空气分离技术2

第六节   换热系统

1 q; |; m$ h* x7 o' N4 c9 ]一、热量传递的三种方式
    1、导热：它具有依靠物体内部的温度差或两个不同物体直接接触，在不产生相对运动，仅靠物体内部微粒的热运动传递了热量；
             a.固体与液体：分子碰撞；
/ U" ?, n" k) xb.固体与固体间：自由电子运动；
! e+ `8 y2 M" |/ s- R' jc.气体之间：分子热运动；
       导热的核心：温差   
4 H6 x7 [8 k6 W" i# X( p        
8 N( A6 N6 ~' {  l0 ]: t" K$ q; ~           温度梯度；
       F      传热面积；
             导热系数；
   2、对流：流体中温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递的过程；
      （1）自对流：靠物体的密度差，引起密度变化的最大因素是温度；
" O/ e0 q! {: J, S& e/ s      （2）受迫对流：（是靠认为作功）受到机械作用或压力差而引起的相对运动；
- z) T, t( c+ g9 e2 P2 t        
" I4 z& q% K' s   3、热辐射：物体通过电磁波传递能量的过程称为辐射，由于热的原因，物体的内能转化为电磁波的能量而进行的辐射过程。
+ j/ m" _, ?7 R3 K1 S+ s! M      任何物体只要在0K以上，就能发生热辐射，是红外线探测运用的较广，在空分中运用的较
( }' C9 Y$ L/ i. |# I4 n0 V$ I少，板翅式换热器真空钎焊加热是依靠热辐射。
4 |6 y6 u) F9 }3 Y" z. M      钎焊的目的是破坏铝材表面严密的氧化铝膜，650℃高温，以前是运用盐熔炉，能耗大；
      影响换热系数的几个因素：
1、        流体的流动状态：
/ ?3 e" G, H& ?! t0 Ga.层流：易产生热边界层；
b.紊流：破坏热边界层，多运用紊流；
0 A. N2 [( d4 _2 J6 J/ @  f* @c.过渡层：
4 j( n! |& ?2 i; \' a: K6 `! `2、流体的流速：流速大， 大；
( H+ e  U* q- N5 W3、放热面形状：光滑： 大；
               粗糙： 小。
二、实际传热过程
0 W! i& [0 m+ r) P# V   
   分解
   从热流体tf1到tw1：
  则
' v, ^2 K+ m) }$ y% j- A- [tw1到tw2：
5 S( S4 P  w3 v& p- Z( o4 w  则                          
tw3到冷流体：
  则
相加整理得：
。      （1-9）
$ h$ J0 f" I' I! \+ I+ F4 F! j   令： =K
, b" U: ?- }& n3 ^; {  D: |/ [   则：
三、算术平均温差，对数平均温差
. v& \. m) a" _2 E% F3 C$ O    实际传热过程中，温度的变化不是成线性关系，在进行理论计算时，需引用平均温差 的概念；
* Q  b* a; g1 o6 S& b- n4 K  O1、顺流温差：            
                           
