（化学工程专业论文）环氧丙烷装置制冷过程优化与运行研究.pdf

n e p o x y p r o p a n e i n s t a l l m e n tr e f r i g e r a t i o np r o c e s s o ! m i z a t n dm o v e m e n t r e s e a r c h o , t i m i z a t i o n a nm o v e m e n t r e s e a r c n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fe n g n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：g u oh u i r u i s u p e r v i s o r ：p r o f l if a y o n g c o l l e g eo f c h e m i c a le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：叠金盎： 日期：j 口d 7 年殷月，d 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：叠金墨： 指导教师签名：三叁盔釜坚 日期：j 7 年应月l o 日 日期：加7 年瑚日 摘要 随着环氧丙烷市场需求进一步扩大，我公司环氧丙烷装置扩产已迫在眉睫。同时 随着工业能耗所占比重逐渐增大，节能降耗的重要性日趋增长，对降低现有装置的能 耗研究越来越受重视。我公司现有装置出现夏季高温天气制冷量不足的问题，这使得 原有的制冷装置不能满足环氧丙烷装置扩产的需要。解决问题的方法有两种：一种是 对制冷系统进行改造，扩大其制冷能力；另一种是在制冷系统基本不做变动的情况下， 通过优化传热系统减少工艺系统的冷量消耗。 针对制冷系统存在的问题，本文通过对环氧丙烷装置整个冷换系统进行分析，提 出了如下方案：在三套环氧丙烷装置皂化系统中均增加一级回流换热器，在制冷工段 溴化锂工序新增一台热水型溴化锂制冷机组，在三套环氧丙烷装置精馏冷却系统中均 增加一级冷水换热器。这样，在原来环氧丙烷装置能量利用的基础上重新进行了优化 整合，通过技术改造，达到节约能源，降低装置消耗，提高装置技术水平的目的，使 环氧丙烷装置内的冷量与热量能够充分利用，实现循环使用。该工艺的尝试设计和运 行，不仅有利于集团公司的可持续发展，也为国内环氧丙烷行业的节能降耗提供了一 条行之有效的技术路线。 关键词：环氧丙烷装置；冷量平衡；溴化锂：能耗 e p o x y p r o p a n ei n s t a l l m e n tr e f r i g e r a t i o np r o c e s so p t i m i z a t i o n a n dm o v e m e n tr e s e a r c h h u ir u i - - g u o c h e m i c a le n g i n e e r i n g d i r e c t e db yp r o f e s s o r f a y o n g - - l i a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee p o x y p r o p a n em a r k e td e m a n df u r t h e r e n l a r g i n g ，e x p a n d i n gt h e p r o d u c t i o nc a p a c i t yo ft h ee p o x y p r o p a n ei n s t a l l m e n th a sb e e ni m m i n e n t m e a n w h i l e a c c o u n tf o rt h ei n d u s t r i a le n e r g yc o n s u m p t i o ni n c r e a s i n g ，t h ee n e r g yc o n s e r v a t i o nb e c o m e s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，m o r e o v e rr e s e a r c h e r sd e v o t em u c ha t t e n t i o nt ot h er e s e a r c h i n g t or e d u c et h ep r e s e n t s y s t e me n e r g yc o n s u m p t i o n b e c a u s eo fo u rc o m p a n yo r