活塞只允许气体左边的活塞只允许气体A A通过，右边的通过，右边的活塞只允许气体活塞只允许气体B B通过，通过把两个活塞移动到一起，通过，通过把两个活塞移动到一起，由气体
26、由气体A A和和B B组成的混合物就可逆地被分离成纯净的组成的混合物就可逆地被分离成纯净的气体气体A A和气体和气体B B。制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.30热力学理想分离系统模型热力学理想分离系统模型.制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术理想气体混合物分离的理论功:分压比=质量比:j j种组分理想气体混合物耗功:分离系统的分离效率为:)/ln()/()/ln()/(/11bmbmbamamammiPPRmmPPRmmTmWaammaaaammmmamRmRmVTRmVTRmPP/1)/1ln(/ijimmiyyTnWmmimmi
27、mWmWnWnWFOM/(3.45)(3.46)(3.48)(3.49)制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术2 2 混合物的性质混合物的性质(1)(1)相律相律 单组份物质以两相出现时单组份物质以两相出现时(例如液氮和气氮例如液氮和气氮)，并，并非所有热静力学参数都是独立的。对于一组相态，在非所有热静力学参数都是独立的。对于一组相态，在物性之间存在一个蒸气压力方程的关系式。物性之间存在一个蒸气压力方程的关系式。对于多于一相和超过一个组分物质，我们必须应对于多于一相和超过一个组分物质，我们必须应用用GibbsGibbs相规律相规律(1878(1878年发现年发现)来描述状态所需要独立来描述状
28、态所需要独立变量的数目。变量的数目。T=C-P+2 T=C-P+2 T:T:描述体系状态所需要独立变量的数目 C:C:存在组分数 P:P:存在的相数 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.313.31典型双组分温度成份图典型双组分温度成份图 (a)(a)压力低于两压力低于两种组分的临界压种组分的临界压力力 (b)(b)压力在两种组压力在两种组分的临界压力之间分的临界压力之间 (c)(c)共沸混合物共沸混合物 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术(2)(2)温度温度-浓度图浓度图 图图3.323.32两组分混合物的冷凝两组分混合物的冷凝 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图
29、3.33氧氮混合物的温度浓度图氧氮混合物的温度浓度图 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 相平衡曲线具体形式取决构成混合物分子之间的相平衡曲线具体形式取决构成混合物分子之间的内作用力。内作用力。对于分子内作用比较弱的液体混合物，如稀溶液对于分子内作用比较弱的液体混合物，如稀溶液一样，可用著名的一样，可用著名的RaoultRaoult定律表式：定律表式：jjjxP :第第j j组分在液相上部气相中的分压组分在液相上部气相中的分压 :在混合物温度下第在混合物温度下第j j组分的蒸汽压组分的蒸汽压 :在液相中第在液相中第j j组分的摩尔百分数组分的摩尔百分数jPjjx(3.51)所有浓度下都服
30、从所有浓度下都服从RaoultRaoult定律的混合物定律的混合物称为理想的溶液。称为理想的溶液。制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术若在液体混合物上部蒸汽相也可以看作理想气体，若在液体混合物上部蒸汽相也可以看作理想气体，则蒸汽相的分压与总压力之间关系由定律则蒸汽相的分压与总压力之间关系由定律Gibbs-Gibbs-DaltonDalton决定决定:jjpyPjjjxpy)/(蒸汽相中第蒸汽相中第j j组分的摩尔分量组分的摩尔分量 :理想气体混合物的分压之和等于总压理想气体混合物的分压之和等于总压:jjjjjxPP对于两组分混合物，对于两组分混合物，因此，服从，因此，服从RaoultRao
31、ult定律双组分混合物式定律双组分混合物式:121xx)1(1211xxP(3.52)(3.53)(3.54)(3.55)制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.35 氮氩混合物的温度浓度图氮氩混合物的温度浓度图 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.35 氮氩混合物的温度浓度图氮氩混合物的温度浓度图 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术(3)(3)平衡常数平衡常数 气相和液相中摩尔百分比之间的关系可以用平衡常气相和液相中摩尔百分比之间的关系可以用平衡常数表达数表达:jjjxyK/理想气体和液体理想气体和液体的平衡常数的平衡常数:PKjj/双组分混合物双组分混合物的液相和
