制冷原理与技术第三章 低温原理与技术.ppt

第三章 低温原理与技术 3.1 气体液化与分离 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。 3. 简单林德－汉普逊系统 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 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 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 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: 提高塔板效率的因素: 小气泡(小 ) 长接触时间(大 ) 大的总质交换系数 (3.61) 3. 闪蒸计算 闪蒸计算的步骤如下: 第j组分质量平衡 : 能量守恒 : 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 : (3.62) (3.63) (3.64) (3.65) (3.66) 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 4. 精馏塔的理论塔板数计算 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。 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。 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: 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: 精馏段的操作线方程: 提馏段的操作线方程: (3.67) (3.68) (3.69) (3.71) (3.73) (3.74) 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 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: (3.75) (3.76) 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: (3.77) 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 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 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 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