i g i n a l r e f r i g e r a t i o ni n s t a l l m e n tc a n tm e e tt h en e e d so fr e f r i g e r a t i n gi nt h es u m m e rh i g h t e m p e r a t u r ew e a t h e r ，i tc a n tm e e tt h en e e d so fe x p a n d i n gt h ep r o d u c t i o nc a p a c i t yo ft h e e p o x y p r o p a n ei n s t a l l m e n t t h em e t h o d st os e t t l et h ep r o b l e ma sf o l l o w ：t h ef i r s tm e t h o di s t or e c o n s t r u c tt h er e f r i g e r a t i o ns y s t e mf o re x p a n d i n gi t sc a p a c i t y ；t h es e c o n dm e t h o di st o o p t i m i z eh e a te x c h a n g i n gp r o g r e s st or e d u c et h ec o l dq u a n t i t yc o n s u m p t i o no ft h es y s t e m b a s eo nt h eo r i g i n a lr e f r i g e r a t i o ns y s t e m t h em e n e n t i r ec o l d l yt r a d e so fe p o x y p r o p a n ei n s t a l li sa n a l y z e da n dt h r e ep l a n sa le p r o p o s e dt os o l v et h er e f r i g e r a t i o ns y s t e me x i s t e n c eq u e s t i o n f i r s t l y ，l e v e l so fb a c k f l o w h e a ti n t e r c h a n g e r si si n c r e a s e di nt h r e es e t so fe p o x y p r o p a n e si n s t a l l m e n ts a p o n i f i c a t i o n s y s t e m s e c o n d l y ，ah o tw a t e rl i t h i u mb r o m i d er e f r i g e r a t i o nu n i ti si n c r e a s e di nt h e r e f r i g e r a t i o nc o n s t r u c t i o ns e c t i o nl i t h i u mb r o m i d ew o r k i n g p r o c e d u r e t h i r d l y ，l e v e lo fc o l d w a t e rh e a ti n t e r c h a n g e r si si n s t a l l e di nt h ef i n ed i s t i l l c o o l i n gs y s t e mo ft h et h r e es e t so f e p o x y p r o p a n e s s ot h r o u g ht h et e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o n s ，t h ee n e r g yu s i n go ft h e o r i g i n a le p o x y p r o p a n ei n s t a l l m e n ti s o p t i m i z e d t h ee n e r g yi ss a v e d ，t h ei n s t a l l m e n t c o n s u m p t i o ni dr e d u c e da n dt h ei n s t a l l m e n tt e c h n i c a ll e v e li si n c r e a s e d t h ed e s i g n i n ga n d m o v i n go ft h i sc r a f tn o to n l yp r o m o t et h eg r o u pc o m p a n y ss u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t a l s o p r o v i d ea l le f f e c t i v et e c h n i c a lr o u t ef o rt h ed o m e s t i ce p o x y p r o p a n ep r o f e s s i o n e n e r g y c o n s e r v a t i o nc o n s u m e s k e y w o r d ：e p o x y p r o p a n ep l a n t ；c o l dq u a n t i t yb a l a n c e d ；l i t h i u mb r o m i d e ；e n e r g yc o n s u m p t i o n ； i i 目录 中文摘要_ i 英文摘要m i i 目录i i i 前言：1 第一章概述3 1 1 环氧丙烷装置概述及国内外现状3 1 2 目前石化工业节能技术- 6 1 3 现有国内外环氧丙烷工业能耗状况及节能问题6 1 4 制冷概论7 1 5 常用制冷方式介绍8 1 6 溴化锂制冷9 1 7 循环水凉水塔冷却l l 1 8 蒸发式冷凝器在制冷行业中的应用1 2 第二章课题提出的背景和意义1 6 2 1 课题提出的背景1 6 2 2 课题的意义2 l 2 3 本文的工作2 l 第三章方案设计2 2 3 1 工程设计依据j 2 2 3 2 设计原则2 2 3 3 对原有流程的分析2 2 3 4 方案的比较及确定3 0 3 5 改造后重新进行皂化和精馏部分的热量衡算3 3 3 6 改造后工艺流程3 7 3 7 改造后工艺流程4 0 第四章处理工艺自动化及其他内容4 3 4 1 自动化的情况4 3 4 2 蒸发式冷凝器系统4 4 第五章装置运行情况4 9 5 1 运行情况4 5 5 2 经济技术评价4 8 结论建议4 9 参考文献3 7 弱【谢3 9 i i i l 玉l 白| 油( 仁尔) 大学j 程硕i j 学位论文 月i j 舌 目前，国内的环氧丙烷装置几乎全部是氯醇法生产p o 的生产工艺，氯醇法 主要包括以下三个工序：次氯酸化工序、皂化工序、精馏工序。其中需要换热设 备的是皂化工序和精馏工序，就目前国内的氯醇法工序的工艺流程来看，在皂化 工序中，6 0 c 的氯丙醇经预热后( 有的生产厂家不经预热) ，与1 2 1 5o 6 0 石灰 乳混合后进皂化反应，顶温控制在9 3 ，底温控制在1 0 4 。c ，皂化反应热不大， 为了保持定的温度，工业上通常将物料预热接近9 0 。c 再进入反应器，并且在反 应器底部直接通人蒸汽。这种氯醇法制p o 工艺流程其冷换部分存在的问题主要 集中在精馏部分，精馏部分塔顶的成品p o 经过的两级换热器，分别采用循环水 和冷冻盐水，冷冻盐水主要是通过氨制冷系统制得，其运行成本较高，电耗大， 尤其是到了夏季高温雨季，由于环氧丙烷的沸点为3 3 2 c ，而此时的循环水上水 温度非常接近环氧丙烷的沸点，温差小，很难再将环氧丙烷冷却为液相，这样就 靠二级冷凝器的冷冻盐水来冷却，用冷冻盐水来克服p 0 的汽化潜热，而且有时 二级冷凝器还会出现跑料现象，这样造成配套冷冻装置负荷过大，制冷机耗电量 大，即不利于操作，提高了生产成本，还降低了收率。 目前我公司有两套环氧丙烷装置的实际生产能力已经达到7 5 万吨年，而氯 碱装置生产能力达到了1 7 万吨年，这样环氧丙烷装置和氯碱装置在满负荷牛产 时还有约4 吨d , 时的氯气需要液化处理，大量的液氯储存对公司的安全生产是比 较大的安全隐患，公司决定将这部分液氯通过技术改造加以平衡，以减少对安全 生产的威胁，经过公司的调研和讨论，决定对石化车间的两套环氧丙烷装置及其 配套装置进行改造，将环氧丙烷的总生产能力提高至1 0 万吨年。这样我公司原 有的制冷装置就不能满足扩产的需要，而在现有装置也反映出夏季高温天气制冷 量不足的弊端。 在我公司氯醇法生产p o ( e p o x y p r o p a n e ) 工艺中，经皂化部分的内回流换热 器送入精馏塔底再沸器的热水温度在9 0 c 左右，而精馏塔底需要热水温度在7 0 7 5 c ，显然，送精馏塔底的热量超出其所需热热量，还有一定的预热可以利用。 这样可以在皂化内回流换热器和皂化外回流换热器之间再增加一级换热器，将皂 h ui 化塔顶的热量再取出一部分，利用这部分余热作为温水型溴化锂机组的能源，用 温水型溴化锂机组制取低温冷水，同时在精馏一级和二级换热器之间也增加一级 换热器，此换热器采用溴化锂机组制出的冷水，冷却成品p o ，减少盐水用量。 这样就可以利用皂化塔顶的余热来作为能源，产生冷量，用于精馏系统，来克服 p o 的汽化潜热，降低冷冻装置的负荷，达到装置冷量热量平衡，降低系统能耗。 同时，针对p o 装置生产能力的提高，对制冷装置进行改造，降低压缩机负荷， 并对盐水系统流程进行优化，将盐水作为丙稀进次氯酸化塔之前进行预热的热 源。这样就充分利用了整个系统的冷热平衡，来实现了整个系统的能耗问题。 新装置在建成开始运行后；总体的情况达到了设计的要求。经过对环氧丙烷 装置的冷换系统的重新整合，循环水温度、盐水温度明显降低，电耗大幅下降， 不但适应了装置扩产的需要还彻底解决了装置夏季跑料的现象。皂化、精馏、制 冷系统从一年的运行数据来看，运行平稳，达到了当初预想的结果，实现了装置 的冷热平衡，能源的充分利用。 此次借装置扩改之际对装置的各用能系统进行整合，并对制冷装置进行改 造，充分利用装置的余热作为溴化锂机组的能源，制出冷量再作用于环氧丙烷装 置的冷换系统，充分达到了装置的冷热平衡。不仪解决了制冷系统的问题，同时 对降低环氧丙烷装置的能耗有非常重要的现实意义。因此这个工艺的成功运行， 对于滨化集团环氧丙烷装置的生存和今后的发展提供了保证，也为整个化工行业 如何整合装置的能源，用实现冷热平衡来降低装置能耗提供了行之有效的工艺路 线。 2 中困石油( # 尔) 大学+ i ：程硕l j 学位论文 第一章概述 1 1 环氧丙烷装置概述及国内外现状 1 1 1 环氧丙烷简介 环氧丙烷亦称氧化丙烯( 简称p o ) ，是丙烯的重要衍牛物中仪次子聚丙烯和 丙烯腈的第三大品种，它主要用于生产聚醚、丙二醇、聚氨酯等，也是第四代洗 涤剂非离子表面活性剂、油田破乳剂、增塑剂、阻燃剂、润滑剂、农药乳化剂等 的主要原料。环氧丙烷的衍生物还广泛用于食品、烟草、医药及化妆品等行业， 是精细化工产品的重要原料，发展前景广阔。在过去1 5 年，中国国内环氧丙烷需 求在下游衍生物强劲拉动下快速增长，从1 9 9 1 年仪5 万吨的消费量发展至t 2 0 0 5 年 的6 4 8 万吨，增长近1 2 倍，年平均增长率高达2 2 6 。 我国目前p o 牛产厂有近2 0 家，几乎全部为氯醇法生产工艺，随着近年来p 0 需求呈增长态势，国内不断有新增p o 生产装置，且全部是氯醇法生产工艺。目 前国内外p o 牛产工艺主要有： ( 1 ) 氯醇法 两步反应的氯醇法是p o 传统上采用的生产工艺，其不仪使用危险的氯气， 而且还产生大量含氯化钙的废水，造成环境污染。氯醇法生产p o 之所以没有大 的突破，关键在于生产工艺产牛的废水、废渣不易处理，有的企业在废水处理方 面虽然达标，但在废渣处理方面，大部分厂家采用堆积和掩埋的方法处理，对周 围环境和地下水造成严重污染。因此，氯醇法工艺牛产p o ，其废水废渣如果不能 有效的解决，将成为制约我围p o t 业发展的首要因素。 ( 2 ) 间接氧化法 国际上间接氧化法是以有机过氧化物使丙稀环氧化合成p o ，主要有h a l c o n 法币i s h e l l 法工艺。因其不存在氯醇法的废水处理和设备腐蚀难题，具有易分离、 收率高等优点，因此在全球的牛产能力很快占到p o 总能力的5 0 左右。但是， 间接氧化法的单位投资很高，工艺复杂且流程长，从2 0 世纪9 0 年代中期开始，间 接氧化法的建设速度有所减缓。我围在广东惠州与s h e l l 公司合资建设南海石油化 工乙烯联合工程，其配套装置即采用间接氧化法。 ( 3 ) 直接氧化法 3 第一章概述 目前，住友化学公司开发的新工艺采用专用钛基催化剂的固定床反应器，丙 烯通过丙烯过氧化物中间体转化成环氧丙烷，无副产物。该工艺采用过氧化氢 异丙苯( c h p ) 作为氧化剂，将异丙苯氧化成c h p ，c h p 使丙烯环氧化得氧丙 烷和二甲基苄醇。后者脱水为q 一甲基苯乙烯，然后再加氢牛成异丙苯，循环使 用瞳1 。我国些单位也在开展双氧水直接氧化丙烯制p o 的研究。最近，中国科 学院大连化学物理研究所开发出一种将丙烯氧化成环氧丙烷的新技术，使用该 技术可避免环氧丙烷工业牛产中存在的副产品污染环境的问题。该技术以双氧水 为氧化剂，用含钨的催化剂使丙烯氧化。当与双氧水一起使用时，含钨催化剂为 可溶态婚3 。但当双氧水用完以后，钨将沉淀下来，易于析出，催化剂可循环使用 f 4 0 1 1 2 氯醇法生产工艺国内进展 氯醇法的丰要优点是工艺简单，投资低，技术成熟和没有联产品，不必考虑 联产品的市场情况，其丰要缺点是消耗大量的氯气和石灰，并牛成大量污水，氯 醇法经过不断改进，技术上有很大提高，丰要表现在两方面：一是在氯醇化反应 抑制副反应，提高目的产品收率；二是减少原材料消耗【5 1 。 