气体液化三大基本循环比较

1、气体液化基本循环我们知道，只有当气态物质温度降低到其临界温度以下才能液化。所有低温工质的临界温度远比环境低，要使这些气体液化，必须应用人工制冷的方法制造低温。气体液化循环由一系列的热力过程组成，起作用就在于使气态工质冷却到液化所需的低温，并补偿系统的冷量损失，从而获得液化气体。气体液化循环是开式循环，气态低温工质（如空分行业中的空气）在循环过程中既起制冷剂的作用，本身又被液化，部分或全部作为液态产品从低温装置中输出。任何气体液化循环都是利用低温工质进行状态循环变化过程，通过它的作用使气体在低温时放出的热量转移到环境介质中去。这一过程是非自发的，必须消耗一定的能量。空气液化循环有四种基本类型：节

2、流液化循环、带膨胀机的液化循环、利用气体制冷剂的液化循环及复叠式液化循环。前两种液化循环目前应用最为广泛，这里也主要介绍这两种循环。林德循环理论循环基本原理节流液化循环是低温技术中最常用的循环之一。由于节流液化循环装置结构简单，且运转可靠，这就在一定程度上抵消了节流膨胀过程不可逆损失大带来的缺点。1985年德国林德和英国汉普孙分别独立提出了一次节流液化循环，因此也常称之为简单林德（或汉普孙）循环。林德循环系统由制冷压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器四大部件构成。四大件由联接管道串联成一个闭合循环系统，内注制冷工质。图1林德循环T-s图及循环流程图如图1所示，常温、常压（p）下的空气（点1），经压缩

3、机1A压缩至高压p2,温度升高,并经由冷却器B等压冷却至常温T（点2）。上述过程可近似认为压缩与冷却两过程同时进行，是一个等温压缩压缩过程。此后，高压空气在换热器C中被节流后的返流空气（5点）冷却至温度T3（3点），这是等压冷却过程。然后高压空气（p）经2节流阀节流阀节流膨胀至常压p，节流过程会使空气温度降低，降低1到p压力下的饱和温度，同时有部分空气液化。节流后产生的液体空1气从气液分离器D导出作为产品，而气体部分引出返流经换热器C，来冷却节流前的高压空气，在理想情况下自身被加热至常温T（点1）。实际循环实际的一次节流液化循环同理论循环相比存在不可逆损失，主要有：（1）压缩机工作过程中的不可

4、逆损失；（2）换热器中不完全热交换的损失；（3）环境介质传热给低温设备引起的冷量损失，也称为跑冷损失。由于这些损失使循环的液化系数（lkg空气液化得到的液化气体量）减小，效率降低。循环性能指标的影响因素计算表明（此处从略）：随高压p2增大，液化系数增大，效率提高，并且只有当高压达到一定值时才能得到液化气体，液空的积累才有可能。当然高压提高对压缩机要求提高，成本提高。另外，降低换热器端高压空气（点2处）的温度可以提高循环的经济性，为此除了利用节流后的低压返流空气外，还可以采用外部冷源预冷，以降低进换热器的高压空气的温度，如采用氨或氟利昂制冷机组进行预冷。采用预冷之所以获得较高的效率，主要是因为减

5、少了换热器内高、低压空气的温差，使传热过程的不可逆损失减少，从而提高了循环的效率。克劳特循环循环基本原理在绝热条件下，压缩空气进入膨胀机膨胀对外作功，可获得大的温降和冷量。采用气体输出外功绝热膨胀的循环，目前在气体液化和分离设备中应用较为广泛。1902年法国克劳特首先实现了带有活塞式膨胀机的空气液化循环，其流程图如图2。T5m0PCCi11AID图2克劳特液化循环流程图及T-s图空气经压缩机等温压缩到高压p（点2）,然后经换热器I冷却2至T（点3）后分成两部分：一部分空气进入膨胀机E膨胀到常压p31（点4）,温度降低并对外作功,二膨胀后气体与返流气体汇合流入换热器II、I以预冷高压空气；另一部

