制冷工藝的技術分析范文

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《石油化工應用雜志》2014年第五期

1簡單制冷

1.1冷劑制冷

利用沸點低于環境溫度的工藝流體通過壓縮、冷凝、膨脹及蒸發組成的壓縮制冷循環可實現制冷的目的。借助外界機械能，通過選擇不同冷劑、壓縮制冷循環方式可不斷降低溫度直至深冷。冷劑制冷法由獨立設置的冷劑壓縮制冷循環向天然氣提供冷量。制冷能力與原料氣的溫度、壓力及組成無關，通過調節制冷循環的工作壓力來控制制冷溫度以滿足生產的需求，調節操作過程安全穩定。冷劑制冷的最低制冷溫度受工質蒸發溫度的限制，最低為冷劑在蒸發壓力下的蒸發溫度。單一冷劑制冷中常用冷劑有氨、丙烷等，丙烷的蒸發溫度較低（-42℃）與氨相當（-33℃），可利用環境介質進行壓縮后的冷凝，蒸發相變焓雖然低于氨的蒸發相變焓，但由于易得，毒性小，安全且與被冷卻流體同類，在制冷工藝中廣泛應用。受冷劑制冷溫度的限制，輕烴收率難以繼續提高。提高天然氣分離壓力使氣液兩相相分離溫度升高，可在一定程度上提高天然氣凝液的收率，但增壓提高收率的作用有限。-30℃下不同原料氣丙烷收率與分離壓力的模擬結果（見圖2），低壓時丙烷收率隨著分離壓力的提高而快速增加，但增加的幅度不斷降低。分離壓力的進一步增加對提高凝液收率的作用減弱，壓力的增加導致能耗變大，同時工藝設備的壓力等級要求和造價也會大大提高，提高收率的經濟性變差。天然氣中甲烷含量愈高，加壓提高凝液收率的作用愈弱，最優分離壓力愈高。不同組成天然氣的最優分離壓力各異，可通過模擬計算得出以指導生產。改變單一制冷工藝中冷劑的組成，添加更輕且蒸發溫度更低的組分，通過降低混合冷劑的蒸發溫度，仍借助環境介質進行壓縮后介質的冷凝，利用原有壓縮制冷循環的混合冷劑制冷可在一定程度上獲得較單一冷劑更低的制冷溫度。通過選擇蒸發溫度更低的單一冷劑如乙烷、甲烷進行制冷循環可實現更低的制冷溫度，但受冷劑臨界溫度（32.1℃、-82.6℃）的限制，環境介質已遠遠不能滿足要求，必須采用階式制冷循環才能得到更低溫位（-88.6℃、-161℃）的冷量，達到提高輕烴收率的目的。

1.2簡單制冷方法工藝分析比較

不同制冷工藝的特點各異，根據原料氣的壓力、組成、液烴收率等因素選擇、調整操作是保障裝置安全、平穩運行的基礎。節流閥制冷適合較低的原料氣量，能夠適應大的氣量波動且操作簡單，在節流閥出口允許有很大的帶液量，當氣體有可供利用的壓力能，而且不需要很低的制冷溫度時，采用等焓膨脹特性的節流閥制冷是一種簡單有效的制冷方法。與透平膨脹機制冷相比，節流閥的制冷量要小的多，難以滿足在較低溫度下高輕烴收率的要求。在同樣的初始狀態和膨脹比條件下，氣體透平膨脹對外做功引起溫降，冷量損失較少，所以無論從制冷溫位還是從制冷量上來講，具有等熵膨脹特性的透平膨脹的效率更高，二者的差值與溫度、壓力有關。當壓力較低而溫度較高時，差值較大，隨著壓力的增加，二者的差值逐漸減小，最終接近于零，當原料氣的壓力很高時，簡單節流閥制冷更具優勢。原料氣較富時制冷量的需求過大，若采用透平膨脹機對其進行制冷則原料氣的壓縮功會太大，能耗較高，并由于較高的原料氣壓力使操作穩定性降低，同時透平膨脹機允許的帶液量有一定限度，而節流閥出口允許有很大的帶液量，故較富的原料氣不適合采用透平膨脹機制冷。冷劑制冷的制冷量與原料氣的貧富程度及壓力無關，加壓、降溫均能實現氣相混合物冷凝，對于含C4、C5及更輕的烴類混合物，降溫冷凝的功耗低于加壓冷凝的功耗，降溫成為提高輕烴收率的首選技術。利用混合冷劑在一定壓力下蒸發，可產生較單一冷劑更低且為一定溫度范圍的低溫冷量，通過改變冷劑的組成還可以方便調節蒸發溫度以適應不同組成天然氣的冷凝分離要求。混合冷劑制冷工藝與單一制冷工藝的流程完全相同，不需要增加設備投資。但是混合冷劑中呈氣態、氣液平衡態、液態的物質組成不斷變化，對冷凝器、蒸發器、壓縮機的設計尤其是操作、管理帶來很大的難題，工程實際應用價值受限。通過選擇蒸發溫度更低的單一冷劑也可實現較低的制冷溫度，比如采用乙烷可獲得最低為-88.6℃的低溫冷量，但是受乙烷臨界溫度（32.1℃）的限制，不能利用環境作為冷凝介質，必須采用階式制冷循環。階式制冷循環中天然氣與冷劑梯級降溫，冷熱流體的溫差小，制冷效率高，能耗較低，但流程復雜，難以平穩操作，投資較大，輕烴回收裝置中也極少采用。處理量小、原料氣組成較富、其壓力與外輸氣壓力之間沒有足夠壓差可供利用時，采用冷劑制冷法比較經濟，通常選用丙烷作為冷劑；當處理量較小、原料氣組成較貧、原料氣壓力較大且隨開采過程壓力逐漸遞減又不要求高的乙烷收率時，采用節流閥制冷既能夠經濟地達到收率要求，又節省了裝置的投資及能耗；當處理量較大、原料氣組成較貧、且需要回收較多乙烷時，可采用透平膨脹制冷。無論哪種簡單制冷方式都有一定的局限性，難以同時滿足天然氣組成、溫度、壓力以及較低制冷溫度的要求。因此應依據實際情況，從原料氣組成、裝置建設目的、產品收率要求、生產成本和工程投資等方面進行綜合分析、合理的選擇。作為初選輕烴回收制冷工藝的依據（見圖3，圖4）。

