制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
1,基本概念
mw ?? /?
fm/w ???
m/my f ???
ymwmw f )/()/( ???? ???
(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,
制
冷
原
理
与
技
术
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
f
fii
m/w
m/w
w
wF O M
??
??
?
?
?
??? (3.2)
实
际
性
能
参
数
制
冷
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与
技
术
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。
制
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与
技
术
制
冷
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理
与
技
术
? ???? ????,
in
.
out
n e tn e t )gz/vh(m)gz/vh(mWQ 22 22 ????
?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,
ne tne t WQ,,? ? ? ?? m h m h
inout
.,..
?理想系统时,
)hh(
.
m)hh(
.
m
.
wQ ffiR
.
?????? 11
?等熵过程,S Sf2 ?
Q m T S S m T S SR f
., ( ), ( )? ? ? ? ?
1 2 1 1 1
?液化气体的理论最小功,
f
iffi
m
whhSST
m
w
?
?
?
? ??????? )()(
111
(3.3)
(3.4)
(3.5)
(3.6)
(3.7)
制
冷
原
理
与
技
术
表 3.1 液化气体的理论最小功 (初始点 P=101.3kPa,T=300K)
气体名称 沸点 (K) 理论最小功 (kJ/kg)
氦－ 3 3.19 8178
氦－ 4 4.21 6819
氢 20.27 12019
氖 27.09 1335
氮 77.36 768.1
空气 78.8 738.9
一氧化碳 81.6 768.6
氩 87.28 478.6
氧 90.18 635.6
甲烷 111.7 1091
乙烷 184.5 353.1
丙烷 231.1 140.4
氨 239.8 359.1
制
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与
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术
3,简单林德－汉普逊系统
图 3.2
林德－汉普逊系统,
制
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原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.3 林德－汉普逊循环的 T－ S图
制
冷
原
理
与
技
术
21)(0 hmhmhmm fff ???? ????
f
.
.
f
hh
hhy
m
m
?
???
1
21
1h fh
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。
1P T1
P2P2 h2
?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：
( hP )T T?? ? ?
1
0
?热力学第一定律应用于除压缩机外的所有设备，得到,
0) 11 ??? ?? TTpJTTT C()Ph( ???
2hy
2p
(3.8)
(3.10)
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
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与
技
术
?林德－汉普逊系统的耗功,
)( 12 hhmwQ R ??? ???
?单位质量耗功,
)()(/ 21211 hhssTmw ????? ??
)]()()[( 21211
21
1 hhssT
hh
hh
ym
w
m
w f
f
???
?
?
????
?
?
?
?
?单位质量的液化功,
(3.11)
(3.12)
(3.13)
制
冷
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理
与
技
术
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,
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.7 预冷林德－汉普逊系统
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
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理
与
技
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图 3.8 预冷林德－汉普逊循环的 T-S图
制
冷
原
理
与
技
术
?应用热力学第一定律
drffarf hmhmhmhmhmm ?????? ?????? 21)(0
?定义制冷剂的质量流率比,
m
mr r
?
??
?液化率,
y h hh h r h hh h
f
a c
f
? ?? ? ??1 2
1 1
?带预冷系统的最大液化率,
y h hh h
f
ma x ? ??6 3
6
(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,
f
i
ff
i
m
w
hhSST
m
w
?
?
?
?
?????? )()( 111
(3.18)
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
5,林德双压系统
图 3.11 林德双压系统
制
冷
原
理
与
技
术
制
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与
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图 3,12 林德双压系统 T－ S图
制
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原
理
与
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? 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,
y h hh h i h hh h
f f
? ?? ? ??1 3
1
1 2
1
?中间压力蒸汽流率比,i m mi?,,/
?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,
? ? ? ? ? ? ? ? ?
w
m
T S S h h i T S S h h
.
,[ ( ) ( )] [ ( ) ( )]1 1 3 1 3 1 1 2 1 2
(3.19)
(3.20)
(3.21)
制
冷
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与
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图 3.13 林德双压系统液化功
制
冷
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理
与
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术
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
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图 3.14复迭式系统
制
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与
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7,克劳特系统
图 3.15 克劳特系统
制
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与
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制
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与
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图 3.16 理论克劳特系统 T－ S图
制
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与
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? 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,
231)(0 hmhmhmhmhmm eeefff ?????? ???????膨胀机的流量比率,
进膨胀机质量流量占总流量比例,
mmx e ?? /?
?液化率,
y m
m
h h
h h x
h h
h h
f
f
e
f
? ? ?? ? ??
.
.
1 2
1
3
1
?净耗功,
)( 43 hhmw ee ?? ??
)()]()([ 321211 ehhxhhssTmw ??????? ??
(3.22)
(3.23)
(3.24)
(3.26)
(3.25)
制
冷
原
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与
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术
图 3.17 克劳特循环单位质量液化功
制
冷
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与
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术
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,
制
冷
原
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与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
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与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
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与
技
术
制
冷
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与
技
术
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
制
冷
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理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
续上表：
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
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与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
?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,
21 22 )(0 hmhmhmhmmhm aNfffcN ?????? ??????
mmz N ?? /2?
z h hh h y h hh h
c a
f
c a
? ?? ? ??2 1 1
?单位质量 液化氢或氖下氮的蒸发率,
y
z
m/m
m/m
m
m
..
f
.
N
f
.
.
N ?? 22
(3.28)
(3.29)
(3.30)
(3.31)
制
冷
原
理
与
技
术
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,
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
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与
技
术
图 3.25 氦气制冷的氢液化系统
制
冷
原
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与
技
术
制
冷
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与
技
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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。
制
冷
原
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与
技
术
图 3.26 正仲氢转化布置
制
冷
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与
技
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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。
f
e
f
e
f hh
hx
hh
hx
hh
hhy
?
??
?
??
?
??
1
2
2
1
1
1
1
21
?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)
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.27 考林斯氦液化系统
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.28 西蒙液化系统
17,西蒙氦液化系统
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
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与
技
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图 3.29 西蒙液化系统的 T－ S图
制
冷
原
理
与
技
术
?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,
cccccc dTmCdSTmdQ ??
?容器的熵变为,
)(93.77 3353 f
D
c
c TT
RS ????
?
?存在漏热,
cc SmmSS ??? )/( 656
?液化率,
y S S m m SS Sg c c
g f
? ? ? ?( ( / ))5 6 ?
?满液体部分的 容积比,
? ? ? ?? ?1//666 －fgfg
ff
y
yy
m
m
V
V ff
?????
?
?
?
????
(3.33)
(3.35)
(3.37)
(3.39)
(3.42)
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.30热力学理想分离系统模型,
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
?理想气体混合物分离的理论功,
?分压比 =质量比,
j
?种组分理想气体混合物耗功,
?分离系统的分离效率为,
)]/l n ()/()/l n ()/[(/ 11 bmbmbamamammi PPRmmPPRmmTmW ???
aa
mm
aaaa
mmmm
a
m
Rm
Rm
VTRm
VTRm
P
P ??
