单混合制冷剂液化工艺热力学探讨

杨振国

关键词：单混合制冷剂;液化工艺;热力学

1理论基础和意义

分析液化流程之前，要介绍液化工艺热力学相关理论知识。

天然气液化后会急剧浓缩，体积只有气态时的1/600，可便于运输，对天然气跨国贸易和偏远地区的少量天然气回收具有重要意义。在对天然气进行液化时，只有以大量能量作为支撑，才能提高制冷循环的效率，如何在此基础上降低装置的能耗，是当前应解决的主要问题。

混合制冷循环是新兴技术，但是效率超过其他制冷技术，在天然气液化方面具有很高的效率，目前存在的问题是我国对这项技术的研究刚刚起步，在实际操作和制冷剂优化方面存在一些问题有待改进[1]。

在天然气液化流程中，首先要对混合天然气进行干燥液化，因此选择单体式混合空气制冷剂、采用铝制循环绕管式新型快速低温低冷换热器作为风机液化空气部分的主要基础换热设备，制冷剂能快速循环，同时需要依靠一台电动机驱动两级离心空气压缩机，不能使离心压缩机在快速散热的同时快速转移，从而使高压空冷器提供大量吸入水的缓冲、为风机制冷剂吸入混合物等，并在恰当的低温时吸入，为风机进行冷空气液体的分离等提供的热容器。选择的制冷剂组有与天然气相符的冷却和加热曲线，通过增大铝制绕管式低温换热器的表面积，降低液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）耗费的能量[2]。本工艺的主要目标是围绕焓曲线图，减小天然气与制冷剂之间的温差，使其符合标准，避免出现偏差，因此，需要采用两个级别的混合制冷剂。

2液化流程设备的分析模型

在天然气液化装置中有众多设备相互配合工作，流程如图1所示。主要设备有多相流换热器、压缩机、空气冷却器、气液分离器、混合器和节流阀。本节主要围绕主要设备，提出相应的平衡方程，得出各个设备?损失的大小，为后续研究提供相应的理论依据。

忽略工質的动能和位能，稳流工质的焓?可表示为：

2.1 压缩机损失

压缩机是一种将低压气体提升为高压气体的从动的流体机械，是我国现代工业制冷系统的重要技术心脏。

3.2 热力计算结果

?分析计算是以整个过程中的热力学计算为基本准则的，可以依据表1和表2中的参数进行计算，压缩机功耗为13.72 MW、制剂冷提供的冷量为10.68 MW、天然气消耗的冷量为9.58 MW;制冷效率为69.80%。通过计算发现，各个设备的?损失集中在主要设备中。

4 降低?损失的措施

通过上述分析发现，?损失主要发生在制冷剂压缩机、空气冷却器和换热器中，其中，能量转换的损失较为严重。降低压缩机?损失的方法有很多种，最有效、最科学的方法是合理设置压缩机吸入温度和压缩系数，结合实际情况和?损失分析，或者对压缩机的结构进行相应的改造，最大限度地发挥压缩机的绝热功效，改造压缩机的目的就是提高压缩机的绝热效率，实现能量损耗的最小化，保证能量得到最大化利用。强化传热措施是降低换热器?损失较为合适的方法，目的是增大换热面积，将冷却器中温度较高的制冷剂和空气进行换热。因为空气的温度很难提高，所以无法重新利用空气中的热量。制冷系统的特点之一是对低温位的热源没有需求，所以空冷过程的?损失不能降低。此外，可以采用烃类混合物作为制冷剂减小传热温差，同时在整个流程中采用回热的方法，降低制冷剂应用过程中过多的负担。为了使天然气和制冷剂之间达到良好的换热效果，该过程中必然存在换热温差，但是不会引起不良效应，所以该方法可以得到良好的应用，同时能保证换热器在运行过程中的温差均衡[3]。

分析单混合制冷剂液化工艺热力学发现，天然气在液化过程中存在多方面的能量消耗问题，通过改造压缩机结构以及调整换热器和空气冷却器，可以显著降低整个过程中的?损失，提高制冷系统的应用效果。

5 结语

通过详细的案例分析单一和混合空气制冷剂的制备工艺流程问题，阐述空气液化制冷工艺中产生?损失的主要原因。通过分析可知，制冷机中的压缩机、空气加热冷却器和空气换热器一直是发生空气?损失的主要工作场所，其中，?损失量最大之处是把空气放在冷却器中。天然气和制冷剂之间进行换热是有条件的，即要求两者达到一定的温差，但是，换热温差会引起不可逆的损失，因此，需要完善制冷剂的功能、降低设备运行的压力，使换热器的换热温差达到可以进行换热的标准。后续研究需找到更好的降低?损失的方法与措施，实现技术上的突破。