西安交通大学 制冷与低温装置思考题(修订版) 期末考试

1.空气净化的目的是要除去空气中哪几种主要杂质？为什么要除去这些杂质？空气净化主要除去尘埃，水分，二氧化碳和乙炔等碳氢化合物。

除去尘埃：空气透平压缩机在长时间高速运行中，粉尘会造成机器内部的叶轮，叶片等部件的磨损，腐蚀和结垢，缩短机器使用寿命。

除去水分和二氧化碳：防止在低温设备流路中冻结而影响传热传质过程的正常进行。

除去乙炔等碳氢化合物：避免在液氧中积聚冻结而威胁空分设备的安全运行。

2.全低压流程中主换热器前通常采用什么净化装置？多采用分子筛吸附净化装置。

利用分子筛纯化介质除去空气中的水分，二氧化碳，乙炔，丙烯，丙烷，重烃和氧化亚氮等对空分设备运行有害的物质。

3.去除H2O,CO2,C2H2的方法分别都有那些?空气中的水分、乙炔和二氧化碳均可用叫做吸附剂的多孔物质吸附净除。

空分设备中为净化空气常用的吸附剂有硅胶、活性氧化铝和分子筛。

分子筛对极性或不饱和分子有极强的亲和力，对水、乙炔和二氧化碳亲和力的顺序为：水>乙炔>二氧化碳。

4.氦螺杆压缩机在压缩氦气过程中喷油的目的是什么？在喷油螺杆压缩机中，润滑油的作用包括润滑、密封、冷却和降噪音等，而且还要作为液压用油控制调节滑阀等元件运动。

5．氦制冷系统中采用喷油螺杆压缩机后除油的原理和步骤是什么？原理：先除去氦气中的油滴，再除去油蒸汽。

步骤：首先在油分离器中将大块状的油分离，再将颗粒较大的雾状油进一步分离，此过程在化纤网过滤器中进行。

出油分的高压氦气经过水冷却器温度降低到接近于常温。

然后将经过超细玻璃纤维材料二级油过滤器分离掉直径相对较小后的氦气，经过活性炭吸附器除掉剩余的油。

6．筛板塔的塔板是由哪些部件构成？筛孔板：形成液层，保证热质交换。

溢流斗：引导回流液、液封。

无孔板：承受上快塔板溢流斗的液体。

溢流堰：使塔板上形成液面高度。

7. 筛板上的流体动力工况可分为哪几种？各有什么特点？（PPT32-36）A.不均匀鼓泡:空塔速度Wv过小，鼓泡范围不稳定，上升蒸汽呈链状气泡通过；在无泡区液体失去顶托而从小孔向下泄漏。

接触面积减小、气液两相接触时间亦缩短；液体泄漏造成液体纵向掺混，破坏了正常浓度梯度。

B.正常鼓泡（全面、均匀的鼓泡）鼓泡层；（Wv大时可消失）泡沫层；（主要传质区域）雾沫层；（泡沫破裂区域）C.雾沫夹带正常鼓泡后由于气流速度进一步提高，蒸汽夹带液滴上升到上一块塔板，造成液体的返混，破坏了传质的正常浓度梯度。

蒸汽速度过大；塔板间距太小；塔板倾斜.D.液泛溢流斗工况破坏，液体不能下流。

（液位达到最大高度，与塔板阻力和流动阻力相平衡。

）空塔速度和溢流强度过大溢流斗通道堵塞塔板阻力剧增8.空分装置中的填料塔由哪些部件构成？(课本341-344)填料塔的整体结构由塔体、填料、喷淋装置、支撑栅板、再分配器和气液进出口管等组成。

填料：使气液两相高度分散，扩大接触面积。

喷淋装置：使液体均匀分散喷洒在填料层中支撑栅板：支撑填料层，并使蒸汽均匀通过填料层分配器：使液体能够均匀地湿润所有填料，避免壁流产生以致造成中间填料得不到润湿。

为了创造气、液接触的良好条件，当某一段填料超过一定高度时还需设置再分配器，使液体重新收集进行再分配，以保证均匀喷洒。

9.简述空分装置中常用的几种换热器类型，作用与结构特点。

（page336~338）（1）切换式换热器（只用于低压空分装置，多用板翅式换热器）类型：可逆式换热器（板翅式）和蓄冷器(石头填料或铝带填料)作用：使空气与氧气、氮气和污氮进行换热，将空气冷却到接近于液化温度，而后进入精馏塔下塔，氧气、氮气和污氮则被加热到常温离开装置。

