天然气凝液回收技术-2.ppt

第三节制冷技术,冷剂制冷循环节流膨胀制冷膨胀机制冷,一、冷剂制冷循环,冷剂制冷循环是利用物质由液态转化为蒸汽的吸热效应制冷，称之为汽化制冷，相变介质称为制冷剂。为了实现汽化制冷，普遍采用的制冷系统有蒸汽压缩式、吸收式和蒸汽喷射式三类。以蒸汽压缩制冷循环应用最广泛。,1.蒸汽压缩制冷原理,蒸汽压缩制冷原理如图3-1所示，图中的高温、高压、低温、低压都是相对而言的。该制冷系统的主要设备压缩机、冷凝器、膨胀机或节流阀、蒸发器。设备之间用管道连接起来，形成一个完整地密闭系统。,图3-1蒸汽压缩制冷原理示意图,蒸汽压缩制冷过程,蒸汽压缩制冷循环有四个工艺过程压缩过程；冷凝过程；膨胀过程；蒸发过程。,2.常用制冷剂,制冷剂，又称制冷工质，是在制冷系统中循环且不断产生相态变化而传递热量的物质。制冷剂应具备的特性有容易冷凝，冷凝压力不高；气化温度低，单位制冷量大，比容小；无毒、不燃烧、不爆炸和无腐蚀；价格低廉。,常用制冷剂,氟利昂；氨；丙烷、丙烯、乙烷、乙烯等。因环保的要求，其中氟利昂、氨将逐步限制使用。,3.制冷循环的热力计算,单级实际制冷循环过程用温熵图和压焓图来表示如图3-2和图3-3所示。实际制冷循环中多采用制冷剂液体过冷的循环以减少节流损，提高制冷能力。过冷温度通常选择为3～5℃。,图3-2实际制冷循环在温-熵图的表示,图3-3实际制冷循环在压-焓图上的表示,（1）单位制冷量q1kJ/kg,每公斤制冷工质完成一次循环在蒸发器中所吸收的热量称为单位制冷量。它在压-焓图上制冷剂蒸发过程初始点4、终点1的焓差表示，即,（3-1）,（2）单位冷凝热q2kJ/kg,每公斤制冷剂完成一次循环在冷凝器中放出的热量称为单位冷凝热。它在压-焓图上制冷剂冷凝过程初始点2、终点3的焓差表示，即,（3-2）,（3）单位理论压缩功wekJ/kg,每公斤制冷工质完成一次循环压缩机消耗的功称单位理论压缩功。它等于制冷剂进出压缩机之焓差，即,（3-3）,（4）制冷量Q（kJ/h）,制冷量是指在一定的操作条件下（制冷剂蒸发温度t1，冷凝温度t3），单位时间内制冷剂由被冷凝物体中所取出的热量。,（3-4）,q0单位制冷量，kJ/kg；G制冷剂的循环量，kg/h。,对于一定规格的往复式单级压缩制冷机而言，制冷机的制冷量Q（kJ/h）可以表示为,（3-5）,qv单位容积制冷量，kJ/m3；Vg压缩机的工作容积m3/h；λ压缩机的实际输汽系数。,（4）制冷量Q（kJ/h）,制冷机的标准温度条件,国际人工制冷会议规定了制冷操作的标准温度条件为制冷剂的蒸发温度－15℃；制冷剂的冷凝温度30℃；过冷温度为5℃。厂家一般都是在产品目录给定标准温度条件下制冷机的制冷量。选型时，必须将实际所要求的制冷量换算成标准温度下的制冷量。,（5）压缩机的指示功率NikW,在实际循环过程中压缩机压缩制剂工质蒸气所消耗的功率称指示功率。即,（3-6）,ηi压缩机的指示效率。,（6）压缩机的轴功率NpkW,在制冷过程中，由电机传到压缩机轴上的功率称轴功率。即,（3-7）,ηk压缩机的总效率。,（7）制冷系数,理论制冷系数εt是制冷工质循环的总位制冷量与理论压缩功之比。它表示消耗每个单位功所能制冷的冷量。,（3-8）,理论制冷系数εt的意义,εt是判断制冷循环的经济指标。在给定条件下，εt愈大，则循环的经济性愈高。随循环过程工作温度和制冷剂性质而变化，一般循环的冷凝温度愈低，蒸发温度愈高，则愈εt大，反之，εt愈小。,实际制冷系数εp,实际制冷系数εp是制冷工质循环的制冷总量与压缩的轴功率之比。,（3-9）,4.蒸汽压缩制冷循环方式,单级压缩制冷循环；多级压缩制冷循环；复叠式制冷循环；混合制冷剂制冷循环。,（1）单级压缩制冷,采用氨、氟利昂、丙烷等作制冷剂，蒸发温度一般小于-40℃；制冷机组的设备较少，费用低；常用作浅冷分离的制冷工艺。,（2）多级压缩制冷,当冷凝压力一定时，要想降低蒸发温度，必须使压缩比增大，输汽系数减少，引起较大的不可逆损失，压缩功耗费较高，且会带来运转上的困难。为了获得较低的蒸发温度（-30～-60℃），应考虑采用多级压缩制冷循环。,多级压缩制冷通常是采用级间闪蒸，多次节流的制冷循环。以离心式压缩机两级压缩制冷循环为例，其制冷循环流程与压焓变化分别如图3-4和图3-5所示。,（2）多级压缩制冷,图3-4二级压缩制冷循环原理流程图l吸入罐；2闪蒸分离器；3冷凝器；4蒸发器（冷量用户）；5、6一节流阀；I、II压缩机一、二级,图3-5二级压缩制冷循环的压-焓图,多级压缩制冷循环实例,由于多级节流，各个节流阀后的温位是不同的，如果在流程中增设蒸发器的数量，则可向冷量用户供给不同温位的冷源。三级压缩丙烷制冷循环流程图，如图3-6所示。此图表示可产生三个不同温度等级的冷量，如-50℃，-25℃，-5℃。,图3-6三级压缩丙烷制冷循环流程图,（3）复叠式制冷循环,复叠式制冷循环，又称串级制冷循环，是将两种或三种不同冷位的冷剂制冷循环串联起来形成一个闭路系统。复叠式制冷循环原理流程如图3-7所示。制冷剂分别采用丙烷、乙烯和甲烷。,图3-7复叠式制冷循环原理图,复叠式制冷循环实例,复叠式制冷循环采用图3-7所示流程。制冷剂同样分别采用丙烷、乙烯和甲烷。第一级循环在第一级，冷剂丙烷III被压缩机1压缩到1.0MPa，经水I冷到30℃冷凝，节流到压力0.12MPa，进入蒸发器5，蒸发温度为－38℃。,第二级循环,第二级以乙烯为冷剂，经压缩机2压缩到2.0MPa，进入冷凝一蒸发器5被冷凝至温度－30℃，经节流阀9节流至0.12MPa，进入冷凝蒸发器6，蒸发温度为－100℃。,第三级循环,第三级以甲烷为冷剂，经压缩机3压缩至3.0MPa，进入冷凝一蒸发器6，被乙烯冷却冷凝至－95℃，经节流阀10节流至压力0.12MPa，进入蒸发器7，蒸发温度达到－160℃。,复叠式制冷循环的特点,制冷循环流程复杂，机组投资大；一般可制取低于-60℃的冷量；常用于回收乙烷，且回收率要求高的天然气凝液回收装置；用于大型天然气液化装置。,4混合制冷剂循环,混合制冷剂循环是60年代末期由复叠式制冷循环演变而来的。它采用由C1C5的烃类和氮等五种以上组分组成的混合物作为制冷剂，可用一台（几台但类型相同的）压缩机。因此，混合制冷剂循环一经问世即在天然气液化及分离技术中得到了广泛应用。,二、节流膨胀制冷,节流制冷是工业上最早采用的制冷工艺，由于节流制冷设备简单，运转可靠、节流效率低，同一差压下温降较小，在天然气凝液回收中常多数作为一种辅助制冷手段。,1.节流膨胀降温原理,节流膨胀过程如图3-8所示，流体在流经相当于孔板的缩口或节流阀时，由于通径截面积缩小，流速增加，经过缩口或节流阀后截面积和流速恢复到原来状态。