2復合制冷

高收率與低能耗是輕烴回收的發展方向，針對我國天然氣井口壓力較低、天然氣大多較貧且組成變化較大的現狀，輕烴回收需要的溫度持續降低，單一的制冷方法很難達到要求。雖然增壓－膨脹機制冷可以達到溫度要求，但膨脹機的帶液問題會帶來一系列的附加損失，使膨脹機的效率降低、能耗過大，對富含重烴的天然氣（富氣）仍不適宜。輕烴回收工藝上應用最多的是以膨脹制冷作為主要冷源，冷劑制冷作為輔助冷源的復合制冷法，采用逐級制冷和逐級分離冷凝液的措施來降低冷量消耗和提高制冷深度，以達到較高冷凝率，最大限度地回收天然氣中的輕烴。復合制冷法的冷源有兩個或兩個以上，裝置運轉受外界條件變化影響小，適應性強，保障了裝置的安全、平穩、高收率運行；復合制冷法中外加制冷系統比冷劑制冷法要簡單、容量小，外加制冷系統僅僅須解決高沸點烴類即重烴的冷凝問題。復合制冷與單一的冷劑制冷、膨脹制冷相比，既克服了冷劑制冷裝置流程復雜以及制冷溫度受限的缺點，也克服了透平膨脹機制冷穩定性差、對原料氣適應能力差的缺點。復合制冷工藝由于外加冷源的存在，可使重烴提前冷凝分離，大幅度減少了透平膨脹機的帶液，而且又能夠補充節流閥制冷所缺乏的冷量，裝置整體能耗大幅較低，丙烷收率特別是乙烷收率大幅提高，是當前先進、合理、有效的輕烴回收制冷方式，可實現高收率，低能耗的目標。

3結語

輕烴回收制冷工藝的選擇、操作條件受原料氣組成、溫度、壓力和處理量等條件的影響，保障裝置的安全穩定生產，改善適應不同條件下運行的靈活性，提高輕烴收率對于清潔生產意義重大。降低制冷溫度、改善制冷效率、提高能量利用率是制冷工藝設計、運行的核心。混合冷劑制冷利用大氣環境作為冷凝介質，通過冷劑組成、壓力的調節可產生較單一冷劑更低且為一定溫度范圍的低溫冷量以適應不同組成天然氣的冷凝分離要求，工藝流程簡單，能耗低。解決混合冷劑的相平衡、壓縮、換熱等瓶頸，優化混合冷劑制冷設計和自控水平，降低操作、管理的難度是混合冷劑制冷工程化的關鍵。隨天然氣壓力的降低、天然氣組成的變化，以混合冷劑主導的復合制冷工藝由于安全性好、適應面廣、靈活性大、能耗低、輕烴收率高，在輕烴回收中的應用將不斷擴展。

作者：張東華湯穎郭亞冰范崢單位：西安石油大學石油煉化工程技術研究中心