净除空气中的水分和二氧化碳杂质，把空分装置中的换热和杂质净除有机结合。

切换的目的是间断的通过污氮和空气通道的交换，把空气降温过程中冻结出的杂质让污氮带出系统。

特点：多股流，气--气换热（2）冷凝蒸发器类型：板翅式，管式（长管、短管、盘管）作用：联系上下塔，通过相变，达成液氮和液氧间的换热结构特点：低而厚的打孔或平直翅片；星形单层或多层排列(3)过冷器类型：液空过冷器、液氮过冷器、液氧过冷器作用:回收上塔出来的氮气冷量，使从下塔来的液空、纯液氮或污液氮和从上塔抽出的产品液氧过冷。

低压工艺流程中氮气经过过冷器后温度升高，缩小了切换式换热器的冷端温差，有利于自清除，改善不冻结性。

氮气放出的部分冷量回到上塔，减少切换式换热器的热负荷结构特点：板翅式和管式两种，均采用逆流式（4）液化器类型:污氮液化器纯氮液化器氧气液化器作用：1）启动阶段积蓄液体2）在正常运行状态：使进下塔的空气达到一定的状态，从而保证精馏塔的热量平衡；具有冷量分配和调节作用结构特点：板翅式、管式（5）膨胀换热器类型：膨胀前换热器、膨胀后换热器作用：膨胀前换热器-控制膨胀机前的空气温度，减小膨胀机后的空气过热度，即减小膨胀空气入塔的过热度，减少馏分的气化量（6）氮水预冷器一种经过压缩机的末级冷却器，另一种不经过末级冷却器。

后者热负荷大，平均温差大；前者的热负荷小，平均温差小。

（7）高压换热器作用：高压液氧和来自循环压缩机的原料空气进行换热，释放出冷量恢复到室温状态，原料空气得到冷量后液化。

结构：板翅式、绕管式10.板翅式换热器的组成部件都有哪些？请说明什么是钎焊工艺。

（百度）组成：隔板、翅片、封条、导流片。

在相邻两隔板间放置翅片、导流片以及封条组成一夹层，称为通道，将这样的夹层根据流体的不同方式叠置起来，钎焊成一整体成为板束，板束是板翅式换热器的核心，配以必要的封头、接管、支撑等就组成了板翅式换热器。

钎焊工艺：用比母材熔点低的金属材料作为钎料，用液态钎料润湿母材和填充工件接口间隙，并使其与母材相互扩散。

钎焊时母材不熔化。

11.板翅式换热器四种典型的翅片型式是什么？（P349）答：锯齿形，平直型，多孔型和波纹型。

12.请在T-S图上说明气体在透平膨胀机通流部分中流动过程，以及等熵效率的定义。

（P443）答：理想情况下，气体在膨胀剂中的膨胀过程是等熵过程，即图中3-4s线。

实际上，由于气体在膨胀机中流动时寻在多种能量损失，外界的热量也不可避免地要传入，因此膨胀机的实际膨胀过程是有熵增的过程，即图中3-4线所示。

膨胀机的等熵效率是指实际膨胀过程的比焓降与等熵膨胀过程比焓降的比值。

反映了实际膨胀过程与等熵膨胀过程的接近程度。

以克劳特循环为例，ηs=h3−h4 h3−h4s13.在LHC、ITER等科学工程中，应用低温技术的目的是什么？利用低温产生超导现象，在超导导线中通以强电流，产生强磁场，从而加速粒子或将其束缚在一定的空间范围之内。

14.请画出采用无氢制氩流程获得纯氩馏分的流程简图。

（P345）15.为什么说单塔精馏只能出单高产品？为什么有时必须采用辅塔？（在上塔上部）由于塔底的釜液与进塔的空气处于接近平衡的状态，故单塔精馏仅能得到单高产品。

辅塔的作用：把经过主塔分离得到的产品再进一步提纯（进行再次精馏），以得到更高纯度的产品。

16.制氩时，氩馏分抽空一般在上塔的什么位置？其选取原则是什么？17.典型空分系统装置包括哪些主要的系统？各部分的作用是什么？（p318-319）答：典型的空分系统及作用：（1）动力系统主要是原料空气压缩机。

