先锋毕业答辩.ppt

1、1000m3/hLTL-MR液化天然气流程优化设计,导师：舒水明 学生：胡先锋 专业 ：制冷与低温工程 学号：012006018118,2020/10/10,1,论文框架,2020/10/10,2,2020/10/10,3,2020/10/10,4,背景 国际油价持续攀升，替代能源特别是清洁能源越来越受到人们的关注。天然气作为一种可替代石油的环境友好型能源，更是受到世界各国的青睐。液化天然气（LNG）在中国是新兴产业。 各国家及企业均大力发展天然气。我国的天然气行业才刚刚起步，虽然近些年发展迅速，但仍然与发达国家有不小的差距。,5,2020/10/10,6,意义,随着能源日益短缺及环保意识的普

2、遍及急剧争强，天然气正在并且会越来越占据能源领域的重要位置。而我国的天然气虽然发展迅速，方兴未艾，但与发达国家仍呈不小差距。我国的天然气与俄欧相比，储备少；与发达国家比，市场竞争能力又差。 天然气是战略资源。对于一个国家的经济及军事实力均有重要影响。从长远来看，天然气是一个国家赖以发展经济，保障军事安全，实现社会稳定，确保国家长治久安不可或缺的战略能源。在此情势下，开展天然气液化研究具有重要意义。,2020/10/10,7,国内外发展概况及存在的问题,可以预见，在未来10-20年的时间内，LNG将成为中国天然气市场的主力军。广东、福建、浙江、上海、江苏、山东、辽宁等，将最终构成一个沿海LNG接

3、收站与输送管网。而国外的天然气研究也迅速发展。 为保证能源供应多元化和改善能源消费结构，法国 Axens 公司与法国石油研究所 (IFP) 合作，共同开发的一种先进的天然气液化新工艺 Liquefin 首次工业化。美国德克萨斯大学工程实验站，开发了一种新型天然气液化的技术 GTL 技术已申请专利。 最主要的问题是： 国外的液化装置规模大、工艺复杂、设备多、投资高，基本都采用阶式制冷和混合冷剂制冷工艺，目前两种类型的装置都在运行，新投产设计的主要是混合冷剂制冷工艺，研究的主要目的在于降低液化能耗。制冷工艺从阶式制冷改进到混合冷剂制冷循环。目前的新工艺既具有纯组分循环的优点，如简单、无相分离和易于

4、控制，又有混合冷剂制冷循环的优点，如天然气和制冷剂制冷温位配合较好、功效高、设备少等优点。,2020/10/10,8,2020/10/10,9,2020/10/10,10,标产量及纯度,温度温差,压力及阻力,2020/10/10,11,跑冷损失,冷凝蒸发器液氧液氮温度确定,总物料守恒 VLA+VLN=VK 氮物料守恒 VLA（1xA)+VLNxLN=78.12%VK 其中取LA中的氧浓度xA =36%,解得 VLA=0.6089Nm3/Nm3A VLN=0.3911Nm3/Nm3A,2020/10/10,12,下塔物料平衡计算,跑冷损失 QLN=22.4qLN=22.40.3 =6.72kJ/

5、kmol 由 p14=570kPa, T14=177.1C, 查氮的热物性表得 h14=217kJ/kg；由 p15=570kPa, T15=190.7C, 得h15= 415.6kJ/kg；由 p16=112kPa,T16 =195.7C, 得h16= 425.5kJ/kg 有热平衡式VNMN（h17h16）=QLN+MNVLN(h14h15) 解出h17,又已知p17=112kPa，得T17=183.2 液空过冷器，同理可确定h12,h13,上已算得h17,则可解的h18=204.2kJ/kg，由p18=12kPa，得T18=171.7,2020/10/10,13,液氮过冷器热平衡计算,2

6、020/10/10,14,2020/10/10,15,温度计算原理,空气氮气氧气都是或可看作是双原子气体，进行压缩前后手工计算时，可以看做理想气体。已知压缩前的温度和压缩前后的压力时，可以依据T后=T前 后 前 1 进行计算,备注：可以很清楚的看出,随着温度升高，误差越来越小。,原因分析：手工计算过程中，使用的是理想气体状态方程，而实际气体一不是理想气体，二来压缩过程中物性不断变化，故产生误差。 在一定范围内，温度越高，气体分子间的作用力越小，气体粘性越小，越接近理想状态。说明，在一定范围内，手工计算结果有一定的参考价值。,2020/10/10,16,我的设计中，是将冷凝蒸发器中的氮引出，通过

