制冷原理與技術(shù)第三章 低溫原理與技術(shù)

第一節(jié)氣體液化與別離第二節(jié)低溫制冷機(jī)第三節(jié)低溫絕熱3.1氣體液化與別離3.1.1氣體液化3.1.2氣體別離和純化系統(tǒng)3.1.4變壓吸附3.1.5空氣別離系統(tǒng)3.1.3氣體的別離原理3.1.1氣體液化1.根本概念2.熱力學(xué)理想系統(tǒng)3.簡(jiǎn)單林德－漢普遜系統(tǒng)4.帶預(yù)冷林德－漢普遜系統(tǒng)5.林德雙壓系統(tǒng)6.復(fù)迭式系統(tǒng)7.克勞特系統(tǒng)8.卡皮查系統(tǒng)9.海蘭特系統(tǒng)10.采用膨脹機(jī)的其它液化系統(tǒng)11.液化系統(tǒng)12.各種液化系統(tǒng)的性能比較15.氦制冷的氫液化系統(tǒng)16.考林斯氦液化系統(tǒng)17.西蒙氦液化系統(tǒng)1.根本概念(3.1)系統(tǒng)的性能參數(shù)單位質(zhì)量氣體的壓縮功單位質(zhì)量氣體液化功液化率三者之間的關(guān)系是:循環(huán)效率FOM(熱力完善度):通常以理想循環(huán)所需的最小功與實(shí)際循環(huán)液化功比值作為評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)。

壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的絕熱效率壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的機(jī)械效率換熱器的效率換熱器和管道的壓降系統(tǒng)與環(huán)境的熱交換(3.2)實(shí)際性能參數(shù)2.熱力學(xué)理想系統(tǒng)圖3.1熱力學(xué)理想液化系統(tǒng).(a)T-S圖，(b)系統(tǒng)圖。穩(wěn)定物流的熱力學(xué)第一定律:通常動(dòng)能和勢(shì)能的變化相對(duì)于焓變而言小得多:理想系統(tǒng)時(shí):

等熵過(guò)程:液化氣體的理論最小功:(3.3)(3.4)(3.5)(3.6)(3.7)表3.1液化氣體的理論最小功(初始點(diǎn)P=101.3kPa，T=300K)氣體名稱沸點(diǎn)(K)理論最小功(kJ/kg)氦－33.198178氦－44.216819氫20.2712019氖27.091335氮77.36768.1空氣78.8738.9一氧化碳81.6768.6氬87.28478.6氧90.18635.6甲烷111.71091乙烷184.5353.1丙烷231.1140.4氨239.8359.13.簡(jiǎn)單林德－漢普遜系統(tǒng)圖3.2林德－漢普遜系統(tǒng).圖3.3林德－漢普遜循環(huán)的T－S圖

氣體的液化率依賴于：大氣條件下(點(diǎn)1)的壓力和溫度,從而決定了和；等溫壓縮后的壓力，由決定。我們無(wú)法改變環(huán)境狀態(tài),因此系統(tǒng)的性能取決于壓力要使液化率最大，那么必須使最小：熱力學(xué)第一定律應(yīng)用于除壓縮機(jī)外的所有設(shè)備，得到:(3.8)(3.10)圖3.4用氦或氫作工作流體簡(jiǎn)單林德－漢普遜系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程圖3.5即使氫或氦的簡(jiǎn)單林德－漢普遜系統(tǒng)能按正確方向啟動(dòng)，它仍不能傳遞足夠的能量以獲得液體林德－漢普遜系統(tǒng)的耗功:單位質(zhì)量耗功:單位質(zhì)量的液化功:(3.11)(3.12)(3.13)4.帶預(yù)冷林德－漢普遜系統(tǒng)

預(yù)冷林德－漢普遜系統(tǒng):

對(duì)簡(jiǎn)單林德－漢普遜系統(tǒng)，當(dāng)熱交換器入口溫度低于環(huán)境溫度時(shí)，可以改善簡(jiǎn)單林德－漢普遜系統(tǒng)的性能指標(biāo)。圖3.6液化率隨熱交換器入口溫度變化關(guān)系.圖3.7預(yù)冷林德－漢普遜系統(tǒng)

