¿Qué es Equipo criogénico?

El equipo que produce y mantiene una temperatura criogénica profunda, licua el gas crudo o separa y purifica sus componentes, también conocido como equipo de ultracongelación. La temperatura muy baja se refiere a la temperatura mucho más baja que la temperatura alcanzada y aplicada en proyectos de refrigeración ordinarios, y su rango es generalmente de 120 K a casi cero absoluto.

Los equipos criogénicos profundos tienen una amplia gama de usos. Por ejemplo, el equipo de licuefacción de oxígeno y el equipo de licuefacción de hidrógeno pueden producir oxígeno líquido e hidrógeno líquido como propulsores para cohetes; el equipo de licuefacción de helio puede producir helio líquido para la investigación de materiales superconductores, tecnología superconductora y tecnología espacial.

Otro ejemplo es el uso de equipos de separación de gas natural para separar el gas de la materia prima para producir etano, etileno y otras materias primas químicas de hidrocarburos ligeros; el equipo de separación de aire puede producir oxígeno y nitrógeno para la fundición de acero y la fabricación de amoníaco sintético.

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En las décadas de 1970 y 1980, el equipo de separación aire-aire se aplicó y promovió en nuevos campos como la gasificación de carbón, el tratamiento de aguas residuales, el blanqueo de pulpa, la fermentación de proteínas del petróleo y la producción de placas de circuito integrado.
Breve historiaNo existe un ambiente natural de baja temperatura profunda ni sustancias de baja temperatura profunda en la tierra, y se deben utilizar equipos de baja temperatura profunda para obtener una temperatura tan baja. En 1877, LP Kaitai de Francia y R. Pickett de Suiza utilizaron equipos de refrigeración de laboratorio para alcanzar una temperatura muy baja por debajo de 90,2 K y obtener oxígeno líquido similar a la niebla.

En 1893, el británico J. Dewar fabricó por primera vez una botella de vacío para el almacenamiento de gas licuado criogénico, que se llamó Dewar. En 1895, el alemán C. von Linde aplicó el efecto de estrangulamiento isenthalpy de Joule-Thomson para formar el equipo criogénico original con un compresor, un intercambiador de calor tubular y una válvula de mariposa, y lo utilizó para licuar el aire para hacer que la temperatura alcanzara los 80,9K.

En 1898, sobre la base del trabajo de Linde, Dewar preenfrió hidrógeno con aire líquido y luego lo expandió a través de una válvula de estrangulamiento isenthalpic para reducir la temperatura por debajo de 20,4 K para obtener hidrógeno líquido. En 1902, G. Claude de Francia añadió un expansor de pistón al equipo de licuefacción de Linde y utilizó el método de refrigeración por expansión isentrópica como método principal para producir equipos de aire licuado.

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El primer generador de oxígeno comercial apareció en 1903. En 1908, H. Camerin-Honnes de los Países Bajos utilizó el mismo principio para enfriar previamente el gas helio con hidrógeno líquido y expandirlo isentálpicamente en condiciones adiabáticas para bajar la temperatura por debajo de 4,2 K para obtener helio líquido. En 1965, la beta soviética ] .. Niejianuofu et inventors diluyeron el refrigerador a una temperatura de 0.025K.

Desde la década de 1970, la gente ha aplicado la tecnología de refrigeración por desmagnetización para reducir aún más la temperatura de refrigeración del equipo.
Principio de funcionamiento El principio de funcionamiento delos equipos criogénicos profundos incluye principalmente dos aspectos: licuefacción y separación de gases.
Licuefacción degas La licuefacción de gas se realiza mediante equipos de licuefacción de tejidos basados en el ciclo de licuefacción. Los principales ciclos de licuefacción son el ciclo de licuefacción de Linde y el ciclo de licuefacción de Claude.
Ciclo de licuefacción de Linde: ciclo que utiliza el efecto de estrangulamiento de una válvula de mariposa para licuar el gas de la materia prima (Figura 1). El gas de materia prima a presión normal p 1 y temperatura normal T 1 se comprime en el compresor del estado 1 al estado 2 a temperatura isotérmica, y la presión correspondiente es p 2.

El intercambiador de calor reduce la temperatura al estado 3, y luego, la válvula de mariposa reduce la presión y se iguala la presión Expanda al estado 4. En este momento, parte del gas se convierte en líquido y se descarga del depósito de líquido; parte del gas que no se ha licuado se recalienta al estado 1 en el intercambiador de calor, formando así un ciclo térmico.

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Ciclo de licuefacción de Claude: un ciclo que utiliza expansión isentrópica y expansión isentálpica combinada con refrigeración para licuar el gas de la materia prima (Figura 2). El gas de materia prima de presión normal p 1 y temperatura normal T 1 se comprime del estado 1 al estado 2 a la temperatura intermedia en el compresor, y la presión correspondiente es p 2 , y el intercambiador de calor reduce la temperatura al estado 3 E 1 . Después de eso, el gas se divide en dos partes, una parte del gas continúa pasando a través de los intercambiadores de calor E 2 , E 3 , y se enfría a los estados 4 y 5, y luego se expande la entalpía al estado 6 a través de la válvula de mariposa.

