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深低温设备及其应用           ★★★
深低温设备及其应用
作者:佚名 文章来源:网上收集 点击数: 更新时间:2009-3-26 20:47:41

 深低温设备是指能产生和维持深低温,使原料气液化或分离,并提纯其组分的设备,又称深度冷冻设备。

  深低温是指远低于普通制冷工程所达到和应用的温度,其范围一般为120K到接近绝对零度。深低温设备的用途很广,例如氧液化设备和氢液化设备能生产液氧和液氢,可作为火箭的推进剂;氦液化设备可生产液氦,用于研究超导材料、超导电技术、空间技术等;又如用深低温天然气分离设备可将原料气分离,生产出乙烷、乙烯等轻烃化工原料;深低温空气分离设备可生产氧气和氮气,供冶炼钢铁、制造合成氨等之用等等。

  20世纪70~8O年代,空气分离设备在煤的气化、污水处理、纸浆漂白、石油蛋白的发酵和集成电路板生产等新领域得到了应用和推广。

  地球上并不存在天然的深低温环境和深低温物质,因此必须利用深低温设备,才能获得这样的低温。1877年,法国的凯泰和瑞士的皮克特分别用实验室的制冷设备,达到了90.2K以下的深低温、获得了雾状液态氧。

  1893年,英国的杜瓦首先制成能保存深低温液化气体的真空瓶,被称为杜瓦瓶;1895年,德国的林德应用焦耳-汤姆森等焓节流效应,以压缩机、管式换热器和节流阀组成原始深低温设备,并用它液化空气,使温度达到8O.9K;1898年,杜瓦在林德工作基础上,用液态空气预冷氢气,再经节流阀等焓膨胀,将温度降到20.4K以下而获得液氢。1902年,法国的G.克劳德在林德液化设备基础上加上活塞式膨胀机,以等熵膨胀制冷方法为主,也制成液化空气的设备。

  1903年出现了第一台商品制氧机;1908年,荷兰的卡默林•昂内斯将液氢预冷氦气,并在绝热条件下等焓膨胀,将温度降到4.2K以下,而获得液氦;1965年,苏联的涅加诺夫等人发明稀释制冷机,使温度达到0.025K;70年代以来,人们应用退磁制冷技术,使设备致冷温度进一步降低。

  深低温设备的工作原理主要有气体液化和气体分离两个方面。气体液化是根据液化循环,组织液化设备实现的。主要的液化循环方式有林德液化循环和克劳德液化循环,其他尚有在此基础上发展的液化循环,如带附加制冷循环的节流液化循环或等熵膨胀液化循环,带外加制冷循环等熵膨胀的液化循环、回热式气体制冷循环和多级等熵膨胀的液化循环等。
 
  以上各种循环均为理想循环。但在实际应用中,压缩机的压缩过程不是等温过程,换热器有复热不足和外热侵入的冷量损失,膨胀机有绝热损失和机械损失等,因此在实际制冷流程中需要采取补偿措施,以求流程的热量平衡。

  常用的原料气分离原理有深低温精馏、深低温分凝和深低温吸附三种。

  深低温精馏是先将原料气液化,然后再按各组分冷凝(蒸发)温度的不同,应用精馏原理分离出各组分,分离过程是在深低温精馏塔中实现的。这种方法适用于被分离组分冷凝温度相近的原料气,如从空气中分离氧和氮。

  深低温分凝是利用原料气中各组分冷凝温度的差异,在换热器中降低原料气的温度,由高到低逐个组分进行液化,并在分离器中将液体分离。这种方法适用于被分离组分的冷凝温度相距较远的原料气,如焦炉气的分离。

  深低温吸附是利用多孔性的固体吸附剂具有选择吸附的特性,在深低温下吸附某些杂质组分,以获得纯净的产品的方法。如利用分子筛吸附器在液态空气下从粗氩中吸附氧和氮,以获得精氩等。根据工艺的需要,有时单独使用一种原理,有时几种原理同时并用。

  在自然界和工业生产过程中,存在和产生着供低温设备加工的原料气,其中大部分是多组分的气体。按照原料气组分、工作过程和所获得产品状态的不同,深低温设备可分为气体分离设备、气体液化设备和回热式气体制冷机。

  深低温设备一般以氦气或氢气为工质,在封闭系统中应用回热原理实现气体制冷循环,以获得低温和冷量的机械。深低温设备均为成套的设备,一般由原料气的过滤器、清洗塔、压缩机、冷却器、换热器、净化设备、膨胀机、液化器、深低温精馏塔和产品的输送、贮存设备,以及为运转服务的仪表和电器控制器、停车加温系统等设备组成。

  对深低温设备材料的使用是有特殊要求的,不能使用脆性材料。常用的材料有铜、防锈铝和奥氏体不锈钢等。深低温液化气体贮槽或氢、氦液化设备因所处的温度水平极低,须选用导热性差的材料如德国银等,并采取防止辐射热侵入的措施以减少冷损失。

文章录入:设备管理    责任编辑:设备管理 
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