（热能工程专业论文）涡流管在轻烃回收技术中的应用研究.pdf

摘要 摘要 利用涡流管制冷回收天然气中的轻烃是从上世纪8 0 年代发展起来的一种新兴的 轻烃回收技术，与传统的轻烃回收制冷技术相比，涡流管制冷轻烃回收系统具有结 构简单、体积小、容易橇装化、能耗低、可靠性高、成本低等优点，在天然气轻烃 回收技术方面，尤其是边远地区的零散天然气资源的回收领域具有很好的应用前景。 该项技术在欧、美、独联体等国家得到了广泛的应用，但在我国还未见有应用，对 此进行研究的人也很少。为此本文围绕涡流管在轻烃回收中应用的几个问题进行了 系统的研究。 首先，本文通过实验的方法研究了涡流管不同进口温度对涡流管能量分离性能 的影响，通过实验可知，工质进口温度的变化对涡流管的制冷性能的影响不大，不 仅在常温下，当工质进口温度较低时，涡流管依然有较好的制冷性能。 其次，分别以氮气、空气、氩气、二氧化碳为工质，研究了不同工质对涡流管 能量分离性能的影响。实验结果表明，分子量大的气体的制冷性能较好，而制冷量 和单位制冷量除了跟工质的分子量有关系外，还与比热容成正比。 再次，在胜利油田氨制冷轻烃回收工艺的基础上进行了系统的改造，构建了氨 制冷与涡流管复合制冷轻烃回收实验系统，来进行以天然气为工质的涡流管能量分 离性能的实验研究，探索以天然气为工质的涡流管的工作性能，以及该系统的轻烃 回收效果，并从气液分离罐的不同布置方式、冷箱型式、涡流管的串联和涡流管并 联等方面对该系统进行了优化，计算结果表明该系统的回收效果明显的好于原来的 氨制冷轻烃回收系统。 最后，在前面实验的基础上，设计了适合橇装化的轻烃回收工艺一涡流管浅冷 轻烃回收工艺，对系统的运行工况和回收效果进行了详细的计算和设备选型，并与 传统的氨制冷轻烃回收工艺从回收效果、能耗、经济性等方面进行了全方面的对比。 关键词：涡流管；能量分离；轻烃回收；橇装化 北京工业大学工学硕士学位论文 曼曼曼寞曼皇皇雹曩置曼舅舅! 量曼鼍詈暑鼍舅舅量鼍鼍曼量毫曼鼍曼曼鼍曼詈曼詈詈曼! 曼曼曼曼曼曼詈鼍詈曼皇! 量曼鼍曼詈曼曼曼詈舅曼! 曼量| 皇亭r a b s t r a c t r e c 0 v e r i n gl i g h th y d m c a r b o nf m m n a t u r cg a sb yv o n e xt u b er e 衔g e r a i i o ni saj u m p e d - u pl i g b t b y d r o c a r b o nr e c o v e f yt e c b n o i o g yc a i 啪f r o m1 9 8 0 s c c 嘣p a r i n gw i n lo t h e rt r a d i t i 呻a lt e c h n o l o g y t h e s y s t e m0 fl i g b i h y d r o c a r b 0 玎r c c 0 v e r yb yv o n e xt u b ef e 捌g e r a 酊n nh 勰m a n ya d v a n i a g e s ，s u c ba s 硝m p 】e c o n s t n j c 蛀o n ，s m a l lv o l h m e ，l o wc o s t ，h i g hf e l i a m l “y8 矗dl i a m et ob es k i d m o u n t e ds t y ke t c w h i c h g i v ct h j st e c h n o l o g yab r i g h tf i l t u f ei nt h ef i e l do fi 自曲th y d r o c a r b r e c d v e r yf r o mn a t u c ，e s p e c i a l l y f o rt h es c a t t e r e dn a t i l f eg a sf c s o u r c ei nt h er e m o t er e