其反应方程式为： 2 h c l + c a ( o h ) 2 = c a c l 2 + 2 h 2 0 2 c 3 h t c l 0 + c a ( o h ) 2 2 c 3 h 6 0 + c a c l 2 + 2 h 2 0 1 1 3 氯醇化法生产工艺流程 ( 1 ) 氯醇化 氯醇化过程中，对氯丙醇浓度的控制十分重要，反应液中氯丙醇与二氯丙烷 的浓度以及氧根浓度增加，都将促使二氯丙烷的进一步牛产，一般氯醇浓度控制 在3 5 旧1 ，氯醇浓度低，虽有利于降i e p o 原料消耗定额，但在皂化时则要多 消耗蒸汽，不利于节约能源，目前世界上不少牛产装置将数个反应器串联在一起， 由氯气和水分别计量后进入氯气预溶器，氯气溶解后进入氯气塔的反应区，丙稀 经计量后由氧化塔底部进入，然后在反应区内与氧气、水进行氯醇化反应，丙稀 比氯气过量1 0 ，以确保氯气反应完全，反应温度控制在6 0 c 左右，除生产氯丙 醇外，还副产少量二氯丙烷，二氯二异丙醚等。反应液大部分通过循环管再回到 4 6 0 0 丙醇经预热n 8 0 ，与8 6 。c 1 2 1 5 石灰乳混合后进皂化塔反应，顶 温控制在9 3 。c ，底温控制在1 0 4 c 。在皂化塔之前，回收石灰乳与氯醇中的盐 酸在管中进行中和，即所谓一段皂化。 影响皂化反应的主要因素有以下几种。 a 反应器型式现工业上采用的皂化反应器有塔式反应器和内加折流板的釜 式反应器，目前世界上大多数采用塔式反应器，其丰要优点如下：一是生成的 p 0 易于从液体中吹出，减少副反应；二是蒸气可以多次通过塔板起汽提作用， 节约蒸气；三是减少了顶部吹出p o 冷凝用冷却水量。 b p o 吹出速度皂化反应过程中，必须将生成的p o 迅速吹出，否则在碱性 条件下，它将水合牛成丙二醇，降低p o 收率。因此，进人皂化反应器的蒸汽量， 不仅是加热物料，还要足以及时将p o 吹出。 c 温度皂化反应热不大，为了保持一定的反应温度，工业上通常将物料预 热到近9 0 再进人反应器，并且在反应器底部直接通入蒸汽。 d 压力皂化反应在波相体系中进行，压力对反应的影响不大。由于要用蒸 汽不断吹出生成的p o 和其它有机物，降低压力有利于这些物质逸出，从而降低 反应物的浓度，使反应趋向完全，有利于提高反应物转化率，因而日本旭硝子公 司等厂家便采用了真空皂化。 e 浓度根据反应动力学分析，提高氟丙醇浓度对反应有利。c a ( o h ) 2 。 与c a c l 2 。形成缓冲溶液，c a ( o h ) 2 。浓度对反应的影响不太大，一般控制在1 2 1 5 。浓度太浓则不利于泵输送，而且易堵塞管道。 f 石灰中m g 含量在m 9 2 + 存在下，皂化反应易牛成丙醛，因此，石灰r 扣m g o 含 量一般控制在1 以下。从皂化反应器底部排出的皂化废水，温度高达1 0 0 1 0 5 ，一般通过以下途径利用这部分热量，实现节能的目的。一是闪蒸皂化废水， 使闪蒸产牛的蒸汽再与新鲜蒸汽一道回到皂化反应器；二是利用闪蒸用底部排出 的废水以及皂化塔顶的物料与装置中需加热的物料换热；三是减压皂化，如锦西 化工总厂采用减压皂化，节汽效果良好，平均蒸汽单耗为3 5 吨。 5 第章概述 ( 3 ) 精馏 一般有两个精馏塔，第一精馏塔从塔底脱去水和二氯丙烷等重组分；塔顶馏 出物进人第二精馏塔，从塔顶脱去e o ( o x i r a n e ) 等轻组分，塔底出料作为最终 产品7 1 。 1 2 目前石化工业节能技术 发达工业国家国民经济中工业部门所耗用的能量占整个国家总能耗的4 0 以上。目前，我围工业生产能耗比重虽未达到这个程度，但是，随着我国国民 经济的发展，工业能耗所占比重也将随之增大，节能降耗的重要性日趋增长随1 。 而在工业生产中，石油化工行业是耗能大户，因此，要积极做好这方面的节能工 作1 。石油化工装置工业牛产中已采用的物流余能利用的典型技术有下列11 种 ( 1 ) 提高入炉空气温度，以回收工业炉烟道气的余热。 ( 2 ) 采用省煤器，利用烟道的余热发生蒸气，或采用省能器，利用烟道气的 余热加热工艺物流或热载体油。 ( 3 ) 用燃烧装置排出的可燃气体驱动燃气轮机。 ( 4 ) 采用热泵，提高低级能源的品位从而加以利用。 ( 5 ) 偶合不相关的塔，将一个塔的冷凝器作为另一个塔的再沸器。 ( 6 ) 级联，即将一个塔的塔顶蒸气直接送入另一个塔的塔底或塔中部 ( 7 ) 蓄热回收：蓄热回收最常见的例子是利用塔底物流来预热塔的进料或作 为其他塔的再沸器的热源。 ( 8 ) 在溶液蒸发中采用两效或三效蒸发的节能技术。 ( 9 ) 合成橡胶的胶液热水凝聚采用双釜凝聚工艺。 ( 1 0 ) 收集蒸汽凝液，将其作为再沸器、蒸发器等的热源或伴热、采暖用热。 ( 1 1 ) 通过节流闪蒸或膨胀机来回收物流压差所产牛的能量。在石油化工装置 设计中，一方面要重视采用典型的节能技术，另一方面还要结合装置过程的 特点开拓新的节能技术。 1 3 现有国内外环氧丙烷工业能耗状况及节能问题 随着我围精细化工和聚氨醋工业的发展，环氧丙烷( p o ) 产品虽然偶有不景 气的情况发牛，但总体需求呈增长态势0 1 。