圖3.8預(yù)冷林德－漢普遜循環(huán)的T-S圖應(yīng)用熱力學(xué)第一定律定義制冷劑的質(zhì)量流率比:液化率:帶預(yù)冷系統(tǒng)的最大液化率:(3.14)(3.15)(3.16)(3.17)假定主壓縮機(jī)是可逆等溫的,附加壓縮機(jī)是可逆絕熱的.單位質(zhì)量加工氣體壓縮耗功:(3.18)圖3.9液化率與極限液化率隨制冷劑流率的變化。圖3.10帶預(yù)冷林德－漢普遜系統(tǒng)單位質(zhì)量氮?dú)庖夯?.林德雙壓系統(tǒng)圖3.11林德雙壓系統(tǒng)圖3.12林德雙壓系統(tǒng)T－S圖取熱交換器，兩個(gè)氣液別離器，二個(gè)節(jié)流閥，作為熱力分析系統(tǒng)，針對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)，根據(jù)能量守恒原那么，可得液化率為:中間壓力蒸汽流率比：熱力學(xué)第一定律應(yīng)用于兩個(gè)壓縮機(jī)，單位質(zhì)量氣體的壓縮耗功為:(3.19)(3.20)(3.21)圖3.13林德雙壓系統(tǒng)液化功6.復(fù)迭式系統(tǒng)復(fù)迭式系統(tǒng)是預(yù)冷系統(tǒng)的展開(kāi)，由其它制冷系統(tǒng)來(lái)預(yù)冷。優(yōu)點(diǎn)第一個(gè)用于生產(chǎn)液空的液化裝置系統(tǒng)的性能好所需壓力降低缺點(diǎn)系統(tǒng)的每一級(jí)循環(huán)都必須完全不漏，以防止流體滲漏圖3.14復(fù)迭式系統(tǒng)7.克勞特系統(tǒng)圖3.15克勞特系統(tǒng)圖3.16理論克勞特系統(tǒng)T－S圖

取熱交換器、節(jié)流閥、氣液別離器作為能量分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)沒(méi)有外部熱功交換，對(duì)該系統(tǒng)應(yīng)用熱力學(xué)第一定律:膨脹機(jī)的流量比率:

進(jìn)膨脹機(jī)質(zhì)量流量占總流量比例:液化率:凈耗功:(3.22)(3.23)(3.24)(3.26)(3.25)圖3.17克勞特循環(huán)單位質(zhì)量液化功8.卡皮查系統(tǒng)卡皮查循環(huán)：帶有高效率透平膨脹機(jī)的低壓液化循環(huán)。它采用低壓力，等溫節(jié)流效應(yīng)及膨脹機(jī)焓降均較小。圖3.18卡皮查系統(tǒng).海蘭特循環(huán)：帶高壓膨脹機(jī)的氣體液化循環(huán)。實(shí)際上它也是克勞特循環(huán)的一種特殊情況。圖3.19海蘭特系統(tǒng)9.海蘭特系統(tǒng)10.采用膨脹機(jī)的其它液化系統(tǒng)

雙壓克勞特:原理與林德雙壓系統(tǒng)相似。

通過(guò)節(jié)流閥的氣體被壓縮至高壓經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)循環(huán)氣體僅壓縮至中壓

圖3.20雙壓克勞特系統(tǒng)自動(dòng)制冷復(fù)迭系統(tǒng):工作時(shí)重組分先冷凝，輕組分后冷凝的特性，將它們依次冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)得到不同溫度級(jí)的冷量，使天然氣對(duì)應(yīng)組分冷凝并全部液化。11.液化系統(tǒng)

圖3.21混合制冷劑液化天然氣系統(tǒng)12.各種液化系統(tǒng)的性能比較表3.3以空氣為工質(zhì)，＝300K，P＝101.3kPa液化系統(tǒng)的比較續(xù)上表：(3.28)(3.29)(3.30)(3.31)圖3.23在液氮預(yù)冷林德－漢普遜系統(tǒng)中每液化單位質(zhì)量氫所需氮的蒸發(fā)率與液氮槽溫度的關(guān)系.15.氦制冷的氫液化系統(tǒng)