s i g n 伽t 1 1 0 u g ht h i st e c l l i m l o g yh 船b e 朗a p p l i e d w i d e l yi ne u f o p e ，a i l l e r i c aa n dc o m m 叩w e a l t h0 fi n d e p 印t 咖峨，b u “n 叫fc o u n t 阱t b ea p p l i c a t i o no f i ti ss t i l lr a r ea n df e wp p j ea r cc o n d u c t i n g 佗s e 盯c ho ni t t h i sp 印e 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气和油田气。天然气中的烃类组分除甲烷外被称为轻烃，又称天然气凝液，组成为 c 2 c 6 。其中丙烷、丁烷又称液化石油气；戊烷和戊烷以上的组分称为轻油。从油 田伴生气中回收天然气凝液，进行分馏可加工成液化气和轻油，或单一组分产品( 丙 烷、丁烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷等) 或生产溶剂油，可作为燃料和石 油化工地基础原料，是一项公认的效益工程，此化工工艺称为轻烃回收。轻烃回收 的主要产品是干气、液化气和轻油。干气具有很好的热值；液化气供应民用；轻油 可用于生产汽油、溶剂油和化工原料。轻烃的市场价值远高于同体积的天然气的价 格。目前轻烃价格约为4 5 0 0 元吨，冬季湿气为o 9 元标方，返输气为o 7 元标方； 夏季湿气为d 3 元标方，返输气为o 1 元标方。从天然气中提取1 k g 天然气液烃， 其天然气的体积减少不到1 m 3 ，经提取后的液体作为商品气出售，其热值为3 4 0 0 0 绷m 3 。因此，回收轻烃使湿天然气的价值大大的提升，地面轻烃回收是增加 经济效益的重要手段，同时也更充分更合理地利用了有限的天然气资源。 1 1 1 轻烃回收的目的和意义 当前在我国石油化工领域中，能源浪费和环境污染十分惊人，大型油田从开发 初期到建起天然气集输站两三年时间，大量的天然气，生气都白白烧掉；一些零散 的小型油田、老油田的边远地区，油田内部存在大量放空湿天然气，由于油田地形 分散，电力配套困难，工作环境差，没有合适的天然气液化、轻烃回收装置，只好 常年点“天灯”，特别是自喷井，井口压力高达数十兆帕，既造成能源的浪费，也严 重地污染环境。从世界石油行业看，全世界油气田至少有1 3 天然气被烧掉，相当于 一年白自烧掉3 5 亿吨原油资源：而我国每年有将近10 0 、亿立方米的油田气被采出， 其中有1 ：3 尚未加工利用而被浪费掉，一方面人们在浪费着本来短缺的石油资源，另 一方面又严重的破坏着人类赖以生存的大气环境。 随着我国经济的发展和人们环境意识的提高，天然气的需求量在不断增大，天 然气的供应较为紧张，而在许多地方，天然气资源却得不到开发和利用，一个原因 是田外围地区存在着大量零散湿天然气资源，有些气井储量较小，距离供气管网较 北京工业大学工学硕士学位论文 远，采用管输方法经济上不尽合理而没有得到开发利用；还有一些小油田油气产量 较小，而距油气集输管网较远，采用长输管线不经济，原油通常采用汽车拉油的方 式外输，而湿天然气在冬季则被放空用于原油集输自耗，在夏季则有大量湿天然气 被放空烧掉，如大庆油田每年累计放空湿气6 0 0 1 0 4 m 3 ；另一个原因是，油田内部存 在着大量放空湿天然气资源，如大庆油田每年夏季由于气处理装置年度检修、故障 停机和部分区块气加工能力不足等原因，采油一厂至六厂放空湿气9 4 0 0 万立方米左 右，夏季采油厂湿气放空站点多达1 0 0 多个，其中日均放空3 x 1 0 4 m 3 以上的有5 0 多 个站点，最长持续时间1 8 0 天左右。油田内外部湿天然气放空，既造成大气环境严 重污染，又使天然气资源严重浪费。 这类情况在我国各油田都有不同程度的存在，由于各种条件限制，这些资源没 有得到开发或利用。