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1、1第第8章章 提取天然气中的液烃提取天然气中的液烃天然气凝液是从天然气中回收天然气凝液是从天然气中回收C2+的烃类混合的烃类混合物的总称。一般包括乙烷物的总称。一般包括乙烷 、液化石油气和天然汽、液化石油气和天然汽油。油。NGLnatural gas liquid ，天然气凝液。天然气凝液。LPGLiquefied Petroleum Gas 液化石油气。液化石油气。LNGLiquefied Natural Gas,液化天然气。液化天然气。2主要内容主要内容天然气凝液回收方法天然气凝液回收方法低温分离法工艺低温分离法工艺多元汽液平衡和精馏多元汽液平衡和精馏制冷技术制冷技术主要工艺设备主要工艺设
2、备3基本要求基本要求了解天然气凝液回收方法和工艺特点；了解天然气凝液回收方法和工艺特点；掌握制冷工艺的原理和特点；掌握制冷工艺的原理和特点；掌握天然气凝液回收流程及其应用。掌握天然气凝液回收流程及其应用。48.1 概概 述述 回收天然气凝液的必要性；回收天然气凝液的必要性；天然气凝液回收方法；天然气凝液回收方法；5一、回收天然气凝液的必要性一、回收天然气凝液的必要性有利于改善天然气质量，降低烃露点，有利于改善天然气质量，降低烃露点，防止在管输中有液态烃凝结。防止在管输中有液态烃凝结。回收凝液的产品是重要的民用燃料和化回收凝液的产品是重要的民用燃料和化工原料；工原料； 提高资源的综合利用率，有良
3、好的经济提高资源的综合利用率，有良好的经济效益和社会效益。效益和社会效益。6二、天然气凝液回收方法二、天然气凝液回收方法吸附法吸附法油吸收法油吸收法低温分离法低温分离法71. 吸附法吸附法 吸附法是利用具有多孔结构的固体吸附吸附法是利用具有多孔结构的固体吸附剂（如活性氧化铝或活性炭）对烃类组分吸剂（如活性氧化铝或活性炭）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附能力强弱的差异而实现气体中重组分与轻组分的分离。主要用于天然气中回收重烃类，组分的分离。主要用于天然气中回收重烃类，且处理规模较小且处理规模较小(小于小于60104m3/d)及较贫的及较贫的天然气天然气(液烃含量液烃含量131
4、4mL/m3)。 8吸附法的特点和应用情况吸附法的特点和应用情况工艺装置简单，投资费用较小；工艺装置简单，投资费用较小；但生产产品单一（液化气和天然汽油），但生产产品单一（液化气和天然汽油），再生能耗高，运行成本较高。再生能耗高，运行成本较高。吸吸附附剂剂的的吸吸附附容容量量等等问问题题未未能能得得到到很很好好解决。解决。未得到广泛的应用。曾在美国用过未得到广泛的应用。曾在美国用过。9吸附剂吸附剂 工业上常用于回收天然气液烃的吸附剂工业上常用于回收天然气液烃的吸附剂有活性炭、硅胶、硅藻土等。有活性炭、硅胶、硅藻土等。1kg的活性的活性炭具有炭具有106m2的有效吸附面积，其吸附能的有效吸附面积
5、，其吸附能力很强。因此，活性炭就成为工业上提力很强。因此，活性炭就成为工业上提取液烃的重要吸附剂。取液烃的重要吸附剂。 10吸附法工艺流程吸附法工艺流程图图8-3 吸附法提取液态烃的流程吸附法提取液态烃的流程I原料气；原料气；II液体（冷凝液液体（冷凝液+水）；水）；III再生气；再生气；IV）脱去脱去汽油的气体；汽油的气体；V在原料气流中的经过分离的再生气；在原料气流中的经过分离的再生气；1原料气原料气入口分离器；入口分离器；2加热再生气的部分；加热再生气的部分；3、4吸收塔；吸收塔；5换热器；换热器；6再生气分离器再生气分离器112. 油吸收法油吸收法油吸收法是基于天然气中各组分在吸收油吸
6、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、重烃组分得油中的溶解度的差异而使轻、重烃组分得以分离的方法。以分离的方法。通常采用石脑油、煤油或通常采用石脑油、煤油或柴油作吸收油。按照吸收操作温度的不同，柴油作吸收油。按照吸收操作温度的不同，油吸收法往往分为常温油吸收和低温油吸油吸收法往往分为常温油吸收和低温油吸收法（冷油吸收法）两种。收法（冷油吸收法）两种。12常温油吸收法的操作温度为常温或略低常温油吸收法的操作温度为常温或略低于常温，多用于中小型天然气凝液回收装于常温，多用于中小型天然气凝液回收装置；冷油吸收法利用制冷将吸收油冷至置；冷油吸收法利用制冷将吸收油冷至0-40进行操作，
7、该法比常温油吸收法可多进行操作，该法比常温油吸收法可多回收回收C2+液烃，液烃，C3的回收率可达的回收率可达85%90%，常用于较大型的气体加工厂。，常用于较大型的气体加工厂。 2. 油吸收法油吸收法13油吸收法的特点和应用情况油吸收法的特点和应用情况工艺流程复杂；工艺流程复杂；投资费用和运行成本高；投资费用和运行成本高；直至直至20世纪世纪60年代中期还是天然气分离年代中期还是天然气分离工艺中使作最多的方法；工艺中使作最多的方法；但随着制冷技术的发展，自但随着制冷技术的发展，自1970年以后，年以后，油吸收法在新建装置中已很少采用。油吸收法在新建装置中已很少采用。14油吸收剂油吸收剂常温油吸
8、收工艺使用的吸收油，其相对常温油吸收工艺使用的吸收油，其相对分子质量可达分子质量可达180200，在低温吸收条，在低温吸收条件下（件下（-18）则大都为）则大都为100130，都，都是大于是大于C5组分的烷烃。常温油吸收法由组分的烷烃。常温油吸收法由于轻烃收率低、消耗指标高，已不再使于轻烃收率低、消耗指标高，已不再使用。用。15低温油吸收法工艺流程（补充）低温油吸收法工艺流程（补充）163. 低温分离法低温分离法低温分离法（冷凝分离法）是利用原低温分离法（冷凝分离法）是利用原料气中各烃类组分冷凝温度的不同，通过料气中各烃类组分冷凝温度的不同，通过将原料气冷凝至一定温度，将沸点较高的将原料气冷凝
9、至一定温度，将沸点较高的烃类冷凝分离出来，并经凝液精馏分离成烃类冷凝分离出来，并经凝液精馏分离成合格产品的工艺。合格产品的工艺。 17提供冷量的形式提供冷量的形式提供冷量的方式有外部制冷法、自制冷提供冷量的方式有外部制冷法、自制冷法和混合制冷法等多种形式。法和混合制冷法等多种形式。 18低温分离法的主要特点低温分离法的主要特点工艺流程简单，投资少，效益好；工艺流程简单，投资少，效益好；回收率高，回收率高，C3的回收率可达的回收率可达90%以上；以上；适应性强，管理方便。适应性强，管理方便。19低温分离法的应用情况低温分离法的应用情况随着制冷技术的发展，特别是随着制冷技术的发展，特别是1964年
