制冷原理与技术第三章_低温原理与技术教材教学课件.ppt

第三章 低温原理与技术;3.1 气体液化与分离;3.1.1 气体液化;1. 基本概念 ;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。 ;2. 热力学理想系统 ;稳定物流的热力学第一定律: ;表3.1 液化气体的理论最小功 (初始点P=101.3kPa，T=300K) ;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;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 :;4. 带预冷林德－汉普逊系统 ;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 ;图3.9 液化率与极限液化率随制冷剂流率的变化。;5. 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: ;图3.13 林德双压系统液化功 ;6. 复迭式系统;图3.14复迭式系统 ;7. 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:;图3.17 克劳特循环单位质量液化功 ;8. 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。 ;10. 采用膨胀机的其它液化系统 ;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。;12. 各种液化系统的性能比较;续上表：;13. 用于氖和氢的预冷林德－汉普逊系统 ;单位质量压缩氢或氖所对应的氮的蒸发率:;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 ;15. 氦制冷的氢液化系统 ;图3.25 氦气制冷的氢液化系统 ;氢液化器中正－仲氦转换 ;图3.26 正仲氢转化布置 ;16. 考林斯氦液化系统 ;图3.27 考林斯氦液化系统;图3.28 西蒙液化系统 ;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: ;3.1.2 气体分离和纯化系统 ;图3.30热力???理想分离系统模型. ;理想气体混合物分离的理论功: ;2 混合物的性质;图3.31典型双组分温度－成份图 ;(2)温度-浓度图 ;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： ;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: ;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 ; 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)。;3.1.3 气体的分离原理 ;1. 简单冷凝或蒸发过程 ;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;图3.39 精馏过程中温度－浓度图 ;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;3. 闪蒸计算;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: ;4. 精馏塔的理论塔板数计算; 图3.42 理想塔板计算公式推导中所用的系统 Vn定义为离开第n块塔板的蒸汽流率 Ln定义为离开第n块塔板的液体流率;取第n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: ;求McCabe－Thiele解的理论塔板数 ; 当顶部和底部产品纯度相当高时,在整个浓度范围内单个McCabe－Thiele图由于在x=0和x=1附近变得相当小而该法不实用。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塔板数。 ;5. 最小理论塔板数 ; 最小回流比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，但所需的理论塔板数是无穷大。;6. 精馏塔的类型和结构 ;图3.46 圆形泡罩的结构 ;泡罩塔板在目前空分装置中主要用在以下两种情况: