新型混合工質(zhì)低溫相平衡實(shí)驗(yàn)研究及氣體液化系統(tǒng)優(yōu)化.pdf

1、制冷壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的多元混合工質(zhì)一次J—T節(jié)流制冷循環(huán)氣體液化系統(tǒng)是近年來低溫科學(xué)領(lǐng)域興起的研究熱點(diǎn)。相對于Stirling等低溫液化機(jī)，其具有更高效率，更低的成本，可配套設(shè)計(jì)低溫?fù)Q熱器及預(yù)冷級后用于氮?dú)?、空氣及煤層氣等氣體的液化。對該新型混合制冷劑循環(huán)(MRC)氣體液化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并優(yōu)化計(jì)算，具有學(xué)術(shù)研究及工程設(shè)計(jì)上的雙重現(xiàn)實(shí)意義，對于建立具備本國知識產(chǎn)權(quán)的新型低溫液化系統(tǒng)亦有重要的參考價(jià)值。 本文完成的主要研究內(nèi)容及獲得的相

2、關(guān)結(jié)果如下： (1)提出一種新型混合制冷劑循環(huán)氣體液化系統(tǒng)并完成液化實(shí)驗(yàn)臺(tái)的初步構(gòu)建。本實(shí)驗(yàn)中心在BP公司資助下建立空氣液化系統(tǒng)，采用新型混合制冷劑循環(huán)實(shí)現(xiàn)氣體液化過程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室液空需求以及空間布置，提出方案：主制冷循環(huán)為混合制冷劑一次J—T節(jié)流循環(huán)，其循環(huán)同時(shí)采用一級水冷卻及一級R404A冷水機(jī)組預(yù)冷；系統(tǒng)主驅(qū)動(dòng)設(shè)備為Copeland15hp渦旋全封閉壓縮機(jī)；兩塊預(yù)冷換熱器采用自行設(shè)計(jì)、外委加工的板式換熱器；利用三股流板翅式

3、換熱器作回?zé)崞鳎评鋭┰谄渲幸淮位責(zé)峁?jié)流并液化原料氣體，多股流換熱器外委四川空分制造。該流程為下步系統(tǒng)熱力學(xué)性能優(yōu)化提供了直接的研究對象。 (2)編制了多元混合工質(zhì)低溫相平衡熱物性計(jì)算程序。熱物性的計(jì)算是系統(tǒng)熱力性能優(yōu)化的前提與基礎(chǔ)，本文中主要計(jì)算了混合制冷劑及原料氣的相平衡熱物性及焓熵等。該程序包包括(p，7)閃蒸、(p，h)閃蒸、(p，s)閃蒸、泡點(diǎn)、露點(diǎn)、臨界溫度及求焓熵等子程序模塊；為保持物性計(jì)算中狀態(tài)方程的通適性，本文

4、選用Peng—Robinson方程作為相平衡及焓熵計(jì)算的狀態(tài)方程；相平衡計(jì)算結(jié)果與國外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，結(jié)果令人滿意。 (3)低溫相平衡實(shí)驗(yàn)研究。低溫?zé)嵛镄缘膶?shí)驗(yàn)測量是熱工科學(xué)研究難點(diǎn)，由于低溫基本物性數(shù)據(jù)較為缺乏，特別是高精度低溫物性數(shù)據(jù)。在調(diào)試良好前提下，本文作者利用中心引進(jìn)法國先進(jìn)的相平衡測試裝置：①測量了30組CF4在較寬溫度區(qū)間(141.76-225.71)K內(nèi)的飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)]。并分別運(yùn)用了Wagner型、朱明善提

5、出的改進(jìn)Wagner型及項(xiàng)—譚方程對測得的飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，并對各蒸氣壓方程進(jìn)行誤差分析，為低溫科研工作者提供了不同形式高精度的CF4飽和蒸氣壓方程；②測量了(134.27-204.85)K之間N2+CF4體系8個(gè)溫度共66個(gè)點(diǎn)相平衡實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，并采用Peng—Robinson狀態(tài)方程結(jié)合Van der Waals混合規(guī)則對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合計(jì)算。發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的熱力學(xué)一致性，但由于各對應(yīng)溫度下的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)擬合出的kij與溫度無明

6、顯的關(guān)聯(lián)性，故對所有相平衡實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行擬合，計(jì)算出統(tǒng)一的二元關(guān)聯(lián)系數(shù)kij=—0.0935，在狀態(tài)方程中代入該kij，(p，T)閃蒸計(jì)算出新氣相組分，并同時(shí)得出各計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的差。該kij能夠方便的為科研工作者應(yīng)用。 (4)低溫液化流程中各設(shè)備模塊的熱力性能子程序的編制。熱物性計(jì)算程序編制后，必須在熱物性計(jì)算各程序基礎(chǔ)上再編程模擬流程各設(shè)備模塊的熱力性能，為實(shí)現(xiàn)低溫液化流程的熱力優(yōu)化打下基礎(chǔ)，主要包括壓縮機(jī)，節(jié)流閥及換熱器等

7、熱力程序模塊。其中各熱力設(shè)備模塊的計(jì)算結(jié)果與著名化工流程軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果令人滿意；在前面編程的基礎(chǔ)上，對新型混合制冷劑循環(huán)氣體液化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并優(yōu)化其熱力性能。在本文中，對甲烷(煤層氣)液化流程及空氣液化流程的熱力系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型，本文運(yùn)用進(jìn)化算法對該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，計(jì)算得低溫液化系統(tǒng)運(yùn)行的最優(yōu)性能系數(shù)COP及最優(yōu)工況；并在最優(yōu)工況附近進(jìn)行正交模式下的擾動(dòng)計(jì)算，相應(yīng)得到各擾動(dòng)工況下的性能系數(shù)COP，計(jì)算證明了優(yōu)化結(jié)

8、果的合理性。 (5)煤層氣液化流程中爆炸極限的分析計(jì)算。本文提出一種新的煤層氣液化思路：即礦區(qū)抽采的煤層氣僅經(jīng)過脫水、塵及二氧化碳后直接輸入液化系統(tǒng)液化。由于需考慮液化過程中燃?xì)獍踩裕疚脑趪L試建立了同時(shí)以氣體組分，溫度，壓力三參數(shù)為變量的爆炸極限計(jì)算公式基礎(chǔ)上，以典型組分的管道煤層氣為例計(jì)算出其液化過程中的爆炸極限，結(jié)論是：①對于某一液化壓力，存在對應(yīng)的最低安全液化溫度，只有高于該極限溫度，煤層氣才能安全液化；②隨著壓力的升