低温原理讲课教案

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低温原理讲课教案

第一章低温工程的性质

寻常指Ts?120K的工质为低温工质

与制冷工质的不同：1、即可作为制冷工质，又可作为原料、产品。2、可以是相变制冷，可能是单相制冷。3、单靠加压不能液化。

低温与普冷的区别：1、可能是闭式循环，也可能是开式循环。2、高低温热源温差较大，须采用回热系统。以120K为界以下：

（1）烃类：烷、烯、炔约120K（Ts）

石油气（戊，已烷），自然气（甲烷）

（2）空分成分：O2ArN2约80K

（3）超低温：H2,20K,He,4.2K

§1-1低温工程的种类

120K级的低温：自然气（广义）的液化分开石化行业80K级的低温：空气的液化分开制氧行业20K级以下的低温：氢气的液化，氦的液化。

低温工程的性质：

??用以燃烧（1）甲烷CH4，自然气的主要成分：??化学产??民用??汽车H2Ts?111.7KM?16(2)(3)(4)氧O2氮N2氩Ar

M：32M：28M：40Ts:90k??Ts:77k?空气主要成分Ts?87k??——炼钢???——保护气?——焊接保护气?

（5）氖NeM:20Ts:27k来自空气，

灯炮气

（6）氢H2M:2Ts:20k来自煤、自然气，燃料（7）氦HeM:4Ts:4.20k来自合成氨尾气、自然气所指的低温技术：

（1）获得纯净的低温介质（分开技术）（2）获得低温液态工质（液化技术）

（3）利用低温工质获得所需的低温温度（低温制冷技术）（4）利用低温制冷获得高真空（低温泵）（5）低温工质的保存与运输（6）低温绝热技术。

§1-2空气及其组成气体的性质空气=干空气+水蒸气干空气：N2O2ArCO2

制冷剂

78%21%1%

二元：N2+O2三元：N2+O2+Ar

可写作理想气体对待，M=28.97，Ts?78.9(泡点)/81.7(露点)在相平衡（汽/液）状况下：

液体中，N2：59%O2：40%Ar：1%（1）N2：安全，无味无毒，保护气体，

LN2

是极好的冷源介质，保存生命（生物），预冷和保护层（LN2,LHe）

（2）O2：助燃，促进动植物生命新陈代谢，很活泼。易于爆炸，在空分装置，输氧管道，…。

LO2是无色，炼钢助燃，火箭发动机，焊接，切割??。

（制氧机的名字来源）

（3）Ar，隋性气体（不氧化），作为保护气体或切灯泡气，空气含量大。（4）Ne：很好的制冷剂，安全可靠（Ts?27k）

所谓的空分：就是从空气中提取N2、O2、Ar以及Ne??。

主要是低温分开，此外还有常温分开方法：分子筛变压吸附（SPA），膜分开等。

§1-3氢的性质

（1）性质最为繁杂的低温工质有三个同位素HDT。H：0个中子，1个质子；D：1个中子，1个质子

氢是H2和HD的混合物，而HD仅占0.026~0.032%的比例。

H2的密度最小，Cp最大，?最小、?最小，扩散能力很强，可以渗透金属。H2：a、制冷工质b、清白燃料c、重氢的原料

不易处理，易燃易炸，易泄漏。

（2）正氢与仲氢

Ortha-Hydrogen正氢，双原子同向旋转Para-Hydrogen仲氢，双原子异向旋转平衡氢(e-)=OH2?PH2?f(T)

正常氢（标准氢）(n-)=75%OH2?25%PH2（O—P）正—仲转化，放热反应，汽态时要催化。转化热>汽化潜热，液态时可自动转化，但很慢。

LH2的储存：由于转化热放出，易于汽化，故生产LH2时加催化剂。促使O→p

转化。（n→e的放热，和n→P的放热）

所以H2的性质有多种

正常氢（n?H2），平衡氢（e?H2），仲氢（p?H2）同位素有D2

正常氘（n?D2），??。

§1—4氦的性质

3He4He氦有两种同位素

M?3Ts?3.19??4?4.2k??主要是自然气中提取

寻常指的氦为4He，同为3He含量很少。

氦是最难液化的气体，很长时间被认为是永久气体。

氦有两个三相点，在25bar以下得不到固体He，但存在一个高阶的液态相变

LHeⅠ?LHeⅡ：叫做超液氦，中间的线叫入线。

入转变点约2.17K，“?〞显示了Cp的变化关系—突变，无

HeⅠ?HeⅡ气化潜热

HeⅡ特性：（1）超流性??0,“爬膜〞、“喷泉〞

（2）超导热性???。当T?2.17时，HeⅠ/HeⅡ的混合物存在。

T?，HeⅡ越高。

[超导特性是固体导电特性（电阻为0，抗磁性=?）]超导与超流均为量子特性。

phonon声子photon光子quantum量子。

其次章获得低温的方法

§2-1获得低温方法有物理法

（1）相变制冷（液体气化，固体溶化，固体升华，液体抽气）

(2)压缩气体绝热节流（3）等熵膨胀（4）辐射制冷（5）涡流制冷（6）热电制冷，（7）吸收制冷吸附制冷。

§2-2绝热节流

低温制冷装置中，主要是绝热节流和等熵膨胀（主动）什么是节流过程：h1?h2

h?h(p,T)理想气体h?f(T)