/
/
1
)/1l n (/ i
j
immi yyTnW ????
m
mi
m
mi
mW
mW
nW
nWF O M
/
/
/
/
?
??
?
??
(3.45)
(3.46)
(3.48)
(3.49)
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
(2)温度 -浓度图
图 3.32两组分混合物的冷凝
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.33氧－氮混合物的温度－浓度图
制
冷
原
理
与
技
术
? 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：
jjj xP ??
: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
jP
j?
jx
(3.51)
所有浓度下都服从 Raoult定律的混合物
称为理想的溶液。
制
冷
原
理
与
技
术
?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,
jj pyP ?
jjj xpy )/(??
?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,
?? ??
j
jj
j
j xPP ?
?对于两组分混合物，,因此，服从 Raoult
定律双组分混合物式,
12 1 xx ??
)1( 1211 xxP ??? ??
(3.52)
(3.53)
(3.54)
(3.55)
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.35 氮－氩混合物的温度－浓度图
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.35 氮－氩混合物的温度－浓度图
制
冷
原
理
与
技
术
(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,
jjj xyK /?
?理想气体和液体 的平衡常数, PK
jj /??
?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,
111 xKy ?
)1( 12121 xKxKy ???
121 ?? yy
?可求得液和气相中组分的摩尔百分比：
21
2
1
1
KK
Kx
?
??
21
21
111
)1(
KK
KKxKy
?
???
(3.56)
(3.57)
(3.58) (3.59)
制
冷
原
理
与
技
术
? 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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
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与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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,
)/3e x p (1 0 bMM RtU????
提高塔板效率的因素,
① 小气泡 (小 )
② 长接触时间 (大 )
③ 大的总质交换系数
bR
0t
MU
(3.61)
制
冷
原
理
与
技
术
3,闪蒸计算
闪蒸计算的步骤如下,
?第 j组分质量平衡,
LxLFyLxVyFx jjjjFj ????? )(
)1/1(/1 ???? j
Fj
jjj KFL
xKxy
?能量守恒,
)( LFHhLHVhLFh F ?????
?离开系统液体物流的百分比,
?蒸汽相的摩尔百分比之和等于 1,
?? ????
j j
Fj
j
j KFL
xy
)1/1(/11
hH
hH
F
L F
?
??
(3.62)
(3.63)
(3.64)
(3.65)
(3.66)
制
冷
原
理
与
技
术
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,
假定一个在露点和泡点之间的一个温度
露点和泡点的温度由混合压
力及供料摩尔百分比决定
计算液体百分比
用蒸汽相的摩尔百分比之和等于 1验证
若等于 1，则
求解结束，开
始假定的混合
物温度正确
若不等于 1，重
新假定混合物温
度，重复上述步
骤
制
冷
原
理
与
技
术
4,精馏塔的理论塔板数计算
I,方法之一是 1921年 Ponchon和 1922年 Savarit建立
的，它是一适用于所有情况的精确方法，但应用
该法需要详细的焓值数据。
II.另一方法是 1925年 McCable和 Thiele建立的，它在
应用时仅需要平衡浓度数据。
有两种基本方法用来计算精馏塔内所需的理论塔
板数,
?我们在讨论时使用 McCable-Thiele 方法,
因为它最适合于低温场合。
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
?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,
?对低沸点组分应用质量守衡定律得,
?应用热力学第一定律得,
?产品流率与蒸汽相流率的比值,
DLV nn ?? ? 1
DxLxVy Dnnnn ?? ?? 11
DDnnnn QDhLhVH ???? ?? 11
D
V
H h
Q D h hn
n n
D D n
? ?? ??
?
1
1( ? / )
?精馏段的操作线方程,
Dnnnnn xVDxVLy )/()/( 11 ?? ??
?提馏段的操作线方程,
Bmmmmm xVBxVLy )/()/( 11 ?? ??
(3.67)
(3.68)
(3.69)
(3.71)
(3.73)
(3.74)
制
冷
原
理
与
技
术
求 McCabe－ Thiele解的理论塔板数
平衡线,蒸汽相
的摩尔百分比
对与蒸汽相热
平衡液相中氮
的摩尔百分比
图,
图 3.43 McCabe
－ Thiele法的解
制
冷
原
理
与
技
术
? 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。
? 当底部产品为气相，当底部产品为液体时,M等于
理想塔板数加 1(因子 1代表沸腾器的表面 )。 M是理论
塔板数为,
? 精馏段理论塔板数的简单分析表达式,
M x yL V KB M
m m
?
?
ln ( / )
ln ( / )1 1
)/ln (
)
1
1
ln (
21 KVL
x
y
N
nn
D
N
?
?
?
?
(3.75)
(3.76)
制
冷
原
理
与
技
术
5,最小理论塔板数
? 当操作线的斜率接近 1时，给定分离过程的理论塔
板数达到最小，因为这时在塔底到塔顶之间取的步数
最少。
? 理论塔板最小数 可以利用 45度对角线作为操作线
在 McCabe-Thiele图上求得，或使用 Fenske-Underwood
式求得,
1
)/l n (
)1(
)1(
ln
21
m i n ?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
KK
xx
xx
N DB
BD
(3.77)
制
冷
原
理
与
技
术
? 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。
? 在实际系统中，
应在最小理论塔
板数 (固定产品流
率下无穷大制冷
量 )和最小制冷量
的塔板数 (无穷大
理论塔板数 )之间
取一折中值。
图 3.44 所需理论塔板数的说明
制
冷
原
理
与
技
术
6,精馏塔的类型和结构
(1) 筛板塔
? 筛板塔是由塔板组成。
?塔板由筛孔板、溢流装
置组成。
图 3.45 筛板塔的结构原理图
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.46 圆形泡罩的结构
? 在塔板上按等边三角形排列许多 泡罩 。泡罩边沿有
齿缝，浸没在液体中。塔板上液层高度由 溢流堰 保
证．上升蒸汽通过 泡罩齿缝 形成喷射穿过液层时，一
部分蒸汽穿过 液层鼓泡,形成 泡沫,并使液体分散成
液滴和雾沫 ；另一部分蒸汽则夹带着泡沫，液滴和雾
沫上升到 塔板上的空间 。在这个空间里进行两相的接
触，这是 热质交换的主要区域 。
(2) 泡罩塔
制
冷
原
理
与
技
术
泡罩塔板在目前空分装置中主要用在以下两
种情况,
? 下塔最下面一块塔板，不易被二氧化碳颗粒堵塞。
? 负荷变化大，这时采用筛孔塔板和泡罩塔板相间的
混合结构方案。
操作十分稳定，即使气体负荷发生较大变动，
对操作也影响不大
泡罩塔拦液量大，特别适用于从塔板上抽出
或加入液体
泡罩塔板上蒸汽流道大，因此不易被固体颗
粒堵塞
对塔板水平度要求一不象筛板塔那么严格。
泡
罩
塔
的
优
点
泡罩塔板的 缺点 是,
结构复杂，耗材大，造价高，流阻大，在设计工况
下塔板效率不如筛板塔。
制
冷
原
理
与
技
术
(3) 浮阀塔
浮阀,在浮阀塔内每层板上除有溢流斗外，尚在板上开有
许多大孔，每个孔中装一个可活动的阀。
浮阀的特点,
?可以在一定范围内自由升降
?可以自动调节蒸汽通路的面积，以适应蒸汽量的变化
?没有蒸汽通过时，浮阀下落盖住阀孔
?最大优点是变产量时塔板效率不会有很大降低
图 3.47 浮阀结构示意图 a)型结构简单制造方便省材料； b)型阀
孔为文丘里型，阻力小，适用于减压系统； c)型操作弹性范围大，
适用于中型实验装置。
制
冷
原
理
与
技
术
(4) 填料塔
?填料塔由塔体、填料、喷淋装置、支撑栅板、
再分配器、气液进口管等组成。
填料可使气液两相高度分散，扩大相间接触面积。
喷淋装置可使液体均匀地喷洒在填料层上。
支撑栅板支撑填料层，使蒸汽均匀地通过填料层。
再分配器使液体能够均匀地润湿所有填料，可避免
液体沿筒壳流动而使中间填料得不到润湿。
?填料塔填料中金属丝网鞍形和金属波纹填料已得
到了广泛使用。它们具有比表面积大、传质效果好、
阻力小、密度小、金属耗量少等优点。
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.4 变压吸附
一些具有代表性的工业过程中的绝大多数都采用了
变压吸附 (PSA)循环。
一个典型的 PSA系统是由三到四个相互连接的吸附器
组成，它可使原料进料和产物出料连续流动。
?对吸附质有大的吸附能力
?有高度的选择性
?能再生和多次使
?有足够的机械强度
?化学性质稳定
?供应量大
?价格低
工
业
吸
附
剂
性
质
制
冷
原
理
与
技
术
? 目前主要有以下几种吸附剂,活性炭, 硅胶, 活性
氧化铝 和 沸石分子筛 。
?作为吸附剂的沸石分子筛有下列 特点：
(1)有极强的吸附选择性。
(2)在气体组分浓度低 (分压低 )的情况下，具有较大的
吸附能力,
图 3.48微孔径分布图
a) 3A型沸石
b) 4A
c) 5A
d) 10X
e) 13X
f) 分子筛炭
g) 活性炭
制
冷
原
理
与
技
术
?在一定温度和压力下，当脱附速度和吸附速度相等
时，便达到 吸附平衡 。在平衡条件下吸附物质的多少
用 吸附量 表示。
?吸附平衡数据表示方式主要有三种,吸附等温线, 吸
附等压线 和 吸附等量线,最常用的是吸附等温线。
图 3.49五种类型的吸附等温线
制
冷
原
理
与
技
术
?Skarstrom循环：最早的无热吸附，它是两床设备 。
?循环过程为：在吸附阶段后，第一床被泄压到大气压，
同时，受压缩的原料混合气被送到第二床以充压，然
后在进料压力下开始吸附阶段。一部分由第二床出来
的纯化气以逆流方式通过第一床，在低压 (大气压 )下
吹扫床层，使吸附剂活化，以准备下一次循环。
Skarstrom循环的两
个有用点,
为“保存吸附热”
应保持短的循环和
低产量。
用于低压吹扫气
的体积至少不少于
高压原料气的体积。
图 3.50 Skarstrom
变压吸附循环
制
冷
原
理
与
技
术
? Guerin－ Domine循环 可以根据待分离混合气体的性
质，改变吸附床的数目、相互连接方式和操作方案。
在这个循环中每个床包含三个阶段,
图 3.51 Guerin－
Domine循环
?用空气使 A床加压,(而 B床正被抽空 )
?通过 B床使 A床泄压 (两床气都往下流动 )收集氧气
?A床抽气
?在下半个循环
中 A和 B的作用相
反而完成一个吸
附分离循环。
制
冷
原
理
与
技
术
? 这三个参数不能同时兼顾，要获得高纯度的
产品，产量就要降低，势必引起另外两个参数
的降低。
? 由于在于吸附床中有死空间，死空间中的产品是无法
回收的，在降压过程中白白放空，从而使产品回收率下
降，产品气压越高，损失就越大。
?变压吸附循环经过许多专家完善，发展了许多成熟的
构想，在降低能耗及克服死空间方面作出很大的改进。
变压吸附分离的性能指标通过三个参数来衡量,
? 产品纯度
? 产品回收率
? 吸附剂的生产能力
制
冷
原
理
与
技
术
快速变压吸附
从 PSA开发初期就已认识到，由于吸附热和脱附热
引起床内温度波动的方向都不利于分离过程。当床几
乎在等温下操作才能实现最好的分离。在工业上成功
地用单沸石床小规模生产氧气，循环周期小于 30秒，
所以吸附与脱附在等温条件下实现。
图 3.52 快速变压
吸附分离氧
制
冷
原
理
与
技
术
3.1.4 膜分离技术
用膜分离技术进行气体分离的优点：
? 分离过程中 没有相变,过程简单,可在常温下进
行操作,减少能源的消耗。
? 与传统的空分装置相比,能耗低 。要下降 (30～ 60)
％。特别是分离共沸物质,有独特的优越性,
? 重量轻, 占地面积小, 纯度高, 工作压力的范围
宽 。 氮气纯度可达 99.9%,生产的氮气非常干燥，露
点温度可达 -100℃ 。
? 效率高,每 kg膜纤维连续的生产能力比变压吸附
要大。
? 没有运动部件，几乎用不着维护，因此 维护费用
少,高效率和高可靠性降低了操作运行费用。
? 设备简单、机动性好,只要有一个压缩空气的气
源，就可以连续地工作，而且可以省去贮运气体或液
体的设备。
制
冷
原
理
与
技
术
膜分离设备中的关键是 膜组件,
从气体分离的机理分,多孔型膜和非多孔型膜。
从材料性质分,有机膜（高分子膜）和无机膜。
从膜组件的结构型式分,中空纤维型和平板型两种。
用于空气分离装置的膜组件主要是中空纤维型。
图 3.53 膜组件的结构
制
冷
原
理
与
技
术
?中空纤维型的膜组件是由上百万根空心纤维
组成的纤维束。
?膜的特性,对某些气体有优先渗透或溶解的能
力。
图 3,54气体分离模型
制
冷
原
理
与
技
术
气体膜分离装置 是通过膜壁对气体渗透来实现的。
用于气体分离的膜有两种类型,多孔型膜 和 非多孔型膜。
膜的性能要求,
具有很高的气体渗透通量和高的选择性，能在高
压下工作，抗杂质的能力要强，而且要长期保持高的
效率。
从膜渗透出来的气流中,可应用在很多方面,
制药工业
养殖业，能促进鱼的生长
助燃富氧空气在燃烧中可以减少散射和增加效率
家庭富氧疗法对呼吸困难的病人的护理是有利的
废料的处理,在发酵过程和环境废料的处理过程中，
富氧空气可以增加细菌的活性
空间技术燃料系统的惰化
食品工业水果和蔬菜的保鲜
制
冷
原
理
与
技
术
3.1.5 空气分离系统
1,林德单塔系统
图 3.55 林德单塔气体分离系统
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.56为单塔系统
精馏工作过程图。
?林德单塔分离系统是最简单的空气分离系统之一，采
用的是基本的林德－汉普逊液化系统，用精馏塔代替了
储液器，当然也可以用其他液化系统来为塔内提供液体,
林德的单塔系统
有两大缺点,
1)仅能得到纯氧
产品
2)污氮放空浪费
了大量的氧
制
冷
原
理
与
技
术
2 林德双塔系统
?采用 两个精馏塔,下塔氮气液化作为下塔回流液通过
上塔氧的沸腾来实现，上塔沸腾氧蒸汽作为上塔的上
升蒸汽。下塔产生多余的液氮节流到上塔顶部作回流
液。
图 3.57 林德双
塔空气分离系统
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.58 林德－弗兰
克空气分离系统
3 林德－弗兰克系统
? 林德－弗兰克系统采用蓄冷器和氨预冷及膨胀机，
分离系统的液化部分是 氨预冷的双压克劳特液化系统,
制
冷
原
理
与
技
术
4 海兰特系统
? 海兰特系统可以得到 液氮 和 液氧 产品。
图 3.59海兰特空气分离系统
制
冷
原
理
与
技
术
成份 体积百分比 重量百分比
氮 78.084 75.521
氧 20.946 23.139
氩 0.934 12.288
二氧化碳 0.033 0.050
稀有气体 0.003 0.002
稀有气体 容积 ppm 重量 ppm
氖 18.18 12.67
氦 5.24 0.724
氪 1.14 0.295
氢 0.50 0.035
氙 0.086 0.390
5 氩分离系统
? 大气中不仅仅是氧和氮的混合物，而是 9种气体所组
成的混合物。稀有气体主要是体积比为 0.93％的氩 。
? 氩气的沸点介
于氧和氮之间,空
气进入塔后，经过
精馏，将在上塔中
间某些部位形成氩
的富集区。
表 3.5干燥空气的组成
制
冷
原
理
与
技
术
氩气分离系统通常由两部分组成,
（ 1）粗氩子系统（ 2）纯化子系统
图 3.59 粗氩子系统
制
冷
原
理
与
技
术
在工业上用于氩纯化的子系统有两种,
粗氩经化学除氧和低温精馏除氮后成为纯氩
低温精馏除氮和低温吸附除氧而得到纯氩
图 3.60 氩纯化子系统 1
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.61 氩纯化子系统 2
制
冷
原
理
与
技
术
(1)粗氖子系统,
获得粗氖的气
体混合物，其组成
为,46%氖,19%氦、
33%氮和 2%的氢。
6 氖分离系统
? 惰性气体氖 的沸点仅高于氦和氢，蒸发潜热大，
适合在低温实验室内作制冷剂；电导高，在真空下通
电发红光，因此长期以来用来充填信号装置。
氖分离系统由两个子
系统所组成
图 3.62 粗氖子系统
制
冷
原
理
与
技
术
(2)纯化子系统
把粗氖－氦混合气送入纯化子系统，然后加氧在触
媒炉内氢气与氧气燃烧形成水蒸汽。接下来粗氖－氦气
进入冷却器，水蒸汽被冷凝，在干燥器内被吸附掉。
图 3.63 氖纯化子系统
制
冷
原
理
与
技
术
7 氢分离系统
? 从混合气中分离氢的低温系统，主要用来从焦炉
煤气或富氢的副产品气中分离氢。
? 工业氢原料气之
一是 焦炉煤气,一种
由 氢、氮、氧,一
氧化碳、二氧化碳、
甲烷、乙烷 和其它一
些碳氢化合物所组成，
因为氢的沸点与其它
组份相差非常大，所
以从混合物中分离氢
用不着精馏塔，采用
简单的冷凝－蒸发过
程就可以满足分离的
要求。
组成物 大气下沸点
（ K）
体积百分比
（ %）
H2 20.3 46.5
N2 77.4 13.1
CO 81.6 6.3
O2 90.2 1.0
CO2 194.7 3.2
CH4 111.7 26.2
C2H6 184.5 1.0
碳氢化
合物
── 2.6
其它 ── 0.1
表 3.6 典型的焦炉煤气组成及组成物的沸点
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.64林德－布卢尔氢分离系统
制
冷
原
理
与
技
术
? 对于氢分离系统加以改进，该系统有别于林德
－布卢尔系统。其不需要附加液氮，而 采用膨胀机来
制冷。
图 3.65氢分离系统
制
冷
原
理
与
技
术
8 氦分离系统
目前工业上从天然气中提取氦的主要方法有三种
? 冷凝法, 将天然气逐级冷却，使各种烃类分凝，得
到浓缩氦。用冷凝法可获得浓度为 50～ 90％的粗氦。
? 膜分离法, 利用各种气体对有机薄膜透气性能上的
差异，使氦从天然气中分离出来。
? 扩散法, 利用氦所具有的高热扩散性使天然气中的
氦浓缩，所用的扩散元件为石英玻璃毛细管。
?天然气分离氦系统，和从焦炉煤气中分离氢一样，
天然气中的主要成份与氦气的沸点相差非常大，不需
要精馏塔，只需采用简单的冷凝 — 蒸发器来分离就足
够了。
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.66天然气分离氦系统
制
冷
原
理
与
技
术
9,气体纯化方法
在各种低温气体分离系统中，去除少量杂质的方法主
要有两种,
（ 1）冷凝纯化，如从空气中去除水，二氧化碳；
（ 2）物理吸附，如从空气中分离氩。
（ 1）冷凝纯化
? 气体纯化最简单的方法是通过冷却将混合气
中杂质气体冷凝或冻结。
? 这种方法的分离效率取决于制冷温度下的杂
质气体的分压。 若气体间的蒸汽压非常接近（例,
氧和氮），则冷凝纯化法无效。若气体间蒸汽压相
差很大（例：水蒸汽和空气），那么这种方法对去
除杂质气体非常有效。
制
冷
原
理
与
技
术
(2) 物理吸附
吸附 (固体对气体 )：当气体与固体接触时，
在固体表面或内部发生容纳气体的现象。
解吸或脱附：已被吸附的原子或分子返回
气相或液相中去。
吸附可分为物理吸附和化学吸附两类,
物理吸附 是气体分子靠范德瓦尔力吸附在固体吸
附剂上，它类似蒸气的凝聚和液化。
化学吸附,其作用力与化合物中原子之间的作用力
相似，吸附后气体分子与固体表面原子之间形成吸附
化学键。
? 气体分离系统中遇到的主要是物理吸附。硅胶、
活性炭、活性氧化铝这些吸附剂具有多孔性结构，它
们都具有很大的有效表面积，在低温下对气体具有很
好的吸附性能。
制
冷
原
理
与
技
术
?在许多系统里，冷凝纯化和物理吸附纯化组装在一个
单元内。
?待纯化的气体
首先通入换热器
内 冷却,在该换
热器中，把来自
于压缩后纯化气
体中的水和油被
冷凝或冻结 下来。
经过换热器的干
燥气体通入低温
下的等温吸附器
内 吸附 掉杂质气
体。
图 3.67 组合式纯化器
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
1,基本概念
mw ?? /?
fm/w ???
m/my f ???
ymwmw f )/()/( ???? ???
