什么是深低温设备?

[拼音]：shendiwen shebei

[外文]：cryogenic plant

产生和维持深低温，使原料气液化或分离并提纯其组分的设备，又称深度冷冻设备。深低温是指远低于普通制冷工程所达到和应用的温度，其范围一般为120K到接近绝对零度。深低温设备的用途很广。例如，氧液化设备和氢液化设备能生产液氧和液氢，作为火箭的推进剂；氦液化设备可生产液氦，用于研究超导材料、超导电技术、空间技术等。又如用天然气分离设备将原料气分离，可生产乙烷、乙烯等轻烃化工原料；空气分离设备可生产氧气和氮气，供冶炼钢铁、制造合成氨等之用。20世纪70～80年代，空气分离设备在煤的气化、污水处理、纸浆漂白、石油蛋白的发酵和集成电路板生产等新领域得到了应用和推广。

在地球上不存在天然的深低温环境和深低温物质，必须利用深低温设备方能获得这样的低温。1877年，法国的L.P.凯泰和瑞士的R.皮克特分别用实验室的制冷设备，达到了90.2K以下的深低温、获得雾状液态氧。1893年，英国的J.杜瓦在深低温液化气体的贮器方面首先制成真空瓶，被称为杜瓦瓶。1895年，德国的C.von林德应用焦耳-汤姆森等焓节流效应，以压缩机、管式换热器和节流阀组成原始深低温设备，并用它液化空气，使温度达到80.9K。1898年，杜瓦在林德工作基础上，用液态空气预冷氢气，再经节流阀等焓膨胀，将温度降到20.4K以下而获得液氢。1902年，法国的G.克劳德在林德液化设备基础上加上活塞式膨胀机，以等熵膨胀制冷方法为主也制成液化空气的设备。1903年出现了第一台商品制氧机。1908年，荷兰的H.卡默林-昂内斯用同样原理将液氢预冷氦气，并在绝热条件下等焓膨胀，将温度降到4.2K以下而获得液氦。1965年，苏联的β.С.涅加诺夫等人发明稀释制冷机，使温度达到0.025K。70年代以来，人们应用退磁制冷技术使设备的致冷温度进一步降低。

深低温设备的工作原理主要有气体液化和气体分离两个方面。

气体液化是根据液化循环，组织液化设备实现的。主要的液化循环有林德液化循环和克劳德液化循环。

（1）林德液化循环:利用节流阀的节流效应使原料气液化的循环（图1）。常压p1、常温T1的原料气在压缩机中等温压缩由状态1到状态2，相应的压力为p2，经换热器降温到状态3，然后通过节流阀降压，等焓膨胀到状态4。这时，部分气体就转变成液体，从貯液器排出；未液化的部分气体在换热器中复热至状态1，从而形成一个热力循环。

（2）克劳德液化循环:利用等熵膨胀和等焓膨胀结合制冷来使原料气液化的循环（图2）。常压p1、常温T1的原料气在压缩机中等温压缩由状态1到状态2，相应的压力为p2，经换热器E1降温到状态3。此后气体分为两部分，一部分气体继续经换热器E2、E3，降温到状态4、5，再通过节流阀等焓膨胀到状态6。这时，部分气体转变为液体从贮液器排出；未液化的部分气体在换热器E3中复热至状态8，再汇合另一部分在膨胀机中等熵膨胀至状态8的气体，最后在换热器E2、E1中复热至状态1，从而形成一个热力循环。其他尚有在此基础上发展的液化循环，如带附加制冷循环（如带氨或液氮或其他冷源的预冷循环）的节流液化循环或等熵膨胀液化循环，带外加制冷循环（如外加氮制冷循环）等熵膨胀的液化循环、回热式气体制冷循环（见制冷机循环）和多级等熵膨胀的液化循环等。

以上各种循环均为理想循环。但在实际应用中，压缩机的压缩过程不是等温过程，换热器有复热不足和外热侵入的冷量损失，膨胀机有绝热损失和机械损失等，因此在实际制冷流程中需要采取补偿措施，以求流程的热量平衡。

常用的原料气分离原理有深低温精馏、深低温分凝和深低温吸附3种。

（1）深低温精馏:先将原料气液化，然后再按各组分冷凝（蒸发）温度的不同，应用精馏原理分离出各组分。分离的过程是在深低温精馏塔中实现的。这种方法适用于被分离组分的冷凝温度相近的原料气，如从空气中分离氧和氮。

（2）深低温分凝:利用原料气中各组分冷凝温度的差异，在换热器中降低原料气的温度，由高到低逐个组分进行液化，并在分离器中将液体分离。这种方法适用于被分离组分的冷凝温度相距较远的原料气如焦炉气的分离。

（3）深低温吸附：利用多孔性的固体吸附剂具有选择吸附的特性，在深低温下吸附某些杂质组分，以获得纯净的产品。如利用分子筛吸附器在液态空气温度下从粗氩中吸附氧和氮，以获得精氩。

根据工艺的需要，有时单独使用一种原理，有时几种原理同时并用。

在自然界和工业生产过程中，存在和产生着供低温设备加工的原料气，其中大部分是多组分的气体。按照原料气组分、工作过程和所获得产品状态的不同，深低温设备可分为气体分离设备、气体液化设备和回热式气体制冷机。

从多组分原料气中分离出单组分的气态产品和液态产品的深低温设备。就产品而言，它以分离气态产品为主；就使用的设备数量而言，以空气分离设备为多，在中国空气分离设备约占深低温设备数的90％以上。

通过制冷循环把天然气或纯气体如氧、氮、氢、氖和氦等分别冷却和冷凝成液态产品的深低温设备。

以氦气或氢气为工质，在封闭系统中应用回热原理实现气体制冷循环以获得低温和冷量的机械。

深低温设备均为成套的设备，一般由原料气的过滤器、清洗塔、压缩机、冷却器、换热器、净化设备、膨胀机、液化器、深低温精馏塔和产品的输送、贮存设备，以及为运转服务的仪表和电器控制器、停车加温系统等设备组成。

对深低温设备的材料有特殊的要求，不能使用脆性材料。常用的材料有铜、防锈铝和奥氏体不锈钢等。深低温液化气体贮槽或氢、氦液化设备因所处的温度水平极低，须选用导热性差的材料如德国银等，并采取防止辐射热侵入的措施以减少冷损失。

参考书目

张祉祐主编：《制冷及低温设备》，机械工业出版社，北京，1979。