10、，年，美国首次将透平膨胀机用于天然气凝液美国首次将透平膨胀机用于天然气凝液回收，使天然气回收凝液技术开始了新回收，使天然气回收凝液技术开始了新的发展阶段。的发展阶段。目前，低温分离法已广泛应用于天然气目前，低温分离法已广泛应用于天然气凝液回收装置。凝液回收装置。 208.2 商用产品的技术条件及规范商用产品的技术条件及规范 国国标标9052.1889052.188规规定定了了丙丙烷烷、丁丁烷烷和丙丁烷混合物的质量标准和丙丁烷混合物的质量标准 21 (2)商品液烃的储存温度和压力商品液烃的储存温度和压力 228.4从天然气中提取液烃的主要方法从天然气中提取液烃的主要方法低温分离法低温分离法 根据
11、提供冷量方式不同分成三大类方法根据提供冷量方式不同分成三大类方法 1.外加制冷循环法，亦即直接冷凝法外加制冷循环法，亦即直接冷凝法 2.直接膨胀制冷法，即膨胀冷凝法直接膨胀制冷法，即膨胀冷凝法 3.混合制冷法混合制冷法 23图图8-4 低温分离法三种类型流程示意图低温分离法三种类型流程示意图 24轻烃回收工艺流程（补充）轻烃回收工艺流程（补充）冷剂制冷工艺流程冷剂制冷工艺流程逆升压式膨胀机制冷工艺流程逆升压式膨胀机制冷工艺流程正升压膨胀机制冷工艺流程正升压膨胀机制冷工艺流程丙烷预冷与膨胀制冷结合的混合制冷工艺丙烷预冷与膨胀制冷结合的混合制冷工艺25低温分离工艺的组成低温分离工艺的组成26冷剂制
12、冷工艺流程冷剂制冷工艺流程1原原料料气气分分离离器器；2压压缩缩机机；3、11、14冷冷却却器器；4气气液液分分离离器器；5脱脱水水吸吸附附器器；6冷冷箱箱；7丙丙烷烷蒸蒸发发器器；8低低温温分分离离器器；9脱脱乙乙烷烷塔塔；10脱脱丙丙丁丁烷烷塔塔；12回回流流罐罐；13回回流流泵泵；15、16、17、18节流阀。节流阀。27逆升压式膨胀机制冷工艺流程逆升压式膨胀机制冷工艺流程1原原料料气气分分离离器器；2吸吸附附器器；3换换热热器器；4、6气气液液分分离离器器；5、8节节流流阀阀；7泵泵；9脱脱乙乙烷烷塔塔；10、14再再沸沸器器；11脱脱丙丙丁丁烷烷塔塔；12冷冷凝凝器器；13回回流流罐
13、罐；15膨膨胀胀机机膨膨胀胀端端；16膨膨胀胀机增压端机增压端28正升压膨胀机制冷工艺流程正升压膨胀机制冷工艺流程1原原料料气气分分离离器器；2吸吸附附器器；3换换热热器器；4气气液液分分离离器器；5节节流流阀阀；6脱脱乙乙烷烷塔塔；7、11再再沸沸器器；8脱脱丙丙丁丁烷烷塔塔；9冷冷凝凝器器；10回回流流罐罐；12冷冷却却器器；13膨膨胀胀机机增增压压端端；14膨膨胀胀机机膨胀端膨胀端29相变制冷相变制冷 图图8-5 蒸汽压缩制冷循环蒸汽压缩制冷循环 30相变制冷相变制冷四个过程：四个过程：1.蒸发过程蒸发过程 2.压缩过程压缩过程 3.冷凝过程冷凝过程 4.膨胀过程膨胀过程 31制冷剂制冷
14、剂 按化学成分分类，可分为四类：按化学成分分类，可分为四类：无机无机化合物制冷剂（表化合物制冷剂（表8-28-2）；）；氟利昂制冷氟利昂制冷剂（表剂（表8-38-3）;碳氢化合物制冷剂（表碳氢化合物制冷剂（表8-48-4）；）；共沸溶液制冷剂（表共沸溶液制冷剂（表8-58-5）。）。 32常用制冷剂常用制冷剂氟利昂；氟利昂；氨；氨；丙烷、丙烯、乙烷、乙烯等丙烷、丙烯、乙烷、乙烯等 。 因环保的要求，其中氟利昂、氨将逐步因环保的要求，其中氟利昂、氨将逐步限制使用。限制使用。333. 制冷循环的热力计算制冷循环的热力计算（一）理想制冷循环在（一）理想制冷循环在TS图上的表达图上的表达1.1.等熵可