(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,
制
冷
原
理
与
技
术
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
f
fii
m/w
m/w
w
wF O M
??
??
?
?
?
??? (3.2)
实
际
性
能
参
数
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
? ???? ????,
in
.
out
n e tn e t )gz/vh(m)gz/vh(mWQ 22 22 ????
?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,
ne tne t WQ,,? ? ? ?? m h m h
inout
.,..
?理想系统时,
)hh(
.
m)hh(
.
m
.
wQ ffiR
.
?????? 11
?等熵过程,S Sf2 ?
Q m T S S m T S SR f
., ( ), ( )? ? ? ? ?
1 2 1 1 1
?液化气体的理论最小功,
f
iffi
m
whhSST
m
w
?
?
?
? ??????? )()(
111
(3.3)
(3.4)
(3.5)
(3.6)
(3.7)
制
冷
原
理
与
技
术
表 3.1 液化气体的理论最小功 (初始点 P=101.3kPa,T=300K)
气体名称 沸点 (K) 理论最小功 (kJ/kg)
氦－ 3 3.19 8178
氦－ 4 4.21 6819
氢 20.27 12019
氖 27.09 1335
氮 77.36 768.1
空气 78.8 738.9
一氧化碳 81.6 768.6
氩 87.28 478.6
氧 90.18 635.6
甲烷 111.7 1091
乙烷 184.5 353.1
丙烷 231.1 140.4
氨 239.8 359.1
制
冷
原
理
与
技
术
3,简单林德－汉普逊系统
图 3.2
林德－汉普逊系统,
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.3 林德－汉普逊循环的 T－ S图
制
冷
原
理
与
技
术
21)(0 hmhmhmm fff ???? ????
f
.
.
f
hh
hhy
m
m
?
???
1
21
1h fh
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。
1P T1
P2P2 h2
?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：
( hP )T T?? ? ?
1
0
?热力学第一定律应用于除压缩机外的所有设备，得到,
0) 11 ??? ?? TTpJTTT C()Ph( ???
2hy
2p
(3.8)
(3.10)
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
?林德－汉普逊系统的耗功,
)( 12 hhmwQ R ??? ???
?单位质量耗功,
)()(/ 21211 hhssTmw ????? ??
)]()()[( 21211
21
1 hhssT
hh
hh
ym
w
m
w f
f
???
?
?
????
?
?
?
?
?单位质量的液化功,
(3.11)
(3.12)
(3.13)
制
冷
原
理
与
技
术
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,
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.7 预冷林德－汉普逊系统
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.8 预冷林德－汉普逊循环的 T-S图
制
冷
原
理
与
技
术
?应用热力学第一定律
drffarf hmhmhmhmhmm ?????? ?????? 21)(0
?定义制冷剂的质量流率比,
m
mr r
?
??
?液化率,
y h hh h r h hh h
f
a c
f
? ?? ? ??1 2
1 1
?带预冷系统的最大液化率,
y h hh h
f
ma x ? ??6 3
6
(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,
f
i
ff
i
m
w
hhSST
m
w
?
?
?
?
?????? )()( 111
(3.18)
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
5,林德双压系统
图 3.11 林德双压系统
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3,12 林德双压系统 T－ S图
制
冷
原
理
与
技
术
? 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,
y h hh h i h hh h
f f
? ?? ? ??1 3
1
1 2
1
?中间压力蒸汽流率比,i m mi?,,/
?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,
? ? ? ? ? ? ? ? ?
w
m
T S S h h i T S S h h
.
,[ ( ) ( )] [ ( ) ( )]1 1 3 1 3 1 1 2 1 2
(3.19)
(3.20)
(3.21)
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.13 林德双压系统液化功
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.14复迭式系统
制
冷
原
理
与
技
术
7,克劳特系统
图 3.15 克劳特系统
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.16 理论克劳特系统 T－ S图
制
冷
原
理
与
技
术
? 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,
231)(0 hmhmhmhmhmm eeefff ?????? ???????膨胀机的流量比率,
进膨胀机质量流量占总流量比例,
mmx e ?? /?
?液化率,
y m
m
h h
h h x
h h
h h
f
f
e
f
? ? ?? ? ??
.
.
1 2
1
3
1
?净耗功,
)( 43 hhmw ee ?? ??
)()]()([ 321211 ehhxhhssTmw ??????? ??
(3.22)
(3.23)
(3.24)
(3.26)
(3.25)
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.17 克劳特循环单位质量液化功
制
冷
原
理
与
技
术
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,
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
续上表：
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
?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,
21 22 )(0 hmhmhmhmmhm aNfffcN ?????? ??????
mmz N ?? /2?
z h hh h y h hh h
c a
f
c a
? ?? ? ??2 1 1
?单位质量 液化氢或氖下氮的蒸发率,
y
z
m/m
m/m
m
m
..
f
.
N
f
.
.
N ?? 22
(3.28)
(3.29)
(3.30)
(3.31)
制
冷
原
理
与
技
术
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,
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.25 氦气制冷的氢液化系统
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.26 正仲氢转化布置
制
冷
原
理
与
技
术
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。
f
e
f
e
f hh
hx
hh
hx
hh
hhy
?
??
?
??
?
??
1
2
2
1
1
1
1
21
?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)
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.27 考林斯氦液化系统
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.28 西蒙液化系统
17,西蒙氦液化系统
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.29 西蒙液化系统的 T－ S图
制
冷
原
理
与
技
术
?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,
cccccc dTmCdSTmdQ ??
?容器的熵变为,
)(93.77 3353 f
D
c
c TT
RS ????
?
?存在漏热,
cc SmmSS ??? )/( 656
?液化率,
y S S m m SS Sg c c
g f
? ? ? ?( ( / ))5 6 ?
?满液体部分的 容积比,
? ? ? ?? ?1//666 －fgfg
ff
y
yy
m
m
V
V ff
?????
?
?
?
????
(3.33)
(3.35)
(3.37)
(3.39)
(3.42)
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.30热力学理想分离系统模型,
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
?理想气体混合物分离的理论功,
?分压比 =质量比,
j
?种组分理想气体混合物耗功,
?分离系统的分离效率为,
)]/l n ()/()/l n ()/[(/ 11 bmbmbamamammi PPRmmPPRmmTmW ???
aa
mm
aaaa
mmmm
a
m
Rm
Rm
VTRm
VTRm
P
P ??
/
/
1
)/1l n (/ i
j
immi yyTnW ????
m
mi
m
mi
mW
mW
nW
nWF O M
/
/
/
/
?
??
?
??
(3.45)
(3.46)
(3.48)
(3.49)
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
(2)温度 -浓度图
图 3.32两组分混合物的冷凝
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.33氧－氮混合物的温度－浓度图
制
冷
原
理
与
技
术
? 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：
jjj xP ??
