气体液化系统

第3章气体液化系统Š3.1系统的性能参数Š3.2低温的产生Š气体液化系统概述及理想循环Š3.3氖、氢、氦除外的气体液化系统–液化天然气(LNG)流程Š3.4氖、氢、氦气体液化系统–液氦的应用Š3.5液化系统的关键部件3.1系统的性能参数体现流程性能的重要参数：Š1.单位质量气体的压缩功Š2.单位质量气体液化功Š3.液化率三者之间的关系Š4.循环效率FOM：理想循环所需的昀小功与实际循环液化功比值，该值在0到1之间。−wm./.−wmf./.ymmf=./.`(./.)(./.)−=−wmwmyf••••••−−−==ffmmiiFOM低温的产生Š3.2.1焦耳-汤姆逊效应Š3.2.2绝热膨胀Š3.2.3绝热放气Š三种方式的比较转至理想循环3.2低温的产生-焦耳-汤姆逊效应Š1、定义–当压缩气体绝热通过狭窄的通道后，压力下降并产生温度变化的现象称为节流。–用焦耳-汤姆逊系数μJT来表示等焓节流时温度随压力的变化关系：Š2、物理实质–是个等焓过程。–只有在虚线包围的范围内，制冷剂经节流阀降压后，温度才会降低，即产生节流冷效应。–在虚线上，节流零效应。–在其它区域，节流降压后，温度升高，称为节流热效应。hJTPT)(∂∂=μŠ3、两类–昀高转化温度高于环境温度：如氮、氧、氩。可以单独用J-T效应来液化。（书3.3节）–昀高转化温度低于环境温度：如氦、氢、氖。不能单独用J-T效应来液化，必须另外使用膨胀机或预冷来降低节流前的温度，使节流前的温度低于昀高转化温度。（书3.4节）3.2低温的产生-焦耳-汤姆逊效应返回Š在液化流程中，气体绝热膨胀通常是由膨胀机来实现的。在低温制冷机中是通过活塞等运动部件的位移来实现的。ŠQ=0时，H1=H2+对外做功W，H2H1，P对H的影响很小，T2T1，产生温降。–温降的表达式：–对于绝热膨胀而言，降压后必产生温降，不存在升温的现象。Š在流程中，膨胀机输出功用于驱动流程中的压缩机，从而使流程的总耗功降低，达到降低运行成本的目的。Š在使用绝热膨胀得到低温的场合中，也常配合使用节流阀，特别是在低温段。膨胀机一般不能带液工作。Š斯特林制冷机和维勒米尔制冷机就是用绝热膨胀的原理实现制冷的。3.2低温的产生-绝热膨胀])(1[112121γγ−−=−=ΔPPTTTT返回Š绝热放气：容器内高压气体绝热排放过程中，容器内的气体对排出容器的气体做功，则容器内的气体温度下降。–绝热排放过程表达式：–工质气体的绝热指数γ越大，温降越大，因此用单原子气体可以获得较大的温降，如He。3.2低温的产生-绝热放气)1(112121PPTTTT−−=−=ΔγγŠ对于绝热放气而言，降压后必产生温降，不存在升温的现象。其输出功一般不能利用。Š这种获得低温的方式常用于小型低温制冷机和深低温液化流程中。Š脉冲管制冷机、吉福特-麦克马洪制冷机和沙尔凡制冷机就是用绝热膨胀的原理实现制冷的。3.2低温的产生-绝热放气返回3.2低温的产生-三种方式比较方式换热功焓变压力温度变化应用场合降温效果节流000降降/升/不变气体液化流程气体液化流程和小型低温制冷机气体液化流程和小型低温制冷机差绝热膨胀00降降降好绝热放气00降降降中返回气体液化循环类型氧、氮、氩天然气J-T效应3.3.1、简单的林德-汉普逊系统3.3.2、带预冷的林德-汉普逊系统3.3.3、林德双压系统3.3.4、复迭式系统绝热膨胀3.3.5、克劳特系统3.3.6、卡皮查系统3.3.7、海兰特系统3.3.8、采用膨胀机的其他液化系统3.3.9、LNG液化系统氖、氢、氦J-T效应3.4.1、用于氖和氢的预冷林德-汉普逊系统绝热膨胀3.4.2、用于氖或氢的克劳特系统3.4.3、氦制冷的氢液化系统3.4.5、考林斯液化系统绝热放气3.4.6、西蒙氦液化系统Š讲解各循环以下两方面的内容：–流程；–流程重要性能参数的计算。热力学理想系统热力学理想系统忽略了一切非理想因素，给出了比较的标准。循环：1-2等温压缩过程，耗功，放热；2-f绝热等熵膨胀过程。