气体液化循环研究论文

空气分离技术论文篇二 深冷技术在空气分离设备设计中的应用 摘 要：随着国民经济的迅速发展及科学技术水平的不断提高，各种新型空气分离设备不断出现，作为空气分离技术中最早出现的技术，深冷技术在其发展中得到了广泛的应用。文章主要对深冷技术的概念、空气分离设备的含义及深冷技术在空气分离设备设计中的应用进行了简要的分析与探究。 关键词：深冷技术;空气分离设备;设计;应用;概念 中图分类号：TQ116.11 文献标识码：A 文章编号：1006-8937(2014)23-0063-02 空气分离技术起源于1985年与1903年德国卡尔・林德教授创造的第一套空气液化设备及10 m3/h(氧)空气分离设备，在其100多年的发展历程中，随着新型技术的不断发展，空气分离设备及技术得到了极大的发展，深冷分离技术在空气分离出现最早的一种技术，经人们的不断研究及革新，在工业生产实践及设备更新中愈加成熟，在国民经济发展中的应用范围也随之更加广泛。 1 深冷技术的概念 深冷技术是指采用冷媒介质作为冷却介质，把淬火后的金属材料的冷却过程继续下去，达到远低于室温的某一温度(-196 ℃)，进而实现金属材料性能发送的目的。近年来，随着空气分离设备设计的不断发展，作为金属工件性能发送的新型工艺技术，深冷技术是现阶段最有效、最经济实用的技术。 在深冷加工中，金属里残余的大量奥体转化为马氏体的形式，尤其是从-196 ℃到室温的过程中过饱和的亚稳定马氏体的过饱和度会下降，析出弥散，超微细碳化物其与基体保持共格关系，电流只有20～60 A，这种现象的产生可以减少马氏体晶格畸变，降低微观应力，在材料塑性变形中细小弥散的碳化物可以对位错运动造成阻碍，进而起到基体组织强化的作用。与此同时，析出超微细碳化物颗粒后要在马氏体基体上进行均匀分布，对晶界脆化作用进行有效减弱，细化基体组织不仅可以对杂质元素在晶界的偏聚程度进行有效减弱，还可以充分发挥晶界强化的作用，进而对工模具性能进行极大改善，提高其硬度、抗冲击韧性及耐磨性。深冷技术的应用不仅体现于工作表面，还在工件内部进行渗入，展现的是整体性效果，基于此，可以对工件进行重模，多次使用。在工件方面，深冷技术的应用还可以对淬火应力进行有效降低及起到尺寸稳定性增强的作用。 2 空气分离设备的含义 随着社会经济的迅速发展及科学技术的不断进步，在空气分离研究等行业的发展中，其装备发展已呈现出大型化的趋势，对空气分离设备配套的要求也越来越高。现阶段，在空气分离设备自主化发展中我国的水平等级已达6万等级，与世界先进水平十分接近。2002年，杭氧的3万等级国产空气分离设备在宝钢集团成功运转，使得我国空气分离设备的竞争力得到了极大的提升，促使国产大型空气分离设备成功对国内市场进行了大范围地占领。 3 深冷技术在空气分离设备设计中的应用 空气深冷分离工艺是采用多塔低温精馏的方式，从压缩空气中制取高纯度的氧、氮等产品。目前在空气分离设备设计中主要有两种存在形式，第一种是常温空气分离设备，这种设备主要是在常温及非低温的状态下进行的，这种常温空气分离设备又可以分为两种不同的形式：变压吸附分离与膜分离。这里要进行分析的就是另一种空气分离设备设计形式，深冷空气分离，这种设备主要应用于温度非常低的情况下。在20世纪50年代，为提升我国国防力量，满足国防需求，我们的深冷空气分离技术及设备都是从苏联引进和仿制，当时仿制的企业为杭州铁工厂。在1953年左右时，我国才成功仿制出了属于自己的深冷空气分离设备。直至今日，我国的空气分离技术及设备制造水平已经得到了极大的发展，并为国民经济的增长贡献着自己的一份力量。目前，深冷空气分离技术主要应用于以下几方面。 3.1 压缩空气净化组件 压缩空气净化组件主要的组成成份有高效除油器、冷冻式干燥机、精密过滤器及活动性过滤器。首先空气要在空气压缩机里进行压缩，再在空气缓冲罐中进行作业，然后经过高效除油器将大部分的杂质进行有效去除，杂质主要包括油、水及尘等，在水分进一步去除中可以采用冷冻式干燥机进行，再次进行去油、去尘时可以选用精密过滤器实施操作，最后选用活性炭过滤器进行更深层次地去油工作。 