气体液化与分离.ppt

第三章 低温原理与技术,,,第一节 气体液化与分离,第二节 低温制冷机,第三节 低温绝热,3.1 气体液化与分离,3.1.1 气体液化,3.1.2 气体分离和纯化系统,3.1.4 变压吸附,3.1.5 空气分离系统,3.1.3 气体的分离原理,3.1.1 气体液化,1. 基本概念,2. 热力学理想系统,3. 简单林德－汉普逊系统,4. 带预冷林德－汉普逊系统,5. 林德双压系统,6. 复迭式系统,7. 克劳特系统,8. 卡皮查系统,9. 海兰特系统,10. 采用膨胀机的其它液化系统,11. 液化系统,12. 各种液化系统的性能比较,13. 用于氖和氢的预冷林德－汉普逊系统,14. 用于氖或氢的克劳特系统,15. 氦制冷的氢液化系统,16. 考林斯氦液化系统,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功 单位质量气体液化功 液化率,三者之间的关系是:,,循环效率FOM(热力完善度): 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评定的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 系统与环境的热交换,(3.2),实际性能参数,,2. 热力学理想系统,图3.1 热力学理想液化系统. (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相对于焓变而言小得多:,理想系统时:,,,,,,,等熵过程 :,液化气体的理论最小功:,(3.3),(3.4),(3.5),(3.6),(3.7),表3.1 液化气体的理论最小功 (初始点P=101.3kPa，T=300K),,3. 简单林德－汉普逊系统,图3.2 林德－汉普逊系统.,,图3.3 林德－汉普逊循环的T－S图,,,,,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 决定我们无法改变环境状态,因此系统的性能取决于压力 要使液化率 最大，则必须使 最小：,,热力学第一定律应用于除压缩机外的所有设备，得到:,(3.8),(3.10),,图3.4 用氦或氢作工作流体简单 林德－汉普逊系统的启动过程,简单的林德－汉普逊循环不能用于液化氖、氢和氦: 1. 由于这些气体的转化温度低于环境温度，所以无法降温启动 2. 用林德－汉普逊系统能够获得降温，通过低温下节流后完全都是蒸汽，没有气体被液化图3.5 即使氢或氦的简单林德－汉普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,林德－汉普逊系统的耗功 :,单位质量耗功 :,单位质量的液化功:,(3.11),(3.12),(3.13),4. 带预冷林德－汉普逊系统,预冷林德－汉普逊系统: 对简单林德－汉普逊系统，当热交换器入口温度低于环境温度时，可以改善简单林德－汉普逊系统的性能指标。