Š热力性能的计算取压缩机、膨胀机和蓄液器作为研究对象：1.单位质量气体的压缩功2.单位质量气体液化功3.液化率热力学理想系统液化气体的理论昀小功(初始点P1=101.3/kPa，T1=300/K)气体名称沸点/k理论昀小功/KJ·Kg-1氦－33.198178氦－44.216819氢20.2712019氖27.091335氮77.36768.1空气78.8738.9氩87.28478.6氧90.18635.6甲烷111.71091氨239.8359.1转至3.33.3氖、氢、氦除外的气体液化系统氧、氮、氩天然气J-T效应3.3.1、简单的林德-汉普逊系统3.3.2、带预冷的林德-汉普逊系统3.3.3、林德双压系统3.3.4、复迭式系统绝热膨胀3.3.5、克劳特系统3.3.6、卡皮查系统3.3.7、海兰特系统3.3.8、采用膨胀机的其他液化系统转至3.43.3.1、简单林德-汉普逊系统Š1工作过程Š2循环计算思路(也适用于其它循环)Š3循环计算3.3.1、简单林德-汉普逊系统Š1工作过程假设：除节流阀外，无不可逆压降、无漏热、无热交换损失–1-2等温压缩过程；–2-3等压冷却过程（与前面制冷循环不同的是用返流低温蒸发气冷却）；–3-4等焓节流过程；–在储液器中4分离成气相g和液相f；液相为得到的产品。–g-1等压吸热过程，释放冷量。3.3.1、简单林德-汉普逊系统Š2循环计算思路–求得液化率：正确选取分析系统，选取的一般原则：取除动力设备（压缩机和膨胀机）外的其它系统作分析系统；据能量平衡∑in=∑out，求取液化率–单位质量耗功、单位质量液化功，循环效率FOM等值的求取；分别取压缩机、膨胀机为研究对象，根据热平衡求取耗功和循环效率值。此计算思路也适用于其它液化流程的计算此计算思路也适用于其它液化流程的计算3.3.1、简单林德-汉普逊系统Š3循环计算–求y：取除压缩机外的设备为研究对象：–求，以压缩机为研究对象–求–求FOM3.3.1、简单林德-汉普逊系统••−mw••−fmw返回Š1工作过程Š2循环计算Š3计算实例3.3.2、带预冷的林德-汉普逊系统3.3.2、带预冷的林德-汉普逊系统Š1、工作过程–预冷循环–主循环：与简单的林德循环相似，只是多了一个换热器。Š2循环计算–求y：取除压缩机外的设备为研究对象：–求压缩机耗功，以压缩机为研究对象–求FOM–与简单林德循环的比较3.3.2、带预冷的林德-汉普逊系统Š3计算实例–已知条件及相应的焓值•预冷循环•氮气液化循环–求解简单林德-汉普逊系统（仅用到N2液化循环参数）–求解带预冷林德-汉普逊系统3.3.2、带预冷的林德-汉普逊系统返回3.3.3、林德双压系统Š1工作过程Š2循环计算返回Š1、工作过程氨制冷循环预冷乙烯；乙烯循环预冷甲烷；甲烷循环冷却并液化液氮。Š2、缺点–复杂；–每一级循环都必须完全不漏Š3、优点节流阀压降降减少，不可逆损失降低；–所需的压力低3.3.4、复迭式系统返回Š1膨胀机的作用Š2带膨胀机液化循环的优缺点Š3工作过程Š4在带膨胀机的循环中仍然需要一个节流阀Š5循环计算Š6计算实例–不考虑不可逆因素的循环计算–考虑不可逆因素的循环计算3.3.5、克劳特系统3.3.5、克劳特系统Š1膨胀机的作用–可获得更大的温降；–回收膨胀功，膨胀机输出的功可用于驱动压缩机；–降低节流膨胀过程的不可逆损失，改善循环的热力性能。3.3.5、克劳特系统Š2带膨胀机液化循环的优缺点–优点：液化率升高；单位液化功降低；循环效率增加；–缺点：膨胀机比节流阀昂贵，所以设备投资大。3.3.5、克劳特系统Š3工作过程–气体首先被等温压缩（4Mpa）；–高压气体经过第一个热交换器预冷；–部分气体进入膨胀机膨胀产冷降温为换热器提供冷量；另一股高压气体经过第二，第三热交换器冷却而液化；–经节流阀膨胀而进入气液分离器。–饱和蒸汽离开汽液分离器进入热交换器来预冷高压气体。3.3.5、克劳特系统Š4在带膨胀机的循环中仍需节流阀–实际膨胀机中是不能带液膨胀的，液体比气体有更小的可压缩性，因此，若在膨胀机中形成液滴的话，会导致液击。