3.2 空气缓冲罐 空气缓冲罐组件主要的构成成份有空气缓冲罐与附属阀门仪表。空气缓冲罐在空气分离设备设计中起到的主要作用就是缓冲，对气流脉动起到有效降低。进而使系统压力波动得到降低，使压缩空气能够顺利在压缩空气净化组件中通过，最大限度地将尤、水等杂物进行有效排除。与此同时，在进行吸附塔工作切换过程中，还可以帮助氧氮分离系统在极少时间中得到大量所需的压缩空气，这种技术的应用，可以可以帮助吸附塔中的压力进行迅速上升并达到工作压力，还可以确保机械设备运行的可靠性与稳定性。 3.3 氧氮分离系统 构成氧氮分离系统组件主要的成份有吸附塔、压紧装置、附属阀门与仪表电器。选用复合床结构设计中的吸附塔，主要分为两种塔：A塔与B塔，将进口碳分子筛填装进塔内(为提高碳分子筛装填的均匀性可以选用伸展扭转式振动填充方式进行操作)。清洁的压缩空气要先从A塔入口端在碳分子筛的作用下流向出口端，这个时候被其吸附的主要成分有氧气、二氧化碳及水，在吸附塔出口端流出的只有产品氮气。经过时间的不断推移，当A塔内的碳分子筛吸附达到饱和前将会出现自动吸附停止的现象，在B塔中流入清洁压缩空气在进行吸氧产氮，并进行A塔分子筛的再生。通过将吸附塔快速降低到常压脱附的氧气、二氧化碳就水来实现分子筛的再生。在进行A、B塔交替吸附塔再生时，不仅可以促使氧氮分离的完成，还可以不断产生氮气。 3.4 氧氮缓冲系统 氧氮缓冲系统组件主要的构成成份有氮气缓冲罐、精密过滤器、流量计、调压阀、放空部件等，氮气缓冲罐主要是将氮氧分离系统中分离出来的氮气压力及纯度进行均衡作用，确保氮气的稳定性并保障连续供给。与此同时，在进行吸附塔切换工作之后，将自身的一些气体进行吸附塔回充作业，这种方式可以有效起到提升吸附塔压力的作用，还能起到对床层的有效保护，在空气分离设备工作时还能起到极大的保护作用。最后进行再次过滤，主要采用精密过滤器进行工作，这样可以最大限度地确保氮气的质量。 作为一种传统的制氮方式，深冷空气分离制氮已经有几十年的发展历程。这种方式主要以空气作为原料，为使空气液化变为液体空气，必须进行严格的压缩、净化，并进行热交换。液体空气主要构成的混合物分两部分组成：液态氧气与液态氮气，通过两者不同的沸点进行液态空气的精馏，将两者进行有效分离并获取氮气。在整个工作操作中深冷空气分离制氮设备及过程十分繁杂，需要占用大范围的土地面积，基础建设成本很高，气体产生的速度很慢，在安装过程中，具有较高要求及较长工作周期。对深冷空气分离设备、安装与基层建筑等方面的因素进行综合分析，当设备低于3 500 N m3/h时，规格一样的PSA装置与深冷空气分离装置在成本投资方面相比，要低出20%～50%之间。在经济适应方面，深冷空气分离制氮装置并不适应中、小规模的工业制氮，主要适应于规模较大的工业制氮。 4 结 语 综上所述，随着科学技术水平的不断提升，我国空气分离设备及技术越来越向大型化、专业化、规模化的发展趋势迈进。深冷技术作为空气分离最重要的分离技术，在确保企业利益最大化的基础上，将深冷技术的能耗量进行有效降低，是空气分离工作的主要任务。 参考文献： [1] 叶必楠.杭氧应用新技术开发系列新产品[J].深冷技术，1996，(4). [2] 姜润民.空气分离设备及低温液化设备的模块化设计和制造[J].深冷技术，1997，(4). [3] Helmut Springmann，毛捷.空气分离设备的现状和展望[J].深冷技术，1974，(3). 看了“空气分离技术论文”的人还看： 1. 化工分离技术论文 2. 大气污染控制技术论文 3. 化工企业技术论文3000字 4. 化工分离技术论文(2) 5. 金属技术论文2000字