                                            
/ F4 \( t- V+ N& A

% d3 f/ ^( n( _. S/ t6 ^& {
  k% b( ^. F* ]" S# ~: V  O1 Y  ]
- x; c% ~+ l1 W

% ~6 g# k9 d( d2 P+ t 2、逆流温差：
  
7 p/ d; n8 s$ H5 _0 b- t. C

" r0 W( E( V; x# ?+ l6 P3 S% s

' ]! {& W3 f/ z! x" p1 A8 Z- }* q* W
, U& w5 p6 h0 J/ ]( n


     逆流换热效果要好于顺流换热效果
( s. H, w4 w; X# K' @% \   3、叉流：
8 o- X1 J2 S2 s1 B+ Z   
一般多采用逆流方式进行换热
算术平均温差：
/ R+ m& [6 g# d9 d$ j只适合气体比热为常数，并且热端的温差之比小于2，设计一般不使用，误差太大；
对数平均温差：
   在确定比容 ，K不变时使用，温度变化或指数关系。
3 ]$ I( ]% @' r2 @* _5 {& O: r' A四、强化传热的几个措施
+ Z" h7 _, l8 T2 o" o2 C' W   
! e& e  Z+ T, `  P! D  1、调整传热面积：如翅片（传热面积增大，投资增大）
0 X" ^* A) N" s3 n1 k9 f     对于混合式换热器应尽量使流体成雾滴状均匀混入另一种流体中（如喷淋塔，冷却塔）
/ f+ q8 t& Z; T% d" J0 u& N4 `    （气泡比液滴有更大的换热面积）
  2、调整温差：温差是传热的推动力；温差的就是不可逆损失大，能耗大；
/ G/ L3 ^3 B9 R8 n  3、调整K值：
6 H/ B' a" m% V: ~: F% r% D     a.传热材料的性质：铜、铝；
b.在保证传热强度，尽量减少传热材料的壁厚；
, o/ c2 O# F+ t; D/ R) q. J! S2 S0 Jc.冷热流体 值尽量做到均衡  （ = ），提高流体 采用翅片或锯齿形翅片，提高流速（分子间推动和掺混加剧，但速度增加，排压增加，能耗增加）
五、沸腾传热和冷凝传热
$ b3 I  W' d% G在空分中运用较广，研究它就是研究空分中的主冷，主冷是空分中的胃
A．        液氧的蒸发能力：氮气的冷凝压力、浓度一定时，主冷温差一定；
( ~" w7 W$ \( p; o" w" b液氧沸腾分为：a.管内沸腾；b.管间沸腾；
1、        液氧的管内沸腾
1 v+ {2 ?* y# p. U: ua.        放热段：还是液氧有一定的过冷度；
b.        始沸段：管壁不平，产生气泡，受热有小气泡产生，内壁面制造粗糙点；
. U) R8 ~: ^% U1 w$ F0 r0 zc.        汽化段：充满气泡，气泡开始长大，气液混合物；
d.        活塞段：小气泡凝聚成大气泡，活塞状气团；
  n; [; T3 M" p% a. Ce.        膜状段：活塞团冲破液层，蒸汽把带上去的液氧掺在管壁上形成薄层液膜，液膜一面下流一面冷凝， 值最大；
f.        饱和蒸汽段：液氧全部蒸发， 值最小。
% F' h$ E1 Q: x  g1 z5 n- [. U! ^7 r
      管内液氧高度对传热的影响
  J1 L1 p% [3 E6 L      液氧在管内保持在管长的30~40%，K值最高，传热最好；
   2、液氧在竖直管内沸腾
      放热系数只依赖于热负荷，也就是只依赖于传热温差，与尺寸形状无关， 没有管内K大，且不便于强化。
; U" @9 U: E) m2 v3 I) U( {# v B．氮气冷凝
7 c& B$ b, a/ R8 e2 w' z& D8 e0 _1、膜状冷凝：形成一个完整的液膜，空分中采用膜状冷凝，冷凝放热系数大于沸腾放热系数；
: E( w" `9 Q/ S2 |4 D+ U0 ~2、珠状冷凝：冷凝液不能很好的覆盖壁面，而在壁面上形成一个小液珠
6 b2 F' w. C: U& }; K* 层流时，热量通过液膜可能一导热方式传递，热阻较大；
* 紊流时，仅在紧邻壁面上有一薄层层流，以导热传递热量，因而热量减少，冷凝放热系数加大。
( O  j  w; B. ^- C. b     
值：    相变换热系数大，导热能力增大
9 K) g: U6 W) H7 B9 ?
氮冷凝        1977~2326        气体——液体        相变
# j- i$ T0 p# g, N氧沸腾        1397~2093        液体——气体        相变
/ O- O, ?( d9 e! L7 v& n空气加热或冷却        1.16~58        气体——气体        相变
0 t8 J6 x  q$ d1 J9 U( q

