空气液化技术

空气在地球周围,通常是过热蒸汽,将其液化,需要通过液化循环来实现。 液化循环由一系列必要的热力过程组成,制取冷量将空气由气态变成液态。

一、空气的温-熵图

空气的热力学参数

(1)焓

焓是一个系统的热力学参数。H=U+p V,焓=流动内能+推动功。

焓具有能量的量纲。 一定质量的物质按定压可逆过程由一种状态变为另一种状态,焓的增量便等于在此过程中吸入的热量。

(2)熵

熵是热力系内微观粒子无序度的一个量度,熵的变化可以判断热力过程是否为可逆过程,是物体的一个状态量。

自然界发生的一些过程是有一定的方向性的,这种过程叫不可逆过程。 过程前后的两个状态是不等价的。 这种不等价性可以通过“熵”这个物理量衡量。

有些过程在理想情况下有可能是可逆的,例如汽缸中气体膨胀时举起一个重物做了功,当重物下落时有可能将气体又压缩到原先的状态。 根据熵的定义,熵在一个可逆绝热过程的前后是不变的。 而对于不可逆的绝热过程,则过程朝熵增大的方向进行。 或者说,熵这个物理量可以表示过程的方向性,自然界自发进行的过程总是朝着总熵增加的方向进行,理想的可逆过程总熵保持不变。 对上述的两个不可逆过程,它们的终态的熵值必大于初态的熵值。

以空气的温度T为纵坐标,以熵S为横坐标,并将压力P、焓H及它们之间的关系直观地表示在一张图上,这个图就称为空气的温-熵图,简称空气的T-S图。 在空气的液化过程,用T-S图可表示出物系的变化过程,并可直接从图上求出温度、压力、熵和焓的变化值。

图7．3．1为空气的T-S简图。 图7．3．1中向右上方的一组斜线为等压线;向右下方的一组线为等焓线;图7．3．1下部山形曲线为饱和曲线。 山形曲线的顶点k是临界点,通过临界点的等温线称为临界等温线。 在临界点左边的山形曲线为饱和液体线,临界点右边的山形曲线为饱和气体线。 临界等温线下侧和饱和液体线左侧的区域为液体状态区;临界等温线下侧和饱和气体线右侧,以及临界等温线以上的区域是气相区;山形曲线的内部是气液两相共存区,亦称为湿蒸汽区。 两相共存区内任意一点表示一个气液混合物。 例如。 点为气体空气g和液体空气f组成的气液混合物,线段fe和eg的长度比,表示气液混合物中气体与液体的数量之比,即fe∶eg=气体量∶液体量。

图7．3．1 空气的温-熵图

二、空气的节流膨胀与绝热膨胀

1.节流膨胀

在生产过程中,当高压流体正在管内流过一个缩孔或一个阀门时,使流动受到阻碍,流体在阀门处产生旋涡、碰撞、摩擦等阻力。 如图7．3．2所示,流体要通过这个阀门,必须克服这些阻力。 表现在阀门后的压力比阀门前的压力要低得多。 这种由于流动遇到局部阻力而造成的压力有较大的降低过程,通常称为节流膨胀。

图7.3.2 节流膨胀过程

(1)节流

流体经阀门、缩径时受到局部的阻力而造成压力有较大的降落的过程,称为节流过程。节流因为有摩擦阻力的存在,所以它是不可逆过程、熵增过程。

(2)节流的温降原理

在节流过程中,流体既未对外输出功,又可看成是与外界没有热量交换的绝热过程,根据能量守恒定律,节流前后的流体内部的总能量(焓)应保持不变。 但是,组成焓的三部分能量:分子运动的动能、分子相互作用的位能、流动能的每一部分是可能变化的。 节流后压力降低,质量比容积增大,分子之间的距离增加,分子相互作用的位能增大。 而流动能一般变化不大,所以,只能靠减小分子运动的动能来转换成位能。 分子的运动速度减慢,体现在温度降低。 在空分设备中,遇到的节流均是这种情况,这也是节流降温制冷要达到的目的。

利用T-S图能直观说明节流膨胀前后温度的变化。 例如在图7．3．3中,由点2(高压)处作等焓线H2,与等压线P1相交于点1,线段2→1表示节流膨胀过程,1点的温度T1即为节流膨胀后的温度,T2—T1为节流前后的温度差。

图7．3．3 空气制冷原理图

影响节流温降效果的因素:节流的目的是为了获得低温,因此希望节流温降的效果越大越好。

影响节流温降效果的因素有:节流前的温度。 节流前的温度越低,温降效果越大;节流前后的压差。

2.绝热膨胀

压缩气体经过膨胀机在绝热下膨胀到低压,同时输出外功的过程,称为膨胀机的绝热膨胀。 由于气体在膨胀机内以微小的推动力逐渐膨胀,因此过程是可逆的。 可逆绝热过程的熵不变,故膨胀机的绝热膨胀为等熵过程。