采用氦制冷系統(tǒng)與高壓系統(tǒng)相比:優(yōu)點(diǎn):相應(yīng)地降低了使用壓力縮小了壓縮機(jī)的尺寸減小了系統(tǒng)材料的壁厚缺乏:需用兩臺(tái)壓縮機(jī)圖3.25氦氣制冷的氫液化系統(tǒng)氫液化器中正－仲氦轉(zhuǎn)換

氫可能存在兩種不同的狀態(tài):正氫和仲氫在平衡氫中正氫的濃度主要取決于氫的溫度:

在常溫下，平衡氫是75%正氫和25%仲氫的混合物在液氫的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)時(shí)，氫的平衡組成幾乎全部為仲氫，占99.8%。當(dāng)氫氣經(jīng)過(guò)液化系統(tǒng)時(shí)，氣體不可能在熱交換器內(nèi)保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間以建立起一定溫度下的平衡氫組成，結(jié)果是液氫由接近環(huán)境溫度下的正仲氫組成。圖3.26正仲氫轉(zhuǎn)化布置16.考林斯氦液化系統(tǒng)

早期氦液化器采用液氫作為預(yù)冷劑,如帶預(yù)冷林德－漢普遜系統(tǒng)可以用來(lái)液化氦氣?？剂炙购ひ夯魇强藙谔叵到y(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)展具有低溫工程里程碑。取除氦壓縮機(jī)及膨脹機(jī)外的所有部件作為分析系統(tǒng)，對(duì)該穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用熱力學(xué)第一定律:(3.32)圖3.27考林斯氦液化系統(tǒng)圖3.28西蒙液化系統(tǒng)17.西蒙氦液化系統(tǒng)圖3.29西蒙液化系統(tǒng)的T－S圖假定厚壁容器傳入熱量可逆，同時(shí)容器材料的比熱符合德拜表達(dá)式:容器的熵變?yōu)?存在漏熱:液化率:滿液體局部的容積比:(3.33)(3.35)(3.37)(3.39)(3.42)3.1.2氣體別離和純化系統(tǒng)1.熱力學(xué)理想別離系統(tǒng)半滲透膜：該膜僅允許一種氣體自由完全地通過(guò)，而其他氣體無(wú)法通過(guò)。使用這種裝置，氣體混合時(shí)就可以獲得輸出功，輸入同樣的功就可以把他們分開(kāi)，因此，該過(guò)程是個(gè)可逆過(guò)程。

如圖3.30左邊的活塞只允許氣體A通過(guò)，右邊的活塞只允許氣體B通過(guò)，通過(guò)把兩個(gè)活塞移動(dòng)到一起，由氣體A和B組成的混合物就可逆地被別離成純潔的氣體A和氣體B。圖3.30熱力學(xué)理想別離系統(tǒng)模型.理想氣體混合物別離的理論功:分壓比=質(zhì)量比:種組分理想氣體混合物耗功:別離系統(tǒng)的別離效率為:(3.45)(3.46)(3.48)(3.49)2混合物的性質(zhì)(1)相律

單組份物質(zhì)以兩相出現(xiàn)時(shí)(例如液氮和氣氮)，并非所有熱靜力學(xué)參數(shù)都是獨(dú)立的。對(duì)于一組相態(tài)，在物性之間存在一個(gè)蒸氣壓力方程的關(guān)系式。

對(duì)于多于一相和超過(guò)一個(gè)組分物質(zhì)，我們必須應(yīng)用Gibbs相規(guī)律(1878年發(fā)現(xiàn))來(lái)描述狀態(tài)所需要獨(dú)立變量的數(shù)目。T=C-P+2

T:描述體系狀態(tài)所需要獨(dú)立變量的數(shù)目C:存在組分?jǐn)?shù)P:存在的相數(shù)圖3.31典型雙組分溫度－成份圖(a)壓力低于兩種組分的臨界壓力(b)壓力在兩種組分的臨界壓力之間(c)共沸混合物(2)溫度-濃度圖

