天然氣加工工程-08輕烴回收PPT課件.ppt

2020 3 26 輕烴回收與分餾 1 2020 3 26 天然氣處理與加工的范疇 天然氣處理與加工指從井口到輸氣管網的全部過程 包括采氣管線 井場分離 集氣管線 凈化處理 脫水 輕烴回收 輸氣管網等 如下圖 單元過程 節(jié)流 閃蒸 吸收 解吸 精餾 換熱 反應 吸附等 2 2020 3 26 概述 如前所述 天然氣 尤其是伴生氣及凝析氣 中除含有CH4外 還含有一定量的C2H6 C3H8 C4H10 C5H12以及更重烴類 為了滿足商品氣或管輸氣對烴露點的質量要求 或為了獲得寶貴的化工原料 需將天然氣中除甲烷外的一些烴類予以分離與回收 1 天然氣凝液 naturalgasliquids NGL 從天然氣中回收的液烴混合物 也稱天然氣液或天然氣液體 我國習慣上稱其為輕烴 lighthydrocarbonliquids 2 輕烴組成 含有乙烷 丙烷 丁烷 戊烷及更重烴類 有時還可能含有少量非烴類 3 2020 3 26 概述 3 輕烴回收 從天然氣中回收凝液的過程 亦稱之為天然氣凝液回收或天然氣液回收 NGL回收 4 輕烴回收產品的用途輕烴回收后的產品分為 天然氣 商品氣 液化氣 C3 C4 和輕油 1 燃料 可作為城市居民的清潔能源或作發(fā)動機燃料 如驅動汽車 壓縮機和發(fā)電廠燃料 2 化工原料 商品天然氣中的烴類用作化工原料是經濟效益最高的使用方式 液化氣可以作為優(yōu)良的石油化工基礎原料 4 2020 3 26 概述 3 工業(yè)溶劑 輕油可進一步分餾而得到一系列優(yōu)質工業(yè)溶劑 這些溶劑基本上都是飽和烴 化學安定性好 溶解能力強 廣泛應用于化工 醫(yī)藥 航空等諸多部門 5 輕烴回收現狀 1 國外現狀國外天然氣加工廠中美國和加拿大合計約占80 美國在上世紀80年代末期的天然氣加工率在80 以上 而且其天然氣液產量與原油產量之比在1 5左右 具有舉足輕重的地位 5 2020 3 26 概述 2 國內現狀我國的天然氣液回收裝置始建于上世紀60年代 到了80年代有了迅速發(fā)展 就天然氣加工率來講 我國已達到先進水平 但是 由于我國天然氣產量很低 天然氣液產品又主要來自伴生氣 故其總產量不大 僅為原油產量的0 5 1 此外 除少數天然氣液回收裝置規(guī)模較大及個別裝置回收乙烷外 大多數裝置規(guī)模較小 而且僅回收丙烷以上烴類 6 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 輕烴回收是天然氣處理與加工中一個十分重要而又常見的過程 然而 并不是在任何情況下進行輕烴回收都是經濟合理的 它取決于天然氣的類型和數量 輕烴回收的目的 方法及產品價格等 特別是取決那些可以冷凝回收的天然氣組分是作為液體產品還是作為商品氣中組分時的經濟效益比較 一 天然氣類型對天然氣液回收的影響我國習慣上將天然氣分成氣藏氣 伴生氣和凝析氣三種類型 其組成有很大差別 7 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 1 氣藏氣主要由CH4組成 C2H6及更重烴類含量很少 因此 只是氣體中乙烷及更重烴類成為產品高于其在商品氣中的經濟效益時 一般才考慮進行天然氣液回收 2 伴生氣通常含有很多可以冷凝回收的烴類 為了滿足商品氣或管輸氣對烴露點和熱值的要求 同時也為了獲得一定數量的液烴產品 故必須進行輕烴回收 3 凝析氣一般含有較多的戊烷以上重烴類 當其壓力降低至相包絡區(qū)的露點線以下時 就會出現反凝析現象 8 2020 3 26 1 1輕烴回收的目的和方法 因此 在凝析氣田開采過程中 儲層中的凝析氣由井底經生產管柱流向井口時 由于壓力 溫度降低就會有凝析油析出 故需在井場或加工廠中進行相分離 以回收析出的油 如果分離出的氣體還要經過壓縮回注到儲層中的話 由于氣體中仍含有不少可以冷凝回收的烴類 因而也應進行輕烴回收 從而額外獲得一定數量的液烴 9 2020 3 26 PhaseBehaviorofNaturalGas 1 純組分p T圖右圖是典型三維相圖 由一系列面組成 每一個表示一個給定的單相或由兩相組成的混合相 HbCdI描述氣 液可以共存的條件 CbH或CdI在壓力 溫度平面上的投影重合成一條曲線 稱之為蒸氣壓曲線 固體及液體兩相面BDHG與其類似 10 2020 3 26 PhaseBehaviorofNaturalGas 1 多組分相圖的特點 純組分的泡點線和露點線重合為單一的蒸氣壓曲線 而多組分則存在露點線和泡點線 混合物的臨界點C 既不是氣 液相能夠共存的最高壓力 又非氣 液相能夠平衡共存的最高溫度 11 2020 3 26 PhaseBehaviorofNaturalGas 2 反凝析現象在純組分體系中 當等溫增壓或等壓降溫時 都會導致凝析的液體產生 但在多組分體系中則常常會出現一種有悖于常理的逆變現象 即在等溫降壓或者等壓升溫的情況下 反而會引起液體的凝析 等溫壓縮由液體變?yōu)闅怏w的反?，F象 稱為 等溫反凝析現象 與此類似 隨壓力的減小 氣體反而液化的現象稱作 等溫反蒸發(fā)現象 等壓加熱過程中 已蒸發(fā)的蒸汽又全部凝析的反?，F象稱為 等壓反凝析現象 與此類似 隨溫度的降低 液體反而蒸發(fā)的析的反常現象稱為 等壓反蒸發(fā)現象 將上述四種反?，F象統(tǒng)稱作 反凝析現象 即多組分體系在等溫降壓或等壓升溫過程會中出現蒸汽液化現象 12 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 二 輕烴回收的目的從天然氣中回收液烴的目的是 生產管輸氣 滿足商品氣的質量要求 最大程度地回收天然氣液 1 生產管輸氣對于在海上或內陸邊遠地區(qū)生產的天然氣來講 為了滿足管輸氣質量耍求 有時需就地初步處理 然后再經過管道輸送至天然氣加工廠進一步加工 如果天然氣在管輸中有液烴析出 將會帶來下述問題 13 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 當壓降相同時 兩相流動所需的管線直徑比單相流動要大 當兩相流體到達目的地時 必須設置段塞捕集器以保護下游的設備 為了預防管輸中有液烴析出 可考慮采用下述幾種方法 適度地回收天然氣液 使天然氣的烴露點滿足管輸要求 以保證天然氣在管道中輸送時為單相流動 此法也叫做露點控制 采用兩相流動輸送天然氣 14 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 密相輸送 將天然氣壓縮至臨界冷凝壓力以上冷卻后再用管道輸送 從而防止在管輸中形成兩相流動 即所謂密相輸送 此法所需管道直徑較小 但管壁較厚 而且壓縮能耗很高 在上述三種方法中 應對其進行綜合比較后從中選擇最為經濟合理的一種方法 2 滿足商品氣的質量要求為了滿足商品氣的質量要求 需對從井口采出或從礦場分離器分出的天然氣進行下述處理與加工 15 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 脫水以滿足商品氣對水露點的要求 如天然氣需經壓縮才能達到管輸壓力時 通常是先經壓縮機的后冷卻器與分離器脫除游離水 再用甘醇脫水法等脫除其余的水分 這樣 可以降低甘醇脫水的負荷與成本 如天然氣中的酸性組分 H2S及CO2 含量較多時 則需脫除這些酸性組分 當商品氣質量要求中有烴露點這項指標時 還需進行輕烴回收 天然氣液回收 當天然氣中可以冷凝回收的烴類很少 只需適度回收天然氣液進行露點控制即可 16 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 如果天然氣中氮氣等不可燃組分含量較多 則應保留一定量的較重烴類以滿足商品氣的熱值要求 3 最大程度地回收天然氣液在下述幾種情況下需要最大程度地回收天然氣液 在從伴生氣中回收液烴的同時 需要盡可能地增加原油產量 換句話說 將伴生氣中回收到的液烴送回原油中時價值更高 加工凝析氣的目的是回收液烴 而回收液烴后的殘余氣則需回注到儲層中以保持儲層壓力 具有良好的經濟效益 17 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 從輕烴回收過程中得到的液烴產品比其作為商品氣中的組分時價值更高 目前 輕烴的市場價值遠高于同體積的天然氣的價格 從天然氣中提取1kg天然氣液烴 其天然氣的體積減少不到1m3 由此可知 由于回收凝液的目的不同 對凝液的組成及收率要求也有不同 根據是否回收乙烷而將輕烴收裝置分為兩類 一類以回收乙烷及更重烴類 C2 為目的 一類以回收丙烷及更重烴類 C3 為目的 18 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 三 輕烴回收方法輕烴回收的工藝方法包括吸附法 油吸收法和低溫分離法 1 吸附法原理 利用具有多孔結構的固體吸附劑對烴類組分吸附能力強弱的差異而實現氣體中重組分與輕組分的分離 該法一般用于重烴含量較少的天然氣與伴生氣的加工 處理規(guī)模較小 其原理和流程與分子篩雙塔脫水差不多 19 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 在北美 有時用這種方法從濕氣中回收較重的烴類 且多用于處理量較小 57 l04m3 d 及較重烴類含量較少的天然氣 也可用來同時從天然氣中脫水及回收重烴 使天然氣的水露點及烴露點都符合管輸的要求 優(yōu)點 裝置比較簡單 不需特殊材料和設備 投資較少 缺點 需要幾個吸附塔切換操作 產品的局限性大 能耗較大 成本較高 燃料氣消耗高 吸附劑的吸附容量一般較小 該法在世界范圍內未得到廣泛應用 20 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 目前 國外開發(fā)了短同期吸附法 使用硅膠吸附劑 吸附周期為20 30min 可回收天然氣中60 70 的C5 