我国p o 生产厂有近2 0 家，几乎全 6 t 1 ，国白油( 华东) 大学l 程硕一i ：学位论文 部为氯醇法生产工艺，而真正保持p o 正常牛产的只有十几家大装置。目前牛产 能力在2 万t a 以上的牛产企业有9 家，其能力为4 4 万t a ，占总能力的8 9 2 。 9 0 年代初，各装置都展开了以物耗、能耗、环保、产量等达到设计指标为 目的达标活动。9 0 年代末，各企业开展了以扩大牛产能力和降低能耗为目的的 达标活动。到目前为止，随着聚醚市场的需求增多，新一轮的装置扩产又相继展 开。 衡量环氧丙烷装置技术水平高度的关键指标是能耗，环氧丙烷装置是巨大的 耗能装置，正因为如此，环氧丙烷装置的节能很受重视。在环氧丙烷装置的冷却 系统中，节能技术改造丰要在两个方面进行：一个方面是对工艺系统进行改进， 以降低能力消耗。二是对装置提供冷量的制冷系统进行改造以满足工艺能力提高 的要求。 1 4 制冷概论 制冷的方法很多，可分为物理方法和化学方法。但绝大多数为物理方法。目 前人工制冷的方法丰要有相变制冷、气体绝热膨胀制冷和半导体制冷三种3 。 ( 1 ) 相变制冷即利用物质相变的吸热效应实现制冷。如冰融化时要吸取8 0 k c a l k g 的熔解热；氨在1 标准大气压下气化时要吸取3 2 7 k c a l k g 的气化潜热；干 冰在1 标准大气压下升华要吸取1 3 7 k c a l k g 的热量，其升华温度为- - 7 8 9 c 2 1 。 ( 2 ) 气体绝热膨胀制冷利用气体通过节流阀或膨胀机绝热膨胀时，对外输出膨 胀功，同时温度降低，达到制冷的目的。 ( 3 ) 半导体制冷珀尔帖效应告诉我们：两种不同金属组成的闭合电路中接上一 个直流电源时，则一个接合点变冷，另一个接合点变热。但是纯金属的珀尔帖效 应很弱，且热量通过导线对冷热端有相瓦t 扰，而用两种半导体( n 型和p 型) 组成的直流闭合电路，则有明显的珀尔帖效应且冷热端无相瓦下扰。因此，半导 体制冷就是利用半导体的温差电效应实现制冷地。目前温差电制冷只用在小型制 冷器中，如电子计算机恒温冷却、精密测量仪器的冷源及精密机床的油箱冷却器 等等，都是温差电制冷。 人工制冷目前应用的最多的是蒸汽压缩式制冷，它是利用某些低沸点物质的 液体在气化时能维持温度不变而吸收热量的性质来实现制冷。 7 第章概述 这些液体的沸点与其所处的压力有关，压力越低，其沸点越低，因此降低它 的饱和蒸汽压可以获得比常压下沸点低的温度。现代制冷技术就是根据制冷液体 ( 制冷剂) 的热力性质，创造一定的压力条件，采用压缩机等必要设备在一定的 范围内使制冷剂的相态发牛循环变化，达到连续和稳定地获得所需的冷量。期间 以小伙机械功获得冷量。 液体气化的吸热作用可用来制冷，如氨液气化、氟利昂气化都有良好的吸热 制冷能力。但是，如果液体气化后排放到大气中，则既浪费又污染环境，且制冷 效应只能维持到液体全部气化为止。为了解决上述问题，必需设法将气化后的蒸 汽恢复到液体状态重复利用。这就需要通过压缩机和冷凝器等来完成。 蒸汽压缩式制冷是由制冷压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器四个最基本的部 件组成。他们之间用管道依次连接，形成一个密闭的系统。制冷剂在系统中不断 循环，其状态循环不断的发生变化，其间与外界进行热量交换，实现制冷。其工 作过程是：液态制冷剂在蒸发器中吸收被冷却物体的热量，气化成为低压低温的 蒸汽，被压缩机吸入并压缩成为高温高压的蒸汽后排入冷凝器，在冷凝器中向周 围的环境介质( 水或空气) 放热冷凝成为高压液体，经节流阀节流成为低压低温 的制冷剂液体，再进入蒸发器吸收被冷却物体的热量而气化，即制冷剂经过一系 列的状态变化后，重新回复到它的初始状态，以此达到连续制冷的目的。这样， 制冷剂的循环系统中经过蒸发、压缩、冷凝、节流四个基本过程完成一个制冷循 环。 目前，常用的制冷剂为氨、氟利昂1 2 、氟利昂2 2 等。 1 5 常用制冷方式介绍 目前常用的制冷方式丰要有两种形式：压缩式制冷和吸收式制冷。民用常用 的载冷剂是水，在一些要求特殊的场所，也有采用水与其他物质组成的混合水溶 液，如盐水、乙二醇水溶液等等。 压缩式制冷是目前应用比较广泛的一种制冷方式。从压缩机的结构来看，压 缩式制冷机大致可分为往复压缩式、螺杆压缩式和离心压缩式几大类。近年来新 研究的涡旋压缩式制冷机，也已开始在一些小型机组上逐渐应用。 活塞式冷水机组属于容积式制冷压缩式机组，通过气缸容积往复运动过程中 的变化来达到对冷媒进行压缩的目的。这是民用建筑空调制冷中采用时间最长， 8 ，陶石油( 华东) 大学i ：程硕i 学位论文 使用也最多的一种机组。它以其价格低廉、制造简单、运行可靠，使用灵活方便 等优点，在民用建筑空调中占有重要的一席之地。 螺杆式冷水机组是一种回转容积式制冷压缩式机组。虽然螺杆式冷水机组已 有多年的发展和应用历史，但作为民用建筑空调中的应用则是近十年才逐渐有所 发展的。