低温物理与技术低温液体.pptx

第1页/共81页;第2页/共81页;获得低温的一些主要方法;120K温度区：烷、烯、炔等，如：石油气（主要为戊、己烷）、天然气（主要为甲烷） 80K温度区：空气成分：氧、氮、氩等 20K温区：氢 4K温区：氦 超低温区：3He ;循环工质的性质;第6页/共81页;空气是由什么组成的;第8页/共81页;氮是一种无色无味的气体，比空气稍轻，难溶于水； 氮的化学性质不活泼，通常情况下很难与其它元素直接化合，可用作保护气体； 在高温下，氮能够同氢、氧及某些金属发生化学反应； 氮无毒，又不能磁化，其沸点比空气低，所以液氮是低温研究中最常用的安全冷却剂，但需当心窒息； 液氮也用于氢、氦液化装置中，作为预冷； 液氮应小心储存，避免同碳氢化合物长时间的接触，以防止碳氢化合物过量溶于其中而引起爆炸； 液氮的蒸发温度为77.36K； 在标准大气压下，液氮冷却到63.2K时转变成无色透明的结晶体； 液氮的沸点和凝固点之间的温差不到15K，因而在用真空泵减压时容易使其固化； 因固态氮的密度比液氮大，所以沉降在底部； 在大约35.6K时，固态氮产生同素异形转变，并伴随比热容的增大。 转化热约为8.2kJ/kg。;第10页/共81页;带尾巴的高真空绝热金属杜瓦;第12页/共81页;无色无味的气体，标准状态下的密度是1.430kg/m3，比空气略重；氧较难溶解于水； 氧的化学性质非常活泼，它能与很多物质（单质和化合物）发生化学反应，同时放出热量；反应剧烈时还会燃烧发光； 氧与其它大多数气体的显著不同在于具有强的顺磁性，且某些气态的氧化合物（如一氧化氮）也有顺磁性；氧的这一特性已被利用来制作氧磁性分析仪，根据磁化率的变化可以测出抗磁性气体混合物中所含微量氧的浓度； 由于氧的化学活性很强，是一种强氧化剂，所以氧同碳氢化合物混合是很危险的，液氧中存在碳氢化合物结晶体已不止一次引起过严重的爆炸事故。因此，液氧必须严格避免同各种油脂、润滑油、炭、木材、沥青、纺织物品接触； 在标准大气压下，氧在90.188K时变为易于流动的淡蓝色液体；在54.4K时凝固成淡蓝色的固体结晶； 液氧和固态氧的淡蓝色是含有少量的氧聚合物O4而引起的； 虽然氧的沸点比氮几乎高13K，可是它的凝固点却比氮低约9K； 固态氧的密度大，因此在液氧中下沉； 在43.80K和23.89K时，固态氧发生同素异形转变，并伴随有转化热；在40.80K时转化热超过溶化热，约为23.2KJ/Kg；在23.89K时转化热只有2.93KJ/Kg。 ;精馏塔主要由下塔、上塔 及冷凝蒸发器组成。;下塔与上塔: 作用: 利用混合气体中各组分的沸点不同，将其分离成所要求纯度的组分。 结构: 塔体为圆筒形，下塔内装多层筛板，筛板上设置溢流斗，有一个溢流挡板，并密布小孔。上塔内装规整填料及液体分布器。 使用方式: 下塔精馏过程中，液体自上往下逐一流过每块筛板，由于溢流堰的作用，使塔板上造成一定的液层高度。当气体由下而上穿过筛板小孔时与液体接触，产生了鼓泡,这样就增加了汽液接触面积，使热质交换过程高效地进行。低沸点组份逐渐蒸发，高沸点的组份逐渐液化，至塔顶就获得低沸点的纯氮，在塔底获得高沸点的富氧液空组份。上塔在精馏过程中，气体穿过分布器沿填料盘上升，液体自上往下通过分布器均匀地分布在填料盘上，在填料表面上气、液充分接触进行高效的热质交换。上升气体中低沸点组份(氮)含量不断提高。高沸点组份(氧)被大量的洗涤下来，形成回流液最终在塔顶得到低沸点纯氮，塔底得到高沸点的液氧。 　　; 海兰特系统可以得到液氮和液氧产品;氢的性质;由双原子构成的氢分子H2内，由于两个氢原子核自旋方向的不同，故存在着正、仲两种形状。 正氢（o－H2）的原子核自旋方向相同，仲氢（p－H2）的原子核自旋方向相反。正、仲态的平衡组成与温度有关。 氢气在氧或空气中燃烧时产生几乎无色的火焰（若氢中不含杂质）, 其传播速度很快，达2.7m/s；着火能很低，为0.2mJ。 在大气压力及293K时氢气与空气混合物的燃烧体积分数范围是（4~75）%（以体积计）；当混合物中氢的体积分数为（18~65）%时特别容易引起爆炸。氢是一种易燃易爆物质； 因此进行液氢操作时需要特别小心。而且应对液氢纯度进行严格的控制与检测。 转化温度很低，约204K。必须把氢预冷到此温度以下再节流方能产生冷效应。 氢不仅在低温技术中可以用作工质，或者液化之后可作为低温冷却剂，而且氢还是比较理想的清洁能源。 在火箭技术中氢被作为推进剂，同时利用氢为原料还可以产生重氢，以满足核动力的需要。;氦气制冷的氢液化系统; 氦（Helium）为稀有气体的一种。在自然界，存在着 3He和4He两种同位素。4He的原子核有两个质子和两个中子，称为玻色子；而3He只有一个中子，称为费米子。