組分 2 油吸收法原理 天然氣中各組分在吸收油中的溶解度的差異而使輕重關鍵組分得以分離的方法 該法在20世紀50 60年代前得到了廣泛應用 至今仍有裝置在運行 特別是對于石油煉制工業(yè)中的石油裂解氣的分離具有優(yōu)勢 圖為油吸收法原理流程 21 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 22 2020 3 26 23 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 吸收油一般采用石腦油 煤油或柴油 其相對分子質量為100 200 吸收油相對分子質量越小 天然氣液收率越高 但吸收油蒸發(fā)損失越大 因此 當要求乙烷收率較高時 一般才采用相對分子質量較小的吸收油 按照吸收溫度不同 油吸收法又可分為常溫 中溫和低溫油吸收法 冷凍油吸收技 三種 常溫油吸收 溫度一般為30 左右 以回收C3 為主要目的 中溫油吸收 溫度一般為 20 以上 C3收率為40 左右 低溫油吸收 溫度在 40 左右 C3收率一般為80 90 C2收率一般為35 50 24 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 油吸收法主要設備 吸收塔 富油穩(wěn)定塔和富油蒸餾塔 如為低溫油吸收法 還需增加制冷系統(tǒng) 油吸收法是上世紀五六十年代廣為使用的一種天然氣輕烴回收方法 尤其是在上世紀60年代初期以前低溫油吸收法一直占主導地位 優(yōu)點 系統(tǒng)壓降小 允許采用碳鋼 對原料氣預處理沒有嚴格要求 單套裝置處理量較大 缺點 油吸收法投資和操作費用較高 25 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 3 低溫分離法 原理 利用在一定壓力下天然氣中各組分的揮發(fā)度不同 將天然氣冷卻至露點溫度以下 得到部分富含較重烴類的天然氣液烴 使其與氣體分離的過程 分離出的天然氣液烴又往往利用精餾的方法進一步分離成所需要的液烴產品 通常 這種冷凝分離過程又是在幾個不同溫度等級下完成的 特點 需要向氣體提供足夠的冷量使其降溫 按照提供冷量的制冷系統(tǒng)不同 低溫分離法可分為 冷劑制冷法 直接膨脹制冷法聯合制冷法 26 2020 3 26 27 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 1 冷劑制冷法冷劑制冷法也稱為外加冷源法 外冷法 它是由獨立設置的冷劑制冷系統(tǒng)向原料氣提供冷量 其制冷能力與原料氣無直接關系 根據原料氣的壓力 組成及天然氣液烴的回收深度 冷劑可以分別是氨 丙烷及乙烷 也可以是乙烷 丙烷等烴類混合物 而后者又稱為混合冷劑 制冷循環(huán)可以是單級或多級串聯 也可以是階式制冷 覆疊式制冷 循環(huán) 28 2020 3 26 29 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 采用丙烷作冷劑的低溫分離法NGL回收原理流程 30 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 2 直接膨脹制冷法直接膨脹制冷法也稱膨脹制冷法或自制冷法 自冷法 此法不另外設經獨立的制冷系統(tǒng) 原料氣降溫所需的冷量由氣體直接經過串接在該系統(tǒng)中的各種類型膨脹制冷設備來提供 因此 制冷能力直接取決于氣體的壓力 組成 膨脹比及膨脹制冷設備的熱力學效率等 常用的膨脹制冷設備有節(jié)流閥 也稱焦爾一湯姆遜閥 透平膨脹機及熱分離機等 節(jié)流閥制冷 采用節(jié)流閥制冷的低溫分離法的工藝流程示意圖見圖所示 31 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 節(jié)流閥膨脹制冷的低溫分離工藝流程示意圖 1 分游離水分離器2 低溫分離器3 蒸汽發(fā)生器4 乙二醇再生器5 醇油分離器 32 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 在下述情況下可考慮采用節(jié)流閥制冷 A 壓力很高的氣藏氣 10MPa或更高 特別是其壓力會隨開采過程逐漸遞減時 采用節(jié)流閥制冷 節(jié)流后的壓力應滿足外輸氣要求 不再另設增壓壓縮機 如氣源壓力不夠高或已遞減到不足以獲得所要求低溫時 可采用冷劑頂冷 B 氣源壓力較高 或適宜的冷凝分離壓力高于干氣外輸壓力 僅靠節(jié)流閥制冷也能獲得所需的低溫 或氣量較小不適合用膨脹機制冷時 可采用節(jié)流閥制冷 如氣體中重烴較多 靠節(jié)流閥制冷不能滿足冷量要求時 可采用冷劑預冷 33 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 C 原料氣與外輸氣有壓差可供利用 