7、换热器换热，至一定温度压力再经过压缩机压缩，压缩后的氮气分为两股，分别引进两个膨胀机，膨胀后的氮气回下塔。其中膨胀机的作用是供给天然气液化所需的冷量，其冷量由压缩机来回收。 计算原理是：衡量气体在膨胀机实际膨胀过程偏离等熵膨胀过程的尺度，称为膨胀机的绝热效率，它可用膨胀机中膨胀气体实际焓降与等熵膨胀焓降之比来表示，即为s= 前后 前等熵 以膨胀机K-104为例，有膨胀前压力p9=4240kPa，温度T9=342.5， 其焓值为h9=339.5kJ/kg，其熵值为S9=4.947kJ/kg.K。此处，我设定膨 胀后的压为p10=560kPa。氮在560kPa压力下，如图所示，当熵值为 S10s=

8、4.947kJ/kg.K时，根据软件可查的10s点的焓值为h10s=54.13kJ/kg， 则根据压缩机绝热效率的定义，有： s= 910 910 =0.8，将 h9=339.5kJ/kg，h10s=54.13kJ/kg代入上式可得h10=111.2kJ/kg，根据 p10=560kPa，h10=111.2kJ/kg可查得T10=131.6,2020/10/10,17,作用及计算原理,压缩机K-103回收膨胀机K-104的功： 其Hysys流程图如右图所示 压缩机 K-103的外功来自膨胀机K-104的膨胀功， 于是有能量平衡方程式： Vol9 （h9h10）= Vol6 （h6h5） 已知V

9、ol6=1465kg/h h5=199.7kJ/kg h6=339.5kJ/kg h9= h6=339.5kJ/kg 时 h10=111.2kJ/kg 可以解得Vol9=896.8kg/h,2020/10/10,18,回收功衡算,回收功衡算 Vol7=Vol6Vol9=1465896.8=567.8kg/h Vol7 （h7h8）= Vol6 （h5h4） 将Vol6=1465kg/h， Vol7=567.8kg/h，h4=89.94 kJ/kg， h5=199.7kJ/kg，h7= h6=339.5kJ/kg代入，可得 h8=56.28 kJ/kg 膨胀后的状态点参数衡算 又根据压缩机绝热效

10、率的定义，有： 再将h7= 339.5kJ/kg ，h8=56.28 kJ/kg代入，可解得 h8s=-14.5kJ/kg 又S7=4.947kJ/kg.K， 则根据 S8s=S7=4.947kJ/kg.K，h8s=-14.5kJ/kg，可查得 p8s=269.6kPa 则p8=269.6kPa 可查得T8=79.33,2020/10/10,19,膨胀机K-105,流体7和9是由6经分离器分成的两股流体,分离器和混合器的功能就是使一股流体分为多股或者将多股流体合为一股。其前后流体符合质量守恒和能量守恒。 以混合器MIX-100为例 质量守恒：Vol8+Vol10=Vol11 能量守恒:Vol8

11、h8+ Vol10h10= Vol11h11，已知条件为： Vol8=567.8kg/h, Vol10=896.8kg/h, h8=56.28kJ/kg h10=111.2 kJ/kg 解算得： Vol11=1465kg/h, h11 =89.94 kJ/kg 取压力为269.6kPa，则当焓值为89.94 kJ/kg时，查氮的热物性表，得温度为 =111.2。其他的就不做赘述了。,2020/10/10,20,分离器和混合器,2020/10/10,21,2020/10/10,22,换热器LNG-101,最后解算得到h2=4007kJ/kgmole,备注：计算公式为Vol25 （h25h26）=

12、 Vol3 （h3h2） 因为我的整个设计过程都使用了Hysys模拟，而 软件使用的流量单位是kgmole/h,焓值的单位是 kJ/kgmole。 故此处涉及到热量衡算的地方，我的单位也是用kJ/kgmole。,2020/10/10,23,换热器LNG-102,上下塔总物料平衡 进塔空气20，组分为78.12%N，20.95%O，0.93%Ar。整个精馏上下塔的进N和出N平衡 有：78.12%Vol20=Vol16.,Vol11h11+ Vol20h20= Vol1h1+ Vol12h12+ Vol14h14,2020/10/10,24,下塔热量平衡,将以上相关参数代入上式有2519Vol11

13、5826Vol20=6079Vol111380Vol12 6079Vol14，又又物流1和物流11为整个封闭 制冷系统的进口和出口，有Vol1=Vol11，取Vol1=Vol11 =52.28kgmole/h 代入上式可得5826Vol2011380Vol26079Vol4=449503,同前理，可得： 11500Vol20+11640Vol14=6349Vol18+5829Vol19 .,2020/10/10,25,上塔热量衡算,对换热器LNG-100与对换热器LNG-102的计算一样，可得到7955Vol20=7665Vol18+7915Vol19 联立方程式： 78.12%Vol20=V

14、ol16. 5826Vol2011380Vol26079Vol4=449503. 11500Vol20+11640Vol14=6349Vol18+5829Vol19. 7955Vol20=7665Vol18+7915Vol19. 可解得Vol14=0.0948Vol20+82.636 Vol12=0.4613Vol2083.632,2020/10/10,26,联立方程式解算结果,2020/10/10,27,吸附水蒸气： 查不同压力下压缩空气中饱和含湿量，得d=510-3kg/kg， GH2O=V0d=43501.293510-3=28.12 kg/h吸附水分所需的分子筛量为,2020/10/1