橇装式涡流管轻烃回收装置从这些被浪费掉的天然气中回收轻 轻，是充分利用油气资源、降低油气损耗、提高油气集输水平、保护环境的一项重 要举措，因此该装置具有十分可观的经济、社会效益和环境效益。 1 1 2 轻烃回收工艺现状 从天然气中回收轻烃方法通常包括吸附法、油吸收法和低温分离法。 吸附法是利用具有多孔结构的固体吸附剂对烃类组分吸附能力强弱的差异而实 现气体中重组分与轻组分的分离。由于吸附剂的吸附容量等问题未能得到很好解决， 无论过去还是现在该法在世界范围内未得到广泛应用。 油吸收法是基于天然气中各组分在吸收油中的溶解度的差异而使轻、重烃组分 得以分离的方法。由于系统复杂，生产成本高，随着科学技术及装备的进步及人们 对轻烃收率的高期望值，该法已处于淘汰的窘地。 低温分离法是目前我国各油田轻烃回收的主要方法【1 1 ，又称为冷凝分离或冷冻分 离，包括冷剂制冷一外冷法【2 l 、膨胀制冷阿】一内冷法、以及联合制冷工艺。其目的 是获得低温，在一定压力下，使原料中q 及c 2 以上的组分冷凝为液体，然后分馏成 各种产品。与其他方法相比，低温分离法具有投资小，操作费用低，效率高等优点【5 1 ， 因此，目前广泛采用的轻烃回收方法是低温分离法【6 ，一。 我国自行设计的轻烃回收装置大多是以回收液化气或轻油为目的，装置的特点 是数量多、规模小。 从制冷工艺上来看，国产化装置采用的工艺主要有冷剂循环制冷工艺、膨胀制 冷工艺【剐、冷剂制冷与膨胀制冷相结合的联合制冷工艺三种吼冷剂制冷有氨、氟里 昂、丙烷循环制冷，氨和氟里昂己被逐渐淘汰。氨制冷温度一般在1 8 一2 5 ，如果 换用丙烷制冷剂，能把制冷温度降至3 0 以下，可以大大提高轻烃的收率。从发展 角度看，采用复合制冷法( 即深冷工艺) 是提高轻烃收率的很好途径，其典型例子 2 第1 章绪论 是氨冷加膨胀机制冷或丙烷制冷加膨胀机制冷两种，冷凝温度可达8 0 1 0 0 ，使 轻烃收率达到较高的水平，c 3 收率可达到7 5 8 5 。 从制冷温度看，低温分离又分为以回收丙丁烷为主的浅冷工艺( 制冷温度为2 5 4 0 ) 和要求丙烷收率大于9 0 或以回收乙烷作为化工原料的深冷工艺( 制冷温度 9 0 1 0 0 ) ，在我国，浅冷工艺装置占整个轻烃回收装置的3 5 。 自7 0 年代以来，国内外重视节能降耗、提高液烃收率，对轻烃回收装置进行了 一系列改进，出现了许多新工艺，其中已开发成功的轻烃回收新技术有：轻油回流、 涡流管、气波机、膜分离、直接换热工艺( d h x ) 、变压吸附技术( p s a ) 等。 1 1 3 开发橇装式轻烃回收装置的意义 目前，我国天然气轻烃回收系统( 无论是冷剂制冷工艺还是冷剂制冷与膨胀制 冷复合工艺) ，均是把湿天然气先集中起来，运输到轻烃回收站统一处理，因此该 系统投资高，能耗高，工艺复杂，系统庞大，不能移动，缺少灵活性，而橇装式轻 烃回收装置，既能在低投资，低能耗的情况起到回收轻烃的目的，又不失灵活方便的 优点，满足天然气的特殊生产特点，适合最大限度的回收零散分布的天然气资源。 由于橇装装置处理规模小，基本规模在1 1 0 4 m 3 d 左右，与大型装置相对比， 橇装式轻烃回收装置具有以下优点： ( 1 ) 装置为橇装结构，便于运输、组装快、投产快、可搬迁，当一口气井起 源枯竭时，橇装装置可方便地转移到另一口气井，适合零散地小储量气井；或在某 气处理装置年度检修、故障停机和部分区块气加工能力不足时，也可方便的采用橇 装装置来处理湿天然气： ( 2 ) 工艺流程简单； ( 3 ) 天然气进装置压力较高，可以节省大量的压缩消耗； ( 4 ) 提高液化石油气储存温度和压力，节省液化能耗； ( 5 ) 采用分子筛脱水，但不适合高含c 0 2 的天然气； ( 6 ) 对外部公用设施要求少甚至几乎不要求，适合偏远地区环境条件。 涡流管由于具有结构紧凑、体积小、重量轻、易加工、无运动部件、不需要吸 收剂、无需定期检修、成本低、安全可靠、可迅速开停车、易于调节和c 3 + 收率高 等优点，成为橇装化装置的最佳选择，具有其他方法难以取代的使用价值。 1 2 涡流管的研究进展 涡流管是一种结构非常简单的能量分离装置，由喷嘴、涡流室、冷端孔板和冷 热两端管组成【1 0 1 。工作时高压气体由进气管进入喷嘴，经喷嘴内膨胀加速后，以很 北京工业大学工学硕士学位论文 高的速度沿切线方向进入涡流室，气流在涡流室内形成高速涡旋，由于调节阀与冷 端孔板之间的压力差，在涡流管内的中心区域形成回流气体，经过涡流变换后分离 成总温不相等的两部分气流，其中，处于中心部位的回流气流由冷端孔板流出，温 度降低，形成冷气流，而处于外层部位的气流从热端经调节阀流出，温度升高，形 成热气流，这就是所谓的“涡流效应”或“兰克效应”【1 1 ，1 2 1 。通过热端控制阀( 简 称热阀) 调节冷、热气流流率的比例，可以得到最佳制冷效应或制热效应。涡流管 的工作原理见图1 1 。 1 喷嘴2 控制阀3 热端管4 涡流室5 冷端孔板 图1 1 涡流管工作原理图 f i g 1 1s c h 锄a t i c d i a g 舳s o f w o r k p 血c i p l e i n t h e v o n e x “l b c 1 2 1 涡流管的历史和研究进展 涡流管的历史可追溯到1 9 3 0 1 9 3 1 年之间，当时法国的冶金工程师g j r a i i q u e 在制作一种把瓦斯从矿物粉中分离出来的涡旋分离器时发现了旋风分离器中的涡流 冷却效应，即旋风分离器中气流的中心温度和周边各层的温度是不同的，中心具有 较低的温度，而外缘具有较高的温度。兰克根据实验结果，重新设计了一套装置来 再现这种效应。1 9 3 1 年兰克发表了首篇关于涡流管的论文并于同年在法国申请了专 利，1 9 3 2 年他又在美国申请了同样的专利，并在1 9 3 4 年获得批准【1 3 l 。1 9 3 3 年兰克 在法国物理学会上作了关于涡流管装置及其涡旋温度分离效应的实验报告，但由于 兰克对分离现象的解释混淆了流体总温( 滞止温度) 与静温的概念，因而受到了质 疑，与会者对涡流管制冷现象的普遍否定，使涡流管的研究被搁置了起来。 1 9 4 6 年，德国物理学家赫尔胥( h i l s c h ) 又重新发现了涡流管的涡旋温度分离效 应，并就涡流管的装置设计、应用、温度效应的定义等问题提出了一系列的研究成 果和有价值的建议。h i l s c h 还讨论了涡流管的效率，并指出由于涡流管的效率很低， 它的应用将受到限制。值得一提的是，他那时就预见到涡流管将在天然气分离中获 得应用。为了纪念兰克和赫尔胥在发现涡旋温度分离效应上的贡献，该效应被称为 第1 章绪论 兰克一赫尔胥效应，而涡流管也被称为兰克一赫尔胥管。 在五、六十年代，对涡流管的研究出现了一个全盛时期，涡流管以它独特的性 能吸引了众多的学者进行探讨。世界上许多国家特别是法国、德国、加拿大、苏联、 日本、美国、丹麦、荷兰、英国等发达国家的科研机构；大学和许多公司对涡流管 进行了大量的实验研究和理论方面的研究工作。国内外对涡流管的研究主要集中在 三个方面： 一、涡流管机理研究 尽管涡流管在结构和操作上非常简单，但管内发生的能量交换过程却是极其复 杂。由于内摩擦的结果，：转热过程是不可逆的，一般认为管内进行的是三维可压缩 湍流流动。因此，至今仍难以给出能够精确预测涡流管性能的数学模型。对涡流管 效应的解释亦是众说纷纭，目前比较流行的是内摩擦理论【1 4 】和自由涡一强制涡理论 【1 5 1 6 l ，这些理论的提出对涡流管能量分离机理的探索有重要的影响，但又都存在着 自身的缺点，仍有许多说不清之处，甚至有些观点还相互矛盾，至今未有一种令人 非常满意的解释。 虽然对于涡流管能量分离机理的解释有许多，但有几个基本观点则已被一致确 认，这几个观点是1 1 7 】： ( 1 ) 涡流管内气体回流的原因是热端调节阀与冷端分离孔板间的压力差； ( 2 ) 在滞止点处开始出现回流冷气流； ( 3 ) 高速气流在外层形成自由涡旋，而在内层形成强制涡旋； ( 4 ) 在滞止点，外层气流的总温比内层气流的总温高； ( 5 ) 冷气流的静温在轴心处最低，而在内层气流的界面达到最高。 