15、逆压缩（绝热可逆压缩）等熵可逆压缩（绝热可逆压缩） 2.2.等压等温可逆冷凝等压等温可逆冷凝 q2=T2(S2S3) 3.等熵可逆膨胀（绝热可逆膨胀）等熵可逆膨胀（绝热可逆膨胀） 4.等压等温可逆蒸发等压等温可逆蒸发 q1=T1(S1S4) 压缩机对压缩机对1公斤制冷剂所做的净功公斤制冷剂所做的净功We为为 We=W1W2=q2q1=T2(S2S3)T1(S1S4) (8-4) 34（二）实际制冷循环（二）实际制冷循环图图8-7 实际制冷循环在温熵图上的表示实际制冷循环在温熵图上的表示 35（二）实际制冷循环（二）实际制冷循环（1 1）等熵可逆压缩）等熵可逆压缩 制冷剂的饱和蒸汽于状态制冷剂的
16、饱和蒸汽于状态1(1(P P1 1,T,T1 1) )下进入压缩下进入压缩机进行绝热压缩，此压缩过程近于等熵，因此机进行绝热压缩，此压缩过程近于等熵，因此制冷剂的状态沿等熵线变到点制冷剂的状态沿等熵线变到点2 2（P P2 2、T T2 2）而成而成为为过热蒸汽过热蒸汽。 （2 2）等压冷却与冷凝）等压冷却与冷凝，以线段，以线段2-2-3-32-2-3-3表表示示 （3 3）节流膨胀）节流膨胀，在图，在图8-78-7上以线段上以线段3-43-4表示表示 (4)(4)等压、等温蒸发等压、等温蒸发，以线段，以线段4-14-1表示表示 36（二）实际制冷循环（二）实际制冷循环2.2.实际制冷循环在实
17、际制冷循环在lgPlgP-H(-H(压焓压焓) )图上的表图上的表达达 图图8-8 8-8 实际制冷循环在压焓图上的表示实际制冷循环在压焓图上的表示 37（二）实际制冷循环（二）实际制冷循环(1)压缩过程，以线段压缩过程，以线段1-2表示表示 (2)冷却、冷凝及过冷过程，以线段冷却、冷凝及过冷过程，以线段2-2-3-3表示表示 (3)节流膨胀过程，以线段节流膨胀过程，以线段34表示表示 (4)蒸发过程，以线段蒸发过程，以线段4-1表示表示 38（三）制冷过程的热与功（三）制冷过程的热与功（三）制冷过程的热与功（三）制冷过程的热与功 (1)单位质量制冷剂的吸热量单位质量制冷剂的吸热量q1 q1=
18、H1H4 (8-5)q1值相当于面积值相当于面积1-4-d-a-1（2）单位质量制冷剂的放热量）单位质量制冷剂的放热量q2 q2=H2H3 (8-6)q2值相当于面积值相当于面积2233ea2 39（三）制冷过程的热与功（三）制冷过程的热与功（3）净功）净功we we=H2H1 （8-7）we的大小相当于面积的大小相当于面积1-2-2-3-3-e-d-4-1 (四四)制冷循环过程的制冷系数制冷循环过程的制冷系数 制冷剂从被冷却物体中吸取的热量与循环过程消耗的制冷剂从被冷却物体中吸取的热量与循环过程消耗的净功之比值称为制冷系数，用代号净功之比值称为制冷系数，用代号表示：表示： =Q1/We (8
