低温物理与技术-第2章节低温液体

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1、预冷型林德-汉普森制冷机及其热力循环图第二章低温液体获得低温的一些主要方法120K温度区：烷、烯、炔等，如：石油气（主要为戊、己烷）、天然气（主要为甲烷）80K温度区：空气成分：氧、氮、氩等20K温区：氢4K温区：氦超低温区：3He低温工质的种类循环工质的性质空气是由什么组成的空气含有多种气体氮气(78%)氧气(21%)稀有气体其他气体水蒸气二氧化碳（0.94％）（0.03％）（0.03％）体积分数空气的分离氮是一种无色无味的气体，比空气稍轻，难溶于水；氮的化学性质不活泼，通常情况下很难与其它元素直接化合，可用作保护气体；在高

2、温下，氮能够同氢、氧及某些金属发生化学反应；氮无毒，又不能磁化，其沸点比空气低，所以液氮是低温研究中最常用的安全冷却剂，但需当心窒息；液氮也用于氢、氦液化装置中，作为预冷；液氮应小心储存，避免同碳氢化合物长时间的接触，以防止碳氢化合物过量溶于其中而引起爆炸；液氮的蒸发温度为77.36K；在标准大气压下，液氮冷却到63.2K时转变成无色透明的结晶体；液氮的沸点和凝固点之间的温差不到15K，因而在用真空泵减压时容易使其固化；因固态氮的密度比液氮大，所以沉降在底部；在大约35.6K时，固态氮产生同素异形转变，并伴随比热容的增大。转化

3、热约为8.2kJ/kg。氮的性质2.1液氮带尾巴的高真空绝热金属杜瓦无色无味的气体，标准状态下的密度是1.430kg/m3，比空气略重；氧较难溶解于水；氧的化学性质非常活泼，它能与很多物质（单质和化合物）发生化学反应，同时放出热量；反应剧烈时还会燃烧发光；氧与其它大多数气体的显著不同在于具有强的顺磁性，且某些气态的氧化合物（如一氧化氮）也有顺磁性；氧的这一特性已被利用来制作氧磁性分析仪，根据磁化率的变化可以测出抗磁性气体混合物中所含微量氧的浓度；由于氧的化学活性很强，是一种强氧化剂，所以氧同碳氢化合物混合是很危险的，液氧中存在

4、碳氢化合物结晶体已不止一次引起过严重的爆炸事故。因此，液氧必须严格避免同各种油脂、润滑油、炭、木材、沥青、纺织物品接触；在标准大气压下，氧在90.188K时变为易于流动的淡蓝色液体；在54.4K时凝固成淡蓝色的固体结晶；液氧和固态氧的淡蓝色是含有少量的氧聚合物O4而引起的；虽然氧的沸点比氮几乎高13K，可是它的凝固点却比氮低约9K；固态氧的密度大，因此在液氧中下沉；在43.80K和23.89K时，固态氧发生同素异形转变，并伴随有转化热；在40.80K时转化热超过溶化热，约为23.2KJ/Kg；在23.89K时转化热只有2.93

5、KJ/Kg。氧的性质精馏塔主要由下塔、上塔及冷凝蒸发器组成。冷凝蒸发器：作用:供氮气冷凝和液氧蒸发用，以维持精馏塔精馏过程的进行。结构:为多层板翅式，相邻通道的物流通过翅片和隔板进行良好的换热。使用方式:冷凝蒸发器一般置于上、下塔之间，下塔上升的氮气在其间被冷凝，而上塔回流的液氧在其间被蒸发。这个过程得以进行，是因为氮气压力高，液氧压力低。例如氮气压力为0.511MPa时，液化温度为94.4K，而液氧在压力为0.1389MPa时，蒸发温度93.1K，两者温差1.3K。这样，氮气的冷凝和液氧的蒸发就可进行。各类冷凝蒸发器都是按此

6、原理进行的，只是冷凝和蒸发的介质不同而已。精馏系统下塔与上塔:作用:利用混合气体中各组分的沸点不同，将其分离成所要求纯度的组分。结构:塔体为圆筒形，下塔内装多层筛板，筛板上设置溢流斗，有一个溢流挡板，并密布小孔。上塔内装规整填料及液体分布器。使用方式:下塔精馏过程中，液体自上往下逐一流过每块筛板，由于溢流堰的作用，使塔板上造成一定的液层高度。当气体由下而上穿过筛板小孔时与液体接触，产生了鼓泡,这样就增加了汽液接触面积，使热质交换过程高效地进行。低沸点组份逐渐蒸发，高沸点的组份逐渐液化，至塔顶就获得低沸点的纯氮，在塔底获得高沸点

7、的富氧液空组份。上塔在精馏过程中，气体穿过分布器沿填料盘上升，液体自上往下通过分布器均匀地分布在填料盘上，在填料表面上气、液充分接触进行高效的热质交换。上升气体中低沸点组份(氮)含量不断提高。高沸点组份(氧)被大量的洗涤下来，形成回流液最终在塔顶得到低沸点纯氮，塔底得到高沸点的液氧。精馏系统海兰特系统可以得到液氮和液氧产品氢的性质最轻的工质；无色无味，极难溶于水；标准状态下H2的密度为0.0899kg/m3，是空气的1/14.38；粘度最低、比热容最大、热导率最高；扩散能力很强，不仅能穿过极小的空隙，甚至能透过一些金属，如钯（

8、Pd）从240℃开始便可以被氢渗透，易泄漏；氢有三种同位素：原子量为1的氕（符号H）；原子量为2的氘（符号D）和原子量为3的氚（符号T）。氕（通称氢）和氘（亦称重氢）是稳定的同位素；氚则是一种放射性同位素，半衰期为12.26年。氚放出β射线后转变成3He。氚是极稀有的，在10