二、涡流管结构特性的研究 涡流管按基本结构可分为两类：逆流型涡流管和顺流型涡流管，兰克最初设计 的涡流管便是顺流型的。迄今为止，研究人员的实验结果表明，顺流型涡流管的效 率很少超过逆流型的一半。因此，一般情况下都采用逆流型涡流管。 h i l s c h 是最早以几何尺寸为基础来研究涡流管性能的人，后来的许多研究者所 采用的涡流管大都基于h i l s c h 所推荐的几何比例关系。 p a r u l e k e r 1 8 】设计出了短涡流管，它可以把长径比缩短到3 以内。他的研究表明， 喷嘴出口处涡流室的内部形状以阿基米德螺线为最好，喷嘴的出口横截面以矩形截 面为好，最佳长宽比为2 ：l ，长边平行于涡流管的轴线，喷嘴的相对面积以9 为最 佳。 t a k a h a m a 【1 9 ，2 0 1 通过改变喷嘴面积、冷端孔口和分离室的直径，在不同的流率比 下对涡流管进行实验，获得具有高效能量分离效率的涡流管数据。当喷嘴出口的气 流的马赫数为o 5 1 时，实现高效能量分离，结构尺寸存在下列关系： 北京工业大学工学硕士学位论文 一o z ，一o o s 一叭7 ，n s 影响涡流管性能的设计变量有1 5 个以上，并且这些变量之间的关系未知。要解 决这些变量的优化问题，需要花费许多时间和很大代价。s o n i 和1 n o s o n 【2 1 】在减少 设计变量的情况下，用调优计算方法改变设计参数，得到了因变量的最佳值。计算 结果表明，为获得最大温降存在下列最佳设计参数： 爿( 喷嘴面积涡流管面积) = 0 1 1 0 0 1 ( o 0 8 4 0 0 0 1 ) 以( 孔口面积涡流管面积) = o 0 8 o 0 1 ( o 1 4 5 0 0 3 5 ) u d 4 5 ( 4 5 ) d = 2 6 m m ( 1 8 m 1 ) 他们用经验参数b 和绝热膨胀方程求喷嘴出口压力p 。 只= 吖，一) 州“。 m ， 用下列方程计算孔口直径： 足：! ! 堡：墨! ：二! ：( 1 2 ) 一 1l 4 d ! ：竺：坚塑竺二唑丝!( 1 _ 3 ) 。- - 一 l k c v 肘。 其中c v 是孔流系数( 取o 6 1 ) ，g 是质量流量，k 是绝热指数，j l “是分子量， 岛是气体常数，爿t 的最佳值是0 0 8 ，艺是整个孔板的压力降。 目前，对涡流管结构特性的研究是进行最多的，也是最成熟的，基本掌握了各 构件结构、尺寸、形状对涡流管性能影响的规律，并掌握了设计方法。 三、涡流管的应用研究 综合考虑涡流管的优缺点，涡流管具有结构简单、操作方便、运行安全可靠、 造价低廉等等一系列优点；又具有制冷、制热、抽真空、汽液分离等方面的功能。 正因为如此，涡流管在科学研究和工业的很多部门具有广阔的实际应用前景。利用 涡流管的能量分离效应制成各种型式或具有各种不同功能的涡旋装置以解决各种工 程应用问题。涡流管在工业和科学研究中具有广泛的应用： 工业方面：小型空调，移动式空气调节装置，轴承冷却，工具冷却，便携式制 冷器，涡流管式换热器等； 生物医学方面：生物冷冻，内外科手术； 科研方面：热电偶的冷结点恒温，涡旋恒温器，低温涡旋分离器，温度计的标 定，材料测试，热膨胀测试等； 航空方面：宇宙飞船的涡旋调节装置，电子设备的冷却，除冰等； 化学处理方面：天然气的冷却，分离，加热或冷却过程等。 综合上述可以看出，涡旋效应的应用范围十分广泛，而且随着科学技术的发展， 它在工业和科学研究中的应用必将日益广泛，越来越深入。 由于涡流管能量分离机理到目前依然没有达成共识，所以很难从理论角度对涡 流管进行分析研究，人们对涡流管的研究大多是实验手段进行的。2 1 世纪以来，由 于计算机水平的提高，越来越多的人开始采用计算机数值模拟的手段对涡流管进行 研究【2 2 删，获得了涡流管内部的速度场、温度场等，促进了涡流管的发展。目前涡 流管在许多工业部门己得到应用，并有一些从事生产涡流管的专门厂家，如美国的 、b n e c 公司、e x x a i r 公司和1 珀璐o n i c 公司等。