,图3-8节流膨胀过程示意图,如果忽略势能变化，对缩口前、缩口后应用热力学稳定流动的能量守恒方程式有,H1、H2口前后两截面处流体的焓值；v1、v2缩口前后两截面处的流速；g重力加速度。,3-10,1.节流膨胀降温原理,由于节流前、后两截面面积相等，故得,因此，节流膨胀过程是等焓过程。节流时，微小压力变化所引起的温度变化称为微分节流效应。一般用ah表示微分节流效应系数,3-11,3-12,1.节流膨胀降温原理,内能变化项由于气体压力降低，比容增大，分子间的平均距离也增大，此时必须消耗功克服分子间的引力，分子间的位能就增加。但由于外界无能量供给气体，分子间位能的增加只能来自分子动能的减少。因此，产生使气体温度降低的效应。,3-13,1.节流膨胀降温原理,而对大多数气体，其中包括天然气，流动功是随压力的降低而增加的。,3-14,3-15,1.节流膨胀降温原理,所以，大多数气体（除氢、氦等外）经过节流阀产生压降时也相应发生的温降。,3-16,1.节流膨胀降温原理,2.节流工艺计算,典型的节流工艺过程如图3-9所示。流量为F（kmol/h），组成为zi（摩尔分数）的物料在压力PI、温度TI下经节流阀在绝热情况下减压至PF，工艺计算的任务是求节流后的温度TF，平衡汽、液相组成yi、xi，汽、液相量V、L及焓值HV，HL等。,图3-9节流膨胀工艺过程,节流计算的基本方程,3-17,相平衡方程,物料平衡方程,热量平衡方程,3-18,3-19,节流计算的基本方程,联立上述三个基本方程求解，即可计算出节流后的温度（或压力）、汽液相的流量及汽液相组成。,节流基本方程各符号的意义,HI进料混合物节流前的焓值，kJ/kmol；HV，HL节流后平衡汽、液相的焓值，kJ/kmol；Kii组份的平衡常数；n––物料中总组份数。,三、膨胀机制冷,1.等熵膨胀降温的物理实质气体进行等熵膨胀时，由于压力变化而引起的温度变化，称为等熵膨胀效应。该效应又分为微分等熵膨胀效应和积分等熵膨胀效应。,微分等熵膨胀效应,微分等熵膨胀效应是指微小压力变化所引起的温度变化。通常用as表示微分等熵膨胀效应系数表示。,3-20,积分等熵膨胀效应,积分等熵膨胀效应是指气体实际等熵膨胀时，压力变化为一有限值所引起的温度变化，以ΔTs表示,3-21,等熵膨胀降温的物理实质,由热力学基本关系式，可导出表示微分等熵膨胀效应系数as与膨胀前气体状态参数p、T、V之间关系式为,3-22,cp气体的定压热容。,由于式3-22中,故,等熵膨胀过程总是产生冷效应，膨胀结果气体的温度总是降低的。,3-23,3-24,等熵膨胀降温的物理实质,等熵膨胀温降的定性解释,等熵膨胀时，气体一方面要在绝热情况下对外作功，大量消耗内能；另一方面要克服分子间的吸引力，增加分子位能，使分子动能减少，由于这两方面原因，导致气体温度大幅度下降。而这时流动功的变化对气体温度的影响相比之下很小，因此，等熵膨胀的结果总是使气体温度降低，且同时产生冷量。,2.绝热效率和实际功,等熵膨胀的焓降ΔH0是气体等熵膨胀开始状态p1、T1时的焓值H1与膨胀终了状态p2、T2的焓值H2之差值。,3-25,实际膨胀过程是熵增过程,实际上，压缩气体通过膨胀机进行绝热膨胀，在对外作功的同时存在着摩擦、泄漏和冷量损失等各种现象。因此，膨胀过程实际不是等熵的，而是熵增大的不可逆过程。,实际膨胀过程的焓差ΔH等于气体绝热膨胀开始状态的焓值H1与膨胀终了状态的焓值H2’的差值，即膨胀机对外的单位功。