天然氣凝液回收技術(shù)（三）

第三節(jié)制冷技術(shù)冷劑制冷循環(huán)節(jié)流膨脹制冷膨脹機(jī)制冷一、冷劑制冷循環(huán)冷劑制冷循環(huán)是利用物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)化為蒸汽的吸熱效應(yīng)制冷，稱之為汽化制冷，相變介質(zhì)稱為制冷劑。為了實(shí)現(xiàn)汽化制冷，普遍采用的制冷系統(tǒng)有蒸汽壓縮式、吸收式和蒸汽噴射式三類。以蒸汽壓縮制冷循環(huán)應(yīng)用最廣泛。1.蒸汽壓縮制冷原理蒸汽壓縮制冷原理如圖3-1所示，圖中的高溫、高壓、低溫、低壓都是相對(duì)而言的。該制冷系統(tǒng)的主要設(shè)備：壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹機(jī)或節(jié)流閥、蒸發(fā)器。設(shè)備之間用管道連接起來(lái)，形成一個(gè)完整地密閉系統(tǒng)。圖3-1蒸汽壓縮制冷原理示意圖蒸汽壓縮制冷過(guò)程蒸汽壓縮制冷循環(huán)有四個(gè)工藝過(guò)程：壓縮過(guò)程；冷凝過(guò)程；膨脹過(guò)程；蒸發(fā)過(guò)程。2.常用制冷劑制冷劑，又稱制冷工質(zhì)，是在制冷系統(tǒng)中循環(huán)且不斷產(chǎn)生相態(tài)變化而傳遞熱量的物質(zhì)。制冷劑應(yīng)具備的特性有：容易冷凝，冷凝壓力不高；氣化溫度低，單位制冷量大，比容小；無(wú)毒、不燃燒、不爆炸和無(wú)腐蝕；價(jià)格低廉。常用制冷劑氟利昂；氨；丙烷、丙烯、乙烷、乙烯等。因環(huán)保的要求，其中氟利昂、氨將逐步限制使用。3.制冷循環(huán)的熱力計(jì)算單級(jí)實(shí)際制冷循環(huán)過(guò)程用溫—熵圖和壓—焓圖來(lái)表示如圖3-2和圖3-3所示。實(shí)際制冷循環(huán)中多采用制冷劑液體過(guò)冷的循環(huán)以減少節(jié)流損，提高制冷能力。過(guò)冷溫度通常選擇為3～5℃。圖3-2實(shí)際制冷循環(huán)在溫-熵圖的表示圖3-3實(shí)際制冷循環(huán)在壓-焓圖上的表示（1）單位制冷量q1(kJ/kg)每公斤制冷工質(zhì)完成一次循環(huán)在蒸發(fā)器中所吸收的熱量稱為單位制冷量。它在壓-焓圖上制冷劑蒸發(fā)過(guò)程初始點(diǎn)4、終點(diǎn)1的焓差表示，即（3-1）（2）單位冷凝熱q2(kJ/kg)每公斤制冷劑完成一次循環(huán)在冷凝器中放出的熱量稱為單位冷凝熱。它在壓-焓圖上制冷劑冷凝過(guò)程初始點(diǎn)2、終點(diǎn)3的焓差表示，即（3-2）（3）單位理論壓縮功we(kJ/kg)每公斤制冷工質(zhì)完成一次循環(huán)壓縮機(jī)消耗的功稱單位理論壓縮功。它等于制冷劑進(jìn)出壓縮機(jī)之焓差，即（3-3）（4）制冷量Q（kJ/h）制冷量是指在一定的操作條件下（制冷劑蒸發(fā)溫度t1，冷凝溫度t3），單位時(shí)間內(nèi)制冷劑由被冷凝物體中所取出的熱量。（3-4）q0—單位制冷量，kJ/kg；G—制冷劑的循環(huán)量，kg/h。對(duì)于一定規(guī)格的往復(fù)式單級(jí)壓縮制冷機(jī)而言，制冷機(jī)的制冷量Q（kJ/h）可以表示為：（3-5）

qv—單位容積制冷量，kJ/m3；

Vg—壓縮機(jī)的工作容積m3/h；λ—壓縮機(jī)的實(shí)際輸汽系數(shù)。（4）制冷量Q（kJ/h）制冷機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)溫度條件

