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液氮和液氧作为最常见的低温介质在低温工程、食品保鲜、航空航天、医疗卫生等领域有着广泛而重要的需求。二者大规模供应可由大型空分装置实现，但在小规模、高频次以及偏远地区或野外环境下使用，就存在来源受限、储运不便、价格高昂等诸多困难。因此研制小型可移动氮氧液化装置具有重要的现实意义。本文基于多元混合工质节流(MRJT)制冷技术在微小型系统中实现了氮气/氧气的高效分布式冷却液化，围绕制冷循环优选、MRJT制冷循环热力特性、小型低压气体液化分离流程构建与优化等问题开展深入研究，具体工作如下:
(1)基于(炯)分析方法，揭示了多温区MRJT制冷循环的热力特性，获得其高效温区与效率衰减机理，指出其在高效温区内性能优于逆布雷顿循环(RBC)。MRJT与RBC是液化流程中两种主要制冷循环;分别针对低压气体冷却液化中比重相近的固定温度热负荷与分布式热负荷，在理想和非理想条件下研究对比了MRJT与RBC及其各部件的热力性能和(炯)损失分布，发现MRJT能在100K及以上温区保持较高(炯)效率（＞32％，非理想条件，下同）和单位容积制冷量，并均明显优于RBC，但在80K温区严重衰减（(炯)效率＜14％）并均明显低于RBC。提出了多个参数评价回热与节流/膨胀过程的热力性能，揭示了循环性能衰减机理，指出中高温区MRJT的节流(炯)损失明显小于同温区RBC的非等熵膨胀(炯)损失，并且分布式热负荷显著恶化了RBC的回热过程，使其(炯)效率低于同温区固定温度热负荷的RBC;然而由于缺乏合适的低沸点组元，单级压缩MRJT在较低制冷温度（如80K）和稍高背压(＞0.3MPa)下，若大量使用Ne(＞20％)，会导致其回热和节流过程急剧恶化。由此指出MRJT用于低压气体液化更有优势，但工作温区不宜低于90K，以实现较高效率。另外研究了MRJT一级分离循环中分离液节流前过冷的必要性，发现其是否过冷并不改变循环(炯)效率。
(2)基于MRJT制冷循环，提出并分析了多种小型低压氮气、氧气液化流程和空气分离流程，实现了气体高效分布式冷却液化。通过热力模拟分析验证了单级压缩MRJT制冷循环用于液化多种低压气体(≤0.8MPa)的可行性，指出用于小型液化系统时MRJT流程的效率高于原料气膨胀流程。基于MRJT热力特性研究结果，优化了液化流程的结构和关键参数，指出风冷结构下需设置预冷循环，且流程冷端温度无需低至原料气常压沸点。为提高含氧气体液化的安全性，分别提出了利用闭式氮气载冷循环在原料气与可燃工质之间传递冷量，以及无载冷的全不可燃工质液化流程;得到了氮气载冷传递效率（设计工况下＞74％），发现相同液化负荷下两种方法效率接近。为实现微型低温精馏空分塔并提高其可靠性，提出了移除再沸器和提馏段并固定回流比的简化方法，指出该塔在稳定液氮生产工况下保持一定的分离压力即可保证产品产量和纯度。
(3)搭建并测试了一套小型全风冷可移动混合工质气体液化分离系统原型机，在相同产量下实现了与现有氦气回热式和原料气膨胀式小型液氮装置接近或更高的效率。原型机中各循环均采用单级油润滑普冷压缩机驱动，且无需冷却水，在规模化生产中有实现低硬件成本的潜力。除直接液化纯氮气外，还能以小型商用空压机供气和微型精馏塔进行空气分离。在性能测试中直接液化瓶装氮气时，平均比功耗为1.79kWh L-1@0.8MPa(a)，若用PSA制氮机供气比功耗估计值为2.68kWh L-1;而使用微型空分塔时平均比功耗为4.58kWh L-1，平均液氮纯度为97.5％。原型机验证了流程的可行性，实现了原料气的高效分布式冷却液化。