焦一汤效应，节流后的温度变化效应（实际气体）

??微分节流效应?2????理想气体?TT?2p?h?2T??vv积分节流效应?T??p2p1?hdp

T不变T降低T增加??h?0??1???T???v??h??????v????h?0?T???P?hcp?????T?p????0?h????v??dh?cdT??T????v?cpp??T?p??????????取决于节流前的气体状态。

三种状况内在机理，dh?du?d?pv??0，即du??d(pv)

u?u动?u势，节流后du势?0，但d(pv)不定，du动??du势?d(pv)也不确定。

转化温度与转化曲线

根据微分节流效应?n????p??关系，可以求出?h?0时的状态

??h此时??h?0??Tinv为转化温度

实践证明，当p?pmax时出现一个转化温度的节流前假使是p?pmaxTinv?T?Tinv\'??T?曲线

，则节流后产生制冷效果。

参数：产量越大，压力越小，纯节流时10~15MPa膨胀机1.5~2.5MPa

温差选择与温度水平和换热器类型有关，温度越低，温差应越小

冷损：与规模有关，与温度水平有关，中小规模：10~20%，大型：5~10%

第十一章低温液体的贮运

贮存：（1）集中生产，分散使用

（2）短时生产，长期使用（3）长期生产，短时使用（4）运输交接运输：（1）低温容器；多用

（2）低温管道；大流量，短距离

§11-1容器：

低温容器为：LHeLH2LN2LArLO2LNG

普通绝热：高真空绝热，真空粉末（纤维），真空多层，LN2保护杜瓦（玻璃、金属）→多用于低温液体贮运固定式，移动式（槽车，船）p=1~3.0MPa结构：一、

LN2LArLO2容器及LNG

（1）小型：球形内外胆，常温下夹层真空1.33?10?1Pa(10?3mmhg)1.33?10?3Pa(10?5mmhg)（2）固定贮槽：100L→1000m3；小的立式，大的卧式，球形。真空粉末绝热，日蒸发率10%时猛烈。

环境气体的??，同种保温材料?eff?2、比热3、纯膨胀系数§11-3材料的选择：

首先是：?eff小，?小。

T3??膨胀制冷量??膨胀量??节流量??最正确高压压力P2?

第四节精馏系统、换热系统组织

一、精馏系统

组成：上塔、下塔、冷凝蒸发器（主冷）、节流阀（1）保证产品纯度

①进料与抽口的质量，影响精馏工况及塔板效率②馏分抽取提高纯度，如取氩③加辅塔如高纯氮辅塔（2）产品产量与纯度双方面要求①单高产品：②双高产品：

加辅塔，得到高纯氮，上塔总的塔板数增加，阻力增加，（产量相等）但能耗增加。

外设纯氮塔，上塔的塔板数不增加，但仅保证O2纯度，在纯氮塔中保证氮纯度，但N2的产量小。③双种氧产品（工业氧+工艺氧）：

假使工业氧量较小，也可在上塔底部多几块塔板，但阻力加大。外设工业氧塔，进一步提纯。

二、换热系统

工艺流程的需要，改善流程工况，合理分派与传递冷量1、主换热器，切换式，非切换式（分子筛流程）

多采用板翅式，多股流体换热，使空气冷到饱和状态（略高1~1.5k）2、主冷（冷凝蒸发器）液氧与气氮换热，联系上下塔双侧相变其性能对塔工况影响很大上下塔压力及纯度以及液体深度对主冷换热有影响

3、过冷器，液空、液氧、液氮三种①使进上塔的组分气化率，降低保证上

塔的回流液量；②冷量回收③产品气升温，使主换冷端温差减小。4、液化器：下塔的气体受上塔气体的冷却而液化，污氮液化器，也有纯氮

液化器或纯氧液化器①启动阶段为下塔积蓄液体

②膨胀空气进上塔带进大量热（过热，跑冷）要求进下塔空气带湿；

③冷量分派与调理，从主换→上下塔间换热及恒温作用。5、膨胀换热器：控制膨胀前入口温度，减小出口过热度。6、氮水预冷器：污氮气冷却压缩空气。

第五节工艺流程设计

一、工艺流程拟定

工艺流程使机器、设备、管路、阀门有机的连接在一起。根据产品种类、纯度、数量要