國(guó)際人工制冷會(huì)議規(guī)定了制冷操作的標(biāo)準(zhǔn)溫度條件為：制冷劑的蒸發(fā)溫度－15℃；制冷劑的冷凝溫度+30℃；過(guò)冷溫度為5℃。廠家一般都是在產(chǎn)品目錄給定標(biāo)準(zhǔn)溫度條件下制冷機(jī)的制冷量。選型時(shí)，必須將實(shí)際所要求的制冷量換算成標(biāo)準(zhǔn)溫度下的制冷量。（5）壓縮機(jī)的指示功率Ni(kW)在實(shí)際循環(huán)過(guò)程中壓縮機(jī)壓縮制劑工質(zhì)蒸氣所消耗的功率稱指示功率。即（3-6）ηi—壓縮機(jī)的指示效率。（6）壓縮機(jī)的軸功率Np(kW)在制冷過(guò)程中，由電機(jī)傳到壓縮機(jī)軸上的功率稱軸功率。即（3-7）ηk—壓縮機(jī)的總效率。（7）制冷系數(shù)理論制冷系數(shù)εt是制冷工質(zhì)循環(huán)的總位制冷量與理論壓縮功之比。它表示消耗每個(gè)單位功所能制冷的冷量。（3-8）理論制冷系數(shù)εt的意義

εt是判斷制冷循環(huán)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在給定條件下，εt愈大，則循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性愈高。隨循環(huán)過(guò)程工作溫度和制冷劑性質(zhì)而變化，一般循環(huán)的冷凝溫度愈低，蒸發(fā)溫度愈高，則愈εt大，反之，εt愈小。實(shí)際制冷系數(shù)εp實(shí)際制冷系數(shù)εp是制冷工質(zhì)循環(huán)的制冷總量與壓縮的軸功率之比。（3-9）4.蒸汽壓縮制冷循環(huán)方式單級(jí)壓縮制冷循環(huán)；多級(jí)壓縮制冷循環(huán)；復(fù)疊式制冷循環(huán)；混合制冷劑制冷循環(huán)。（1）單級(jí)壓縮制冷采用氨、氟利昂、丙烷等作制冷劑，蒸發(fā)溫度一般小于-40℃；制冷機(jī)組的設(shè)備較少，費(fèi)用低；常用作淺冷分離的制冷工藝。（2）多級(jí)壓縮制冷當(dāng)冷凝壓力一定時(shí)，要想降低蒸發(fā)溫度，必須使壓縮比增大，輸汽系數(shù)減少，引起較大的不可逆損失，壓縮功耗費(fèi)較高，且會(huì)帶來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)上的困難。為了獲得較低的蒸發(fā)溫度（-30～-60℃），應(yīng)考慮采用多級(jí)壓縮制冷循環(huán)。多級(jí)壓縮制冷通常是采用級(jí)間閃蒸，多次節(jié)流的制冷循環(huán)。以離心式壓縮機(jī)兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)為例，其制冷循環(huán)流程與壓焓變化分別如圖3-4和圖3-5所示。（2）多級(jí)壓縮制冷圖3-4二級(jí)壓縮制冷循環(huán)原理流程圖l—吸入罐；2—閃蒸分離器；3—冷凝器；4—蒸發(fā)器（冷量用戶）；5、6一節(jié)流閥；I、II—壓縮機(jī)一、二級(jí)圖3-5二級(jí)壓縮制冷循環(huán)的壓-焓圖多級(jí)壓縮制冷循環(huán)實(shí)例由于多級(jí)節(jié)流，各個(gè)節(jié)流閥后的溫位是不同的，如果在流程中增設(shè)蒸發(fā)器的數(shù)量，則可向冷量用戶供給不同溫位的冷源。三級(jí)壓縮丙烷制冷循環(huán)流程圖，如圖3-6所示。此圖表示可產(chǎn)生三個(gè)不同溫度等級(jí)的冷量，如-50℃，-25℃，-5℃。圖3-6三級(jí)壓縮丙烷制冷循環(huán)流程圖（3）復(fù)疊式制冷循環(huán)復(fù)疊式制冷循環(huán)，又稱串級(jí)制冷循環(huán)，是將兩種或三種不同冷位的冷劑制冷循環(huán)串聯(lián)起來(lái)形成一個(gè)閉路系統(tǒng)。復(fù)疊式制冷循環(huán)原理流程如圖3-7所示。制冷劑分別采用丙烷、乙烯和甲烷。圖3-7復(fù)疊式制冷循環(huán)原理圖復(fù)疊式制冷循環(huán)實(shí)例復(fù)疊式制冷循環(huán)采用圖3-7所示流程。制冷劑同樣分別采用丙烷、乙烯和甲烷。第一級(jí)循環(huán)在第一級(jí)，冷劑丙烷III被壓縮機(jī)1壓縮到1.0MPa，經(jīng)水I冷到30℃冷凝，節(jié)流到壓力0.12MPa，進(jìn)入蒸發(fā)器5，蒸發(fā)溫度為－38℃。第二級(jí)循環(huán)