所以在带膨胀机的循环中仍需一个节流阀，实现节流降压降温产生低温液体。3.3.5、克劳特系统Š5循环计算–y，取压缩机、膨胀机外的设备为研究对象–净耗功–单位液化气体的耗功–FOMŠ6计算实例–不考虑不可逆因素的循环计算–考虑不可逆因素的循环计算3.3.5、克劳特系统••−fmw考虑不可逆因素的循环计算思路考虑不可逆因素的循环计算思路Š①求得液化率–正确选取分析系统，选取的一般原则：取除动力设备（压缩机和膨胀机）外的其它系统作分析系统；据能量平衡∑in=∑out，求取液化率Š②单位质量耗功、单位质量液化功，循环效率FOM等值的求取–分别取压缩机、膨胀机为研究对象，根据热平衡求取耗功和循环效率值。3.3.5、克劳特系统考虑不可逆因素的循环计算思路考虑不可逆因素的循环计算思路Š③考虑不可逆因素时（压缩机的总效率；膨胀机的绝热效率、机械效率；换热器的各种损失）对1和2中的表达式进行修正。–换热器：引入ε=（h1’-hg）/（h1-hg）,h1’中包含了所有的换热不可逆损失，求解1，2中参数表达式中的h1’全部用该式计算得到。–压缩机：引入总效率ηc，对液化率y没有影响，对其它参数有影响。–膨胀机：既影响液化率y，又影响耗功。•对于液化率y，考虑绝热膨胀效率ηs的影响；•对于耗功，考虑总效率ηe=ηsηm的影响。3.3.5、克劳特系统考虑不可逆因素的循环计算思路考虑不可逆因素的循环计算思路Š④求取上述表达式中的焓值–根据P、T查取h值；–据压缩机的等温过程及P值查取h值；–据膨胀机的等熵过程及P值查取h值。Š⑤据相应公式求取及h,ε,ηc（压缩机的）,ηs,ηm（膨胀机的）求取性能参数值。3.3.5、克劳特系统返回3.3.6、卡皮查系统Š流程：是克劳特循环的一种，与克劳特循环相比，少了一个换热器，循环压力低。Š优点：膨胀机为高效率涡轮膨胀机；单位能耗小，金属耗量及初投资低，操作简便。Š应用：大、中型空气分离装置。返回3.3.7、海兰特系统Š流程：是克劳特循环的一种，与克劳特循环相比，少了一个换热器，循环压力高，提高压力可降低单位质量气体的液化功。Š优点：提高膨胀前温度，可增加绝热焓降和绝热效率返回3.3.8、采用膨胀机的其他液化系统Š双压克劳特循环，目的是为了降低功耗，在该系统中，仅通过节流阀的气体被压缩至高压，经过膨胀机循环气体仅压缩至中压。返回液化天然气(LNG)流程Š1.天然气(NG)定义Š2.天然气用途Š3.中国NG勘探Š4.中国NG生产商Š5.西气东输Š6.液化天然气LNG定义Š7.全球LNG产量Š8.天然气液化流程返回1．天然气定义Š在世界能源中的地位：天然气与煤炭、石油并称目前世界一次能源的三大支柱。Š定义：是指在地表下孔隙性地层发现的天生的烃类和非烃类混合物，它常常和原油伴生在一起。大多数以甲烷为主，并包括比甲烷重的烃类，如：乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷等。除烃以外，原始的天然气中还可能存在少量的水分、氮气、二氧化碳、硫化氢、氦、氧、氩等气体。Š基本特性：天然气无色、无味、无毒且无腐蚀性。密度约为空气的一半，为0.43kg/m3，常压下沸点为-161.5℃。Š天然气是一种清洁的能源。返回2．天然气的利用Š①化工原料；Š②燃料：民用、车用、工业用、发电用、燃料电池用返回3．中国NG勘探3．中国NG勘探储量：至2001年底，探明储量30111.91亿m³。分布：21个盆地之中，主要集中分布在四川、鄂尔多斯、塔里木、柴达木、琼东南、莺歌海、东海、渤海湾、松辽、准噶尔、吐哈盆地等11个盆地之中。四川气区柴达木气区塔里木气区鄂尔多斯气区库车－塔北塔西南三湖下古风化壳上古岩性川东飞仙关鲕滩川西浅层气含气盆地新区带3．中国NG勘探返回4．中国天然气生产商68%18%9%5%中国石油天然气总公司中国海洋石油总公司中国石油化工集团公司其它返回5．西气东输Š“西气”“东输