制冷方法油氣集輸主講教師：潘長(zhǎng)滿一、蒸氣壓縮制冷二、膨脹機(jī)制冷目錄三、制冷設(shè)備的近期發(fā)展四、冷箱第一部分蒸氣壓縮制冷（一）制冷原理（二）制冷劑性質(zhì)（三）分級(jí)制冷（四）階式制冷（五）混合冷劑制冷一、蒸氣壓縮制冷蒸氣壓縮制冷是天然氣凝液回收中使天然氣獲得低溫的一種常用制冷方法。利用冷劑在汽化過程中從天然氣吸收汽化潛熱，使天然氣獲得低溫。（一）制冷原理如圖所示，蒸氣壓縮制冷裝置主要由四部分組成壓縮機(jī)冷凝器膨脹閥蒸發(fā)器蒸氣壓縮制冷循環(huán)一、蒸氣壓縮制冷（一）制冷原理其制冷原理常用溫熵圖表示圖6-4-C-3-1線表示制冷劑在T-s為臨界點(diǎn)包絡(luò)線內(nèi)為氣液兩相區(qū)泡點(diǎn)線左方為過冷液體區(qū)露點(diǎn)線右方為過熱蒸氣區(qū)制冷劑蒸氣在壓縮機(jī)內(nèi)被絕熱壓縮成過熱蒸氣，若按理想情況考慮，壓縮過程在T-s圖上可用等熵線1-2表示。蒸氣壓縮制冷循環(huán)一、蒸氣壓縮制冷（一）制冷原理制冷劑過熱蒸氣進(jìn)入冷凝器，等壓下冷凝成為飽和液體。制冷劑液體又經(jīng)膨脹閥絕熱節(jié)流，節(jié)流前后流體的焓值不變，液體的壓力溫度降低。因?yàn)楣?jié)流是不可逆過程，在T-s圖上用虛線4-5表示。如圖上的2-3-4線，2-3和3-4分別為過熱蒸氣區(qū)和氣液兩相區(qū)的等壓線。蒸氣壓縮制冷循環(huán)一、蒸氣壓縮制冷（一）制冷原理蒸發(fā)器實(shí)為換熱器，冷劑走殼程，天然氣走管程，冷劑在殼程內(nèi)等壓下蒸發(fā)成為飽和蒸氣所需的汽化潛熱由天然氣提供。節(jié)流膨脹后，高濕度的低壓低溫冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器。冷劑在裝置內(nèi)不斷得進(jìn)行上述循環(huán)，使天然氣獲得低溫。蒸氣壓縮制冷循環(huán)與理想的逆卡諾制冷循環(huán)較接近，制冷效率較高，在天然氣凝液回收中獲得廣泛使用。蒸氣壓縮制冷循環(huán)一、蒸氣壓縮制冷（二）制冷劑性質(zhì)（1）在制冷裝置的工作溫度范圍內(nèi)應(yīng)有合適的飽和壓力。蒸發(fā)壓力應(yīng)略高于大氣壓，以免空氣進(jìn)入系統(tǒng)。冷凝壓力也不宜過高以降低壓縮機(jī)能耗及管線、冷凝器的金屬耗量和建設(shè)費(fèi)用。制冷劑性質(zhì)要求（2）在工作溫度范圍內(nèi)，要求冷劑的汽化潛熱大，以減少冷劑循環(huán)量和壓縮機(jī)尺寸。（3）冷劑液體的比熱小，使蒸發(fā)器內(nèi)的汽化量增大，節(jié)流損失減小，提高制冷系數(shù)。（4）臨界溫度應(yīng)遠(yuǎn)高于工作溫度，使循環(huán)在原理臨界點(diǎn)的兩相區(qū)內(nèi)進(jìn)行，有效地利用冷劑的汽化潛熱，提高經(jīng)濟(jì)性。一、蒸氣壓縮制冷（二）制冷劑性質(zhì)制冷劑性質(zhì)要求（5）沸點(diǎn)和冰點(diǎn)低，在要求制冷溫度下易于蒸發(fā)，又不會(huì)凝固而阻塞管線和設(shè)備。蒸氣的比容小、冷劑的傳熱性質(zhì)好，減小設(shè)備尺寸。（6）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在高溫下不分解；腐蝕性小；安全無毒；價(jià)格低廉等。幾乎沒有一種制冷劑能全部滿足上述要求，天然氣工業(yè)中常用的制冷劑為氨，氟利昂和烴類。氨是一種較好的制冷劑。一、蒸氣壓縮制冷（三）分級(jí)制冷在天然氣凝液回收中，除上述一級(jí)簡(jiǎn)單制冷外，還常用二級(jí)制冷、三級(jí)制冷甚至四級(jí)制冷。以下分析制冷級(jí)數(shù)與制冷效果間的關(guān)系。一級(jí)制冷1一級(jí)制冷的流程與圖相似。但在壓縮機(jī)進(jìn)口設(shè)冷劑氣罐。冷凝器出口設(shè)有儲(chǔ)存液態(tài)冷劑的儲(chǔ)罐。蒸氣壓縮制冷循環(huán)一、蒸氣壓縮制冷（三）分級(jí)制冷分級(jí)制冷2分級(jí)制冷可以是二級(jí)制冷、三級(jí)制冷或四級(jí)制冷。由二級(jí)壓縮機(jī)出口壓力為P1的冷劑氣體，經(jīng)冷凝器冷凝后流入冷劑罐。冷劑經(jīng)節(jié)流、壓力降為P2后，有兩種方式進(jìn)入分離器8。二級(jí)和經(jīng)濟(jì)循環(huán)流程一、蒸氣壓縮制冷（三）分級(jí)制冷分級(jí)制冷2一種是直接在8內(nèi)進(jìn)行氣液閃蒸分離，蒸氣進(jìn)入二級(jí)壓縮機(jī)入口，液體經(jīng)節(jié)流、壓力降為P3后進(jìn)入低壓蒸發(fā)器7為工藝流體制冷；另一種是在中壓（P2）蒸發(fā)器內(nèi)為工藝流體提供冷量后進(jìn)入分離器8，液體冷劑的后續(xù)流程與前一種相同。二級(jí)和經(jīng)濟(jì)循環(huán)流程一、蒸氣壓縮制冷（三）分級(jí)制冷分級(jí)制冷2前一種流程僅靠低壓蒸發(fā)器制冷，分離器8也稱節(jié)能器，流程稱經(jīng)濟(jì)流程。后一種流程為帶中壓蒸發(fā)器的二級(jí)壓縮制冷流程，由兩個(gè)壓力和溫度水平不同的蒸發(fā)器為天然氣提供冷量。二級(jí)和經(jīng)濟(jì)循環(huán)流程一、蒸氣壓縮制冷（三）分級(jí)制冷三分級(jí)制冷三級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)，是二級(jí)制冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一臺(tái)壓縮機(jī)、分離器和/或蒸發(fā)器。分級(jí)制冷的級(jí)數(shù)愈多，制冷能耗愈低，但增加的設(shè)備費(fèi)用愈高。再次強(qiáng)調(diào)，冷劑蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和冷劑液體過冷度是影響制冷效果的關(guān)鍵因素。分級(jí)制冷也只使用一種冷劑，這使制冷溫度受到冷劑蒸發(fā)溫度制約，天然氣不能得到各種冷凝溫度和輕烴回收率的要求。為此，開發(fā)了階式制冷使天然氣能獲得更低的溫度和最大的輕烴回收率。一、蒸氣壓縮制冷（四）階式制冷用不同常沸點(diǎn)冷劑逐級(jí)降低制冷溫度的制冷循環(huán)稱階式制冷，或復(fù)疊式制冷。制冷劑丙烷經(jīng)壓縮機(jī)增壓，在冷凝器內(nèi)經(jīng)水冷變成飽和液體，經(jīng)節(jié)流后部分冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)（溫度約-40℃）。把冷量傳給經(jīng)脫酸、脫水后的天然氣，部分冷劑在乙烯冷凝器內(nèi)蒸發(fā)，使增壓后的乙烯過熱蒸氣冷凝為液體或過冷液體。兩股丙烷釋放冷量后匯合進(jìn)丙烷壓縮機(jī)，完成丙烷的一次制冷循環(huán)。階式制冷一、蒸氣壓縮制冷（四）階式制冷冷劑乙烯以與丙烷相同的方式工作，壓縮機(jī)出口的乙烯過熱蒸氣由丙烷蒸發(fā)獲取冷量而變?yōu)轱柡突蜻^冷液體。節(jié)流膨脹后在乙烯蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)（溫度約-100℃），使天然氣進(jìn)一步降溫。最后一級(jí)的冷劑甲烷也以相同方式工作，使天然氣溫度降至接近-160℃，經(jīng)節(jié)流進(jìn)一步降溫后進(jìn)入分離器，分離出凝液和殘余氣。階式制冷一、蒸氣壓縮制冷（四）階式制冷在如此低的溫度下，凝液的主要成分為甲烷，成為液化天然氣。階式制冷是在20世紀(jì)60-70年代用于生產(chǎn)液化天然氣的主要工藝方法。若僅使用丙烷和乙烯（或乙烷）為冷劑構(gòu)成階式制冷系統(tǒng)，天然氣溫度可低達(dá)-100℃，也足以使大量乙烷及重于乙烷的組分凝析成為天然氣凝液。階式制冷一、蒸氣壓縮制冷（四）階式制冷因而階式制冷的能耗低、氣體液化率高（可達(dá)90%），但所需的設(shè)備多、投資多、制冷劑用量多、流程復(fù)雜。階式制冷循環(huán)的特點(diǎn)是蒸發(fā)溫度較高的冷劑除將冷量傳給工藝氣外，還使冷量傳給蒸發(fā)溫度較低的冷劑，使其液化并過冷。不少近代大型液化天然氣廠已采用混合冷劑制冷替代階式制冷。一、蒸氣壓縮制冷（五）混合冷劑制冷利用常沸點(diǎn)不同的幾種冷劑按比例混合構(gòu)成混合冷劑，它有較寬的蒸發(fā)溫度范圍和連續(xù)的蒸發(fā)曲線。合理確定混合冷劑內(nèi)各組分的比例，就可使蒸發(fā)曲線盡量和天然氣溫降曲線匹配，提高換熱效率乙烯分級(jí)制冷和由甲烷、乙烯、丙烷組成的混合冷劑蒸發(fā)曲線的比較?；旌侠鋭┲评湟?、蒸氣壓縮制冷（五）混合冷劑制冷混合冷機(jī)制冷循環(huán)流程：混合冷劑蒸氣經(jīng)壓縮、冷卻、部分冷凝后，進(jìn)入一級(jí)氣液分離器。冷劑在器內(nèi)閃蒸，冷劑中較重組分濃集于氣相分出的以重組分為主的液體冷劑進(jìn)換熱器吸取冷量。過冷后，經(jīng)節(jié)流膨脹成為第五濕蒸氣，又返回?fù)Q熱器進(jìn)一步蒸發(fā)放出冷量。一級(jí)分離器分出的氣體在換熱器內(nèi)吸取冷量降溫后，產(chǎn)生以中間組分為主的凝液，進(jìn)入溫度較低的二級(jí)分離器進(jìn)行分離。冷劑內(nèi)中間組分成為液體，輕組分為氣體?；旌侠鋭┲评湟?、蒸氣壓縮制冷（五）混合冷劑制冷上述過程即混冷劑部分冷凝、過冷、節(jié)流膨脹和蒸發(fā)反復(fù)進(jìn)行。冷劑內(nèi)的輕組分愈來愈多，蒸發(fā)或制冷溫度愈來愈低，使通過換熱器的天然氣溫度逐步降低，析出的凝液量逐步增多。流出換熱器（或冷箱）的天然氣凝液和殘余氣混合物進(jìn)凝液分離器分離，殘余氣進(jìn)銷售管線，凝液進(jìn)分餾廠加工為各種液體產(chǎn)品。一、蒸氣壓縮制冷（五）混合冷劑制冷此外，較難確定混合冷劑組分的合理選擇和配比。與階式制冷循環(huán)相比，混合冷劑制冷系統(tǒng)的流程和設(shè)備較為簡(jiǎn)單，設(shè)備少，投資約減少15%~20%。由于混合冷劑內(nèi)存在揮發(fā)性極強(qiáng)的組分，需很高壓力才能凝析，故壓縮能耗大20%左右。第二部分膨脹機(jī)制冷（一）透平膨脹機(jī)（二）熱分離機(jī)二、膨脹機(jī)制冷蒸氣壓縮制冷屬外部制冷，制冷劑與天然氣有各自的系統(tǒng)，相互間只存在熱量或冷量的交換。膨脹機(jī)在為天然氣制冷的同時(shí)，對(duì)外界輸出機(jī)械能或熱能，根據(jù)輸出能量形式的不同，膨脹機(jī)分為兩大類即輸出外功和輸出外熱型。而膨脹機(jī)與節(jié)流膨脹制冷都利用天然氣本身具有的壓能使天然氣降溫制冷。在天然氣制冷中，常使用輸出外功型的透平膨脹機(jī)和輸出外熱型的熱分離機(jī)。其中透平膨脹機(jī)使用更為廣泛。二、膨脹機(jī)制冷（一）透平膨脹機(jī)利用天然氣能量推動(dòng)膨脹機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，氣體在降壓、降溫（制冷）的同時(shí)，在葉輪軸上輸出外功，這種機(jī)械稱透平膨脹機(jī)。在膨脹機(jī)軸的另一端裝有吸收膨脹機(jī)輸出軸功率的壓縮機(jī)，稱制動(dòng)壓縮機(jī)。用膨脹機(jī)輸出的能量帶動(dòng)壓縮機(jī)為天然氣增壓，膨脹機(jī)和壓縮機(jī)構(gòu)成機(jī)組。