但因原料氣較貧故回收凝液的價值不大時 或采用節(jié)流閥制冷 僅控制其水露點及烴露點以滿足管輸要求 若節(jié)流后的溫度不夠低 可采用冷劑預冷 熱分離機制冷熱分離機是上世紀70年代由法國ELF Bertin公司研制的一種簡易有效的氣體膨脹制冷設備 由噴嘴及接受管組成 按結構可分為靜止式和轉動式兩種 自上世紀80年代未期以來 熱分離機已在我國一些天然氣輕烴回收裝置中得到應用 在下述情況下可考慮采用熱分離機制冷 34 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 A 原料氣量不大且其壓力高于外輸氣壓力 有壓差可供利用 但靠節(jié)流閥制冷達不到所需要的溫度時 可采用熱分離機制冷 熱分離機的氣體出口壓力應能滿足外輸要求 不應再設增壓壓縮機 熱分離機的最佳膨脹比約為5 且不宜超過7 如果氣體中重烴較多 可采用冷劑預冷 B 適用于氣量較小或氣量不穩(wěn)定的場合 而簡單可靠的靜止式熱分離機特別適用于單井或邊遠井氣藏氣的天然氣液回收 膨脹機制冷 35 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 當節(jié)流閥或熱分離機制冷不能達到所要求的凝液收率時 可考慮采用膨脹機制冷 其適用情況如下 原料氣量及壓力比較穩(wěn)定 原料氣壓力高于外輸氣壓力 有足夠的壓差對供利用 氣體較貧及凝液收率要求較高 天然氣采用膨張機制冷回收液烴時的原理流程見圖所示 36 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 采用膨脹機制冷法的NGL回收原理流程 37 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 3 聯合制冷法聯合制冷法又稱為冷劑與直接膨脹聯合制冷法 此法是冷劑制冷法與直接膨脹制冷法二者的聯合 即冷量來自兩部分 一部分由膨脹制冷法提供 一部分則由冷劑制冷法提供 當原料氣組成較富 為了允分 經濟地回收天然氣液 應采用有冷劑預冷的聯合制冷法 我國的伴生氣大多具有組成較富 自上世80年代以來新建或改建的輕烴回收裝置普遍采用膨張制冷法及有冷劑預冷的聯合制冷法 而其中的膨脹制冷設備又以透平膨脹機為主 38 2020 3 26 39 2020 3 26 40 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 需要指出的是 由于天然氣的壓力 組成及要求的液烴收率不同 因此 天然氣輕烴回收中的冷凝分離溫度也有不同 根據天然氣在冷凝分離系統(tǒng)中的最低冷凍溫度 通常又將冷凝分離法分為淺冷分離與深冷分離兩種 淺冷分離的冷凍溫度一般在 20 35 深冷分離的冷凍溫度一般均低于 45 最低達 100 以下 各種NGL回收方法的烴液回收率的對比如表所示 41 2020 3 26 1輕烴回收的目的和方法 42 2020 3 26 2制冷方法 由上可知 采用冷凝分離法回收天然氣液的特點之一是需要向原料氣提供足夠的冷量 使其降溫至露點以下 即進人兩相區(qū) 部分冷凝 而向原料氣提供冷量的任務則是通過制冷系統(tǒng)來實現的 因此 冷凝分離法通常又是按照制冷方法不同來分類的 制冷 致冷 是指利用人工方法制造低溫 低于環(huán)境溫度 的技術 制冷方法主要有三種 43 2020 3 26 2制冷方法 利用物質相變 如融化 蒸發(fā) 升華 的吸熱效應實現制冷 利用氣體膨脹的冷效應實現制冷 利用半導體的熱電放應實現制冷 在天然氣液回收過程中廣泛應用液體蒸發(fā)和氣體膨脹來實現制冷 利用液體蒸發(fā)實現制冷稱做蒸氣制冷 蒸氣制冷又可分為蒸氣壓縮式 機械壓縮式 蒸氣噴射式和吸收式三種類型 目前多采用蒸氣壓縮式 44 2020 3 26 2制冷方法 氣體膨脹制冷目前廣泛采用透平膨脹機制冷 也有采用節(jié)流閥制冷和熱分離機制冷的 一 蒸氣壓縮制冷蒸氣壓縮制冷也稱做機械壓縮制冷或簡稱壓縮制冷 是天然氣液回收過程中最常采用的制冷方法之一 1 壓縮制冷循環(huán)熱力學分析為了制冷 可以選擇一種沸點低于環(huán)境溫度的液體使其蒸發(fā) 即汽化 例如 選用液態(tài)丙烷在蒸發(fā)器內于常壓下汽化 則可獲得大約 40 的低溫 45 2020 3 26 2制冷方法 46 2020 3 26 2制冷方法 在蒸發(fā)器中液態(tài)丙烷被待冷卻的工藝流體 如天然氣 加熱汽化 而工藝流體則被冷凍降溫 然后 將汽化的丙烷壓縮到一定壓力 經冷卻便其冷凝 冷凝后的丙烷再膨脹到常壓下汽化 由此構成由壓縮 冷凝 膨脹 蒸發(fā)組成的單級膨脹的壓縮制冷循環(huán) 如果循環(huán)中的各個過程都是無損失的理想過程 則此單級制冷循環(huán)正好與理想熱機的卡諾循環(huán)相反 稱為逆卡諾循環(huán)或理想制冷循環(huán) 制冷系數根據熱力學第二定律 在制冷循環(huán)中的壓縮功肯 47 2020 