32、气相组成由每个组分的平衡的液相和气相组成由每个组分的平衡常数来确定常数来确定 ：111xKy)1(12121xKxKy121 yy可求得液和气相中组分的摩尔百分比：可求得液和气相中组分的摩尔百分比：21211KKKx2121111)1(KKKKxKy(3.56)(3.57)(3.58)(3.59)制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 在典型氮在典型氮氧混合物系统氧混合物系统的焓浓度图中的焓浓度图中可以看出露点线可以看出露点线(饱和蒸汽饱和蒸汽)和泡和泡点线点线(饱和液体饱和液体)。(4)(4)焓浓度图焓浓度图 图图3.36 101.3kPa3.36 101.3kPa下氮氧混合物的下氮氧混合
33、物的焓浓度图焓浓度图 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术3.1.3 3.1.3 气体的分离原理气体的分离原理 1.1.简单冷凝或蒸发过程简单冷凝或蒸发过程 3.3.闪蒸计算闪蒸计算2.2.精馏原理精馏原理4.4.精馏塔的理论塔板数计算精馏塔的理论塔板数计算5.5.最小理论塔板数最小理论塔板数 6.6.精馏塔的类型和结构精馏塔的类型和结构 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术1.1.简单冷凝或蒸发过程简单冷凝或蒸发过程 通过部分冷凝能实现混合物的分离过程的效率主通过部分冷凝能实现混合物的分离过程的效率主要取决于温度浓度图上相分离曲线的形状。要取决于温度浓度图上相分离曲线的形状。Y 对沸
34、点相差较大的物质所组成混合物通过部分冷对沸点相差较大的物质所组成混合物通过部分冷凝能达到有效的分离，而对沸点相近物质所组成的混凝能达到有效的分离，而对沸点相近物质所组成的混合物该法将失去分离作用。合物该法将失去分离作用。事实上事实上通过简单的冷凝并不能把空气分离成纯组通过简单的冷凝并不能把空气分离成纯组分，仅能达到部分分离，不能满足许多实际的应用。分，仅能达到部分分离，不能满足许多实际的应用。而氮氦混合物，氨氢混合物等由于沸点相差很大，而氮氦混合物，氨氢混合物等由于沸点相差很大，完全可以通过部分冷凝法实现满意有效的分离。完全可以通过部分冷凝法实现满意有效的分离。制制 冷冷 原原 理理 与与 技
35、技 术术二元组分相变过程的主要特性二元组分相变过程的主要特性:对于某一成分的二元混合物，在一定压力对于某一成分的二元混合物，在一定压力下，开始冷凝或开始蒸发到冷凝结束或蒸发下，开始冷凝或开始蒸发到冷凝结束或蒸发结束时结束时温度是不断变化的温度是不断变化的，这一点与纯组分，这一点与纯组分不同。不同。在冷凝或蒸发过程中，液相和气相的在冷凝或蒸发过程中，液相和气相的浓度浓度是连续变化的是连续变化的。通过部分冷凝或蒸发可以通过部分冷凝或蒸发可以有效地分离沸点有效地分离沸点相差很大的二元混合物相差很大的二元混合物，但对沸点相差较小，但对沸点相差较小的二元混合物达不到有效的分离。的二元混合物达不到有效的分
36、离。制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术2.2.精馏原理精馏原理精馏就是以精馏就是以部分蒸发和部部分蒸发和部分冷凝用逆流分冷凝用逆流方式进行复迭方式进行复迭分离的过程。分离的过程。图图3.38 精馏塔的原理精馏塔的原理 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.39 精馏过程中温精馏过程中温度浓度图度浓度图 图图3.40 气泡通过塔板气泡通过塔板时热质交换情况时热质交换情况 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术塔板效率塔板效率:塔板上的浓度变化与平衡时应达到塔板上的浓度变化与平衡时应达到的浓度变化之比的浓度变化之比图图3.41 3.41 板效率的定义板效率的定义 19461946
37、年年 Geddes Geddes 分析分析了气泡与液体之间质了气泡与液体之间质传递的情况，得到了传递的情况，得到了塔板效率式塔板效率式:)/3exp(10bMMRtU提高塔板效率的因素提高塔板效率的因素:小气泡小气泡(小小 )长接触时间长接触时间(大大 )大的总质交换系数大的总质交换系数bR0tMU(3.61)(3.61)制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术3.3.闪蒸计算闪蒸计算闪蒸计算的步骤如下闪蒸计算的步骤如下:第第j j组分质量平衡组分质量平衡 :LxLFyLxVyFxjjjjFj)()1/1(/1jFjjjjKFLxKxy能量守恒能量守恒 :)(LFHhLHVhLFhF离开系统液