圖3.32兩組分混合物的冷凝圖3.33氧－氮混合物的溫度－濃度圖相平衡曲線具體形式取決構(gòu)成混合物分子之間的內(nèi)作用力。

對(duì)于分子內(nèi)作用比較弱的液體混合物，如稀溶液一樣，可用著名的Raoult定律表式：

:第j組分在液相上部氣相中的分壓:在混合物溫度下第j組分的蒸汽壓:在液相中第j組分的摩爾百分?jǐn)?shù)(3.51)

所有濃度下都服從Raoult定律的混合物稱為理想的溶液。假設(shè)在液體混合物上部蒸汽相也可以看作理想氣體，那么蒸汽相的分壓與總壓力之間關(guān)系由定律Gibbs-Dalton決定:蒸汽相中第j組分的摩爾分量:理想氣體混合物的分壓之和等于總壓:對(duì)于兩組分混合物，，因此，服從Raoult定律雙組分混合物式:(3.52)(3.53)(3.54)(3.55)圖3.35氮－氬混合物的溫度－濃度圖圖3.35氮－氬混合物的溫度－濃度圖(3)平衡常數(shù)氣相和液相中摩爾百分比之間的關(guān)系可以用平衡常數(shù)表達(dá):理想氣體和液體的平衡常數(shù):雙組分混合物的液相和氣相組成由每個(gè)組分的平衡常數(shù)來(lái)確定：可求得液和氣相中組分的摩爾百分比：(3.56)(3.57)(3.58)(3.59)在典型氮－氧混合物系統(tǒng)的焓－濃度圖中可以看出露點(diǎn)線(飽和蒸汽)和泡點(diǎn)線(飽和液體)。(4)焓－濃度圖圖3.36101.3kPa下氮－氧混合物的焓－濃度圖3.1.3氣體的別離原理1.簡(jiǎn)單冷凝或蒸發(fā)過(guò)程3.閃蒸計(jì)算2.精餾原理4.精餾塔的理論塔板數(shù)計(jì)算5.最小理論塔板數(shù)6.精餾塔的類型和結(jié)構(gòu)1.簡(jiǎn)單冷凝或蒸發(fā)過(guò)程通過(guò)局部冷凝能實(shí)現(xiàn)混合物的別離過(guò)程的效率主要取決于溫度－濃度圖上相別離曲線的形狀。對(duì)沸點(diǎn)相差較大的物質(zhì)所組成混合物通過(guò)局部冷凝能到達(dá)有效的別離，而對(duì)沸點(diǎn)相近物質(zhì)所組成的混合物該法將失去別離作用。事實(shí)上通過(guò)簡(jiǎn)單的冷凝并不能把空氣別離成純組分，僅能到達(dá)局部別離，不能滿足許多實(shí)際的應(yīng)用。而氮－氦混合物，氨－氫混合物等由于沸點(diǎn)相差很大，完全可以通過(guò)局部冷凝法實(shí)現(xiàn)滿意有效的別離。二元組分相變過(guò)程的主要特性:對(duì)于某一成分的二元混合物，在一定壓力下，開(kāi)始冷凝或開(kāi)始蒸發(fā)到冷凝結(jié)束或蒸發(fā)結(jié)束時(shí)溫度是不斷變化的，這一點(diǎn)與純組分不同。在冷凝或蒸發(fā)過(guò)程中，液相和氣相的濃度是連續(xù)變化的。通過(guò)局部冷凝或蒸發(fā)可以有效地別離沸點(diǎn)相差很大的二元混合物，但對(duì)沸點(diǎn)相差較小的二元混合物達(dá)不到有效的別離。2.精餾原理精餾就是以局部蒸發(fā)和局部冷凝用逆流方式進(jìn)行復(fù)迭別離的過(guò)程。圖3.38精餾塔的原理圖3.39精餾過(guò)程中溫度－濃度圖圖3.40氣泡通過(guò)塔板時(shí)熱質(zhì)交換情況塔板效率:塔板上的濃度變化與平衡時(shí)應(yīng)到達(dá)的濃度變化之比圖3.41板效率的定義1946年Geddes