3 26 2制冷方法 肯定大于膨脹過程回收的功 而制冷循環(huán)的效率則用制冷系數來衡量 通常用制循環(huán)獲得的制冷量Q2與輸入凈功 壓縮功與膨脹功之差 W的比值表示制冷循環(huán)的制冷系數 48 2020 3 26 2制冷方法 由此可知 在相同Tl下 理想制冷循環(huán)的制冷系數隨制冷溫度 T2 的降低而減少 或者說 相同凈功獲得的制冷量 將隨制冷溫度的降低而減少 49 2020 3 26 2制冷方法 實際單級壓縮制冷循環(huán)與逆卡諾循環(huán)相比帶節(jié)流膨脹的實際單級壓縮制冷循環(huán)與逆卡諾循環(huán)相比 主要差異如下 A 壓縮過程 逆卡諾循環(huán)是等熵壓縮過程 壓縮機進口為濕氣 出口為飽和蒸氣 實際壓縮過程為多變過程 有一定的熵增和不可逆損失 壓縮機進氣一般為飽和蒸氣 甚至有一定過熱度 出口蒸氣則有相當過熱度 顯然 實際壓縮過程的能耗高于理想過程 B 冷凝過程 逆卡諾循環(huán)的冷凝過程是無溫差 無壓差的理想傳熱過程 實際冷凝過程存在一定溫差和壓力降 相應存在一定的不可逆損失 50 2020 3 26 2制冷方法 C 膨脹過程 逆卡諾循環(huán)是濕蒸氣在膨脹機中做外功的等墑膨脹過程 而實際膨脹過程多采用節(jié)流閥進行等焓膨脹 膨脹過程中不對外做功 相應產生一定的能量損失 D 蒸發(fā)過程 逆卡諾循環(huán)的蒸發(fā)過程是無溫差 無壓差的理想傳熱過程 而實際蒸發(fā)過程則存在一定的溫差和壓力降 相應存在一定的不可逆損失 實際單級壓縮制冷循環(huán)的制冷系數帶節(jié)流膨脹的實際單級壓縮制冷循環(huán)的制冷系數為蒸發(fā)器實際制冷量與壓縮機實際壓縮功之比 即 51 2020 3 26 2制冷方法 由于各種損失的存在 帶節(jié)流膨脹的實際單級壓縮制冷循環(huán)的制冷系數總是低于逆卡諾循環(huán)的制冷系數 52 2020 3 26 2制冷方法 由上可知 工業(yè)上采用的壓縮制冷系統(tǒng)是用機械對冷劑蒸氣進行壓縮的一種實際制冷循環(huán)系統(tǒng) 由制冷壓縮機 冷凝器 節(jié)流閥 或稱膨脹閥 蒸發(fā)器 或稱冷凍器 等設備組成 壓縮制冷系統(tǒng)按冷劑不同可分為丙烷制冷系統(tǒng) 氟里昂制冷系統(tǒng) 氨制冷系統(tǒng)和其它冷劑 如混合冷劑 制冷系統(tǒng) 按壓縮級數又有單級和多級 通常為雙級 之分 此外 還有分別使用不同冷劑的兩個以上單級或多級壓縮制冷系統(tǒng)覆疊而成的階式制冷系統(tǒng) 覆疊制冷系統(tǒng) 53 2020 3 26 2制冷方法 在壓縮制冷系統(tǒng)中 壓縮機將蒸發(fā)器來的低壓冷劑飽和蒸氣壓縮為高壓 高溫的過熱蒸氣后進入冷凝器 用水或空氣作為冷卻介質使其冷凝為高壓飽和液體 再經節(jié)流閥節(jié)流變?yōu)榈蛪阂后w 同時也有部分液體蒸發(fā) 使其蒸發(fā)溫度相應下降 然后進入蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱 從而使工藝流體冷凍降溫 吸熱后的低壓冷劑飽和蒸氣重返壓縮機入口 進行下一個循環(huán) 因此 壓縮制冷系統(tǒng)包括壓縮 冷凝 節(jié)流及蒸發(fā)四個過程 冷劑在系統(tǒng)中經過這四個過程完成一個制冷循環(huán) 并將熱量從低溫傳到高溫 從而達到制冷的目的 54 2020 3 26 2制冷方法 2 簡單壓縮制冷系統(tǒng) 55 2020 3 26 2制冷方法 冷劑在3 點為高壓飽和液體 其壓力或溫度取決于冷劑蒸氣冷凝時所采用的冷卻介質是水 空氣還是其它物質 冷劑由3 點經節(jié)流閥等焓膨脹至4 點時將有部分液體蒸發(fā) 在壓焓圖上是一條垂直宜于橫坐標的3 4 線 4 點位于氣 液兩相區(qū) 其溫度低于3 點 此冷劑蒸氣和液體混合物進入蒸發(fā)器后 剩余的液體在等壓下蒸發(fā)吸熱 從而使待冷卻的工藝流體冷凍降溫 通常 冷劑在蒸發(fā)器內的蒸發(fā)溫度比待冷卻工藝流體所要求的最低溫度低3 6 56 2020 3 26 2制冷方法 1 冷劑循環(huán)量Q2 為由待冷卻工藝流體決定的蒸發(fā)器熱負荷 由熱平衡可知 Q2 m h3 m h1 有 m Q2 h1 h3 2 壓縮機的功率首先計算壓縮機的理論壓縮功率WS WS m h2 h1 再計算壓縮機的實際功率Wact Wact WS S 57 2020 3 26 2制冷方法 壓縮機的等墑效率 S應由制造廠提供 當無確切數據時 對于離心式壓縮機此效率可取0 75 對于往復式壓縮機此效率可取0 85 h2為壓縮機理論壓縮時冷劑在壓縮機出口處的焓 3 冷凝器的負荷Q1 為冷劑蒸氣在冷凝器中冷凝時放出的熱量或冷凝器的熱負荷 由冷凝器的熱平衡知 Q1 m h3 h2 h2 為壓縮機實際壓縮時冷劑在壓縮機出口處的焓 h2 h2 h1 