一些发展中国家如印度和埃及等也积 极从事这方面的研究工作。 我国涡流管的研究开展较晚，从8 0 年代开始先后有西安交通大学【嚣】、大连理 工大学例、上海交通大学m 竭华南理工大学【3 3 】和北京工业大学i m 3 习等大学和科研机 构对涡流管进行了一些相关的研究。关于涡流管的文章、论文和专利【2 6 州1 也有了一 些，大多都是对涡流管的特性进行实验研究和应用研究，也有对涡流管理论进行一 些探索，但总的来说，国内对涡流管技术的研究相对落后，目前还仅限于实验研究 涡流管整体性能的水平，没有自己完整的理论体系，实用化更是空白。 1 2 2 涡流管用于轻烃回收的研究进展 采用涡流制冷进行天然气轻烃回收，天然气靠自身压力通过涡流管时被分为冷、 热流股，构成一个封闭的能量循环系统，可有效回收天然气中的轻烃，脱除天然气 中的水分，从而获得干燥的天然气。它具有工艺流程简单、结构紧凑、体积小、重 量轻、易加工、易搬迁、无运动部件、无需定期检修、成本低、建设周期短、安全 可靠、可迅速开停车、易于调节和制冷效果好，丙烷收率高、可露天布置、全天候 运行、水、电、气仪表风等公用工程消耗小甚至不消耗，仪表简单，但能有效控制 主要工艺参数等优点，故国外已将涡流管技术用于天然气轻烃回收。涡流管的设计可 大可小，将其用于天然气中液态烃回收，特别是对油用边远地区和零星分散的小气 量地区，具有其它方法难以取代的使用价值。国外用涡流管处理天然气，已有不同 的流程和各种专利【4 ”1 】报道，并已用于工业生产。国内也有人士认识到涡流管能用 于天然气轻烃回收并发表和引入了相应文献【5 2 j 。 早在五十年代，荷兰壳牌石油公司( s h e l lo i l ) 就用涡流管技术从乙烯含量占4 8 的废气中回收乙烯。他们尝试采用了不同的流程，乙烯回收量可高达9 5 【2 9 】。 1 9 5 4 年，菲律普石油公司的r c a t k i s o n 首先考虑将涡流管代替膨胀阀用于低 温油气用的分离以回收天然气凝液。因为j t 阀只能在一定的压比下工作，而涡流 管则可以在较低的压力下产生1 0 倍于j t 阀的温差。只要气井压力大于或等于管 北京工业大学工学硕士学位论文 输压力的2 倍，涡流管即可获得很好的凝液回收效率h 。 六十年代末、七十年代初苏联和美国利用涡流管分离天然气获得成功，开拓了 涡流管应用的新领域。通常从油气田开采出来的天然气在进入输气管网之前，要除 去部分重烃以防止管网中产生过度冷凝并减少管道积碳。这些冷凝物和积碳干扰气 体的输送和各种设备部件的操作。另外，这些冷凝物可作为燃料加以利用。通常可 采用节流的办法来降低天然气的温度和压力以便重烃冷凝，而在相同的压降下，采 用涡流管技术的冷却效应是普通节流冷却效应的1 4 倍m l 。 图卜2 涡流管轻烃回收系统图 f i g 1 - 2f l o wc h a r to fl i g h th y d r o c a f b o nr e c o v e f y 惦i n gv o r i e ) 【t u b e 图卜3 轻烃回收率曲线 f i g 1 - 3 c u r v eo f l i g h th y d r o c a r b o nr e c 0 v e r yv st e m p e r a t u r e 一8 一 9 第l 章绪论 图1 2 是采用涡流管技术进行冷却回收天然气轻烃的系统图m 】。这套循环装置 的压力比介于2 4 之间。 图1 3 是根据色谱分析得到的以剩余的c 6 和c 6 以上重组分表示的天热气轻烃回 收的程度。 图1 4 是涡流管制冷和涡轮膨胀制冷分离工艺流程的比较1 5 引，其上图是简化流 程图，下图是在进气参数、下游压力和分离效率与上图相同的情况下，采用涡轮膨 胀制冷进行轻烃回收的工艺流程图。、在这两个流程中，涡流管制冷工艺和涡轮膨胀 制冷工艺在同样的条件下，+ 几乎具有相同的效率。 