根据能量转换和守恒定律可知,气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外做功时,气体的能量(焓值)一定减少,从而使气体本身强烈地冷却,而达到制冷的目的。 在图7．3．3中,线段2→3表示气体由压力为P2、温度为T2的2点,等熵膨胀到P1时的过程,T2—T3为膨胀前后气体的温度差。

影响节流温降效果的因素:膨胀量越大,总制冷量也越大。 进、出口压力一定时,机前温度越高,单位制冷量越大。 但是,机前温度提高,膨胀后的温度也会提高,气体直接进入上塔会破坏精馏工况。 在正常生产时,温度提高幅度是有限制的。 当机前温度和机后压力一定时,机前压力越高,单位制冷量越大。 膨胀机后压力越低,膨胀机内的压降越大,单位制冷量越大。 但是,由于膨胀后气体进精馏塔,压力变化的余地不大。 膨胀机绝热效率越高,制冷量越大。

3.两种制冷方式的比较

等焓和等熵膨胀都是在绝热情况下进行的,但各自都有特点,所以,在空分装置中两者都采用,相互取长补短。

从降温效果来看,等熵膨胀要比等焓膨胀大的多.从机械结构来看,等焓膨胀只需一个节流阀,而等熵膨胀则需要膨胀机,即等焓比等熵膨胀所需的机械简单得多。 从做功角度来看,等焓膨胀对外不做功,而等熵膨胀则对外做功。 从使用角度来看,等焓膨胀既适用于气体也适用于液体,而等熵膨胀只适用于气体。 根据以上特点,在全低压空分装置中.一般都同时采用节流制冷与膨胀制冷,互补所缺。

三、空气的液化循环

在制冷机中,气体工质连续不断地工作,需要经历一系列的状态变化,重新回复到原始状态,也就是要经历一个循环。 低温液化循环由等温压缩,绝热膨胀降温,等压换热等一系列过程组成。 其目的是获得低温使空气液化。 低温液化循环获得冷量必须消耗功,耗功的大小代表了循环的经济性。

假如在整个液化循环中的各个过程均为可逆过程,无任何损失,则该液化循环为理想液化循环,通过这种循环使气体液化所消耗的功为最小,称之为气体液化的最小理论功。

实际上各种过程总存在着不可逆性,如节流和膨胀机都存在着摩擦及冷损失,换热器存在着传热温差,所以理想循环是不能实现的。 实际液化循环的耗功总是大于理论最小功,因此理论循环可以作为实际液化循环的不可逆程度的比较标准。

目前空气的液化循环主要有两种类型:

①以节流膨胀为基础的液化循环。

②以等熵膨胀与节流相结合的液化循环。

1.林德循环

常温T1、常压P1的气体经过压缩至高压P2(由于压缩比很大,实际上是多级压缩组成的,可视为等温压缩)。高压气体经冷却器冷至常温T1(点2)后,经换热器冷却到适当的温度(点3),然后经节流阀膨胀变为压力为P1的气体混合物(点4)送入气液分离器,饱和液体沉降于分离器底部,未液化的气体(点5)送入热交换器与点2的高压气体换热,自身温度回升返回到压缩机,如图7．3．4所示。

图7．3．4 林德循环示意图

图7．3．5 林德循环启动阶段

应用林德循环液化空气需要有一个启动过程,首先要经过多次节流,回收制冷量预冷加工空气,使节流前的温度逐步降低,其制冷量也逐渐增加,直至逼近液化温度,产生液化空气。 这一连串多次节流循环即林德循环启动阶段如图7．3．5所示。

2.克劳德循环

在简单的林德循环中,由于高压气体的相对量大和热容大,用未冷凝的低压气体无法将其冷却到足够的低温,克劳德循环通过增设一台膨胀机来解决这一矛盾。

图7．3．6 克劳德循环示意图

高压气体经冷却器和第一换热器冷却后(3点),一部分经第二、第三换热器冷却到节流膨胀所需的低温(6点),另一部分送进膨胀机做功,膨胀后的低温气体(4点)与第三换热器来的低压气体合并,送入第二换热器作冷却介质用,如图7．3．6所示。 采用这一措施,减少了高压气体的量,增加了作为冷却介质的低压气体的量,因而可将高压气体冷却到更低的温度,从而提高了液化率,同时还可以回收一部分有用功。 但要注意,高压气体进膨胀机的状态要慎重选定,保证膨胀后不产生液体,以防引起破坏性振动。

克劳德循环的优点主要表现在:

①减少了高压气体量,增加了作为冷却介质的低压气体量。

②提高了液化率。

③回收了部分功。