S 58 2020 3 26 2制冷方法 上述各項計算均需要確定冷劑在3 1 2 點的比焓 冷劑在各點的比焓目前多用有關軟件由計算機完成 也可查取熱力學圖表 3 帶節(jié)能器的壓縮制冷系統(tǒng)下圖為由同樣類型設備組成的更為復雜的壓縮制冷系統(tǒng) 該系統(tǒng)由兩級節(jié)流 兩級壓縮制冷循環(huán)構成 系統(tǒng)增加了一個節(jié)流閥和一個在冷凝壓力和蒸發(fā)壓力之間的中間壓力下對冷劑進行部分閃蒸的分離器 59 2020 3 26 2制冷方法 60 2020 3 26 2制冷方法 61 2020 3 26 2制冷方法 由圖可知 冷劑先由4點等焓膨脹至某中間壓力5點 5點壓力的確定原則應該是使制冷壓縮機每一級的壓縮比相同 5點處于氣液兩相區(qū) 其溫度低于4點 膨脹產生的飽和蒸氣由分離器分出后去第二級壓縮 而離開分離器的飽和液體則進一步等焓膨脹至7點 可以看出 此系統(tǒng)中由7點至0點 飽和蒸氣 的可利用焓差 h比簡單壓縮制冷系統(tǒng)要大 在這個系統(tǒng)中 單位質量冷劑在蒸發(fā)器中所吸收的熱量 即單位制冷量 所需的能耗較少 62 2020 3 26 2制冷方法 其原因是循環(huán)的冷劑中有一部分氣態(tài)冷劑未經過一級壓縮 故進入蒸發(fā)器的冷劑中含蒸氣較少 這些流經蒸發(fā)器的冷劑蒸氣基本上不起制冷作用 卻會增加壓縮能耗 1 冷劑循環(huán)量假定流經冷凝器的冷劑循環(huán)量為m 節(jié)流至5點壓力下由分離器分出的冷劑蒸氣量為m1 離開分離器的冷劑液體量m2 由熱平衡可知m h4 m1 h1 m2 h6由于m m1 m2 故可取m 1 0 并定義x為離開分離器的液體冷劑相對量 于是 63 2020 3 26 2制冷方法 h4 1 x h1 x h6通過壓焓圖求得各點焓以后 即可解出x 然后根據熱平衡求出m2 m2 Q2 h0 h6 x和m2已知后 即可求出m和m1 2 確定壓縮機功率在計算壓縮機功率時 可先由m2求出第一級壓縮的功率 再由m求出二級壓縮的功率 兩者相加即為壓縮機的總功率 不同級的蒸氣在匯合后進入第二級壓縮前的溫度變化可忽略 64 2020 3 26 2制冷方法 3 確定冷凝器熱負荷冷凝器熱負荷的計算方法與簡單壓縮制冷系統(tǒng)相同 4 分級制冷 分級蒸發(fā) 的壓縮制冷系統(tǒng)當工藝流體需要在幾個溫度等級下冷凍降溫 或者說需要提供幾個溫度等級的制冷量時 可采用分級制冷 分級蒸發(fā) 的壓縮制冷系統(tǒng) 下圖所示的制冷系統(tǒng)由兩級節(jié)流 兩級壓縮及兩級制冷 蒸發(fā) 的制冷循環(huán)構成 65 2020 3 26 2制冷方法 1 吸入罐2 閃蒸分離器3 冷凝器4 冷劑凝液罐5 一級蒸發(fā)器6 二級蒸發(fā)器7 8 9 節(jié)流閥10 11 壓縮機一 二級 66 2020 3 26 2制冷方法 1 優(yōu)點 能耗低這種制冷系統(tǒng)與帶有節(jié)能器的制冷循環(huán)相似 也是只有一部分冷劑去低壓蒸發(fā)器循環(huán) 故可降低能耗 2 缺點 總傳熱面積較大這種制冷系統(tǒng)需要兩臺蒸發(fā)器 高壓與低壓 而且由于平均溫差較小 其總傳熱面積較簡單制冷系統(tǒng)要大 3 應用 在乙烯裝置中廣泛應用 此分級制冷的壓縮制系統(tǒng)也可與透平膨脹機制冷一起用于天然氣液回收裝置中 如下圖 67 2020 3 26 2制冷方法 68 2020 3 26 2制冷方法 5 階式 覆疊式 制冷系統(tǒng)采用丙烷 氨等冷劑的壓縮制冷系統(tǒng) 其制冷溫度最低僅約為 30 40 如果要求更低的制冷溫度 例如 低于 60 80 必須選擇像乙烷 乙烯這樣的冷劑 其常壓下蒸發(fā)溫度分別為 88 6與 103 7 但是 由于乙烷 乙烯的臨界溫度較低 乙烷為32 2 乙烯為9 1 在壓縮制冷循環(huán)中其蒸氣不可能在環(huán)境溫度 空氣或溫度為35 40 的冷卻水 下冷凝 為此 乙烷或乙烯蒸氣需要采用丙烷 丙烯或氨制冷循環(huán)蒸發(fā)器中的冷劑提供冷量使其冷凝 69 2020 3 26 2制冷方法 這樣 就形成了由幾個單獨而又互相聯系的不同溫度等級冷劑壓縮制冷循環(huán)組成的階式 覆疊式 制冷系統(tǒng) 在階式制冷系統(tǒng)中 用較高溫度等級制冷循環(huán)蒸發(fā)器中的冷劑來冷凝較低溫度等級制冷循環(huán)冷凝器中的冷劑 這種制冷系統(tǒng)可滿足 70 140 制冷溫度 即蒸發(fā)溫度 的要求 階式制冷系統(tǒng)常用丙烷 乙烯 或乙烷 及甲烷作為三個溫度等級的冷劑 下圖為階式制冷系統(tǒng)的工藝流程示意圖 70 2020 3 26 2制冷方法 71 2020 3 26 2制冷方法 1 優(yōu)點 制冷溫度低 2 缺點 流程及操作復雜 投資較大目前 在乙烯裝置中由于制冷溫度等級多 