1前言 石油和天然气两种处于自然状态的烃类化合物能源具有不可再生性，随着化石燃料耗量的日益增加，终将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料、储量丰富的新的能源。氢能 就是这种能源，且氢能的研究同时还迎合了工业化国家日趋严格的环保政策，因而各国对氢能的研究变的日益活跃起来。 氢原子序数为1，常温常压呈气态，超低温、高压下又可成为液态。作为能源， 氢有以下特点： 1）氢是构成了宇宙质量的75％，存储量大。 2）氢的发热值高，是汽油发热值的3倍。 3）氢燃烧性好，点燃快，3％－97％范围内均可燃。 4）氢循环使用性好，燃烧反应生成的水可用来制备氢，循环使用。 5）氢利用形式多，可以产生热能、可用于燃料电池，或转换成固态氢作结构材料。 美国著名石油专家埃克诺米迪斯博士预测：主宰未来世界的能源将是氢能。 2氢能的主要应用领域 2.1二航天 早在M战期间，氢即用作A－2火箭液体推进剂。1970年美国”阿波罗”登月飞船使用的起飞火箭也是用液氢作燃料。 目前科学家们正研究一种”固态氢”宇宙飞船。固态氢既作为飞船的结构材料，又作为飞船的动力燃料，在飞行期间，飞船上所有的非重要零部件都可作为能源消耗掉，飞船就能飞行更长的时间。 2.2交通 在超声速飞机和远程洲际客机上以氢作动力燃料的研究已进行多年，目前已进人样机和试飞阶段。据欧洲空客公司预测，到2004年，欧洲生产的飞机将部分采用液氢为燃料。德国戴姆勒一奔驰航空航天公司以及俄罗斯航天公司从1996年开始试验，其进展证实，在配备有双发动机的喷气机中使用液态氢，其安全性有足够保证。 美、德、法等国采用氢化金属贮氢，而日本则采用液氢作燃料组装的燃料电池示范汽车，已进行了上百万公里的道路运行试验，其经济性、适应性和安全性均较好。美国和加拿大计划从加拿大西部到东部的大铁路上采用液氢和液氧为燃料的机车。 2.3：民用 除了在汽车行业外，燃料电池发电系统在民用方面的应用也很广泛。氢能发电、氢介质储能与输送，以及氢能空调、氢能冰箱等，有的已经实现，有的正在开发，有的尚在探索中。燃料电池发电系统的开发目前也开发的如火如茶：以PEMFC为能量转换装置的小型电站系统和以SOFC为主的大型电站等均在开发中。 2.4：其它 以氢能为原料的燃料电池系统除了在汽车、民用发电等方面的应用外，在军事方面的应用也显得尤为重要，德国、美国均已开发出了以PEMFC为动力系统的核潜艇，该类型潜艇具有续航能力强，隐蔽性好，无噪声等优点，受到各国的青睐。 3 氢能应用的主要问题 3.1：氢气制备 氢气能否广泛使用，制氢工艺是基础，目前主要的制氢工艺主要包括： 1）采用矿物燃料、核能、太阳能、水能、风能及潮汐能等方式电解水制备氢气是目前的主要研究方向，其中以利用太阳能制氢的研究最多也最有前途； 2）热化学循环分解水制氢方法是在水反应系统中加人中间物，经历不同的反应阶段，最终将水分解为氢和氧，且中间物不消耗； 3）光化学制氢是在有光照催化剂作用下，促使水解制得氢气； 4）矿物燃料制氢是利用化学方法将矿物中的氢元素提取出来的方法，如煤的焦化、煤的气化等； 5）生物质制氢是在将生物体中的氢元素通过裂解或者气化的方法提取出来的方法； 6）各种化工过程副产品氢气的回收，如氯碱工业、冶金工业等。水电解制氢、生物质制氢等制氢方法，现已形成规模，其中，低价电解水制氢方法在今后仍将是氢能规模制备的主要方法，目前应用中尚需要降低电耗。 3.2：氢气一运输 工业实际应用中大致有五种贮氢方法，即： (1)常压贮存，如湿式气柜、地下储仓； （2）高压容器，如钢制压力容器和钢瓶； （3）液氢贮存：采用液氢贮存，就必须先制备液氢，生产液氢一般可采用三种液化循环，其中带膨胀机的循环效率最高，在大型氢液化装置上被广泛采用；节流循环，效率不高，但流程简单，运行可靠，所以在小型氢液化装置中应用较多。氦制冷氢液化循环消除了高压氢的危险，运转安全可靠，但氦制冷系统设备复杂，故在氢液化中应用不多。 （4）金属氢化物：当用贮氢合金制成的容器冷却和压人氢时，氢即被储存；加热这一贮存系统或降低其内部压力，氢就会释放出来。 目前金属氢化物合金体系主要有：l）LaNi5系合金；2）MnNi5系合金等；3）TiMn系合金；4）TiMn系合金（ABZ）；5）镁系合金；6）纳米碳等。 （5）除管道输送外，高压容器和液氢槽车也是目前工业上常规应用的氢气输送方法。 3.3金属氢化物贮氢装置的开发 在氢的制备和贮存、输送问题解决后，下一步的研究就是氢化物贮氢装置的开发，目前主要包括以下两类： 3.3.l固定式贮氢装置 固定式贮氢器其服务场合多种多样，容量则以大中型为主。