图3.6 液化率随热交换器入口温度变化关系.,,图3.7 预冷林德－汉普逊系统,,,,图3.8 预冷林德－汉普逊循环的T-S图,应用热力学第一定律,定义制冷剂的质量流率比:,液化率:,带预冷系统的最大液化率:,,(3.14),(3.15),(3.16),(3.17),假定主压缩机是可逆等温的,附加压缩机是可逆绝热的.单位质量加工气体压缩耗功:,(3.18),图3.9 液化率与极限液化率随制冷剂流率的变化图3.10 带预冷林德－汉普逊系统单位质量氮气液化功,5. 林德双压系统,图3.11 林德双压系统,,,,图3 .12 林德双压系统T－S图,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，可得液化率为:,中间压力蒸汽流率比：,,,,热力学第一定律应用于两个压缩机，单位质量气体的压缩耗功为:,,(3.19),(3.20),(3.21),,图3.13 林德双压系统液化功,6. 复迭式系统,复迭式系统是预冷系统的展开，由其它制冷系统来预冷 优点 第一个用于生产液空的液化装置 系统的性能好 所需压力降低 缺点 系统的每一级循环都必须完全不漏，以防止流体渗漏,图3.14复迭式系统,7. 克劳特系统,图3.15 克劳特系统,,,,图3.16 理论克劳特系统T－S图,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第一定律:,膨胀机的流量比率: 进膨胀机质量流量占总流量比例:,液化率:,,净耗功:,(3.22),(3.23),(3.24),(3.26),(3.25),,图3.17 克劳特循环单位质量液化功,8. 卡皮查系统,,卡皮查循环：带有高效率透平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均较小图3.18 卡皮查系统.,,,,海兰特循环：带高压膨胀机的气体液化循环实际上它也是克劳特循环的一种特殊情况图3.19 海兰特系统,9. 海兰特系统,,,,10. 采用膨胀机的其它液化系统,,双压克劳特: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 经过膨胀机循环气体仅压缩至中压,图3.20 双压克劳特系统,,,,自动制冷复迭系统: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、蒸发得到不同温度级的冷量，使天然气对应组分冷凝并全部液化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 以空气为工质，＝300K，P＝101.3kPa液化系统的比较,续上表：,13. 用于氖和氢的预冷林德－汉普逊系统,图3.22 适用于液化氖和氢的 液氮预冷林德－汉普逊系统,,,,单位质量压缩氢或氖所对应的氮的蒸发率:,取三个换热器、液氮槽、液氢或氖的储罐和节流阀作为分析系统，针对没有热漏的稳定流动:,,单位质量液化氢或氖下氮的蒸发率:,,(3.28),(3.29),(3.30),(3.31),,,图3.23 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.,14. 用于氖或氢的克劳特系统,图3.24 生产液氢或氖的 液氮预冷克劳特系统,,,,15. 氦制冷的氢液化系统,采用氦制冷系统与高压系统相比: 优点: 相应地降低了使用压力 缩小了压缩机的尺寸 减小了系统材料的壁厚 不足: 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，进入膨胀机膨胀产冷降温，冷氦气返回以冷却高压的氢或氖，以使其液化图3.25 氦气制冷的氢液化系统,,,氢液化器中正－仲氦转换,氢可能存在两种不同的状态: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部为 仲氢，占99.8%当氢气经过液化系统时，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，结果是液氢由接近环境温度下的正仲氢组成图3.26 正仲氢转化布置,16. 考林斯氦液化系统,早期氦液化器采用液氢作为预冷剂,如带预冷林德－汉普逊系统可以用来液化氦气 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),,,图3.27 考林斯氦液化系统,,,,图3.28 西蒙液化系统,17. 西蒙氦液化系统,,,,图3.29 西蒙液化系统的T－S图,假定厚壁容器传入热量可逆，同时容器材料的比热符合德拜表达式:,容器的熵变为:,,,,存在漏热:,液化率:,满液体部分的容积比:,(3.33),(3.35),(3.37),(3.39),(3.42),3.1.2 气体分离和纯化系统,1. 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，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如图3.30 左边的活塞只允许气体A通过，右边的活塞只允许气体B通过，通过把两个活塞移动到一起，由气体A和B组成的混合物就可逆地被分离成纯净的气体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功:,分压比=质量比:,,,种组分理想气体混合物耗功:,分离系统的分离效率为:,,,(3.45),(3.46),(3.48),(3.49),2 混合物的性质,(1) 相律,单组份物质以两相出现时(例如液氮和气氮)，并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对于多于一相和超过一个组分物质，我们必须应用Gibbs相规律(1878年发现)来描述状态所需要独立变量的数目T = C - P +2 T:描述体系状态所需要独立变量的数目 C:存在组分数 P:存在的相数,,,,图3.31典型双组分温度－成份图,(a) 压力低于两种组分的临界压力,(b)压力在两种组分的临界压力之间,(c)共沸混合物,(2)温度-浓度图,图3.32两组分混合物的冷凝,图3.33氧－氮混合物的温度－浓度图,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。

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Raoult定律表式：,:第j组分在液相上部气相中的分压 :在混合物温度下第j组分的蒸汽压 :在液相中第j组分的摩尔百分数,(3.51),所有浓度下都服从Raoult定律的混合物称为理想的溶液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Gibbs-Dalton决定:,蒸汽相中第j组分的摩尔分量 :,理想气体混合物的分压之和等于总压:,对于两组分混合物， ，因此，服从Raoult定律双组分混合物式:,(3.52),(3.53),(3.54),(3.55),图3.35 氮－氩混合物的温度－浓度图,图3.35 氮－氩混合物的温度－浓度图,(3) 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数表达:,理想气体和液体的平衡常数:,双组分混合物的液相和气相组成由每个组分的平衡常数来确定 ：,可求得液和气相中组分的摩尔百分比：,(3.56),(3.57),(3.58),(3.59),,,在典型氮－氧混合物系统的焓－浓度图中可以看出露点线(饱和蒸汽)和泡点线(饱和液体)4) 焓－浓度图,,图3.36 101.3kPa下氮－氧混合物的焓－浓度图,3.1.3 气体的分离原理,1. 简单冷凝或蒸发过程,3. 闪蒸计算,2. 精馏原理,4. 精馏塔的理论塔板数计算,5. 最小理论塔板数,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。

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合物该法将失去分离作用事实上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，在一定压力下，开始冷凝或开始蒸发到冷凝结束或蒸发结束时温度是不断变化的，这一点与纯组分不同 在冷凝或蒸发过程中，液相和气相的浓度是连续变化的 通过部分冷凝或蒸发可以有效地分离沸点相差很大的二元混合物，但对沸点相差较小的二元混合物达不到有效的分离2. 精馏原理,精馏就是以部分蒸发和部分冷凝用逆流方式进行复迭分离的过程图3.38 精馏塔的原理,图3.39 精馏过程中温度－浓度图,图3.40 气泡通过塔板时热质交换情况,塔板效率:塔板上的浓度变化与平衡时应达到的浓度变化之比,图3.41 板效率的定义,1946年 Geddes 分析了气泡与液体之间质传递的情况，得到了塔板效率式:,,提高塔板效率。