6、分空气经换热器II、III冷却至温度T后,经节流阀节流到p（点6）,获得部分液体,其余的未液51化的饱和蒸汽经各换热器冷却高压空气。在理想情况下,气体膨胀机中的膨胀过程是等熵过程（图中3-4s线）；实际上由于气体在膨胀机中流动存在各种能量损失；外界热量也不可避免的要传入,因此膨胀机的实际膨胀过程有熵增（图中3-4）。衡量气体在膨胀机中的实际膨胀过程偏离等熵过程的尺度,称为膨胀机的绝热效率,它可以用膨胀气体的实际焓降与等熵膨胀焓降之比来表示即：（h-h）/（h-h）。绝热效率越接近于1表明膨胀过s434s程越近绝热膨胀，能量损失越小。克劳特循环比一次节流循环的实际液化系数和单位制冷量大。在克劳特

7、循环中，制冷量主要由膨胀机产生，其次为节流阀等温节流效应产生。循环性能指标与主要参数的关系如果p与T不变，增大膨胀量V，膨胀机产冷量随之增大，循23e环制冷量及液化系数相应增加。但膨胀量太大的话，去节流阀的气流量就会太少，会导致冷量过剩，使换热器II偏离正常工作状况。若单独提高高压p，等温节流效应和膨胀机的单位制冷量均增2大，液化系数增加。但过分增大P，会造成冷量过剩，冷损增大，并2因冷量被浪费而是能耗曾加。若单独提高膨胀前温度T3膨胀机焓降即单位制冷量增大膨胀后气体的温度（T）也升高，节流后的高压空气处换热器II的温度（T）43和T有关，若T太高膨胀机产生的较多冷量不能全部传给高压空气，43

8、导致冷损增大，甚至破坏换热器的正常工作。实际循环中以上三个参数是相互制约的关系，需要同时考虑三个参数，才能得到最佳值。实际循环中最佳膨胀量的确定，对于整个空分系统的优化是很重要的。克劳特循环的特点与应用克劳特循环制冷量大，单位能耗低，广泛应用于中、小型空分装置，一般压力范围为（1.54.0）x103kp，采用活塞式或透平膨胀机,a如国产KFS-300型、KFS-860型、KFZT800型空分装置等。卡皮查循环1循环基本原理1937年苏联的卡皮查实现了带有高效率透平膨胀机的低压液化循环，即卡皮查循环。卡皮查循环也是克劳特循环的一种特殊情况。其流程及T-s图见图3。图3卡皮查液化循环流程与T-s图

9、膨胀机分为活塞式膨胀机和透平膨胀机，透平膨胀机利用一定气体压力在其中绝热膨胀对外做功，自身强烈地冷却而达到制冷的目的，同时其输出的能量由同轴的压缩机获风机回收。如图3，空气在透平压缩机中等温压缩到500600kPa,经换热器I冷却到T3（点3）后分为两部分，大部分空气进透平膨胀机E膨胀到100kPa，温度降到T4（点4）,而后进入冷凝器C的管内并输出冷量，使由膨胀机前引入冷凝器管间的小部分压力为500600kPa的空气液化（点5）。冷凝液经节流阀节流到100kPa，节流后产生的液体作为产品放出，其余的饱和蒸汽膨胀机出来的冷空气混合，经冷凝器和换热器I回收冷量后排出。现代低压空分设备多采用带增压

10、的透平膨胀机。其一端带动增压压缩机，将供给膨胀机的压缩空气进一步提高压力，然后再热交换器内降温后再供给膨胀机膨胀。这样产生相同的制冷量时，所需膨胀空气量减少，同时降低膨胀后气体的过热度减小对上塔精馏的影响，主冷却器热负荷增加利于提高精馏效率，冷量调节能力大，稳定性好等优点。2循环特点与应用卡皮查循环采用的压力较低，其等温节流效应与膨胀机绝热焓降均较小，循环的液化系数不可能超过5.8%，卡皮查循环之所以能够实现，主要是采用了绝热效率高的透平膨胀机和效率高的蓄冷器（或可逆式换热器）进行换热并同时采用杂质气体自清除原理清除空气中的水分和二氧化碳。卡皮查循环流程简单，由于采用透平机械，单位能耗小，金属耗量及投资降低，操作简单，广泛应用于大、中型空分装置。总结以上介绍的只是液化循环中最基本的循环，空气、氧和氮液化循环还有其它型式，如有预冷的一次节流液化循环二次节流液化循环，气体两级膨胀循环，膨胀机并联循环等，但