38、体物流的百分比离开系统液体物流的百分比:蒸汽相的摩尔百分比之和等于蒸汽相的摩尔百分比之和等于1:1:jjFjjjKFLxy)1/1(/11hHhHFLF(3.62)(3.63)(3.64)(3.65)(3.66)制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术混合压力已知，则仅含一个未知量即混合物混合压力已知，则仅含一个未知量即混合物温度。计算步骤如下温度。计算步骤如下:假定一个在露点和泡点之间的一个温度假定一个在露点和泡点之间的一个温度露点和泡点的温度由混合压露点和泡点的温度由混合压力及供料摩尔百分比决定力及供料摩尔百分比决定计算液体百分比计算液体百分比用蒸汽相的摩尔百分比之和等于用蒸汽相的摩尔百分
39、比之和等于1验证验证若等于若等于1，则求，则求解结束，开始解结束，开始假定的混合物假定的混合物温度正确温度正确若不等于若不等于1，重，重新假定混合物温新假定混合物温度，重复上述步度，重复上述步骤骤 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术4.4.精馏塔的理论塔板数计算精馏塔的理论塔板数计算 方法之一是方法之一是19211921年年PonchonPonchon和和19221922年年SavaritSavarit建立建立的，它是一适用于所有情况的精确方法，但应用的，它是一适用于所有情况的精确方法，但应用该法需要详细的焓值数据。该法需要详细的焓值数据。另一方法是另一方法是19251925年年McCa
40、bleMcCable和和ThieleThiele建立的，它在建立的，它在应用时仅需要平衡浓度数据。应用时仅需要平衡浓度数据。有两种基本方法用来计算精馏塔内所需的理论塔板有两种基本方法用来计算精馏塔内所需的理论塔板数数:Y我们在讨论时使用我们在讨论时使用McCable-Thiele McCable-Thiele 方法方法,因为它最适合于低温场合。因为它最适合于低温场合。制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.42 理想塔板计算公式推导中所用的系统理想塔板计算公式推导中所用的系统 Vn定义为离开第定义为离开第n块塔板的蒸汽流率块塔板的蒸汽流率 Ln定义为离开第定义为离开第n块塔板的液体流率
41、块塔板的液体流率 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术取第取第n n块板上方塔的部分作为分析系统，应用质量守块板上方塔的部分作为分析系统，应用质量守衡定律可以得到衡定律可以得到:对低沸点组分应用质量守衡定律得对低沸点组分应用质量守衡定律得:应用热力学第一定律得应用热力学第一定律得:产品流率与蒸汽相流率的比值产品流率与蒸汽相流率的比值:DLVnn1DxLxVyDnnnn11DDnnnnQDhLhVH11DVHhQDhhnnnDDn11(/)精馏段的操作线方程精馏段的操作线方程:DnnnnnxVDxVLy)/()/(11提馏段的操作线方程提馏段的操作线方程:BmmmmmxVBxVLy)/()/
42、(11(3.67)(3.68)(3.69)(3.71)(3.73)(3.74)制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术求McCabeThiele解的理论塔板数 平衡线平衡线:蒸汽相蒸汽相的摩尔百分比的摩尔百分比对与蒸汽相热对与蒸汽相热平衡液相中氮平衡液相中氮的摩尔百分比的摩尔百分比图图.图3.43 McCabeThiele法的解 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术 当顶部和底部产品纯度相当高时当顶部和底部产品纯度相当高时,在整个浓度范围在整个浓度范围内单个内单个McCabeMcCabeThieleThiele图由于在图由于在x=0 x=0和和x=1x=1附近变得相附近变得相当小而该法不实
43、用当小而该法不实用。对产品纯度要求很高的情况下，对产品纯度要求很高的情况下，为操作线进口段发展一个简单分析表达式来计算理论为操作线进口段发展一个简单分析表达式来计算理论塔板数。塔板数。当底部产品为气相，当底部产品为液体时，当底部产品为气相，当底部产品为液体时，M M等于等于理想塔板数加理想塔板数加1(1(因子因子1 1代表沸腾器的表面代表沸腾器的表面)。M M是理论是理论塔板数为塔板数为:精馏段理论塔板数的简单分析表达式精馏段理论塔板数的简单分析表达式:MxyLV KBMmmln(/)ln(/)11)/ln()11ln(21KVLxyNnnDN(3.75)(3.76)制制 冷冷 原原 理理 与