分析了氣泡與液體之間質(zhì)傳遞的情況，得到了塔板效率式:提高塔板效率的因素:小氣泡(小)長(zhǎng)接觸時(shí)間(大)大的總質(zhì)交換系數(shù)(3.61)3.閃蒸計(jì)算閃蒸計(jì)算的步驟如下:第j組分質(zhì)量平衡:能量守恒:離開(kāi)系統(tǒng)液體物流的百分比:蒸汽相的摩爾百分比之和等于1:(3.62)(3.63)(3.64)(3.65)(3.66)混合壓力，那么僅含一個(gè)未知量即混合物溫度。計(jì)算步驟如下:假定一個(gè)在露點(diǎn)和泡點(diǎn)之間的一個(gè)溫度露點(diǎn)和泡點(diǎn)的溫度由混合壓力及供料摩爾百分比決定計(jì)算液體百分比用蒸汽相的摩爾百分比之和等于1驗(yàn)證假設(shè)等于1，那么求解結(jié)束，開(kāi)始假定的混合物溫度正確假設(shè)不等于1，重新假定混合物溫度，重復(fù)上述步驟4.精餾塔的理論塔板數(shù)計(jì)算方法之一是1921年P(guān)onchon和1922年Savarit建立的，它是一適用于所有情況的精確方法，但應(yīng)用該法需要詳細(xì)的焓值數(shù)據(jù)。另一方法是1925年McCable和Thiele建立的，它在應(yīng)用時(shí)僅需要平衡濃度數(shù)據(jù)。有兩種根本方法用來(lái)計(jì)算精餾塔內(nèi)所需的理論塔板數(shù):我們?cè)谟懻摃r(shí)使用McCable-Thiele方法,因?yàn)樗钸m合于低溫場(chǎng)合。圖3.42理想塔板計(jì)算公式推導(dǎo)中所用的系統(tǒng)Vn定義為離開(kāi)第n塊塔板的蒸汽流率Ln定義為離開(kāi)第n塊塔板的液體流率取第n塊板上方塔的局部作為分析系統(tǒng)，應(yīng)用質(zhì)量守衡定律可以得到:對(duì)低沸點(diǎn)組分應(yīng)用質(zhì)量守衡定律得:應(yīng)用熱力學(xué)第一定律得:產(chǎn)品流率與蒸汽相流率的比值:精餾段的操作線方程:提餾段的操作線方程:(3.67)(3.68)(3.69)(3.71)(3.73)(3.74)求McCabe－Thiele解的理論塔板數(shù)平衡線:蒸汽相的摩爾百分比對(duì)與蒸汽相熱平衡液相中氮的摩爾百分比圖.

圖3.43McCabe－Thiele法的解當(dāng)頂部和底部產(chǎn)品純度相當(dāng)高時(shí),在整個(gè)濃度范圍內(nèi)單個(gè)McCabe－Thiele圖由于在x=0和x=1附近變得相當(dāng)小而該法不實(shí)用。對(duì)產(chǎn)品純度要求很高的情況下，為操作線進(jìn)口段開(kāi)展一個(gè)簡(jiǎn)單分析表達(dá)式來(lái)計(jì)算理論塔板數(shù)。當(dāng)?shù)撞慨a(chǎn)品為氣相，當(dāng)?shù)撞慨a(chǎn)品為液體時(shí)，M等于理想塔板數(shù)加1(因子1代表沸騰器的外表)。M是理論塔板數(shù)為:精餾段理論塔板數(shù)的簡(jiǎn)單分析表達(dá)式:(3.75)(3.76)5.最小理論塔板數(shù)

當(dāng)操作線的斜率接近1時(shí)，給定別離過(guò)程的理論塔板數(shù)到達(dá)最小，因?yàn)檫@時(shí)在塔底到塔頂之間取的步數(shù)最少。

理論塔板最小數(shù)可以利用45度對(duì)角線作為操作線在McCabe-Thiele圖上求得，或使用Fenske-Underwood式求得:(3.77)