19、-8)式中：式中：制冷系数制冷系数 Q1单位时间内制冷剂的吸热量，单位时间内制冷剂的吸热量，KJ/h； We单位时间内压缩机对制冷剂所做的净功，单位时间内压缩机对制冷剂所做的净功，KJ/h。 40（三）制冷过程的热与功（三）制冷过程的热与功2.实际制冷循环的制冷系数实际制冷循环的制冷系数 实实 (8-12) 4.制冷效率制冷效率 41（三）制冷过程的热与功（三）制冷过程的热与功五、制冷能力五、制冷能力制制冷冷能能力力也也称称制制冷冷量量，一一般般是是指指在在一一定定的的操操作作条条件件下下(即即一一定定的的制制冷冷剂剂蒸蒸发发温温度度t1,冷冷凝凝温温度度t2，过过冷冷温温度度tc),单单位位
20、时时间间内内制制冷冷剂剂由由被被冷冷物物体体中中所取出的热量所取出的热量Q,单位是单位是kJ/h,它可表示为它可表示为 (8-14)式中式中:q1制冷剂的制冷量制冷剂的制冷量,kJ/kg; G制冷剂的循环量制冷剂的循环量,kg/h 42（三）制冷过程的热与功（三）制冷过程的热与功对对于于一一定定规规格格的的往往复复式式单单级级压压缩缩制制冷冷机机而而言言,制冷能力制冷能力Q可以表示为可以表示为:Q=Vnqv (8-15)式中式中:Q制冷机的制冷能力制冷机的制冷能力,kJ/h; qV进进入入压压缩缩机机前前，单单位位容容积积制制冷冷剂剂蒸蒸汽汽的的制制冷能力，冷能力，KJ/m3 Vh单单位位时时
21、间间内内压压缩缩机机活活塞塞所所扫扫过过的的容容积积m3/h; 进入压缩机的实际容积系数进入压缩机的实际容积系数,可根据经验可根据经验公式确定或由图表查取。公式确定或由图表查取。 43（三）制冷过程的热与功（三）制冷过程的热与功(六六)制冷操作所需功率制冷操作所需功率(1)制冷操作中压缩机的理论功率制冷操作中压缩机的理论功率NT (8-17) 2.实际功率实际功率NP亦称轴功率亦称轴功率,即电机所输的实际即电机所输的实际功率。功率。 448.4.3 直接膨胀制冷直接膨胀制冷 一、等焓（节流）膨胀一、等焓（节流）膨胀二、等熵膨胀二、等熵膨胀 45一、一、等焓（节流）膨胀等焓（节流）膨胀 节节流流
22、制制冷冷是是工工业业上上最最早早采采用用的的制制冷冷工工艺艺，由由于于节节流流制制冷冷设设备备简简单单，运运转转可可靠靠、节节流流效效率率低低，同同一一差差压压下下温温降降较较小小，在在天天然然气气凝液回收中常多数作为一种辅助制冷手段。凝液回收中常多数作为一种辅助制冷手段。461.节流膨胀降温原理节流膨胀降温原理 节节流流膨膨胀胀过过程程如如图图8-9所所示示，流流体体在在流流经经相相当当于于孔孔板板的的缩缩口口或或节节流流阀阀时时，由由于于通通径径截截面面积积缩缩小小，流流速速增增加加，经经过过缩缩口口或或节节流阀后截面积和流速恢复到原来状态。流阀后截面积和流速恢复到原来状态。47图图8-9
23、 节流膨胀过程示意图节流膨胀过程示意图48如如果果忽忽略略势势能能变变化化，对对缩缩口口前前、缩缩口口后后应用热力学稳定流动的能量守恒方程式有：应用热力学稳定流动的能量守恒方程式有：H1、H2缩口前后两截面处流体的焓值；缩口前后两截面处流体的焓值； C1、C2缩口前后两截面处的流速；缩口前后两截面处的流速； g重力加速度。重力加速度。(8-19)1.节流膨胀降温原理节流膨胀降温原理49由于节流前、后两截面面积相等，故得：由于节流前、后两截面面积相等，故得： 因因此此，节节流流膨膨胀胀过过程程是是等等焓焓过过程程。节节流流时时，微微小小压压力力变变化化所所引引起起的的温温度度变变化化称称为为微微