第二級(jí)以乙烯為冷劑，經(jīng)壓縮機(jī)2壓縮到2.0MPa，進(jìn)入冷凝一蒸發(fā)器5被冷凝至溫度－30℃，經(jīng)節(jié)流閥9節(jié)流至0.12MPa，進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器6，蒸發(fā)溫度為－100℃。第三級(jí)循環(huán)第三級(jí)以甲烷為冷劑，經(jīng)壓縮機(jī)3壓縮至3.0MPa，進(jìn)入冷凝一蒸發(fā)器6，被乙烯冷卻冷凝至－95℃，經(jīng)節(jié)流閥10節(jié)流至壓力0.12MPa，進(jìn)入蒸發(fā)器7，蒸發(fā)溫度達(dá)到－160℃。復(fù)疊式制冷循環(huán)的特點(diǎn)制冷循環(huán)流程復(fù)雜，機(jī)組投資大；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氣凝液回收裝置；用于大型天然氣液化裝置。(4)混合制冷劑循環(huán)

混合制冷劑循環(huán)是60年代末期由復(fù)疊式制冷循環(huán)演變而來(lái)的。它采用由C1~C5的烴類和氮等五種以上組分組成的混合物作為制冷劑，可用一臺(tái)（幾臺(tái)但類型相同的）壓縮機(jī)。因此，混合制冷劑循環(huán)一經(jīng)問(wèn)世即在天然氣液化及分離技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。二、節(jié)流膨脹制冷節(jié)流制冷是工業(yè)上最早采用的制冷工藝，由于節(jié)流制冷設(shè)備簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、節(jié)流效率低，同一差壓下溫降較小，在天然氣凝液回收中常多數(shù)作為一種輔助制冷手段。1.節(jié)流膨脹降溫原理節(jié)流膨脹過(guò)程如圖3-8所示，流體在流經(jīng)相當(dāng)于孔板的縮口或節(jié)流閥時(shí)，由于通徑截面積縮小，流速增加，經(jīng)過(guò)縮口或節(jié)流閥后截面積和流速恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。圖3-8節(jié)流膨脹過(guò)程示意圖如果忽略勢(shì)能變化，對(duì)縮口前、縮口后應(yīng)用熱力學(xué)穩(wěn)定流動(dòng)的能量守恒方程式有：H1、H2—口前后兩截面處流體的焓值；

v1、v2—縮口前后兩截面處的流速；

g——重力加速度。(3-10)1.節(jié)流膨脹降溫原理由于節(jié)流前、后兩截面面積相等，故得：

因此，節(jié)流膨脹過(guò)程是等焓過(guò)程。節(jié)流時(shí)，微小壓力變化所引起的溫度變化稱為微分節(jié)流效應(yīng)。一般用ah表示微分節(jié)流效應(yīng)系數(shù)：(3-11)(3-12)1.節(jié)流膨脹降溫原理內(nèi)能變化項(xiàng)—由于氣體壓力降低，比容增大，分子間的平均距離也增大，此時(shí)必須消耗功克服分子間的引力，分子間的位能就增加。但由于外界無(wú)能量供給氣體，分子間位能的增加只能來(lái)自分子動(dòng)能的減少。因此，產(chǎn)生使氣體溫度降低的效應(yīng)。(3-13)1.節(jié)流膨脹降溫原理而對(duì)大多數(shù)氣體，其中包括天然氣，流動(dòng)功是隨壓力的降低而增加的。(3-14)(3-15)1.節(jié)流膨脹降溫原理