最小回流比發(fā)生在兩條操作線和供料線與平衡線相交于同一點(diǎn)的狀態(tài)下。雖然該條件下回流比最小，但所需的理論塔板數(shù)是無(wú)窮大。在實(shí)際系統(tǒng)中，應(yīng)在最小理論塔板數(shù)(固定產(chǎn)品流率下無(wú)窮大制冷量)和最小制冷量的塔板數(shù)(無(wú)窮大理論塔板數(shù))之間取一折中值。圖3.44所需理論塔板數(shù)的說(shuō)明6.精餾塔的類型和結(jié)構(gòu)(1)篩板塔

篩板塔是由塔板組成。塔板由篩孔板、溢流裝置組成。圖3.45篩板塔的結(jié)構(gòu)原理圖圖3.46圓形泡罩的結(jié)構(gòu)在塔板上按等邊三角形排列許多泡罩。泡罩邊沿有齒縫，浸沒(méi)在液體中。塔板上液層高度由溢流堰保證．上升蒸汽通過(guò)泡罩齒縫形成噴射穿過(guò)液層時(shí)，一局部蒸汽穿過(guò)液層鼓泡，形成泡沫，并使液體分散成液滴和霧沫；另一局部蒸汽那么夾帶著泡沫，液滴和霧沫上升到塔板上的空間。在這個(gè)空間里進(jìn)行兩相的接觸，這是熱質(zhì)交換的主要區(qū)域。(2)泡罩塔泡罩塔板在目前空分裝置中主要用在以下兩種情況:

下塔最下面一塊塔板，不易被二氧化碳顆粒堵塞。負(fù)荷變化大，這時(shí)采用篩孔塔板和泡罩塔板相間的混合結(jié)構(gòu)方案。操作十分穩(wěn)定，即使氣體負(fù)荷發(fā)生較大變動(dòng)，對(duì)操作也影響不大泡罩塔攔液量大，特別適用于從塔板上抽出或參加液體泡罩塔板上蒸汽流道大，因此不易被固體顆粒堵塞對(duì)塔板水平度要求一不象篩板塔那么嚴(yán)格。泡罩塔的優(yōu)點(diǎn)泡罩塔板的缺點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耗材大，造價(jià)高，流阻大，在設(shè)計(jì)工況下塔板效率不如篩板塔。(3)浮閥塔浮閥:在浮閥塔內(nèi)每層板上除有溢流斗外，尚在板上開(kāi)有許多大孔，每個(gè)孔中裝一個(gè)可活動(dòng)的閥。

浮閥的特點(diǎn):可以在一定范圍內(nèi)自由升降可以自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽通路的面積，以適應(yīng)蒸汽量的變化沒(méi)有蒸汽通過(guò)時(shí)，浮閥下落蓋住閥孔最大優(yōu)點(diǎn)是變產(chǎn)量時(shí)塔板效率不會(huì)有很大降低

圖3.47浮閥結(jié)構(gòu)示意圖a)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單制造方便省材料；b)型閥孔為文丘里型，阻力小，適用于減壓系統(tǒng)；c)型操作彈性范圍大，適用于中型實(shí)驗(yàn)裝置。(4)填料塔填料塔由塔體、填料、噴淋裝置、支撐柵板、再分配器、氣液進(jìn)口管等組成。填料可使氣液兩相高度分散，擴(kuò)大相間接觸面積。噴淋裝置可使液體均勻地噴灑在填料層上。支撐柵板支撐填料層，使蒸汽均勻地通過(guò)填料層。再分配器使液體能夠均勻地潤(rùn)濕所有填料，可防止液體沿筒殼流動(dòng)而使中間填料得不到潤(rùn)濕。填料塔填料中金屬絲網(wǎng)鞍形和金屬波紋填料已得到了廣泛使用。它們具有比外表積大、傳質(zhì)效果好、阻力小、密度小、金屬耗量少等優(yōu)點(diǎn)。3.2.4變壓吸附一些具有代表性的工業(yè)過(guò)程中的絕大多數(shù)都采用了變壓吸附(PSA)循環(huán)。一個(gè)典型的PSA系統(tǒng)是由三到四個(gè)相互連接的吸附器組成，它可使原料進(jìn)料和產(chǎn)物出料連續(xù)流動(dòng)。對(duì)吸附質(zhì)有大的吸附能力有高度的選擇性能再生和屢次使有足夠的機(jī)械強(qiáng)度化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定供給量大價(jià)格低工業(yè)吸附劑性質(zhì)目前主要有以下幾種吸附劑:活性炭、硅膠、活性氧化鋁和沸石分子篩。