7 h, d# q6 f) ^, @第七节    空气的液化循环
1、        节流
2、        等熵膨胀
一、林德循环
- E4 |/ C0 t$ N4 P一次节流液化循环
1.1        一次节流液化循环流程图

/ x, g4 r7 R7 w- [$ x6 h8 w6 ~

; M6 n" [) f4 r
0 q8 L5 S0 o: k5 O; t2 Z0 g

6 A! b- K- {5 S  q7 |+ Q/ g! C. ?

: p% T1 K9 ]7 G; L$ T* K
5 f7 \7 f2 P. P$ g2 ]
+ h" y8 ]4 c7 t: r$ {) g7 x


/ w7 F5 \& f# J
1.2 高压P2对循环性能的影响
' j  W/ [' c8 _/ j8 M" {   若低压及进换热器的高压空气的温度不变；
a.        随P2的提高，制冷量、液化量及循环系数均增加；
b.        但单位能耗是减少的；
4 T0 V- S' J* r7 Xc.        高压        P2超过60公斤，液空的积累才有可能；
1 _  k( [+ ~0 k' G# M1.3 低压P1对循环的性能的影响
   当P2及T一定时，随P1增加，循环效率增加，单位能耗下降，改善循环的经济性。
$ Z; h& S' n9 L1.4换热器的热端温度T和制冷量的关系
0 E+ S0 j; Q' _3 c3 S   降低高压空气进换热器温度T，可以明显增加制冷量。

% m  }1 Z. H' F$ k) w: {% ~* {二、        带膨胀机的空气液化循环，克拷特液化循环
1、流程图和T-S图

( {' G5 v: u7 c' H0 e


  [% P9 v# z0 H7 y8 Z






* ^  B2 l2 D6 a8 X+ V0 L


, a8 X- r) Q  V$ l" C, D
! X! o$ u# u/ D' t+ U  p7 |4 }
. K$ A/ |3 d+ b% @; L2、循环性能指标与主要参数的关系
4 q3 @& v- Q) {# ~* }    （1）当P2与T3不变时，增大膨胀量Ve，膨胀产冷量随之增大，循环制冷量及液化系数上升，但Ve 过分增大，去节流阀的气量降低，会导致冷量过剩，是换热器偏离正常工况。
    （2）当Ve 和T3一定时，提高膨胀前压力P2，等温节流效应和膨胀机的单位制冷量增加，但会造成冷量过剩，冷损增大，并因冷量被浪费，而使能耗增大。
  ]( ]$ E: n0 M+ L$ u6 a    （3）当P2和铜陵Ve 一定时，提高膨胀前温度T3，膨胀机前的焓降，即单位制冷量增加，但T3过高T4也同时提高，T8增加，膨胀机产生的冷量不能全部传给高压空气，冷损增加，换热器二也不能政策工作。
三、海兰德液化循环及卡皮查液化循环
    1、海兰德液化循环——克劳斯循环的一种特例
       它是高压膨胀机的气体液化循环，空气被压缩到160~200公斤，且一部分高压Ve经预冷直接进入膨胀机，另一部分，进入换热器冷却，节流产生液体。
    2、实现了带有效率的膨胀机的低压液化循环，空气在透平压缩机等温压缩到5~6公斤，经过换热器冷却到T3后分两部分，大部分空气进入膨胀机膨胀到1公斤左右，温度降到T4，而后进入换热器输出冷量。另一部分空气冷却到（点5）节流制冷。
7 u& z+ c7 g/ m" @

3 n1 [$ t+ c. D. r

, R: a2 ?  c/ m' _6 @" {

. V! P8 p+ {1 x; D, x  G/ f5 i


. K% k2 X0 ?* p1 {
5 t1 A1 s3 I" a, `7 y; d7 W
, j4 _; E: M. \/ S5 k
3 @- u/ x& p- I2 Y! `) h- F& X, r