整个空分装置的能量主要是由原料空气压缩机输入的。

（2）预冷系统压缩后的原料空气温度较高，预冷系统利用返流污氮的冷量，通过换热降低空气的温度，同时洗涤其中的酸性杂质等。

（3）净化系统利用分子筛除去空气中的水分，二氧化碳，乙炔等。

（4）制冷系统主要指膨胀机。

通过膨胀机的制冷，实现循环的制冷要求。

（5）换热系统空分设备的热平衡是通过制冷系统和换热系统来完成的，冷量与热量的传递也是通过各种换热设备来完成。

（6）精馏系统是空分设备气体分离的核心单元，实现低温分离。

（7）产品输送系统将生产出的氧气与氮气输送给后续系统。

（8）液体储存系统贮存空分设备生产出的液氧及液氮，以备需要时使用。

（9）仪控系统计算机集散控制系统，实现自动控制。

18.无氢制氩流程的优点是什么？为什么采用填料塔能实现无氢制氩？（P346-P347）答：优点：（1）能耗低。

（2）产品（氧、氮和氩）提取率高。

（3）操作弹性大。

（4）由于填料塔的液体滞留量很小，因此有利于变负荷工况生产。

（5）制氩流程大为简化，提高了设备运转的可靠性。

（6）由于不需要制氢车间，打打提高了设备运转的安全性。

（7）由于取消了氩纯化设备和制氢设备、氩纯化车间和制氢车间，所以相应的工程建设和安装费大为降低。

（8）消除了环境污染。

利用规整填料可以使每块理论塔板的阻力降低到49.03~98.06 Pa (5~10 mm H2O)，这么小的压力降允许粗氩塔设置足够多的理论塔板数直接通过低温精馏生产出氧含量极低的粗氩，这是全精馏无氢制氩工艺得以实现的根本原因。

19. 空分装置中如何提取氖、氦？为什么氖和氦的分离较氧和氮的分离容易？（来自中国空分网）从空分装置中提取氖、氦的工序大致分为三步：1.制取粗氖、粗氦；2.制取纯氖、纯氦混合物；3.氖、氦分离，从而获得所需氖、氦。

粗氖、粗氦制备的目的是除掉原料中的氮，使之浓缩。

由于氮与氖、氦的沸点相差很大，约50K，故可采用分凝法分离。

在分凝器或辅塔中，用低压液氮作为冷源，使具有下塔压力的氖、氦原料气中的氮冷凝，得到含氦、氖约为1%~3%、其余氮的粗氖、氦混合气，而后进入纯氖、氦的制备工序。

有些工序粗氦、粗氖需除氢、除氮。

除氢用加氧催化法生成水，在干燥吸附时清除。

其余的氮再经冷凝法或采用活性炭低温吸附清除。

纯氖纯氦的分离可用冷凝法或凝固冻结法分离之。

由于氖、氦沸点相差约23K，远比氮氧的差值13K大得多，相比而言，前二者相混较小，较之后二者容易得多。

20. 试画出一典型空分精馏塔简图，标出原料空气进口，产品氧气、氮气、液氧、液氮的出口位置。

21、空气分离装置中那些地方容易发生爆炸？应采取什么预防措施？答：空分装置中，易导致危险物质浓缩或积聚的地方容易发生爆炸，例如：上塔、下塔、冷凝蒸发器、液空节流阀、液氧泵、液氧排放阀、换热器冷端。

预防措施：○1设备、管道、阀门、填料等结构材质应符合工艺要求，防止低温脆裂；○2设备尽可能置于室外，有足够的安全和防爆措施，且应防止泄露和避免产生电火花；○3设备和管道系统均应采用铜丝接地，以及时导出可能积累的静电；○4一切电气设备、开关等均应采用防爆措施，以免引起电火花和静电感应；○5室外操作区应具有良好的通风条件；○6设备启动前需试压和检漏；○7设备及其管路系统应设置足够的安全放空口和安全防爆装置；○8工作人员穿戴的工作服、鞋、手套均采用棉织品，以避免摩擦产生静电。

【参考PPT第38张，和课本433页】22、低温绝热的方法有那些？各有何特点？低温容器的种类有那些？答：低温绝热，目的在于将通过对流，传导和辐射等各种传热方式传递给低温装置的热量减少到尽可能低的程度，以维持低温系统的正常工作。