作為吸附劑的沸石分子篩有以下特點(diǎn)：(1)有極強(qiáng)的吸附選擇性。(2)在氣體組分濃度低(分壓低)的情況下，具有較大的吸附能力.圖3.48微孔徑分布圖3A型沸石b)4Ac)5Ad)10Xe)13Xf)分子篩炭g)活性炭在一定溫度和壓力下，當(dāng)脫附速度和吸附速度相等時(shí)，便到達(dá)吸附平衡。在平衡條件下吸附物質(zhì)的多少用吸附量表示。吸附平衡數(shù)據(jù)表示方式主要有三種:吸附等溫線，吸附等壓線和吸附等量線，最常用的是吸附等溫線。圖3.49五種類型的吸附等溫線Skarstrom循環(huán)：最早的無(wú)熱吸附，它是兩床設(shè)備。循環(huán)過(guò)程為：在吸附階段后，第一床被泄壓到大氣壓，同時(shí)，受壓縮的原料混合氣被送到第二床以充壓，然后在進(jìn)料壓力下開(kāi)始吸附階段。一局部由第二床出來(lái)的純化氣以逆流方式通過(guò)第一床，在低壓(大氣壓)下吹掃床層，使吸附劑活化，以準(zhǔn)備下一次循環(huán)。Skarstrom循環(huán)的兩個(gè)有用點(diǎn):為“保存吸附熱〞應(yīng)保持短的循環(huán)和低產(chǎn)量。用于低壓吹掃氣的體積至少不少于高壓原料氣的體積。圖3.50Skarstrom變壓吸附循環(huán)Guerin－Domine循環(huán)可以根據(jù)待別離混合氣體的性質(zhì)，改變吸附床的數(shù)目、相互連接方式和操作方案。在這個(gè)循環(huán)中每個(gè)床包含三個(gè)階段:圖3.51Guerin－Domine循環(huán)用空氣使A床加壓，(而B(niǎo)床正被抽空)通過(guò)B床使A床泄壓(兩床氣都往下流動(dòng))收集氧氣A床抽氣在下半個(gè)循環(huán)中A和B的作用相反而完成一個(gè)吸附別離循環(huán)。這三個(gè)參數(shù)不能同時(shí)兼顧，要獲得高純度的產(chǎn)品，產(chǎn)量就要降低，勢(shì)必引起另外兩個(gè)參數(shù)的降低。由于在于吸附床中有死空間，死空間中的產(chǎn)品是無(wú)法回收的，在降壓過(guò)程中白白放空，從而使產(chǎn)品回收率下降，產(chǎn)品氣壓越高，損失就越大。

變壓吸附循環(huán)經(jīng)過(guò)許多專家完善，開(kāi)展了許多成熟的設(shè)想，在降低能耗及克服死空間方面作出很大的改進(jìn)。變壓吸附別離的性能指標(biāo)通過(guò)三個(gè)參數(shù)來(lái)衡量:

產(chǎn)品純度產(chǎn)品回收率吸附劑的生產(chǎn)能力快速變壓吸附從PSA開(kāi)發(fā)初期就已認(rèn)識(shí)到，由于吸附熱和脫附熱引起床內(nèi)溫度波動(dòng)的方向都不利于別離過(guò)程。當(dāng)床幾乎在等溫下操作才能實(shí)現(xiàn)最好的別離。在工業(yè)上成功地用單沸石床小規(guī)模生產(chǎn)氧氣，循環(huán)周期小于30秒，所以吸附與脫附在等溫條件下實(shí)現(xiàn)。圖3.52快速變壓吸附別離氧膜別離設(shè)備中的關(guān)鍵是膜組件:從氣體別離的機(jī)理分:多孔型膜和非多孔型膜。從材料性質(zhì)分:有機(jī)膜〔高分子膜〕和無(wú)機(jī)膜。從膜組件的結(jié)構(gòu)型式分:中空纖維型和平板型兩種。用于空氣別離裝置的膜組件主要是中空纖維型。圖3.53膜組件的結(jié)構(gòu)中空纖維型的膜組件是由上百萬(wàn)根空心纖維組成的纖維束。膜的特性:對(duì)某些氣體有優(yōu)先滲透或溶解的能力。圖3.54氣體別離模型氣體膜別離裝置是通過(guò)膜壁對(duì)氣體滲透來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用于氣體別離的膜有兩種類型:多孔型膜和非多孔型膜。膜的性能要求:

具有很高的氣體滲透通量和高的選擇性，能在高壓下工作，抗雜質(zhì)的能力要強(qiáng)，而且要長(zhǎng)期保持高的效率。3.1.5空氣別離系統(tǒng)1.林德單塔系統(tǒng)

圖3.55林德單塔氣體別離系統(tǒng)圖3.56為單塔系統(tǒng)精餾工作過(guò)程圖。林德單塔別離系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的空氣別離系統(tǒng)之一，采用的是根本的林德－漢普遜液化系統(tǒng)，用精餾塔代替了儲(chǔ)液器，當(dāng)然也可以用其他液化系統(tǒng)來(lái)為塔內(nèi)提供液體.林德的單塔系統(tǒng)有兩大缺點(diǎn):1)僅能得到純氧產(chǎn)品2)污氮放空浪費(fèi)了大量的氧

2林德雙塔系統(tǒng)

采用兩個(gè)精餾塔，下塔氮?dú)庖夯鳛橄滤亓饕和ㄟ^(guò)上塔氧的沸騰來(lái)實(shí)現(xiàn)，上塔沸騰氧蒸汽作為上塔的上升蒸汽。下塔產(chǎn)生多余的液氮節(jié)流到上塔頂部作回流液。圖3.57林德雙塔空氣別離系統(tǒng)圖3.58林德－弗蘭克空氣別離系統(tǒng)3林德－弗蘭克系統(tǒng)

林德－弗蘭克系統(tǒng)采用蓄冷器和氨預(yù)冷及膨脹機(jī)，別離系統(tǒng)的液化局部是氨預(yù)冷的雙壓克勞特液化系統(tǒng).4海蘭特系統(tǒng)

海蘭特系統(tǒng)可以得到液氮和液氧產(chǎn)品。圖3.59海蘭特空氣別離系統(tǒng)成份體積百分比重量百分比氮78.08475.521氧20.94623.139氬0.93412.288二氧化碳0.0330.050稀有氣體0.0030.002稀有氣體容積ppm重量ppm氖18.1812.67氦5.240.724氪1.140.295氫0.500.035氙0.0860.3905氬別離系統(tǒng)大氣中不僅僅是氧和氮的混合物，而是9種氣體所組成的混合物。稀有氣體主要是體積比為0.93％的氬。氬氣的沸點(diǎn)介于氧和氮之間，空氣進(jìn)入塔后，經(jīng)過(guò)精餾，將在上塔中間某些部位形成氬的富集區(qū)。表3.5枯燥空氣的組成氬氣別離系統(tǒng)通常由兩局部組成:〔1〕粗氬子系統(tǒng)〔2〕純化子系統(tǒng)圖3.59粗氬子系統(tǒng)在工業(yè)上用于氬純化的子系統(tǒng)有兩種:

粗氬經(jīng)化學(xué)除氧和低溫精餾除氮后成為純氬低溫精餾除氮和低溫吸附除氧而得到純氬圖3.60氬純化子系統(tǒng)1圖3.61氬純化子系統(tǒng)27氫別離系統(tǒng)從混合氣中別離氫的低溫系統(tǒng)，主要用來(lái)從焦?fàn)t煤氣或富氫的副產(chǎn)品氣中別離氫。工業(yè)氫原料氣之一是焦?fàn)t煤氣，一種由氫、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷和其它一些碳?xì)浠衔锼M成，因?yàn)闅涞姆悬c(diǎn)與其它組份相差非常大，所以從混合物中別離氫用不著精餾塔，采用簡(jiǎn)單的冷凝－蒸發(fā)過(guò)程就可以滿足別離的要求。組成物大氣下沸點(diǎn)（K）體積百分比（