图卜4 涡流管制冷和涡轮膨胀制冷工艺流程比较 f i g 1 4c o m p a r i n0 fn a w c h a r tu s i gv o n e xt u b em 伍g c r a t i w i 山t u r b oe x p a n d e rr e f r 远e r a t i o n 一9 一 北京工业大学工学硕士学位论文 从上述的比较中可以看出，涡流管制冷分离工艺不仅占地面积小，还具有如下 优点： ( 1 ) 涡流管中能量分离而得的冷流股和热流股在不同位置上交换热量、维持本过 程不同设备所需的温度，不需从外部引入加热剂和冷却剂； 一( 2 ) 调节手段灵活方便，易于控制，可适应原料天然气组成等的较大变动； ( 3 ) 可处理含水量较多或过程中有水合物形成的天然气； ( 4 ) 涡流管设计可大可小，特别是对油田边远地区和无集气价值的零星分散的小 气量地区，具有其它方法难以取代的适用价值： ( 5 ) 无任何运动件，无需定期维修； ( 6 ) 可利用天然气本身的压力，不需另消耗动力，对需经节流达到工作压力的高 压天然气，利用这部分压差通过涡流管分离和回收可凝组分，更是具有很大的节能 效果； ( 7 ) 流程比常规天然气工艺流程短得多，设备费用和操作费用要比用常规方法处 理天然气得费用少得多。 对于产量一定的天然气，其处理设备的结构、尺寸等，取决于原料天然气的压 力、温度和组成等条件，因此设备难以定性化。采用涡流管和封闭能量循环过程， 由于调节手段灵活方便，可适应原料天然气组成和( 或) 工艺条件在较大范围内变 动；且和常规处理天然气的设备和流程相比，更为经济、有效。故此涡流制冷用于 天然气轻烃回收系统具有广阔的应用前景，可获得很大的经济效益。 1 3 本文的主要工作 在阅读大量的国内外相关文献的基础上，用理论计算与实验相结合的手段对该 课题进行研究。由于该课题的实验需要在油田这个特殊的场合进行，对实验要求较 高，所以需要进行大量的计算，计算采用的主要工具是天然气闪蒸( 相平衡) 软件， 该软件的可靠性已经在何曙的毕业论文中得到验证，本文的主要工作主要包括以下 几部分： ( 1 ) 在掌握涡流管的最佳结构、部件尺寸基础上，探索进口温度、工质对涡流管 制冷效应、制热效应等的影响，为涡流管在轻烃回收系统上的应用奠定基础。 ( 2 ) 利用胜利油田轻烃回收站一史南站氨制冷轻烃回收系统，在此基础上加以改 造构建氨制冷与涡流管制冷复合轻烃回收工艺系统，用来研究以天然气为工作介质 的涡流管的制冷效应、制热效应等，并探索该工艺的轻烃回收效果、经济性及可行 性。 ( 3 ) 对氨制冷与涡流管复合制冷轻烃回收工艺进行优化研究，探索影响轻烃回收 1 0 第1 章绪论 效果的主要因素，总结规律，寻求最佳的工艺流程，为开发橇装式涡流管制冷轻烃 回收装置做摸索工作。 ( 4 ) 开发涡流管浅冷轻烃回收装置，进行物料、能量平衡计算，确定最佳工艺流 程，进行系统的各个装置进行选型、计算。计算该系统的轻烃回收量、回收率、经 济性，并与其他轻烃制冷工艺进行比较。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章入口温度对涡流管性能影响的研究 由于涡流管的制冷机理较为复杂，其涉及的流动和换热很难从纯理论的角度加 以定量分析，故目前对涡流管的性能研究仍主要靠实验手段探索。通过将近一个世 纪的研究，神秘的涡流管及能量分离效应已越来越多的被人们所了解，对涡流管的 各个组成部分包括喷嘴、热端管长、热阀以及整流器等形状、尺寸对涡流管的制冷 温度、制冷效率的影响规律有了深刻的认识，并得到涡流管尺寸、形状的最佳组合， 改进了设计方法，从而提高了涡流管的能量分离效率，为涡流管的应用奠定了坚实 的基础。 2 1 进行本研究的目的和意义 涡流管的能量分离效应除了受自身结构、形状、尺寸的影响外，涡流管的工作 条件也影响着涡流管的能量分离效果，例如喷嘴的进口压力、冷流率、膨胀比等，这 些已经被大量的研究过，并总结了宝贵的规律。然而，进入喷嘴的压缩气体的另 个重要参数一入口温度对涡流管性能的影响的探讨进行的却很少，大量的试验都是 在常温下进行的，但是探讨介质进口温度对其性能的影响却有着重要韵意义。