综上，为满足少量高频或偏远野外条件下液氮液氧的需求，本文研制了小型混合工质液化系统，一方面揭示了MRJT制冷循环和液化流程的热力特性，表明了MRJT用于冷却分布式负荷的优势;另一方面解决了微型空分塔等关键部件的设计优化问题，初步验证了MRJT用于低压氮气、空气液化分离的可行性及其降低硬件成本的潜力。
(1)基于(炯)分析方法，揭示了多温区MRJT制冷循环的热力特性，获得其高效温区与效率衰减机理，指出其在高效温区内性能优于逆布雷顿循环(RBC)。MRJT与RBC是液化流程中两种主要制冷循环;分别针对低压气体冷却液化中比重相近的固定温度热负荷与分布式热负荷，在理想和非理想条件下研究对比了MRJT与RBC及其各部件的热力性能和(炯)损失分布，发现MRJT能在100K及以上温区保持较高(炯)效率（＞32％，非理想条件，下同）和单位容积制冷量，并均明显优于RBC，但在80K温区严重衰减（(炯)效率＜14％）并均明显低于RBC。提出了多个参数评价回热与节流/膨胀过程的热力性能，揭示了循环性能衰减机理，指出中高温区MRJT的节流(炯)损失明显小于同温区RBC的非等熵膨胀(炯)损失，并且分布式热负荷显著恶化了RBC的回热过程，使其(炯)效率低于同温区固定温度热负荷的RBC;然而由于缺乏合适的低沸点组元，单级压缩MRJT在较低制冷温度（如80K）和稍高背压(＞0.3MPa)下，若大量使用Ne(＞20％)，会导致其回热和节流过程急剧恶化。由此指出MRJT用于低压气体液化更有优势，但工作温区不宜低于90K，以实现较高效率。另外研究了MRJT一级分离循环中分离液节流前过冷的必要性，发现其是否过冷并不改变循环(炯)效率。
(2)基于MRJT制冷循环，提出并分析了多种小型低压氮气、氧气液化流程和空气分离流程，实现了气体高效分布式冷却液化。通过热力模拟分析验证了单级压缩MRJT制冷循环用于液化多种低压气体(≤0.8MPa)的可行性，指出用于小型液化系统时MRJT流程的效率高于原料气膨胀流程。基于MRJT热力特性研究结果，优化了液化流程的结构和关键参数，指出风冷结构下需设置预冷循环，且流程冷端温度无需低至原料气常压沸点。为提高含氧气体液化的安全性，分别提出了利用闭式氮气载冷循环在原料气与可燃工质之间传递冷量，以及无载冷的全不可燃工质液化流程;得到了氮气载冷传递效率（设计工况下＞74％），发现相同液化负荷下两种方法效率接近。为实现微型低温精馏空分塔并提高其可靠性，提出了移除再沸器和提馏段并固定回流比的简化方法，指出该塔在稳定液氮生产工况下保持一定的分离压力即可保证产品产量和纯度。
(3)搭建并测试了一套小型全风冷可移动混合工质气体液化分离系统原型机，在相同产量下实现了与现有氦气回热式和原料气膨胀式小型液氮装置接近或更高的效率。原型机中各循环均采用单级油润滑普冷压缩机驱动，且无需冷却水，在规模化生产中有实现低硬件成本的潜力。除直接液化纯氮气外，还能以小型商用空压机供气和微型精馏塔进行空气分离。在性能测试中直接液化瓶装氮气时，平均比功耗为1.79kWh L-1@0.8MPa(a)，若用PSA制氮机供气比功耗估计值为2.68kWh L-1;而使用微型空分塔时平均比功耗为4.58kWh L-1，平均液氮纯度为97.5％。原型机验证了流程的可行性，实现了原料气的高效分布式冷却液化。
综上，为满足少量高频或偏远野外条件下液氮液氧的需求，本文研制了小型混合工质液化系统，一方面揭示了MRJT制冷循环和液化流程的热力特性，表明了MRJT用于冷却分布式负荷的优势;另一方面解决了微型空分塔等关键部件的设计优化问题，初步验证了MRJT用于低压氮气、空气液化分离的可行性及其降低硬件成本的潜力。