,3-26,实际膨胀过程是熵增过程,膨胀机的绝热效率ηs,膨胀机的绝热效率是衡量膨胀过程偏离等熵过程的尺度。透平膨胀机的绝热效率可达75～85。,3-27,膨胀的对外实际作功WkJ/h,G气体流量，kg/h；ΔH实际膨胀过程的焓差，kJ/kg。,3-28,3.膨胀过程的热力计算,流量为F（kmol/h），组成为zi（摩尔分数）在压力P1、温度T1下进入膨胀机，膨胀机等熵效率为η，出口压力为P2，等熵出口温度为T2，实际出口温度为T2′。膨胀机出口的平衡汽、液相组成为yi、xi。汽、液相量为V、L；汽、液相焓值为HV、HL及汽、液熵值为SV、SL等。,膨胀计算的基本方程,相平衡方程,3-29,物料平衡方程,热量平衡方程,膨胀机出口的实际焓值,3-30,3-31,3-32,膨胀计算的基本方程,膨胀机基本方程各符号的意义,H1进口状态下气体的焓值，kJ/kmol；S1––进口状态下气体的熵值，kJ/kmolK；SV––等熵膨胀后汽相的熵值，kJ/kmolK；SL等熵膨胀后液相的熵值，kJ/kmol；H2等熵膨胀后出口混合物的焓值，kJ/kmol；H2’––膨胀机实际出口混合物的焓值，kJ/kmol；η膨胀机的绝热效率。,膨胀机的热力计算框图,4.膨胀机的类型,膨胀机,输出功类,输出热类,活塞式膨胀机容积型透平式膨胀机速度型,热分离机气波制冷机,,,,,5.透平膨胀机的结构和工作原理,透平膨胀机是由通流部分、制动器及机体三大部分组成。透平膨胀机的结构示意图如图3-12所示。,图3-12透平膨胀机的结构图,通流部分,该部分是获得低温的主要部件。压力较高的工作介质从管道进入膨胀机的涡壳l，把气流均匀地分配给喷嘴3，气体在喷嘴中第一次膨胀，推动工作轮输出外功，同时气流在工作轮中继续膨胀而转换成外功，因此，气体的流速就降低了，膨胀后的低温工质经过扩压器排出到低温管道中。,制动器,透平膨胀机有机械功输出，需要有一定的负载。负载主要是起刹车即制动作用，一般称负载为制动器。制动器可以是鼓风机、机泵、压缩机、发电机等。在天然气处理中，制动器大多为天然气的增压机。,在油气处理和加工装置中，制动器采用压缩机，即由膨胀机驱动离心式压缩机，由膨胀机输入到驱动端的净功率，通常要减去约2的轴和轴承的损失。同轴离心式压缩机的效率可取65～80％。,制动器,机体部分,除通流部分和制动器部分外其余均属机体部分。它起着传递、支承和隔热作用。透平膨胀机的工作轮通过主轴把能量传递给制动器，主轴是靠轴承座支承在机体上的。为了防止不同温区的热量传递和冷量泄漏，还设有密封、冷却和润滑等设备。,6.膨胀和升压的顺序,根据气流流入压气端和透平膨胀端的先后次序不同，可分为正升压透平膨胀机和逆升压透平膨胀机两种型式。图3-12为正升压透平膨胀机组，气体先压缩后膨胀。图3-13为逆升压透平膨胀机组，气体先膨胀再压缩。,图3-12正升压透平膨胀机组C压气机；T涡轮；H1－冷却器；H2冷箱；S1一级分离器；S2二级分离器,图3-13逆升压透平膨胀机组C压气机；T涡轮；H2冷箱；S1一级分离器；S2二级分离器,7.透平膨胀机的特点,绝热效率一般为8085；膨胀比为25；出口带液量大（理论不限制，但小于20）；转速达20000r/min以上，功率从几kW至几千kW；处理量可达106m3/d以上；流量可调（因装有可调喷嘴），约有20的可调范围。,