美国开发的以TiFe0.9Mn0.1合金为基体中型固定式贮氢器；日本则用MmNi4.5Mn0.5贮氢合金开发了叠式固定装置；德国用TiMn2型多元合金开发的贮罐是由32个独立贮罐并联而成，容量为目前世界上最大的；我国浙江大学分别用（MmCaCu）（NiA1）5增压型贮氢合金、MINi4. 5 Mn0. 5合金分别开发了两种固定式装置。 3.3.2移动式贮氢装置 移动式贮氢器除了携带运输氢气外，还可用于燃料电池氢燃料的存储。作为移动式装置要兼顾贮存与输送，因此要求重量轻、贮氢量大等问题。其中金属氢化物贮氢器不需附加设备（如裂解及净化系统），安全性高，适于车船方面应用；用常温型合金，质量贮能密度与 15 M Pa高压钢瓶基本相同，但体积可小得多。如德国海军的混合推进系统在潜艇，氧以液氧形式贮存，氢则以TIFe合金贮存。 3.4目前工作的方向 在PEMFC已有技术基础上，除继续加强大功率PEMFC的关键技术研究外，还应注意PEMFC系统工程关键技术开发和系统技术集成，这是PEMFC发电系统走向实用化过程的关键。 在航空领域则要是解决氢能的贮存和生产成本问题，目前的一个研究趋势是开始将传统的机翼设计成为可以容纳更多液态氢的新型构造。 在汽车领域的问题主要是存在贮氢密度小和成本高两大障碍：以储氢合金贮氢为动力的汽车连续行驶的路程受限制，而以液氢为动力的主要是由于液氢供应系统费用过高而受到限制。 氢在航天动力方面已广泛应用，例如大容量镍氢电池等，但氢能的大规模的应用还有待解决以下关键问题：l）廉价的制氢技术；2）安全可靠的贮氢和输氢方法。 4 未来氢能经济社会的特色 随着科学技术的进步和氢能系统技术的全面进展，氢能应用范围必将不断扩大，氢能将深人到人类活动的各个方面，因而我们可以勾勒出未来氢能经济社会的一副大致图画： l）、化石能源（石油、煤炭、天然气）封存，留作化工原料； 2）、建立居家小型电站，取消远距离高压输电，通过管道网，送氢气至千家万户。 3）、各种类型空气一氢燃料电池成为普遍采用的发电工具。 4）、取缔内燃机动力，汽车、火车、飞机改用燃料电池，消灭了一切能源污染隐患和内燃机车噪音源。 5）、每个城市和家庭有能源供应和回收的完善循环系统。 6）取消火力发电，核电站、水利发电站、风力发电站、潮汐发电完成正常的电力供应后，剩余电力用于电解水制氢，作为储备能源。 5 我国发展氢能的对策 氢能的研究和应用是历史不可逆转的潮流，各国政府目前均对此展开了大量的研究，我国在这方面也投入了不少的人力、物力、财力，并取得了一定的成果，但我们也应该看到目前我们与工业化国家的差距，根据我国的国情制定相应的氢能发展战略，个人认为应包括以下的几点： (1)电解水制氢是获取氢源的重要途径，目前因耗电量大、电价高导至氢气成本高，推广使用受到限制，开发新型电解水制氢工艺，降低能耗也是一个重要的议题。 (2)各种新的制氢方法如从HZS制氢、从生物质制氢及用热化学法水分解制氢以及化工产品中副产品氢气的回收等应予以重视； (3)储氢材料的研究国内进行了较多的研究，但是目前很少有实用化的报道，因而开展科技成果的转化以及新型储氢和输氢装置的研究也尤为重要； (4)氢能未来应用的主要领域还是在燃料电池方面，我国开展这方面的研究也已经有一定基础，但主要是集中在研究燃料电池组件方面，对于系统集成等研究报道不多，同时由于资金和技术方面等因素，目前与国外还是有较大的差距，因而应加大投资力度，迎头赶上。 (5)氢能开发最有前景的方式是与太阳能结合，因而对于太阳能电池系统及材料的研究也应当引起足够的重视。 6结语 就环境保护和市场需求而言，洁净和成本是两个关键参数，光有洁净而成本过高就没有市场，因而目前降低氢能的利用成本成为当务之急，各工业化国家对这方面的研究都十分重视，其中美国政府决定今后五年为开发氢能拨款 17亿美元，力争到 2040年以前使每天的石油消耗量减少 1100万桶。世界上40家重要的汽车厂商中，已有25家决定考虑采用氢能，以适应日益严格的环保政策。因而虽然目前困难重重，但在不久的将来我们可以预见氢能的利用一定能够走进我们生活的方方面面。