冷劑又是乙烯裝置的產品 故仍廣泛采用 6 混合冷劑制冷系統(tǒng)混合冷劑是指由甲烷至戊烷等烴類混合物組成的冷劑 因此 在一定蒸發(fā)壓力下其蒸發(fā)過程是在一個很寬的溫度范圍而不是在一個恒定的溫度下完成的 下圖為采用混合冷劑制冷系統(tǒng)的天然氣液回收工藝流程示意圖 72 2020 3 26 2制冷方法 73 2020 3 26 2制冷方法 1 優(yōu)點 可以獲得所要求的不同制冷溫度等級 降低換熱系統(tǒng)的傳熱溫差 提高制冷系統(tǒng)的Yong效率 具有階式制冷系統(tǒng)的優(yōu)點 由于只有一臺或幾臺同樣類型的壓縮饑 又使工藝流得大大簡化 投資也可減少 2 缺點 混合冷劑制冷系統(tǒng)的能耗高 加之操作比較復雜 74 2020 3 26 2制冷方法 7 冷劑的選擇 1 冷劑的分類在制冷循環(huán)中工作的制冷工質稱為制冷劑 簡稱冷劑 鹵化碳冷劑 它們是甲烷 乙烷 丙烷的衍生物 在這些衍生物中 由F Cl Br原子取代了原來化合物中全部或部分H原子 其中含F的一類化合物總稱為氟里昂 烴類冷劑 烴類冷劑主要有CH4 C2H6 C3H8 C2H4和C3H6等 也有由兩種或兩種以上烴類組成的混合冷劑 75 2020 3 26 2制冷方法 無機化合物冷劑 屬于此類的冷劑有NH3 CO2 CS2和空氣等 共沸溶液冷劑 這是由兩種或兩種以上的冷劑按一定比例相互溶解而成的冷劑 2 冷劑的選擇 淺冷 如果工藝流體所需冷凍溫度高于 25 35 時 一般選用C3H8 NH3等作冷劑 深冷 選用乙烷 乙烯 甲烷或混合烴類作為冷劑 通常 任何一種冷劑的實際使用溫度下限是其常壓沸點 即正常沸點 76 2020 3 26 2制冷方法 3 冷劑的純度用作冷劑的丙烷中往往含有少量的乙烷與異丁烷 由于這些雜質尤其是乙烷對壓縮機的功率有一定的影響 故應對丙烷中的乙烷含量加以限制 77 2020 3 26 2制冷方法 二 透平膨脹機制冷透平膨脹機是一種輸出功率并使壓縮氣體膨脹因而壓力降低和能量減少的原動機 通常 人們又把其中輸出功率且壓縮氣體為水蒸氣或燃氣的這一類透平膨脹機稱為蒸汽輪機或燃氣輪機 把輸出功率且壓縮氣體為空氣 天然氣等 利用氣體能量減少獲得低溫實現制冷目的的這一類稱為透平膨脹機 渦輪膨脹機 本書所指的透平膨脹機即指后者 78 2020 3 26 2制冷方法 優(yōu)點流量大 體積小 冷損少 結構簡單 通流部分無機械摩擦件 不污染制冷工質 即壓縮氣體 不需潤滑 調節(jié)性能好 安全可靠 應用自上世紀60年代以來已在天然氣液回收及天然氣液化等加工裝置上廣泛用做制冷機械 1 透平膨脹機簡介 1 透平膨脹機結構下圖為目前廣泛使用的透平膨脹機局部剖視圖 79 2020 3 26 2制冷方法 1 蝸殼 2 噴嘴 3 工作輪 4 擴壓器 5 主軸 6 風機輪 7 風機蝸殼 8 風機端蓋 9 測速器 10 軸承輪 11 機體 12 中間體 13 密封設備 80 2020 3 26 2制冷方法 2 透平膨脹機制冷原理向心反作用式透平膨脹機的工作過程基本上是離心壓縮機的反過程 從能量轉換的觀點來看 透平膨脹機是作為一種原動機來驅動它的制動器高速旋轉 由于膨脹機工作輪中的氣體對工作輪做功 使工作輪出口氣體的壓力和焓值降低 即產生焓降 把氣體的能量轉換為機械功輸出并傳遞給制動器接收 以轉換為其它形式能量的一種高速旋轉機械 具有 定可利用壓力能的壓縮氣體 在噴嘴環(huán)的 81 2020 3 26 2制冷方法 噴嘴中膨脹 壓力降低 速度增加 將一部分壓力能和焓降轉換為動能 在噴嘴環(huán)山口處的高速氣流推動工作輪高速旋轉 向時在工作輪流道中繼續(xù)膨脹 壓力和焓值繼續(xù)降低 由于氣體在工作輪進出口處的速度方向和大小發(fā)少變化 即動量矩發(fā)生變化 工作輪中的氣體便對工作輪做功 從而把氣體的能量轉換為機械功輸出并傳遞給制動器接收 因而降低了膨脹機出口氣體的壓力和溫度 3 透平膨脹機及共制動器的分類 82 2020 3 26 2制冷方法 按氣體在工作輪中的流向分透平膨脹機可分為向心徑流式 徑流式 向心徑 軸流式 徑 軸流式 和軸流式三類 見圖所示 83 2020 3 26 2制冷方法 按氣體在工作輪中是否繼續(xù)膨脹分透平膨脹機可分為反作用式 反擊式 和沖動式 沖擊式 兩類 見圖所示 84 2020 3 26 2制冷方法 天然氣加工裝置中采用的透平膨脹機多為向心徑 軸流反作用式 2 透平膨脹機的等熵效率壓縮氣體流過膨脹機進行膨脹時 如果與外部沒有熱交換 即絕熱過程 同時對外做功的過程又是可逆的 則必然是等熵過程 這種理想過程的特點是氣體膨脹并對外做功 且其熵值不變 膨脹后的氣體溫度降低 同時產生冷量 氣體等熵膨脹時 壓力的微小改變所引起的溫度變化稱為微分等熵效應 以 S表示 即 85 2020 3 26 2制冷方法 由以上可知 S 0 因此 氣體等熵膨脹時溫度總是降低 產生焓降 從而實現制冷的目的 這是因為在膨脹過程中向外功輸出 