: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
jP
j?
jx
(3.51)
所有浓度下都服从 Raoult定律的混合物
称为理想的溶液。
制
冷
原
理
与
技
术
?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,
jj pyP ?
jjj xpy )/(??
?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,
?? ??
j
jj
j
j xPP ?
?对于两组分混合物，,因此，服从 Raoult
定律双组分混合物式,
12 1 xx ??
)1( 1211 xxP ??? ??
(3.52)
(3.53)
(3.54)
(3.55)
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.35 氮－氩混合物的温度－浓度图
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.35 氮－氩混合物的温度－浓度图
制
冷
原
理
与
技
术
(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,
jjj xyK /?
?理想气体和液体 的平衡常数, PK
jj /??
?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,
111 xKy ?
)1( 12121 xKxKy ???
121 ?? yy
?可求得液和气相中组分的摩尔百分比：
21
2
1
1
KK
Kx
?
??
21
21
111
)1(
KK
KKxKy
?
???
(3.56)
(3.57)
(3.58) (3.59)
制
冷
原
理
与
技
术
? 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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
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。
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
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,
)/3e x p (1 0 bMM RtU????
提高塔板效率的因素,
① 小气泡 (小 )
② 长接触时间 (大 )
③ 大的总质交换系数
bR
0t
MU
(3.61)
制
冷
原
理
与
技
术
3,闪蒸计算
闪蒸计算的步骤如下,
?第 j组分质量平衡,
LxLFyLxVyFx jjjjFj ????? )(
)1/1(/1 ???? j
Fj
jjj KFL
xKxy
?能量守恒,
)( LFHhLHVhLFh F ?????
?离开系统液体物流的百分比,
?蒸汽相的摩尔百分比之和等于 1,
?? ????
j j
Fj
j
j KFL
xy
)1/1(/11
hH
hH
F
L F
?
??
(3.62)
(3.63)
(3.64)
(3.65)
(3.66)
制
冷
原
理
与
技
术
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,
假定一个在露点和泡点之间的一个温度
露点和泡点的温度由混合压
力及供料摩尔百分比决定
计算液体百分比
用蒸汽相的摩尔百分比之和等于 1验证
若等于 1，则
求解结束，开
始假定的混合
物温度正确
若不等于 1，重
新假定混合物温
度，重复上述步
骤
制
冷
原
理
与
技
术
4,精馏塔的理论塔板数计算
I,方法之一是 1921年 Ponchon和 1922年 Savarit建立
的，它是一适用于所有情况的精确方法，但应用
该法需要详细的焓值数据。
II.另一方法是 1925年 McCable和 Thiele建立的，它在
应用时仅需要平衡浓度数据。
有两种基本方法用来计算精馏塔内所需的理论塔
板数,
?我们在讨论时使用 McCable-Thiele 方法,
因为它最适合于低温场合。
制
冷
原
理
与
技
术
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
制
冷
原
理
与
技
术
?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,
?对低沸点组分应用质量守衡定律得,
?应用热力学第一定律得,
?产品流率与蒸汽相流率的比值,
DLV nn ?? ? 1
DxLxVy Dnnnn ?? ?? 11
DDnnnn QDhLhVH ???? ?? 11
D
V
H h
Q D h hn
n n
D D n
? ?? ??
?
1
1( ? / )
?精馏段的操作线方程,
Dnnnnn xVDxVLy )/()/( 11 ?? ??
?提馏段的操作线方程,
Bmmmmm xVBxVLy )/()/( 11 ?? ??
(3.67)
(3.68)
(3.69)
(3.71)
(3.73)
(3.74)
制
冷
原
理
与
技
术
求 McCabe－ Thiele解的理论塔板数
平衡线,蒸汽相
的摩尔百分比
对与蒸汽相热
平衡液相中氮
的摩尔百分比
图,
图 3.43 McCabe
－ Thiele法的解
制
冷
原
理
与
技
术
? 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。
? 当底部产品为气相，当底部产品为液体时,M等于
理想塔板数加 1(因子 1代表沸腾器的表面 )。 M是理论
塔板数为,
? 精馏段理论塔板数的简单分析表达式,
M x yL V KB M
m m
?
?
ln ( / )
ln ( / )1 1
)/ln (
)
1
1
ln (
21 KVL
x
y
N
nn
D
N
?
?
?
?
(3.75)
(3.76)
制
冷
原
理
与
技
术
5,最小理论塔板数
? 当操作线的斜率接近 1时，给定分离过程的理论塔
板数达到最小，因为这时在塔底到塔顶之间取的步数
最少。
? 理论塔板最小数 可以利用 45度对角线作为操作线
在 McCabe-Thiele图上求得，或使用 Fenske-Underwood
式求得,
1
)/l n (
)1(
)1(
ln
21
m i n ?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
KK
xx
xx
N DB
BD
(3.77)
制
冷
原
理
与
技
术
? 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。
? 在实际系统中，
应在最小理论塔
板数 (固定产品流
率下无穷大制冷
量 )和最小制冷量
的塔板数 (无穷大
理论塔板数 )之间
取一折中值。
图 3.44 所需理论塔板数的说明