En este momento, parte del gas se convierte en líquido y se descarga del depósito de líquido; la parte no licuada del gas se recalienta al estado 8 en el intercambiador de calor E 3 , y luego se fusiona con otra parte del gas que se expande a estado 8 en el expansor con entropía media, y finalmente se cambia. Los calentadores E 2 y E 1 se recalientan al estado 1, formando así un ciclo térmico.

Otros ciclos de licuefacción desarrollados sobre esta base, como ciclos de licuefacción de estrangulamiento con ciclos de refrigeración adicionales (como ciclos de preenfriamiento con amoníaco o nitrógeno líquido u otras fuentes de frío) o ciclos de licuefacción de expansión isentrópica, con ciclos de refrigeración externa (como refrigeración externa con nitrógeno ciclo) ciclo de licuefacción de expansión isentrópica, ciclo de refrigeración de gas regenerativo (ver ciclo de refrigerador) y ciclo de licuefacción de expansión isentrópica de múltiples etapas.
Los varios ciclos anteriores son ciclos ideales. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, el proceso de compresión del compresor no es un proceso isotérmico. El intercambiador de calor tiene pérdida de capacidad de frío debido a un recalentamiento insuficiente y a la intrusión de calor externo, y el expansor tiene pérdida adiabática y pérdida mecánica, por lo que debe adoptarse en el propio proceso de refrigeración Medidas de compensación para equilibrar el calor del proceso.
Separación de gas Losprincipios de separación de gas crudo comúnmente utilizados incluyen rectificación criogénica profunda, condensación fraccionada criogénica profunda y adsorción criogénica profunda.

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Destilación profunda y a baja temperatura: primero licue el gas de la materia prima y luego separe los componentes de acuerdo con las diferentes temperaturas de condensación (evaporación) de cada componente aplicando el principio de rectificación. El proceso de separación se realiza en una torre de rectificación criogénica profunda. Este método es adecuado para gas crudo con una temperatura de condensación similar de los componentes separados, como la separación del oxígeno y el nitrógeno del aire.

Segregación profunda a baja temperatura: use la diferencia en la temperatura de condensación de cada componente en el gas crudo para reducir la temperatura del gas crudo en el intercambiador de calor, licue los componentes uno por uno de alto a bajo y separe el líquido en el separador. Este método es adecuado para la separación de gas crudo, como el gas del horno de coque, donde la temperatura de condensación de los componentes separados está muy lejos.

Adsorción profunda y a baja temperatura: El uso de adsorbentes sólidos porosos tiene las características de adsorción selectiva, y algunos componentes de impurezas pueden adsorberse a temperaturas bajas y profundas para obtener productos puros. Por ejemplo, se utiliza un adsorbedor de tamiz molecular para adsorber oxígeno y nitrógeno del argón crudo a la temperatura del aire líquido para obtener argón refinado.
De acuerdo con las necesidades del proceso, a veces se usa un principio solo y, a veces, se usan varios principios simultáneamente.
Clasificación

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En la naturaleza y los procesos de producción industrial, existen gases de materia prima para el procesamiento de equipos criogénicos, la mayoría de los cuales son gases multicomponente. Según la composición del gas de la materia prima, el proceso de trabajo y el estado del producto obtenido, el equipo criogénico se puede dividir en equipo de separación de gas, equipo de licuefacción de gas y refrigerador de gas regenerativo.
Equipo de separación de gases: equipocriogénico que separa productos gaseosos de un solo componente y productos líquidos del gas crudo de varios componentes. En términos de productos, separa principalmente productos gaseosos; en términos de la cantidad de equipos utilizados, los equipos de separación de aire representan más del 90% de la cantidad de equipos criogénicos en China.
Equipo de licuefacción de gas Equipocriogénico que enfría y condensa por separado gas natural o gases puros como oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, neón y él en productos líquidos a través de un ciclo de refrigeración.
El refrigerador de gas regenerativo es una máquina que utiliza helio o hidrógeno como medio de trabajo y aplica el principio de recuperación en un sistema cerrado para lograr un ciclo de refrigeración de gas para obtener baja temperatura y capacidad de frío.
El equipo criogénico es un conjunto completo de equipos, generalmente compuesto por filtros de gas crudo, torres de limpieza, compresores, enfriadores, intercambiadores de calor, equipos de purificación, expansores, licuadores, torres de rectificación criogénica y transporte y almacenamiento de productos. instrumentos y controladores eléctricos para su funcionamiento, y sistemas de estacionamiento y calefacción.
Los materialestienen requisitos especiales para los materiales de los equipos criogénicos y no se pueden utilizar materiales quebradizos. Los materiales comúnmente utilizados incluyen cobre, aluminio inoxidable y acero inoxidable austenítico. Los tanques de almacenamiento de gas licuado de baja temperatura profunda o los equipos de licuefacción de hidrógeno y helio están ubicados a niveles de temperatura extremadamente bajos, por lo que se deben seleccionar materiales con baja conductividad térmica como la plata alemana, y se deben tomar medidas para evitar la intrusión de calor radiante para reducir pérdida de frío.