四、精馏原理
# v6 A' C2 Y4 ^* T4 K（一）精馏过程
      1、定义：连续多次的部分蒸发和部分冷凝；
+ F5 ^. S/ ~3 M  P) b      2、举例：
& W4 N7 e7 @  \- U
+ U- l, K* _, K- O+ Q      
3、精馏塔类型
3.1 单级精馏塔
% I% _# l4 a/ [9 z     
: z6 _* f9 Y/ Q# c

7 p8 H5 f7 k$ i
' ?& ?& z' y6 D. z5 Z2 h- z
; e+ K- Q$ X7 D+ |
$ L* z: @/ W5 {  W  P% J2 j




' `! b: `$ D7 B! Z8 F
3 s" g! V% O0 j2 I0 Q; z




& y0 w/ W9 h: G/ g


3.2 双级精馏塔
: z; ~5 \8 |2 L4 E5 E; X
- V/ A1 ~7 s* @, \) Y+ q
! |; y# g# h4 x; n$ K" ^

  c* m: Z/ ]8 R
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8 k) Y2 O) g" k0 `: I$ E, M/ g- p
1 m5 }% v- ^" L5 E2 U: L

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: Z8 K# x" n8 |4 ^7 z# V
  N  _  l8 s& H2 k7 }( o
7 `" J& N: s/ w% L


- f9 e& y0 D- O4 w& J# t" M
3.3 拉赫曼原理
因上塔实际的气体气液比较精馏所需的气液比大，利用上塔的精馏潜力的措施有两种：
' G& {4 K3 A; C1、        可将适量的膨胀空气（占空气的20%~25%）直接送如上塔进行精馏；
( a& w) ~2 D1 v6 X$ W& N2、        从下塔顶部或冷凝蒸发器顶盖下抽取氮气，复热后进入氮气透平膨胀机，经膨胀机并回受其冷量后，作为产品输出或者放空。
3.5 氧提取率

- E" \  S3 r) a式中：  ，   代表氧气，空气中的氧浓度；
         代表产品氧气量（标准状态下）；
         代表加工空气量（标态下）；
) X% ~) [$ J1 h5 y) w
9 W% L/ G5 @  ^7 }8 P# M# b$ u  O
第八节   空分设备的安全技术

