新型混合工質低溫相平衡實驗研究及氣體液化系統優(yōu)化.pdf

1、制冷壓縮機驅動的多元混合工質一次J—T節(jié)流制冷循環(huán)氣體液化系統是近年來低溫科學領域興起的研究熱點。相對于Stirling等低溫液化機，其具有更高效率，更低的成本，可配套設計低溫換熱器及預冷級后用于氮氣、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)氣體液化系統進行數學建模并優(yōu)化計算，具有學術研究及工程設計上的雙重現實意義，對于建立具備本國知識產權的新型低溫液化系統亦有重要的參考價值。 本文完成的主要研究內容及獲得的相

2、關結果如下： (1)提出一種新型混合制冷劑循環(huán)氣體液化系統并完成液化實驗臺的初步構建。本實驗中心在BP公司資助下建立空氣液化系統，采用新型混合制冷劑循環(huán)實現氣體液化過程。根據實驗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)同時采用一級水冷卻及一級R404A冷水機組預冷；系統主驅動設備為Copeland15hp渦旋全封閉壓縮機；兩塊預冷換熱器采用自行設計、外委加工的板式換熱器；利用三股流板翅式

3、換熱器作回熱器，制冷劑在其中一次回熱節(jié)流并液化原料氣體，多股流換熱器外委四川空分制造。該流程為下步系統熱力學性能優(yōu)化提供了直接的研究對象。 (2)編制了多元混合工質低溫相平衡熱物性計算程序。熱物性的計算是系統熱力性能優(yōu)化的前提與基礎，本文中主要計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、露點、臨界溫度及求焓熵等子程序模塊；為保持物性計算中狀態(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算的狀態(tài)方程；相平衡計算結果與國外實驗數據進行了對比，結果令人滿意。 (3)低溫相平衡實驗研究。低溫熱物性的實驗測量是熱工科學研究難點，由于低溫基本物性數據較為缺乏，特別是高精度低溫物性數據。在調試良好前提下，本文作者利用中心引進法國先進的相平衡測試裝置：①測量了30組CF4在較寬溫度區(qū)間(141.76-225.71)K內的飽和蒸氣壓數據]。并分別運用了Wagner型、朱明善提

5、出的改進Wagner型及項—譚方程對測得的飽和蒸氣壓數據進行了擬合，并對各蒸氣壓方程進行誤差分析，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個溫度共66個點相平衡實驗點，并采用Peng—Robinson狀態(tài)方程結合Van der Waals混合規(guī)則對實驗數據進行了擬合計算。發(fā)現實驗數據具有較好的熱力學一致性，但由于各對應溫度下的實驗點擬合出的kij與溫度無明

6、顯的關聯性，故對所有相平衡實驗點進行擬合，計算出統一的二元關聯系數kij=—0.0935，在狀態(tài)方程中代入該kij，(p，T)閃蒸計算出新氣相組分，并同時得出各計算值與實驗值之間的差。該kij能夠方便的為科研工作者應用。 (4)低溫液化流程中各設備模塊的熱力性能子程序的編制。熱物性計算程序編制后，必須在熱物性計算各程序基礎上再編程模擬流程各設備模塊的熱力性能，為實現低溫液化流程的熱力優(yōu)化打下基礎，主要包括壓縮機，節(jié)流閥及換熱器等

7、熱力程序模塊。其中各熱力設備模塊的計算結果與著名化工流程軟件計算結果進行對比，結果令人滿意；在前面編程的基礎上，對新型混合制冷劑循環(huán)氣體液化系統進行數學建模并優(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建立了數學模型，本文運用進化算法對該數學模型進行優(yōu)化運算，計算得低溫液化系統運行的最優(yōu)性能系數COP及最優(yōu)工況；并在最優(yōu)工況附近進行正交模式下的擾動計算，相應得到各擾動工況下的性能系數COP，計算證明了優(yōu)化結

8、果的合理性。 (5)煤層氣液化流程中爆炸極限的分析計算。本文提出一種新的煤層氣液化思路：即礦區(qū)抽采的煤層氣僅經過脫水、塵及二氧化碳后直接輸入液化系統液化。由于需考慮液化過程中燃氣安全性，本文在嘗試建立了同時以氣體組分，溫度，壓力三參數為變量的爆炸極限計算公式基礎上，以典型組分的管道煤層氣為例計算出其液化過程中的爆炸極限，結論是：①對于某一液化壓力，存在對應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