膨脹后氣體的內位能增大 這些能量需要用內動能來補償 故氣體溫度必然降低 86 2020 3 26 2制冷方法 通常 把氣體在膨脹機中轉換為外功的焓降稱為膨脹機的制冷量 對于天然氣加工裝置用的透平膨脹機來說 主要目的是要獲得盡可能多的制冷量 由于有各種內部損失存在 實際膨脹過程是熵增大的不可逆過程 多變過程 因而使得透平膨脹機的實際制冷量比等熵膨脹時的理論制冷量更少 透平衡膨脹機的實際焓降與等熵膨脹的理論焓降之比稱為透平膨脹機的等熵效率 絕熱效率 87 2020 3 26 2制冷方法 實際制冷量 由上式可知 對于進 出口條件和氣體質量流速一定的透平膨脹機來說 等熵效率 所獲得的實際制冷量 因此 等熵效率是衡量透平膨脹機熱力學性能好壞的一個重要參數 等熵效率一般應由制造廠家提供 向心徑 軸流反作用式透平膨脹機 其等熵效率一般為70 85 88 2020 3 26 2制冷方法 實際上 影響透平膨脹機實際制冷量的因素除了內部損失外 還存在著外泄漏和外漏冷等外部損失的影響 當透平膨脹機密封結構良好并有密封氣體的情況下 外泄漏量并不大 外漏冷在機殼隔熱良好時也可忽略不計 外部損失除上述兩部分外 還有機械損失 它不影響膨脹機的實際制冷量 但卻影響透平膨脹機輸出的有效軸功率或制動功率 考慮機械損失后 透平膨脹機的有效軸功率We為 89 2020 3 26 2制冷方法 式中 m為透平膨脹機的機械效率 c為透平膨脹機的有效效率 We為透平膨脹機的有效軸功率 有效軸功率是選擇制冷用透平膨脹機制動器容量大小的主要依據之一 90 2020 3 26 2制冷方法 三 節(jié)流閥膨脹制冷當氣體有可供利用的壓力能 而且不需很低的冷凍溫度時 采用節(jié)流閥 也稱焦一湯姆遜閥 膨脹制冷是一種比較簡單的制冷方法 當進入節(jié)流閥的氣流溫度很低時節(jié)流效應尤為顯著 1 節(jié)流膨脹制冷原理 1 節(jié)流過程的主要特征 在管道內連續(xù)流動的壓縮流體通過孔門或閥門時 由于局部阻力使流體壓力顯著下降 這種現象稱之為節(jié)流 91 2020 3 26 2制冷方法 工程上的實際節(jié)流過程 由于流體經過孔口 閥門時流速快 時間短 來不及與外界進行熱交換 可近似看作是絕熱節(jié)流 右圖為節(jié)流過程的示意圖 由絕熱穩(wěn)定流動能量平衡方程得 在通常情況下 動能與位能變化不大 且其值與比焓相比又極小 可忽略不計 因而可得 h1 h2 92 2020 3 26 2制冷方法 2 節(jié)流效應由于理想氣體的焓值只是溫度的函數 故理想氣體節(jié)流前后溫度不變 對于實際氣體 其比焓是溫度和壓力的函數 故實際氣體節(jié)流前后的溫度一般將發(fā)生變化 這一現象稱之為節(jié)流效應或焦耳一湯姆遜效應 流體在節(jié)流過程中由于微小壓力變化所引起的溫度變化稱之為微分節(jié)流效應 以微分節(jié)流效應系數 h表示 即 93 2020 3 26 2制冷方法 當壓力降為一有限值時 流體在節(jié)流過程中所產生的溫度變化稱為積分節(jié)流效應 即 對于等焓過程 有 對于理想氣體 94 2020 3 26 2制冷方法 即理想氣體在節(jié)流過程中溫度不變 對于實際氣體 所謂節(jié)流膨脹制冷 就是利用壓縮流體流經節(jié)流閥進行等焓膨脹并產生節(jié)流冷效應 使氣體溫度降低的一種方法 95 2020 3 26 3天然氣凝液回收工藝 前已述及 天然氣液回收過程目前普遍采用冷凝分離法 故本節(jié)只介紹采用冷凝分離法的天然氣液回收工藝方法 一 工藝方法及設備通常 天然氣液回收工藝流程主要由原料氣頂處理 壓縮 冷凝分離 凝液分餾 干氣再壓縮以及制冷等部分組成 1 原料氣預處理原料氣預處理的目的 脫除原料氣中攜帶的油 游離水和泥砂等雜質 以及脫除原料氣中的水蒸氣和酸性組分等 96 2020 3 26 3天然氣凝液回收工藝 當采用淺冷分離工藝時 只要原料氣中二氧化碳含量不影響商品天然氣的質量要求 就可不必脫除原料氣中的二氧化碳 當采用深冷分離工藝時 由于二氧化碳會在低溫下形成固體 堵塞管線或設備 故應將其含量脫除到允許范圍之內 2 原料氣壓縮 1 原料氣壓縮目的 滿足工藝要求對于高壓原料氣 進入裝置后即可直接進行預處理和冷凝分離 97 2020 3 26 3天然氣凝液回收工藝 當原料氣為低壓伴生氣時 由于壓力通常僅為0 1 0 3MPa 為了提高天然氣的冷凝率 即天然氣液的數量與原料氣總量之比 一般以摩爾百分數表示 以及干氣要求在較高的壓力下外輸時 通常都要將原料氣增壓至適宜的冷凝分離壓力后再進行冷凝分離 當采用膨脹機制冷時 為了達到所要求的冷凍溫度 膨脹機進 出口壓力必須有一定的膨脹比 因而也應保證膨脹機入口氣流的壓力 2 壓縮機出口壓力的確定原料氣增壓后的壓力 應根據原料氣的組成 要 98 2020 3 26 3天然氣凝液回收工藝 求的液烴收率 回收的凝液中某烴類或某產品的數量和原料氣中該烴類或該產品組分數量之比 一般以摩爾百分數表示 結合適宜的冷