【正文】 業(yè) —煉鋼 、 焊接 、 制造 、 航天推進 – 低溫產品 —液態(tài)氣體 （ 純凈氣體 、 低溫冷源 ） – 特種環(huán)境 —航天 、 航空 、 軍事 、 試驗 – 交叉學科 —物理 、 化學 、 材料 低 溫制冷技術的進步 ? 相關技術的 發(fā)展推動 低溫技術進步 – 新材料 —凈化 、 蓄冷 、 保溫 、 – 新工藝 —工藝流程 、 新工質 – 新方法 —低溫制冷 、 超低溫制冷 – 新技術 —絕熱技術 、 儲運技術 授課大綱 ? 緒論 ? 第一章、低溫工質的性質 ? 第二章、獲得低溫的方法 ? 第三章、氣體液化循環(huán) ? 第四章、溶液熱力學基礎 ? 第五章、氣體精餾原理及設備 低溫工質的性質 ? 120K以下低溫工質 – 既作為制冷工質，又作為原料和產品 – 可以是相變制冷，也可以是單相制冷 – 單靠增加壓力不能被液化 ? 低溫工質構成的循環(huán) – 可以是閉式循環(huán)，也可能是開式循環(huán) – 高、低溫熱源溫差很大，必須采用回熱方式 低溫工質的性質 ? 120K溫度區(qū)： – 烴類：烷、烯、炔等 – 如：石油氣（主要為戊、己烷）、天然氣（主要為甲烷） ? 80K溫度區(qū)： – 空氣成分：氧、氬、氮等 ? 超低溫區(qū)： – 20K溫區(qū)：氫 – 4K溫區(qū)：氦 低溫工質的性質 低溫工質的種類及應用 ? 120K級的低溫：天然氣的液化與分離 – 廣義天然氣含：石油氣、煤層氣、 – 合成氨尾氣、高爐尾氣 – 用途：石化行業(yè) ? 80K級的低溫：空氣的液化與分離 – 提取純度較高的氧、氬、氮成分 – 用途：制氧行業(yè)多用于冶金 ? 20K以下級的低溫：氫氣的液化、氦氣的液化 – 用途：液氫作為冷劑、燃料，液氦作為制冷劑 低溫工質的性質 主要低溫工質的種類分析 ? 甲烷： CH4， Ts=, M=16 – 天然氣的主要成分 – 用作為燃料（民用、汽車等） – 原作為化工原料生產 H2等 低溫工質的性質 主要低溫工質的種類分析 ? 氧： O2， Ts=, M=32 – 助燃劑，煉鋼 ? 氮： N2， Ts=, M=28 – 合成氨原料氣，保鮮保護氣 ? 氬： Ar， Ts=, M=40 – 焊接保護氣 ? 以上均來自空氣 低溫工質的性質 主要低溫工質的種類分析 ? 氖： Ne， Ts=, M=20 – 來自空氣，燈泡氣，制冷劑 ? 氫： H2， Ts=, M=2 – 來自煤（水煤氣）、天然氣、水電解等 – 用作燃料 ? 氦： He， Ts=, M=4 – 來自合成氨尾氣、天然氣， – 用作制冷劑 低溫工質的性質 空氣及其組成氣體的性質 空氣 =干空氣 +水蒸氣 +雜質 ? 干空氣： N2, O2, Ar, CO2,… , – 二元組分： N2:79%， O2:21% – 三元組分： N2:78%， O2:21%， Ar:1% – 可作為理想氣體：M=,Ts=(泡點 /露點 ) – 在氣液相平衡情況下：液相中N2:59%,O2:40%,Ar:1% 低溫工質的性質 空氣及其組成氣體的性質 氮氣： ? 沸點 ,凝固點 ? 安全，無毒無味，無色 ? 保護氣體， 隔離氧氣 ? 液氮（ LN2） 為極好的冷源 – 保存生命組織， – 低溫外科治療 – 預冷劑（ LH2,LHe）， – 低溫粉碎 低溫工質的性質 空氣及其組成氣體的性質 氧氣： ? 沸點 ,凝固點 ? 助燃，煉鋼、火箭發(fā)動機、焊接、切割 ? 促進動植物生命新陳代謝 ? 易于爆炸，空分裝置、輸氧管道 ? LOx呈蘭色， 低溫工質的性質 空氣及其組成氣體的性質 氬氣： ? 沸點 ,凝固點 ? 惰性氣體，不氧化 ? 作為焊接保護氣體，燈泡氣體 ? O N Ar均來自空氣 ? 其含量大、來源穩(wěn)定，隨時隨地獲得 ? 原料空氣無成本、生產成本小 低溫工質的性質 空氣及其組成氣體的性質 空分：即空氣分離 ? 從空氣中提取有用的氣體 – O N Ar 以及 Ne、 He、 Kr、 Xe ? 有常溫分離、低溫分離 – 低溫分離：將空氣液化后利用不同組分的沸點差進行分離 – 常溫分離：分子篩吸附分離、膜分離 低溫工質的性質 空氣及其組成氣體的性質 ? 低溫分離 – 同時可以得到多種產品 – 連續(xù)生產 – 產品純度高 – 設備龐大，初投資大 ? 常溫分離 分子篩吸附分離、膜分離 – 切換為了再生 – 只能得到單一產品，如制氧或制氮 – 設備小，啟動快 低溫工質的性質 — 氫的性質 ? 最輕的工質 – H2的密度最小、粘度最小 – 比熱和導熱系數很大， – 擴散能力很強，可以滲透金屬 ? 性質最為復雜的低溫工質 – 三個同位素 H、 D、 T，氕氘氚 – T在自然界不存在 – 質子數為 1，中子數分別為： 0、 2 – 通常指的氫是： H2和 HD的混合物 – 還有 D2,T2,DT,HT, 低溫工質的性質 — 氫的性質 ? 正氫與仲氫 – 正氫 Ortha 雙原子同向旋轉 – 仲氫 Para雙原子逆向旋轉 – 正、仲比例因溫度而不同，溫度低仲氫多 – 正仲轉化，放熱反應 – 導致 LH2儲存困難 – 轉化速度很慢 低溫工質的性質 — 氫的性質 ? 多種氫形式 – 平衡氫（ e）：一定溫度條件下正仲組合 – 正常氫 (標準氫 n)：標準狀態(tài)下的平衡氫 ? 75% oH2 + 25% pH2 – 沸點狀態(tài)平衡氫 ? % oH2 + % pH2 ? 同位素 D2 – 也存在正常氘（ n）、平衡氘 (e) 低溫工質的性質 — 氫的性質 ? 多種氫形式 – 平衡氫（ e）：一定溫度條件下正仲組合 低溫工質的性質 — 氦的性質 ? 最難液化的工質 – 沸點低，長期被認為永久性氣體 – 單靠降溫得不到固體 – 兩種同位素 – 4He Ts=, M=4 – 3He Ts=, M=3 量很少 – 通常指 4He 低溫工質的性質 — 氦的性質 ? 性質特殊 – 兩個三相點 – 以下得不到固體 – 存在一個液 液相變 LHeILHeII，高階相變 – 常流體液氦 超流液氦， ?轉變 – TT?時，液氦是 HeI 和 HeII的混合物 ? 溫度越低 HeII 含量越多 – 轉變點（線）上， ? Cp比熱值不連續(xù) , ? 無相