目前运行的螺杆式冷水机组中，大部分为双螺杆式，其使用已有相当长 的段时间n 3 3 1 4 1 。 ， 离一t l , 式冷水机组是目前最大、中型民用建筑空调系统中使用最广泛的一种 机组，目前常见机组所采用的冷媒是r 2 2 、r 1 2 3 、r 1 3 4 a ( 环保冷媒) 。离心机 组相对于其它压缩式冷水机组有制冷量大、制冷系数高、运行平稳、噪声低，维 修及运行管理都较为方便的特点。 吸收式制冷与压缩式制冷一样，都是利用低压冷媒的蒸汽产生的汽化潜热进 行制冷n 引。两者的区别是：压缩式制冷以电为能源，而吸收式制冷则是以热为能 源。在民用建筑空调制冷中，吸收式制冷所采用的介质通常是溴化锂水溶液，其 中水为制冷循环用冷媒，溴化锂为吸收剂。因此，通常溴化锂制冷机组的蒸发温 度不可能低于0 c 。在这一点上，可以看出溴化锂制冷的适用范围不如压缩式制 冷，但对于民用建筑空调来说，由于空调冷水的温度通常为6 - - 7 ，因此还是 比较容易满足的。溴化锂制冷机组的一个主要特点是节省电力。在我国目前的情 况下，许多城市都存在电力紧张的状况，为溴化锂冷水机组的广泛应用起到了一 定的推进作用。 1 6 溴化锂制冷 1 6 1 溴化锂制冷的原理 溴化锂吸收式制冷原理和蒸汽压缩制冷原理有相同之处，都是利用液态制冷 剂在低温、低压条件下，蒸发、汽化吸收载冷剂的热负荷，产生制冷效应。所不 同的是，溴化锂吸收式制冷是在利用“溴化锂水”组成的二元溶液为工质对，完 成制冷循环的n 引。 在溴化锂吸收式制冷机内循环的二元工质中，水是制冷剂。水在真空状态下 蒸发，具有较低的蒸发温度( 6 。c ) ，从而吸收载冷剂热负荷，使之温度降低。溴 化锂水溶液是吸收剂，在常温和低温下强烈地吸收水蒸气，但在高温下又能将其 吸收的水分释放出来。吸收与释放周而复始制冷循环不断。制冷过程中的热能为 9 第一章概述 蒸汽，也可口l 动力。因为溴化锂吸收式制冷机的制冷剂是水，制冷温度只能在o 。c 以上，一般不低于5 ，故溴化锂吸收式制冷机多用于空气调节工程作低温冷源， 特别适用于大、中型空调工程中使用。溴化锂吸收式制冷机在某些生产工艺中也 可用作低温冷却水。 溴化锂制冷机，一般形式为三筒式。主要部件由：高压发牛器、低压发生器、 冷凝器、吸收器、蒸发器、高温换热器、低温换热器、冷凝水回热器、冷剂水冷 却器及发生器泵、吸收器泵、蒸发器泵和电气控制系统等组成。 进入高压发牛器的稀溶液被工作蒸汽( 热水) 加热，溶液沸腾，产生高温冷剂 蒸汽，导入低压发生器，加热低压发生器中的稀溶液后，经节流进入冷凝器，被 冷却凝结为冷剂水。 进入低压发生器的稀溶液被高压发生器产牛的高温冷剂蒸汽所加热，产生低 温冷剂蒸汽直接进入冷凝器，也被冷却凝结为冷剂水。高、低压发生器产生的冷 剂水汇合于冷凝器集水盘中，混合后导入蒸发器中。 加热高压发生器中稀溶液的工作蒸汽的凝结不，经凝水回热器进入凝水管 路。而高压发生器中的稀溶液因被加热蒸发出了冷剂蒸汽，使浓度升高成浓溶液， 又经高温热交换器导入吸收器。低压发生器中的稀溶液，被加热升温放出冷剂蒸 汽也成为浓溶液，再经低温热交换器进入吸收器。浓溶液与吸收器中原有溶液混 合成中间浓度溶液，由吸收器泵吸取混合溶液，输送至喷淋系统，喷洒在吸收器 管簇外表面，吸收来自蒸发器蒸发出来的冷剂蒸汽，再次变为稀溶液进入下一个 循环。吸收过程所产牛的吸收热被冷却水带到制冷系统外，完成溴化锂溶液从稀 溶液到浓溶液，再回到稀溶液循环过程。即热压缩循环过程。 高、低压发生器所产牛的冷剂蒸汽，凝结在冷凝器管簇外表面上，被流经管 簇里面的冷去i j 水吸收凝结过程产牛的凝结热，带n - ；a j 冷系统外。凝结后的冷剂水 汇集起来经节流装置，淋洒在蒸发器管簇外表面上，因蒸发器内压力低，部分冷 剂水闪发吸收冷媒水的热量，产牛部分制冷效应。尚未蒸发的大部分冷剂水，由 蒸发器泵喷淋在蒸发器管簇外表面，吸收通过管簇内流经的冷媒水热量，蒸发成 冷剂蒸汽，进入吸收器。 冷媒水的热量被吸收使水温降低，从而达到制冷目的，完成制冷循环。吸收 器中喷淋中间浓度混合溶液吸收制冷剂蒸汽，使蒸发器处于低压状态，溶液吸收 1 0 f ，陶石油( 华东) 大学1 ：程硕 j 学位论文 冷剂蒸汽后，靠絷压缩系统再产牛制冷剂蒸汽。保证了制冷过程的周而复始的循 环。 1 6 2 溴化锂制冷的优缺点： 溴化锂制冷机的特点：能利用低势能源( 如废汽、废热) 来制冷，经济效果 好；无毒、无味、无爆炸危险，安全可靠；基本无运转部件，无振动，噪音小； 能在1 0 1 0 0 的范围内进行冷量的兀级调节，负荷的改变性好等优点。但存在冷 却水量比压缩式制冷装置多，冷却水的再冷却装置及动力都要大；溴化锂溶液在 有空气的情况下，对金属有强烈的腐蚀性，所以密封性要求高；溴化锂价格较高， 初次使用投资大；蒸发温度只能在0 度以上等缺点。 