在目 前的涡流管应用中涡流管一般是被用作制冷元件使用的，制冷元件在系统中虽然大 部分是作为浅冷装置在常温下应用，也有很大一部分情况，应用在较低的温度下作 为二次冷却( 深冷) 装置，例如本课题要开发的橇装式涡流管制冷轻烃回收装置。另 外，涡流管也可以串联进行梯级制冷，在不同的应用场合，涡流管的进口温度是不同 的，并且差别很大，在涡流管进口温度较低时，是否能达到与进口温度为常温时一 样的制冷效果呢? 这是我们需要掌握的事情。所以探索涡喷嘴进口温度对涡流管制 冷性能的影响是十分重要的，也是十分有意义的，既能让我们通过实验更加清楚涡 流管的内部机理，也有利于拓宽涡流管的使用范围。 2 2 实验系统介绍 本实验台在原有的小型涡流管性能研究实验台的基础上进行改造而成的，实验 系统包括涡流管以及与涡流管相配合的管路系统、增压系统、稳压系统、调温系统 和仪表测量系统，涡流管的实验系统如下图2 1 ： l i 压缩机系统2 稳压系统3 恒温水槽4 旁路阀门5 金属浮子流量计6 涡流管 ：图2 1 涡流管能量分离特性研究实验系统图 f i g u i e2 1s c h e m a t i cd i a g 舢o f e 印e r i m e ms e t u p f o fe 肿瑁y p a m d 锄 图2 2 涡流管能量分离实验台 f i g u r e2 2e x p e r i l n e t a ls e t 一叩f o r 蚰e 曙ys e p a r a 曲n 实验流程如下：空气压缩机产生的高压空气经过稳压系统，使其压力稳定并经 过过滤除去里面的油滴，然后再进入恒温水槽进行换热调温，其目的是调节涡流管 喷嘴进口气温，并使其保持恒定，接着通过流量计后进入涡流管，经过涡流管的能量 分离，气体被分离成冷热两股气流，利用压力表、热电偶和流量计分别测得冷热气 流的出口压力、温度和流量后排入大气中。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 1 实验装置简介 整个实验装置如前所述主要由四个部分组成：压缩机系统、稳压系统、涡流管 和测量采集系统。下面具体介绍： 压缩机系统 压缩机采用达马牌四缸空气压缩机( 见图2 _ 3 ) ，排气量为1 6 8 m 3 l l ，转速是 2 4 0 0 r m i i l ，轴功率是2k w 。每个气缸都包括缸盖、配油盘及缸体气阀等零件。由于 膜片将气缸与油缸完全隔开，使被压缩的介质不与油液接触，因而能够避免油液的 污染，保证了压缩介质的清洁。 图2 3 空气压缩机 f i g i l 2 _ 3a i rc o m p r e s s o r 稳压系统 图2 4 储气过滤罐 f i g u 鹏2 4g 船s t o m g e 柚df i l t r a t i o n 由于经过空气压缩机增压后的高压空气很不稳定，同时也是为了实验提供大量 高压气源，在压缩机之后接一高压储气过滤罐( 见图2 4 ) ，除了能达到稳压储气的 作用之外，还可以过滤掉经过压缩机后高压空气里的油雾。 涡流管 本实验采用本实验室自己设计的小型涡流管，如图2 5 。它主要由喷嘴、涡流室、 冷孔板热阀以及冷、热两端管组成。其中除喷嘴为有机玻璃制成的，其余部分均采 用不锈钢制作的。喷嘴采用普通四流道喷嘴，喷嘴喉部横截面积均为2 m m 2 ( 其中宽 为1 m m ，深为2 m m ) 。 1 4 第2 章入口温度对涡流管性能影响的研究 456 1 冷端管2 进口管3 热端管4 冷端孔板5 、喷嘴6 涡流室 + 图2 - 5 喷嘴与涡流管相邻部件的装配图 “f i g 2 _ 5n o z z l e sa s s c i n b l c dw i mn e i 曲b o r h o o dp a r t s 测量采集系统 涡流管能量分离实验测试系统包括对温度、压力和流量的测量系统，下面将一 一加以介绍。 ( 1 ) 温度的测量 在涡流管能量分离实验中，温度是一个十分重要的实验数据。测量的温度包括高 压空气进入涡流管时的温度和