5 ^" [; M, l8 w7 z$ C一、空分设备的爆炸
1、主冷液氧中炭氢化合物，会引起剧烈爆炸；
$ L! b% E4 I$ ^: _; T) w   (1)乙炔及其他炭氢化合物在液氧中的含量极限值
     如下：
        正常值        报警值        停车值
0 U7 f+ o. u# c2 ^: M乙炔        0.01ppm        0.1ppm        1ppm
其他CH                3mg/L液氧        100mg/L液氧
   （2）为防止碳氢化合物积聚，每8小时进行分析一次主冷液氧中的乙炔含量；
   （3）当液氧中乙炔等CH化合物含量超标时（含量过高时）应采取以下措施：
        a.增加测量次数，并尽快地查明含量增加的原因，并清除；
b.增加液氧排放量；
. ?9 ~7 i! D$ Ic.检查分子筛吸附器的工作是否正常；（再生时间，冷吹时间，再生温度是否符合维护说明）
d.如果采取以上措施后，乙炔等CH化合物含量仍然继续增大，且已达到停车极限值，应立即停车，排放液体，对设备进行加温解冻；
       主冷液氧液位不能长期处于低液位，尽可能避免低液位，低液位易造成乙炔等CH化合物增浓，造成危险。
    （4）为了防止乙炔局部增浓和二氧化碳堵塞，空分设备冷凝蒸发器中的板式单元，必须浸于液氧中，一定要避免在低液位下长时间运行；
0 _. E6 Q$ I: Y& n/ ~+ _; W  v            若液位过低，应立即增加膨胀机的制冷量，使液位上升到规定的范围，但也不能升高太多了，否则会影响液体淹塔，破坏了精馏效果，影响精馏工况。
     （5）对纯化系统的注意点
+ z( w5 p+ [, r1 `, m% F  O7 D         a.每星期需要对纯化器检查一次，看再生和冷吹期间是否达到规定的温度，切换时间是否符合规定；
0 h  r7 x+ B2 Q* s) c5 kb.分子筛吸附器使用两年后，要测定分子筛颗粒的破碎情况，必要的要过筛，除去微粒，并补充新的合格相同的分子筛，达到规定高度；
" w% w. p" Z; Q  e: m8 s( W2、保温材料珠光砂排放不当引起冷箱爆炸；
) r, n6 t8 {2 [) o7 ]: x   （塔内有液体泄露，浸如珠光砂时最易发生）
' Y( ~2 d" Y' _1 l  l: E1 ~         （1）  严格按照规定珠光砂排放规程；
2 v5 ?$ P- n5 s. Y( n（2）        必须首先打开主冷箱顶部和板式冷箱顶部的所有人孔，适量通入冷箱密封气进行彻底加温；
（3）        与此同时必须将冷箱内所有设备加温至常温；
（4）        然后检查冷箱内气体的氧含量，若其氧含量超过20.95%，则应调整空分设备静置等待，直到符合标准。以上工作检查均合格，方可排砂；
% \; K% P; |& A" t6 Z( X（5）        珠光砂的排放必须从冷箱顶部逐渐向下排放，下部人孔（包括珠光砂排放孔）严禁直接打开，珠光砂的排放应缓慢，若有冰块，必须从冷箱顶部取出；
3、氧压机带油运行，会引起氧压机的燃烧爆炸；
/ Z5 c- p% Y6 \# B   氧气管道设计和操作不当会引起爆炸，摩擦发热，产生火花，燃烧爆炸。
4、空压机主要问题是轴向窜动和振动，造成密封器烧毁，以致叶轮磨壳，造成叶轮和气缸体的粉碎性爆炸。若空压机运行中发现不正常的声响，气味，振动或发生故障时，应立即停车检查。
二、工业气体的安全
% J5 A, k) A+ o6 Q1 F+ v# f% ?- n$ t   防止窒息引起死亡的措施：
! ~( q7 n- p) g  a* G! E1 R   a.防止氮气的局部增浓，如有增浓做出标记，并加以强制通风；
b.严禁人员进入氮气增浓区域；
* N) d, S( M6 V7 b  yc.人员进入氮气容器或管道前，必须检查确认无氮气增浓方能进去，并在安全人员的监督下，进行。
, m6 j' r1 Y( R; L  r" Y6 }  N2 i三、低温液体的安全储运措施
3 y$ F7 D# C) w0 t" ]1、液化气体只能装入专用容器中，用专用的颜色标明容器用途，并做上标记；
2、容器内贮存的液化气体会不断的气化，应当在容器上装设安全阀或安全膜片，如没有这些装置时，气体出口应该经常打开，对于只有小输入口的容器，不能传递加温液化气体；
6 [! u2 E& v0 K3 f* D% E3、不能直接接触低温容器，管道，液化气体，必须配载相应的保护制服。
5 {' b% L- f8 |8 [2 z四、氧气站的安全
8 X& Z/ B! K# U+ p. J0 m   1、氧气流通严禁油脂；
   2、氧气放散严禁烟火；
   3、氧气包括液氧、液空和氮气设备管道上铺设防静电积累的放静电接地装置；
) I- P/ h' u! h4 q; S& ^   4、防水；
   5、严禁吸烟、明火；
   6、人员穿戴不带有铁钉的鞋子，衣着也要禁油，防静电；
6 M! k1 l* _6 m+ A6 k# m* e8 Z   7、防超压；
* e% F- M. T$ k  S* @/ f   8、装砂过程要防止人员的掉入；