所以，大多數(shù)氣體（除氫、氦等外）經(jīng)過(guò)節(jié)流閥產(chǎn)生壓降時(shí)也相應(yīng)發(fā)生的溫降。(3-16)1.節(jié)流膨脹降溫原理2.節(jié)流工藝計(jì)算典型的節(jié)流工藝過(guò)程如圖3-9所示。流量為F（kmol/h），組成為zi（摩爾分?jǐn)?shù)）的物料在壓力PI、溫度TI下經(jīng)節(jié)流閥在絕熱情況下減壓至PF，工藝計(jì)算的任務(wù)是求節(jié)流后的溫度TF，平衡汽、液相組成yi、xi，汽、液相量V、L及焓值HV，HL等。圖3-9節(jié)流膨脹工藝過(guò)程節(jié)流計(jì)算的基本方程(3-17)相平衡方程

物料平衡方程：熱量平衡方程

：(3-18)(3-19)節(jié)流計(jì)算的基本方程聯(lián)立上述三個(gè)基本方程求解，即可計(jì)算出節(jié)流后的溫度（或壓力）、汽液相的流量及汽液相組成。節(jié)流基本方程各符號(hào)的意義

HI—進(jìn)料混合物節(jié)流前的焓值，kJ/kmol；

HV，HL

—節(jié)流后平衡汽、液相的焓值，kJ/kmol；

Ki—i組份的平衡常數(shù)；

n––物料中總組份數(shù)。三、膨脹機(jī)制冷1.等熵膨脹降溫的物理實(shí)質(zhì)

氣體進(jìn)行等熵膨脹時(shí)，由于壓力變化而引起的溫度變化，稱為等熵膨脹效應(yīng)。該效應(yīng)又分為微分等熵膨脹效應(yīng)和積分等熵膨脹效應(yīng)。微分等熵膨脹效應(yīng)微分等熵膨脹效應(yīng)是指微小壓力變化所引起的溫度變化。通常用as表示微分等熵膨脹效應(yīng)系數(shù)表示。

(3-20)積分等熵膨脹效應(yīng)積分等熵膨脹效應(yīng)是指氣體實(shí)際等熵膨脹時(shí)，壓力變化為一有限值所引起的溫度變化，以ΔTs表示：(3-21)等熵膨脹降溫的物理實(shí)質(zhì)由熱力學(xué)基本關(guān)系式，可導(dǎo)出表示微分等熵膨脹效應(yīng)系數(shù)as與膨脹前氣體狀態(tài)參數(shù)p、T、V之間關(guān)系式為(3-22)

cp—?dú)怏w的定壓熱容。由于式(3-22)中故

等熵膨脹過(guò)程總是產(chǎn)生冷效應(yīng)，膨脹結(jié)果氣體的溫度總是降低的。(3-23)(3-24)等熵膨脹降溫的物理實(shí)質(zhì)等熵膨脹溫降的定性解釋等熵膨脹時(shí)，氣體一方面要在絕熱情況下對(duì)外作功，大量消耗內(nèi)能；另一方面要克服分子間的吸引力，增加分子位能，使分子動(dòng)能減少，由于這兩方面原因，導(dǎo)致氣體溫度大幅度下降。而這時(shí)流動(dòng)功的變化對(duì)氣體溫度的影響相比之下很小，因此，等熵膨脹的結(jié)果總是使氣體溫度降低，且同時(shí)產(chǎn)生冷量。2.絕熱效率和實(shí)際功等熵膨脹的焓降ΔH0是氣體等熵膨脹開(kāi)始狀態(tài)p1、T1時(shí)的焓值H1與膨脹終了狀態(tài)p2、T2的焓值H2之差值。(3-25)實(shí)際膨脹過(guò)程是熵增過(guò)程