制
冷
原
理
与
技
术
6,精馏塔的类型和结构
(1) 筛板塔
? 筛板塔是由塔板组成。
?塔板由筛孔板、溢流装
置组成。
图 3.45 筛板塔的结构原理图
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.46 圆形泡罩的结构
? 在塔板上按等边三角形排列许多 泡罩 。泡罩边沿有
齿缝，浸没在液体中。塔板上液层高度由 溢流堰 保
证．上升蒸汽通过 泡罩齿缝 形成喷射穿过液层时，一
部分蒸汽穿过 液层鼓泡,形成 泡沫,并使液体分散成
液滴和雾沫 ；另一部分蒸汽则夹带着泡沫，液滴和雾
沫上升到 塔板上的空间 。在这个空间里进行两相的接
触，这是 热质交换的主要区域 。
(2) 泡罩塔
制
冷
原
理
与
技
术
泡罩塔板在目前空分装置中主要用在以下两
种情况,
? 下塔最下面一块塔板，不易被二氧化碳颗粒堵塞。
? 负荷变化大，这时采用筛孔塔板和泡罩塔板相间的
混合结构方案。
操作十分稳定，即使气体负荷发生较大变动，
对操作也影响不大
泡罩塔拦液量大，特别适用于从塔板上抽出
或加入液体
泡罩塔板上蒸汽流道大，因此不易被固体颗
粒堵塞
对塔板水平度要求一不象筛板塔那么严格。
泡
罩
塔
的
优
点
泡罩塔板的 缺点 是,
结构复杂，耗材大，造价高，流阻大，在设计工况
下塔板效率不如筛板塔。
制
冷
原
理
与
技
术
(3) 浮阀塔
浮阀,在浮阀塔内每层板上除有溢流斗外，尚在板上开有
许多大孔，每个孔中装一个可活动的阀。
浮阀的特点,
?可以在一定范围内自由升降
?可以自动调节蒸汽通路的面积，以适应蒸汽量的变化
?没有蒸汽通过时，浮阀下落盖住阀孔
?最大优点是变产量时塔板效率不会有很大降低
图 3.47 浮阀结构示意图 a)型结构简单制造方便省材料； b)型阀
孔为文丘里型，阻力小，适用于减压系统； c)型操作弹性范围大，
适用于中型实验装置。
制
冷
原
理
与
技
术
(4) 填料塔
?填料塔由塔体、填料、喷淋装置、支撑栅板、
再分配器、气液进口管等组成。
填料可使气液两相高度分散，扩大相间接触面积。
喷淋装置可使液体均匀地喷洒在填料层上。
支撑栅板支撑填料层，使蒸汽均匀地通过填料层。
再分配器使液体能够均匀地润湿所有填料，可避免
液体沿筒壳流动而使中间填料得不到润湿。
?填料塔填料中金属丝网鞍形和金属波纹填料已得
到了广泛使用。它们具有比表面积大、传质效果好、
阻力小、密度小、金属耗量少等优点。
制
冷
原
理
与
技
术
3.2.4 变压吸附
一些具有代表性的工业过程中的绝大多数都采用了
变压吸附 (PSA)循环。
一个典型的 PSA系统是由三到四个相互连接的吸附器
组成，它可使原料进料和产物出料连续流动。
?对吸附质有大的吸附能力
?有高度的选择性
?能再生和多次使
?有足够的机械强度
?化学性质稳定
?供应量大
?价格低
工
业
吸
附
剂
性
质
制
冷
原
理
与
技
术
? 目前主要有以下几种吸附剂,活性炭, 硅胶, 活性
氧化铝 和 沸石分子筛 。
?作为吸附剂的沸石分子筛有下列 特点：
(1)有极强的吸附选择性。
(2)在气体组分浓度低 (分压低 )的情况下，具有较大的
吸附能力,
图 3.48微孔径分布图
a) 3A型沸石
b) 4A
c) 5A
d) 10X
e) 13X
f) 分子筛炭
g) 活性炭
制
冷
原
理
与
技
术
?在一定温度和压力下，当脱附速度和吸附速度相等
时，便达到 吸附平衡 。在平衡条件下吸附物质的多少
用 吸附量 表示。
?吸附平衡数据表示方式主要有三种,吸附等温线, 吸
附等压线 和 吸附等量线,最常用的是吸附等温线。
图 3.49五种类型的吸附等温线
制
冷
原
理
与
技
术
?Skarstrom循环：最早的无热吸附，它是两床设备 。
?循环过程为：在吸附阶段后，第一床被泄压到大气压，
同时，受压缩的原料混合气被送到第二床以充压，然
后在进料压力下开始吸附阶段。一部分由第二床出来
的纯化气以逆流方式通过第一床，在低压 (大气压 )下
吹扫床层，使吸附剂活化，以准备下一次循环。
Skarstrom循环的两
个有用点,
为“保存吸附热”
应保持短的循环和
低产量。
用于低压吹扫气
的体积至少不少于
高压原料气的体积。
图 3.50 Skarstrom
变压吸附循环
制
冷
原
理
与
技
术
? Guerin－ Domine循环 可以根据待分离混合气体的性
质，改变吸附床的数目、相互连接方式和操作方案。
在这个循环中每个床包含三个阶段,
图 3.51 Guerin－
Domine循环
?用空气使 A床加压,(而 B床正被抽空 )
?通过 B床使 A床泄压 (两床气都往下流动 )收集氧气
?A床抽气
?在下半个循环
中 A和 B的作用相
反而完成一个吸
附分离循环。
制
冷
原
理
与
技
术
? 这三个参数不能同时兼顾，要获得高纯度的
产品，产量就要降低，势必引起另外两个参数
的降低。
? 由于在于吸附床中有死空间，死空间中的产品是无法
回收的，在降压过程中白白放空，从而使产品回收率下
降，产品气压越高，损失就越大。
?变压吸附循环经过许多专家完善，发展了许多成熟的
构想，在降低能耗及克服死空间方面作出很大的改进。
变压吸附分离的性能指标通过三个参数来衡量,
? 产品纯度
? 产品回收率
? 吸附剂的生产能力
制
冷
原
理
与
技
术
快速变压吸附
从 PSA开发初期就已认识到，由于吸附热和脱附热
引起床内温度波动的方向都不利于分离过程。当床几
乎在等温下操作才能实现最好的分离。在工业上成功
地用单沸石床小规模生产氧气，循环周期小于 30秒，
所以吸附与脱附在等温条件下实现。
图 3.52 快速变压
吸附分离氧
制
冷
原
理
与
技
术
3.1.4 膜分离技术
用膜分离技术进行气体分离的优点：
? 分离过程中 没有相变,过程简单,可在常温下进
行操作,减少能源的消耗。
? 与传统的空分装置相比,能耗低 。要下降 (30～ 60)
％。特别是分离共沸物质,有独特的优越性,
? 重量轻, 占地面积小, 纯度高, 工作压力的范围
宽 。 氮气纯度可达 99.9%,生产的氮气非常干燥，露
点温度可达 -100℃ 。
? 效率高,每 kg膜纤维连续的生产能力比变压吸附
要大。
? 没有运动部件，几乎用不着维护，因此 维护费用
少,高效率和高可靠性降低了操作运行费用。
? 设备简单、机动性好,只要有一个压缩空气的气
源，就可以连续地工作，而且可以省去贮运气体或液
体的设备。
制
冷
原
理
与
技
术
膜分离设备中的关键是 膜组件,
从气体分离的机理分,多孔型膜和非多孔型膜。
从材料性质分,有机膜（高分子膜）和无机膜。
从膜组件的结构型式分,中空纤维型和平板型两种。
用于空气分离装置的膜组件主要是中空纤维型。
图 3.53 膜组件的结构
制
冷
原
理
与
技
术
?中空纤维型的膜组件是由上百万根空心纤维
组成的纤维束。
?膜的特性,对某些气体有优先渗透或溶解的能
力。
图 3,54气体分离模型
制
冷
原
理
与
技
术
气体膜分离装置 是通过膜壁对气体渗透来实现的。
用于气体分离的膜有两种类型,多孔型膜 和 非多孔型膜。
膜的性能要求,
具有很高的气体渗透通量和高的选择性，能在高