44、与 技技 术术5.5.最小理论塔板数最小理论塔板数 当操作线的斜率接近当操作线的斜率接近1 1时，给定分离过程的理论塔时，给定分离过程的理论塔板数达到最小，因为这时在塔底到塔顶之间取的步数板数达到最小，因为这时在塔底到塔顶之间取的步数最少。最少。理论塔板最小数理论塔板最小数可以利用可以利用4545度对角线作为操作线度对角线作为操作线在在McCabe-ThieleMcCabe-Thiele图上求得，或使用图上求得，或使用Fenske-UnderwoodFenske-Underwood式求得式求得:1)/ln()1()1(ln21minKKxxxxNDBBD(3.77)制制 冷冷 原原 理理 与与
45、 技技 术术 最小回流比最小回流比发生在两条操作线和供料线与平衡线相发生在两条操作线和供料线与平衡线相交于同一点的状态下。虽然该条件下回流比最小，但交于同一点的状态下。虽然该条件下回流比最小，但所需的理论塔板数是无穷大。所需的理论塔板数是无穷大。在实际系统中，在实际系统中，应在最小理论塔应在最小理论塔板数板数(固定产品流固定产品流率下无穷大制冷率下无穷大制冷量量)和最小制冷量和最小制冷量的塔板数的塔板数(无穷大无穷大理论塔板数理论塔板数)之间之间取一折中值。取一折中值。图图3.44 3.44 所需理论塔板数的说明所需理论塔板数的说明 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术6.6.精馏塔的类型
46、和结构精馏塔的类型和结构 (1)(1)筛板塔筛板塔 筛板塔是由塔板组成。筛板塔是由塔板组成。塔板由筛孔板、溢流装塔板由筛孔板、溢流装置组成。置组成。图图3.45 3.45 筛板塔的结构原理图筛板塔的结构原理图 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术图图3.46 3.46 圆形泡罩的结构圆形泡罩的结构 在塔板上按等边三角形排列许多泡罩。泡罩边沿有齿缝，浸没在液体中。塔板上液层高度由溢流堰保证上升蒸汽通过泡罩齿缝形成喷射穿过液层时，一部分蒸汽穿过液层鼓泡，形成泡沫，并使液体分散成液滴和雾沫；另一部分蒸汽则夹带着泡沫，液滴和雾沫上升到塔板上的空间。在这个空间里进行两相的接触，这是热质交换的主要区域
47、。(2)(2)泡罩塔泡罩塔 制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术泡罩塔板在目前空分装置中主要用在以下两泡罩塔板在目前空分装置中主要用在以下两种情况种情况:下塔最下面一块塔板，不易被二氧化碳颗粒堵塞。下塔最下面一块塔板，不易被二氧化碳颗粒堵塞。负荷变化大，这时采用筛孔塔板和泡罩塔板相间的负荷变化大，这时采用筛孔塔板和泡罩塔板相间的混合结构方案。混合结构方案。操作十分稳定，即使气体负荷发生较大变动，对操作也影响不大 泡罩塔拦液量大，特别适用于从塔板上抽出或加入液体 泡罩塔板上蒸汽流道大，因此不易被固体颗粒堵塞 对塔板水平度要求一不象筛板塔那么严格。泡罩塔的优点泡罩塔板的泡罩塔板的缺点缺点是是:
48、结构复杂，耗材大，造价高，流阻大，在设计工况结构复杂，耗材大，造价高，流阻大，在设计工况下塔板效率不如筛板塔。下塔板效率不如筛板塔。制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术(3)(3)浮阀塔浮阀塔 浮阀浮阀:在浮阀塔内每层板上除有溢流斗外，尚在板上开有在浮阀塔内每层板上除有溢流斗外，尚在板上开有许多大孔，每个孔中装一个可活动的阀。许多大孔，每个孔中装一个可活动的阀。浮阀的特点浮阀的特点:可以在一定范围内自由升降可以在一定范围内自由升降可以自动调节蒸汽通路的面积，以适应蒸汽量的变化可以自动调节蒸汽通路的面积，以适应蒸汽量的变化没有蒸汽通过时，浮阀下落盖住阀孔没有蒸汽通过时，浮阀下落盖住阀孔最大优
49、点是变产量时塔板效率不会有很大降低最大优点是变产量时塔板效率不会有很大降低 图图3.47 3.47 浮阀结构示意图浮阀结构示意图a)a)型结构简单制造方便省材料；型结构简单制造方便省材料；b)b)型阀型阀孔为文丘里型，阻力小，适用于减压系统；孔为文丘里型，阻力小，适用于减压系统；c)c)型操作弹性范围大，型操作弹性范围大，适用于中型实验装置。适用于中型实验装置。制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术(4)(4)填料塔填料塔 填料塔由塔体、填料、喷淋装置、支撑栅板、填料塔由塔体、填料、喷淋装置、支撑栅板、再分配器、气液进口管等组成。再分配器、气液进口管等组成。填料可使气液两相高度分散，扩大相间
50、接触面积。喷淋装置可使液体均匀地喷洒在填料层上。支撑栅板支撑填料层，使蒸汽均匀地通过填料层。再分配器使液体能够均匀地润湿所有填料，可避免液体沿筒壳流动而使中间填料得不到润湿。填料塔填料中金属丝网鞍形和金属波纹填料已得填料塔填料中金属丝网鞍形和金属波纹填料已得到了广泛使用。它们具有比表面积大、传质效果好、到了广泛使用。它们具有比表面积大、传质效果好、阻力小、密度小、金属耗量少等优点。阻力小、密度小、金属耗量少等优点。制制 冷冷 原原 理理 与与 技技 术术3.2.4 3.2.4 变压吸附变压吸附 一些具有代表性的工业过程中的绝大多数都采用了一些具有代表性的工业过程中的绝大多数都采用了变压吸附变压