膨脹機(jī)壓縮機(jī)兩者間的軸承和基座膨脹機(jī)-壓縮及典型結(jié)構(gòu)二、膨脹機(jī)制冷（一）透平膨脹機(jī)（1）原料氣和銷售氣之間存在較大的壓差可供利用，盡量避免氣體增壓而增大壓縮費(fèi)用。（2）氣體較貧，因膨脹機(jī)出口的允許凝液質(zhì)量含量一般要求小于10%。（3）要求乙烷回收率超過30%以上。（4）要求占地少，平面布置緊湊。根據(jù)透平膨脹機(jī)的特點(diǎn)，它適用于以下條件：（5）水電等公用事業(yè)費(fèi)用的價(jià)格較高。（6）要求操作彈性大，原料氣壓力和產(chǎn)品需求變化較大的場(chǎng)合。二、膨脹機(jī)制冷（一）透平膨脹機(jī)若符合上述兩個(gè)以上條件，透平膨脹機(jī)往往是制冷設(shè)備的最優(yōu)選擇。20世紀(jì)60年代初開始在氣體凝液回收中使用膨脹機(jī)。由于膨脹機(jī)流量大、體積小、結(jié)構(gòu)和操作簡(jiǎn)單、操作彈性大、制冷效果好等優(yōu)點(diǎn)。在氣體輕烴回收中的使用日益廣泛。二、膨脹機(jī)制冷（二）熱分離機(jī)熱分離機(jī)是輸出熱能的一種膨脹機(jī)簡(jiǎn)稱熱分離機(jī)。其工作原理是：利用氣體的絕熱膨脹，使氣體制冷。其工作過程呈現(xiàn)周期性每個(gè)周期分三個(gè)階段：進(jìn)氣階段變壓階段和排氣階段。二、膨脹機(jī)制冷（二）熱分離機(jī)熱分離機(jī)是一種把壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃亢屠淞康臋C(jī)器，其關(guān)鍵是形成間歇脈沖的高速氣流熱分離機(jī)結(jié)構(gòu)型式轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴式處理壓力較高、處理量較大的裝置，變壓管溫升很高，可設(shè)余熱回收器將這部分熱量用于分子篩再生等。靜止噴嘴式熱分離機(jī)無任何運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，但噴嘴和變壓管間形成的噴射氣流，易受管腔膨脹波和壓縮波的疊加干擾，能量損失較大，因而效率比轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴式膨脹機(jī)低。轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴式靜止噴嘴式熱分離機(jī)適用于氣量小，集氣較困難的場(chǎng)合。第三部分制冷設(shè)備的近期發(fā)展三、制冷設(shè)備的近期發(fā)展近年來，出現(xiàn)了兩種有潛在市場(chǎng)的制冷設(shè)備，即氣體超聲調(diào)質(zhì)器和旋風(fēng)管。這兩種設(shè)備能代替效率很低的J-T膨脹閥。與透平膨脹機(jī)相比，設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，沒有運(yùn)動(dòng)部件屬靜態(tài)設(shè)備。第四部分冷箱四、冷箱在氣體凝液回收廠常用深冷低溫氣體和常溫原料氣多級(jí)換熱，使原料氣溫度降低。將多個(gè)換熱器及其匯管、冷劑蒸發(fā)器、過冷器等集中于一個(gè)長(zhǎng)方形或筒形外殼內(nèi)，實(shí)現(xiàn)多股流體間換熱和換冷的設(shè)備稱冷箱。按結(jié)構(gòu)，冷箱為一種板翹式換熱器。板翹式換熱器的基本結(jié)構(gòu)，是由平隔板和翹片構(gòu)成板束、組裝而成。板翅式換熱器四、冷箱在兩塊平行金屬板間，放入波紋狀翹片，兩邊以側(cè)條密封，組成一個(gè)單元體。各單元體又以不同