15、0,28,分子筛量,大气中的CO2浓度为300400ppm，平均取350ppm，因而加工空气中所含CO2量为GCO2=V0dCO2=43501.97635010-6=3.008 kg/h 二氧化碳吸附量（以重量百分比计）一般为1-3%，取1.5%，则吸附CO2所需分子筛量为：,2020/10/10,29,实际所需分子筛量,直径：VT=V0 P0T PT0 =1519m3/h,采用立式吸附器； 考虑气量有20%的变动，气体线速度w（空塔速度）； 取为0.04m/s，则容器的直径为D= 41.2 3600 =4.016m 容积Vf= =3.065m3,2020/10/10,30,容积确定,再生热量

16、 吸附器经吸附后有3K温升，则吸附器经289K加热至473K（再生气体进口、出口温度平均值）所需的再生热量为QS，则： QS=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5 =1876086kJ 再生用氮量 每千克加热氮气能给出的热量q=CPTm，氮的比热：CP=1.045 kJ/kgK， 得到qk=cpTm=1.045*142=148kJ/kg 再生所需氮气量 每小时所需的氮气量为 同理，可算得冷却所需的氮气量为Gc= Qc qc = 718270 141 =5094m3 以4.5h使吸附器冷却到286K计算，则每小时所需的氮气量为 Vc= = 5094 4.5 =11323 从上述计算得再生氮气量为1398

17、m/h，则由290K加热到550K（考虑到管道损失，加热到550K，以保证进吸附器的温度大过523K）所需的热量为,2020/10/10,31,再生过程及加热炉功率,2020/10/10,32,锯齿形翅片的相关标准几何尺寸 为满足换热要求，以体积记 拟按各流体标况下4m/s的流速估算通道数。 由于需要的冷量大，取进塔空气与出塔与其换热的氮气氧气的换热器个数为5，及五个换热器并联： 已算得空气，氮气，氧气的质量流量为5502 kg/h，4158 kg/h,1528 kg/h ，其在标况下的密度分别为1.276kg/m3 ，1.234 kg/m3 ，1.411kg/m3 ，则空气，氮气，氧气在标况

18、下的体积流量分别为： 4311.91Nm3/h ，3369.53Nm3/h ，1082.92 Nm3/h， 则因为是五个换热器并联，每个换热器的空气，氮气，氧气在标况下的体积流量分别为 VK=862.382 , VN=673.906 VO=216.584,2020/10/10,33,点击下页查看流道数,最终，设计结果如下 空气 氮气 氧气 最终，空氮氧分别取8，6，2层。 其流量分别为 空气量 氮气量 氧气量 各进出口状态参数为,2020/10/10,34,总热负荷（空气夹层热负荷及跑冷损失）Q总 =86kW 氮气夹层热负荷QN=63.2016kW；氮气夹层热负荷QO=20.7298kW 则空

19、气每个通道负荷86/8=10.75kw；氮气每个通道负荷 63.2016/6=10.5336kw；氧气每个通道负荷 20.7249/2=10.3649kw 最后得到通道排列如下： 通道数为横坐标， 以各通道热负荷代 数和为纵坐标的通 道热负荷分布曲线,2020/10/10,35,热负荷及通道分配,各股气流的质量流速质量流速为空气：1100.4kg/h, 氮气：831.6kg/h, 氧气305.6kg/h 则单位面积质量流速分别为： 以空气侧为例进行传热计算示例,2020/10/10,36,传热计算,传热因子可查图或者依据经验公式，得到结果为0.015456,查看所有流体传热计算列表,2020/

20、10/10,37,2020/10/10,38,2020/10/10,39,kF： Tlog 氧氮冷端平均温度为（171.7180）/2=-175.9，氧氮热端平均温度为93，则对数平均温差 换热器理论长度 取后备系数1.2，两端导流板长度0.53m1，则换热器实际长度 L=1.2L0+0.53=3.81m 圆整为3.9m. 最终，要进行分解校核。校核的结果在毕业设计论文上已清楚算出，误差数值显示设计结果较为准确。此处就不赘述。,2020/10/10,40,阻力计算 先以空气为例 摩擦因子 锯齿形翅片的摩擦因子拟合公式为 lnf=0.132856（lnRe）2-2.28042（lnRe）+6.79634 将前已算得的Re=679.21代入上式可得 f=0.0885 板束阻力空气在平均温度为Tm=35.65，平均压力为pm=592.5kPa时，其比容v=0.113999m3/kg 板束阻力p 各股流体阻力计算列表,2020/10/10,41,经过长达半年时间的艰苦奋斗、资料查询阅读、翻译文献,师兄的手把手教我学Hysys软件、自己领悟学习、绘制出第一个流程图、对流程对参数无数次修改、多次请教老师及同学，最终在经历汗水后，我