1 7 循环水凉水塔冷却 循环水在热交换器吸收了化工生产工艺介质的热量，使得水温升高，然后回 到凉水塔，水在这里被冷却，再被循环使用。在凉水塔中，水的冷却是蒸发散热、 接触传热和辐射传热这三个过程的共同作用所致。在上述三个过程中，一般来说， 辐射传热作用不大，因此，水的冷却主要是有蒸发散热和接触传热来完成的。 冷却设备有敞开式和封闭式之分，因而循环冷却水系统也分为敞开式和封闭 式两类。敞开式系统的设计和运行较为复杂。 补充水蒸发损失水量风吹损失水量工艺热流体 图卜1 敞开式循环冷却水系统 f i g 1 1t h eo p e nc y c l ec o o l i n gw a t e rs y s t e m 敞开式冷却设备有冷却池和冷却塔两类，都丰要依靠水的蒸发降低水温。再 者，冷却塔常用风机促进蒸发，冷却水常被吹失。故敞开式循环冷却水系统必须 补给新鲜水，如图i - 1 所示。由于蒸发，循环水浓缩，浓缩过程将促进盐分结垢 ( 见沉积物控制) 。补充水有稀释作用，其流量常根据循环水浓度限值确定。通常 笫窜概述 补充水量超过蒸发与风吹的损失水量，因此必须排放一些循环水( 称排污水) 以 持水量的平衡。 在敞开式系统中，因水流与大气接触，灰尘、微生物等进入循环水；此外， 二氧化碳的逸散和换热设备中物料的泄漏：也改变循环水的水质。为此，循环冷却 水常需处理，包括沉积物控制、腐蚀控制和微生物控制。处理方法的确定常与补 给水的水量和水质相关，与生产设备的性能也有关。当采用多种药剂时，要避免 药剂间可能存在的化学反应。 如图1 - 2 所示，封闭式循环冷却水系统采用封闭式冷却设备，循环水在管中 流动，管外通常用风散热。除换热设备的物料泄漏外，没有其他因素改变循环水 的水质。为了防止在换热设备中造成盐垢，有时冷却水需要软化( 见盔的这丝) 。 为了防止换热设备被腐蚀，常加缓蚀剂；采用高浓度、剧毒性缓蚀剂时要注意安 全，检修时排放的冷却水应妥善处置。 补充水 热空气 工艺热流体 图1 - 2 封闭式循环冷却水系统 f i g l - 2e n c l o s e dt y p er e c i r c u l a t e dc o o l i n gw a t e rs y s t e m 、 1 8 蒸发式冷凝器在制冷行业中的应用 1 8 1 蒸发式冷凝器的特点 根据冷却介质和冷却方式的不同，常用的冷凝器一般可分为水冷式( 又分为 壳管式、套管式和沉浸式等) 、空气冷却式( 或称风冷式) 及蒸发式( 制冷剂在管 内冷凝，管外同时受到水及空气的冷却) 三种h 剐。选择不同型式的冷凝器，其水泵 和风机的能耗不同，造成的冷凝压力差异影响压缩机压缩过程功耗的制冷效果， 因此冷凝器的正确选型与配置，应引起足够的重视n 。由于冷却效果较差、冷凝 1 2 j 困石油( 毕东) 大学翌硕i ：学位沦文 温度较高，空气冷却式冷凝器主要用于缺乏冷却水源场所、分散式及小型制冷系 统。而大、中型制冷系统，过去应用最多的是立式或卧式壳管式冷凝器。为了减 少冷却水消耗量，该冷凝器大多使用循环水，故有需建冷却水塔、装置占地面积 大、循环水泵和冷却水塔风机功率能耗大的缺点。蒸发式冷凝器具有节水、节电、 结构紧凑和占地面积小等优点，是一种节约能源型产品，具有良好的发展前景。从 2 0 世纪7 0 年代起，国际上发达国家就开始改用蒸发式冷凝器代替水冷式冷凝器。 由于蒸发式冷凝器的循环水流量仪为水冷式冷凝器的1 0 ，水泵的能耗将明显降 低。风冷式冷凝器，虽然不用水泵只需要风机，但其空气流量要比蒸发式冷凝器大 数倍，而且还会导致冷凝器压力较高。从2 0 世纪8 0 年代起，我国化工行业和食 品冷库工程也开始采用蒸发式冷凝器代替水冷式冷凝器，近二十年的应用实践证 明，它有明显的节能效果。 1 8 2 工作原理与结构型式 1 8 2 1 工作原理 冷却水由循环水泵送至冷凝盘管上部，经喷嘴喷淋至冷凝管组外表形成水膜 往下流动，由于水膜中部分水蒸发时吸收热量而使管内高温、高压的制冷剂蒸气 冷凝成液体。空气则由箱体下方进入，沿冷凝管组的下部向上流动，并将冷凝器管 外的水蒸气带走。当空气温度低于水温时，还可起到一定的冷却作用。未蒸发的 水仍返回至箱底水池中，用浮球保持一定的水位，依此循环工作。由此可见，蒸发 式冷凝器丰要是利用了流经换热盘管的水膜中部分水的汽化潜热，这与风冷式及 水冷式冷凝器利用显热来吸收制冷剂蒸气的热量是完全不同的k 帕。 1 8 2 2 结构型式 丰要部件及技术参数如下： ( 1 ) 换热盘管。蒸发式冷凝器一般采用光滑盘管，不用肋片形式增加换热面积，原 因是光滑盘管易于清洗、除垢。管材多为f 2 5 m m 无缝钢管，外表面经热浸镀锌 处理以防腐蚀，对镀锌厚度有严格要求。 ( 2 ) 风机。目前围内蒸发式冷凝器产品多为上吸风式，风机置于箱体顶上，其优点 是箱体内维持负压，水的蒸发温度比较低，但风机处于潮湿气流中容易发生腐蚀， 故均采用铝合金风叶和全