压下工作，抗杂质的能力要强，而且要长期保持高的
效率。
从膜渗透出来的气流中,可应用在很多方面,
制药工业
养殖业，能促进鱼的生长
助燃富氧空气在燃烧中可以减少散射和增加效率
家庭富氧疗法对呼吸困难的病人的护理是有利的
废料的处理,在发酵过程和环境废料的处理过程中，
富氧空气可以增加细菌的活性
空间技术燃料系统的惰化
食品工业水果和蔬菜的保鲜
制
冷
原
理
与
技
术
3.1.5 空气分离系统
1,林德单塔系统
图 3.55 林德单塔气体分离系统
制
冷
原
理
与
技
术
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.56为单塔系统
精馏工作过程图。
?林德单塔分离系统是最简单的空气分离系统之一，采
用的是基本的林德－汉普逊液化系统，用精馏塔代替了
储液器，当然也可以用其他液化系统来为塔内提供液体,
林德的单塔系统
有两大缺点,
1)仅能得到纯氧
产品
2)污氮放空浪费
了大量的氧
制
冷
原
理
与
技
术
2 林德双塔系统
?采用 两个精馏塔,下塔氮气液化作为下塔回流液通过
上塔氧的沸腾来实现，上塔沸腾氧蒸汽作为上塔的上
升蒸汽。下塔产生多余的液氮节流到上塔顶部作回流
液。
图 3.57 林德双
塔空气分离系统
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.58 林德－弗兰
克空气分离系统
3 林德－弗兰克系统
? 林德－弗兰克系统采用蓄冷器和氨预冷及膨胀机，
分离系统的液化部分是 氨预冷的双压克劳特液化系统,
制
冷
原
理
与
技
术
4 海兰特系统
? 海兰特系统可以得到 液氮 和 液氧 产品。
图 3.59海兰特空气分离系统
制
冷
原
理
与
技
术
成份 体积百分比 重量百分比
氮 78.084 75.521
氧 20.946 23.139
氩 0.934 12.288
二氧化碳 0.033 0.050
稀有气体 0.003 0.002
稀有气体 容积 ppm 重量 ppm
氖 18.18 12.67
氦 5.24 0.724
氪 1.14 0.295
氢 0.50 0.035
氙 0.086 0.390
5 氩分离系统
? 大气中不仅仅是氧和氮的混合物，而是 9种气体所组
成的混合物。稀有气体主要是体积比为 0.93％的氩 。
? 氩气的沸点介
于氧和氮之间,空
气进入塔后，经过
精馏，将在上塔中
间某些部位形成氩
的富集区。
表 3.5干燥空气的组成
制
冷
原
理
与
技
术
氩气分离系统通常由两部分组成,
（ 1）粗氩子系统（ 2）纯化子系统
图 3.59 粗氩子系统
制
冷
原
理
与
技
术
在工业上用于氩纯化的子系统有两种,
粗氩经化学除氧和低温精馏除氮后成为纯氩
低温精馏除氮和低温吸附除氧而得到纯氩
图 3.60 氩纯化子系统 1
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.61 氩纯化子系统 2
制
冷
原
理
与
技
术
(1)粗氖子系统,
获得粗氖的气
体混合物，其组成
为,46%氖,19%氦、
33%氮和 2%的氢。
6 氖分离系统
? 惰性气体氖 的沸点仅高于氦和氢，蒸发潜热大，
适合在低温实验室内作制冷剂；电导高，在真空下通
电发红光，因此长期以来用来充填信号装置。
氖分离系统由两个子
系统所组成
图 3.62 粗氖子系统
制
冷
原
理
与
技
术
(2)纯化子系统
把粗氖－氦混合气送入纯化子系统，然后加氧在触
媒炉内氢气与氧气燃烧形成水蒸汽。接下来粗氖－氦气
进入冷却器，水蒸汽被冷凝，在干燥器内被吸附掉。
图 3.63 氖纯化子系统
制
冷
原
理
与
技
术
7 氢分离系统
? 从混合气中分离氢的低温系统，主要用来从焦炉
煤气或富氢的副产品气中分离氢。
? 工业氢原料气之
一是 焦炉煤气,一种
由 氢、氮、氧,一
氧化碳、二氧化碳、
甲烷、乙烷 和其它一
些碳氢化合物所组成，
因为氢的沸点与其它
组份相差非常大，所
以从混合物中分离氢
用不着精馏塔，采用
简单的冷凝－蒸发过
程就可以满足分离的
要求。
组成物 大气下沸点
（ K）
体积百分比
（ %）
H2 20.3 46.5
N2 77.4 13.1
CO 81.6 6.3
O2 90.2 1.0
CO2 194.7 3.2
CH4 111.7 26.2
C2H6 184.5 1.0
碳氢化
合物
── 2.6
其它 ── 0.1
表 3.6 典型的焦炉煤气组成及组成物的沸点
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.64林德－布卢尔氢分离系统
制
冷
原
理
与
技
术
? 对于氢分离系统加以改进，该系统有别于林德
－布卢尔系统。其不需要附加液氮，而 采用膨胀机来
制冷。
图 3.65氢分离系统
制
冷
原
理
与
技
术
8 氦分离系统
目前工业上从天然气中提取氦的主要方法有三种
? 冷凝法, 将天然气逐级冷却，使各种烃类分凝，得
到浓缩氦。用冷凝法可获得浓度为 50～ 90％的粗氦。
? 膜分离法, 利用各种气体对有机薄膜透气性能上的
差异，使氦从天然气中分离出来。
? 扩散法, 利用氦所具有的高热扩散性使天然气中的
氦浓缩，所用的扩散元件为石英玻璃毛细管。
?天然气分离氦系统，和从焦炉煤气中分离氢一样，
天然气中的主要成份与氦气的沸点相差非常大，不需
要精馏塔，只需采用简单的冷凝 — 蒸发器来分离就足
够了。
制
冷
原
理
与
技
术
图 3.66天然气分离氦系统
制
冷
原
理
与
技
术
9,气体纯化方法
在各种低温气体分离系统中，去除少量杂质的方法主
要有两种,
（ 1）冷凝纯化，如从空气中去除水，二氧化碳；
（ 2）物理吸附，如从空气中分离氩。
（ 1）冷凝纯化
? 气体纯化最简单的方法是通过冷却将混合气
中杂质气体冷凝或冻结。
? 这种方法的分离效率取决于制冷温度下的杂
质气体的分压。 若气体间的蒸汽压非常接近（例,
氧和氮），则冷凝纯化法无效。若气体间蒸汽压相
差很大（例：水蒸汽和空气），那么这种方法对去
除杂质气体非常有效。
制
冷
原
理
与
技
术
(2) 物理吸附
吸附 (固体对气体 )：当气体与固体接触时，
在固体表面或内部发生容纳气体的现象。
解吸或脱附：已被吸附的原子或分子返回
气相或液相中去。
吸附可分为物理吸附和化学吸附两类,
物理吸附 是气体分子靠范德瓦尔力吸附在固体吸
附剂上，它类似蒸气的凝聚和液化。
化学吸附,其作用力与化合物中原子之间的作用力
相似，吸附后气体分子与固体表面原子之间形成吸附
化学键。
? 气体分离系统中遇到的主要是物理吸附。硅胶、
活性炭、活性氧化铝这些吸附剂具有多孔性结构，它
们都具有很大的有效表面积，在低温下对气体具有很
好的吸附性能。
制
冷
原
理
与
技
术
?在许多系统里，冷凝纯化和物理吸附纯化组装在一个
单元内。
?待纯化的气体
首先通入换热器
内 冷却,在该换
热器中，把来自
于压缩后纯化气
体中的水和油被
冷凝或冻结 下来。
经过换热器的干
燥气体通入低温
下的等温吸附器
内 吸附 掉杂质气
体。
图 3.67 组合式纯化器
