制冷工艺的技术分析范文

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《石油化工应用杂志》2014年第五期

1简单制冷

1.1冷剂制冷

利用沸点低于环境温度的工艺流体通过压缩、冷凝、膨胀及蒸发组成的压缩制冷循环可实现制冷的目的。借助外界机械能，通过选择不同冷剂、压缩制冷循环方式可不断降低温度直至深冷。冷剂制冷法由独立设置的冷剂压缩制冷循环向天然气提供冷量。制冷能力与原料气的温度、压力及组成无关，通过调节制冷循环的工作压力来控制制冷温度以满足生产的需求，调节操作过程安全稳定。冷剂制冷的最低制冷温度受工质蒸发温度的限制，最低为冷剂在蒸发压力下的蒸发温度。单一冷剂制冷中常用冷剂有氨、丙烷等，丙烷的蒸发温度较低（-42℃）与氨相当（-33℃），可利用环境介质进行压缩后的冷凝，蒸发相变焓虽然低于氨的蒸发相变焓，但由于易得，毒性小，安全且与被冷却流体同类，在制冷工艺中广泛应用。受冷剂制冷温度的限制，轻烃收率难以继续提高。提高天然气分离压力使气液两相相分离温度升高，可在一定程度上提高天然气凝液的收率，但增压提高收率的作用有限。-30℃下不同原料气丙烷收率与分离压力的模拟结果（见图2），低压时丙烷收率随着分离压力的提高而快速增加，但增加的幅度不断降低。分离压力的进一步增加对提高凝液收率的作用减弱，压力的增加导致能耗变大，同时工艺设备的压力等级要求和造价也会大大提高，提高收率的经济性变差。天然气中甲烷含量愈高，加压提高凝液收率的作用愈弱，最优分离压力愈高。不同组成天然气的最优分离压力各异，可通过模拟计算得出以指导生产。改变单一制冷工艺中冷剂的组成，添加更轻且蒸发温度更低的组分，通过降低混合冷剂的蒸发温度，仍借助环境介质进行压缩后介质的冷凝，利用原有压缩制冷循环的混合冷剂制冷可在一定程度上获得较单一冷剂更低的制冷温度。通过选择蒸发温度更低的单一冷剂如乙烷、甲烷进行制冷循环可实现更低的制冷温度，但受冷剂临界温度（32.1℃、-82.6℃）的限制，环境介质已远远不能满足要求，必须采用阶式制冷循环才能得到更低温位（-88.6℃、-161℃）的冷量，达到提高轻烃收率的目的。

1.2简单制冷方法工艺分析比较

不同制冷工艺的特点各异，根据原料气的压力、组成、液烃收率等因素选择、调整操作是保障装置安全、平稳运行的基础。节流阀制冷适合较低的原料气量，能够适应大的气量波动且操作简单，在节流阀出口允许有很大的带液量，当气体有可供利用的压力能，而且不需要很低的制冷温度时，采用等焓膨胀特性的节流阀制冷是一种简单有效的制冷方法。与透平膨胀机制冷相比，节流阀的制冷量要小的多，难以满足在较低温度下高轻烃收率的要求。在同样的初始状态和膨胀比条件下，气体透平膨胀对外做功引起温降，冷量损失较少，所以无论从制冷温位还是从制冷量上来讲，具有等熵膨胀特性的透平膨胀的效率更高，二者的差值与温度、压力有关。当压力较低而温度较高时，差值较大，随着压力的增加，二者的差值逐渐减小，最终接近于零，当原料气的压力很高时，简单节流阀制冷更具优势。原料气较富时制冷量的需求过大，若采用透平膨胀机对其进行制冷则原料气的压缩功会太大，能耗较高，并由于较高的原料气压力使操作稳定性降低，同时透平膨胀机允许的带液量有一定限度，而节流阀出口允许有很大的带液量，故较富的原料气不适合采用透平膨胀机制冷。冷剂制冷的制冷量与原料气的贫富程度及压力无关，加压、降温均能实现气相混合物冷凝，对于含C4、C5及更轻的烃类混合物，降温冷凝的功耗低于加压冷凝的功耗，降温成为提高轻烃收率的首选技术。利用混合冷剂在一定压力下蒸发，可产生较单一冷剂更低且为一定温度范围的低温冷量，通过改变冷剂的组成还可以方便调节蒸发温度以适应不同组成天然气的冷凝分离要求。混合冷剂制冷工艺与单一制冷工艺的流程完全相同，不需要增加设备投资。但是混合冷剂中呈气态、气液平衡态、液态的物质组成不断变化，对冷凝器、蒸发器、压缩机的设计尤其是操作、管理带来很大的难题，工程实际应用价值受限。通过选择蒸发温度更低的单一冷剂也可实现较低的制冷温度，比如采用乙烷可获得最低为-88.6℃的低温冷量，但是受乙烷临界温度（32.1℃）的限制，不能利用环境作为冷凝介质，必须采用阶式制冷循环。阶式制冷循环中天然气与冷剂梯级降温，冷热流体的温差小，制冷效率高，能耗较低，但流程复杂，难以平稳操作，投资较大，轻烃回收装置中也极少采用。处理量小、原料气组成较富、其压力与外输气压力之间没有足够压差可供利用时，采用冷剂制冷法比较经济，通常选用丙烷作为冷剂；当处理量较小、原料气组成较贫、原料气压力较大且随开采过程压力逐渐递减又不要求高的乙烷收率时，采用节流阀制冷既能够经济地达到收率要求，又节省了装置的投资及能耗；当处理量较大、原料气组成较贫、且需要回收较多乙烷时，可采用透平膨胀制冷。无论哪种简单制冷方式都有一定的局限性，难以同时满足天然气组成、温度、压力以及较低制冷温度的要求。因此应依据实际情况，从原料气组成、装置建设目的、产品收率要求、生产成本和工程投资等方面进行综合分析、合理的选择。作为初选轻烃回收制冷工艺的依据（见图3，图4）。

2复合制冷

高收率与低能耗是轻烃回收的发展方向，针对我国天然气井口压力较低、天然气大多较贫且组成变化较大的现状，轻烃回收需要的温度持续降低，单一的制冷方法很难达到要求。虽然增压－膨胀机制冷可以达到温度要求，但膨胀机的带液问题会带来一系列的附加损失，使膨胀机的效率降低、能耗过大，对富含重烃的天然气（富气）仍不适宜。轻烃回收工艺上应用最多的是以膨胀制冷作为主要冷源，冷剂制冷作为辅助冷源的复合制冷法，采用逐级制冷和逐级分离冷凝液的措施来降低冷量消耗和提高制冷深度，以达到较高冷凝率，最大限度地回收天然气中的轻烃。复合制冷法的冷源有两个或两个以上，装置运转受外界条件变化影响小，适应性强，保障了装置的安全、平稳、高收率运行；复合制冷法中外加制冷系统比冷剂制冷法要简单、容量小，外加制冷系统仅仅须解决高沸点烃类即重烃的冷凝问题。复合制冷与单一的冷剂制冷、膨胀制冷相比，既克服了冷剂制冷装置流程复杂以及制冷温度受限的缺点，也克服了透平膨胀机制冷稳定性差、对原料气适应能力差的缺点。复合制冷工艺由于外加冷源的存在，可使重烃提前冷凝分离，大幅度减少了透平膨胀机的带液，而且又能够补充节流阀制冷所缺乏的冷量，装置整体能耗大幅较低，丙烷收率特别是乙烷收率大幅提高，是当前先进、合理、有效的轻烃回收制冷方式，可实现高收率，低能耗的目标。

3结语

轻烃回收制冷工艺的选择、操作条件受原料气组成、温度、压力和处理量等条件的影响，保障装置的安全稳定生产，改善适应不同条件下运行的灵活性，提高轻烃收率对于清洁生产意义重大。降低制冷温度、改善制冷效率、提高能量利用率是制冷工艺设计、运行的核心。混合冷剂制冷利用大气环境作为冷凝介质，通过冷剂组成、压力的调节可产生较单一冷剂更低且为一定温度范围的低温冷量以适应不同组成天然气的冷凝分离要求，工艺流程简单，能耗低。解决混合冷剂的相平衡、压缩、换热等瓶颈，优化混合冷剂制冷设计和自控水平，降低操作、管理的难度是混合冷剂制冷工程化的关键。随天然气压力的降低、天然气组成的变化，以混合冷剂主导的复合制冷工艺由于安全性好、适应面广、灵活性大、能耗低、轻烃收率高，在轻烃回收中的应用将不断扩展。

作者：张东华汤颖郭亚冰范峥单位：西安石油大学石油炼化工程技术研究中心