實(shí)際上，壓縮氣體通過(guò)膨脹機(jī)進(jìn)行絕熱膨脹，在對(duì)外作功的同時(shí)存在著摩擦、泄漏和冷量損失等各種現(xiàn)象。因此，膨脹過(guò)程實(shí)際不是等熵的，而是熵增大的不可逆過(guò)程。實(shí)際膨脹過(guò)程的焓差ΔH等于氣體絕熱膨脹開(kāi)始狀態(tài)的焓值H1與膨脹終了狀態(tài)的焓值H2’的差值，即膨脹機(jī)對(duì)外的單位功。(3-26)實(shí)際膨脹過(guò)程是熵增過(guò)程膨脹機(jī)的絕熱效率ηs

膨脹機(jī)的絕熱效率是衡量膨脹過(guò)程偏離等熵過(guò)程的尺度。透平膨脹機(jī)的絕熱效率可達(dá)75%～85%。(3-27)膨脹的對(duì)外實(shí)際作功W(kJ/h)G—?dú)怏w流量，kg/h；ΔH—實(shí)際膨脹過(guò)程的焓差，kJ/kg。(3-28)3.膨脹過(guò)程的熱力計(jì)算流量為F（kmol/h），組成為zi（摩爾分?jǐn)?shù)）在壓力P1、溫度T1下進(jìn)入膨脹機(jī)，膨脹機(jī)等熵效率為η，出口壓力為P2，等熵出口溫度為T2，實(shí)際出口溫度為T2′。膨脹機(jī)出口的平衡汽、液相組成為yi、xi。汽、液相量為V、L；汽、液相焓值為HV、HL及汽、液熵值為SV、SL等。膨脹計(jì)算的基本方程相平衡方程(3-29)物料平衡方程：熱量平衡方程

：膨脹機(jī)出口的實(shí)際焓值：(3-30)(3-31)(3-32)膨脹計(jì)算的基本方程膨脹機(jī)基本方程各符號(hào)的意義

H1—進(jìn)口狀態(tài)下氣體的焓值，kJ/kmol；

S1––進(jìn)口狀態(tài)下氣體的熵值，kJ/(kmol·K)；

SV––等熵膨脹后汽相的熵值，kJ/(kmol·K)；

SL—等熵膨脹后液相的熵值，kJ/kmol；

H2—等熵膨脹后出口混合物的焓值，kJ/kmol；

H2’––膨脹機(jī)實(shí)際出口混合物的焓值，kJ/kmol；

η—膨脹機(jī)的絕熱效率。膨脹機(jī)的熱力計(jì)算框圖4.膨脹機(jī)的類型膨脹機(jī)輸出功類輸出熱類活塞式膨脹機(jī)(容積型)透平式膨脹機(jī)(速度型)熱分離機(jī)氣波制冷機(jī)`5.透平膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理透平膨脹機(jī)是由通流部分、制動(dòng)器及機(jī)體三大部分組成。透平膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-12所示。圖3-12透平膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)圖通流部分

該部分是獲得低溫的主要部件。壓力較高的工作介質(zhì)從管道進(jìn)入膨脹機(jī)的渦殼l，把氣流均勻地分配給噴嘴3，氣體在噴嘴中第一次膨脹，推動(dòng)工作輪輸出外功，同時(shí)氣流在工作輪中繼續(xù)膨脹而轉(zhuǎn)換成外功，因此，氣體的流速就降低了，膨脹后的低溫工質(zhì)經(jīng)過(guò)擴(kuò)壓器排出到低溫管道中。制動(dòng)器

透平膨脹機(jī)有機(jī)械功輸出，需要有一定的負(fù)載。負(fù)載主要是起剎車即制動(dòng)作用，一般稱負(fù)載為制動(dòng)器。制動(dòng)器可以是鼓風(fēng)機(jī)、機(jī)泵、壓縮機(jī)、