24、分分节节流流效效应应。一一般般用用H表表示示微微分分节节流流效应系数：效应系数：(8-20)(8-21)1.节流膨胀降温原理节流膨胀降温原理50 内内能能变变化化项项由由于于气气体体压压力力降降低低，比比容容增增大大，分分子子间间的的平平均均距距离离也也增增大大，此此时时必必须须消消耗耗功功克克服服分分子子间间的的引引力力，分分子子间间的的位位能能就就增增加加。但但由由于于外外界界无无能能量量供供给给气气体体，分分子子间间位位能能的的增增加加只只能能来来自自分分子子动动能能的的减减少少。因因此此，产产生生使使气气体体温温度度降降低低的的效应。效应。(8-23)1.节流膨胀降温原理节流膨胀降温原
25、理51而对大多数气体，其中包括天然气，而对大多数气体，其中包括天然气，流动功流动功是随压力的降低而增加的。是随压力的降低而增加的。 1.节流膨胀降温原理节流膨胀降温原理52 所所以以，大大多多数数气气体体（除除氢氢、氦氦等等外外）经经过节流阀产生压降时也相应发生的温降。过节流阀产生压降时也相应发生的温降。1.节流膨胀降温原理节流膨胀降温原理532. 节流工艺计算节流工艺计算(闪蒸闪蒸 )典型的节流工艺过程如图典型的节流工艺过程如图8-17所示。流所示。流量为量为F（kmol/h），），组成为组成为fi（摩尔分数）摩尔分数）的物料在压力的物料在压力PI、温度温度TI下经节流阀在绝下经节流阀在绝热
26、情况下减压至热情况下减压至P2，工艺计算的任务是求工艺计算的任务是求节流后的温度节流后的温度T2，平衡汽、液相组成平衡汽、液相组成yi、xi，汽、液相量汽、液相量V、L及焓值及焓值HV，HL等。等。 5455节流计算的基本方程节流计算的基本方程物料平衡物料平衡: F=V+L (8-36) 某一组分有某一组分有: fi=vi+li (8-37) xf=fi/Fi yi=vi/Vi xi=li/L (8-38) 56节流计算的基本方程节流计算的基本方程汽液平衡汽液平衡 yi=KiXi yi= kixi=1.0 L1= li V= Vi 57热量平衡方程热量平衡方程 ：节流计算的基本方程节流计算的基
27、本方程58节流基本方程各符号的意义节流基本方程各符号的意义其计算程序如下其计算程序如下:(1)用泡点方程和露点方程校验该混合物是否同时存在汽、液两相。用泡点方程和露点方程校验该混合物是否同时存在汽、液两相。(2)在给定温度和压力下查图在给定温度和压力下查图,得到系统中各组分的得到系统中各组分的k值。值。(3)假设假设L、V或或L/V值。值。(4)利用式利用式(8-41)或式或式(8-43)计算液相计算液相(或汽相或汽相)中各个组分的千摩尔数。中各个组分的千摩尔数。(5)用式用式(8-42)计算总液量计算总液量;用式用式(8-44)计算总蒸汽量。计算总蒸汽量。(6)将将(5)步计算出的总液量和总
28、蒸汽量同第步计算出的总液量和总蒸汽量同第(3)步假定值相比较。如果步假定值相比较。如果两个值很接近两个值很接近,误差误差1.0%,则计算值为所求值则计算值为所求值,否则否则,需从第需从第(3)开始开始重新计算。重新计算。 59三、等熵膨胀三、等熵膨胀(膨胀机制冷膨胀机制冷)1. 等熵膨胀降温的物理实质等熵膨胀降温的物理实质 气体进行等熵膨胀时，由于压力变化而气体进行等熵膨胀时，由于压力变化而引起的温度变化，称为等熵膨胀效应。该引起的温度变化，称为等熵膨胀效应。该效应又分为微分等熵膨胀效应和积分等熵效应又分为微分等熵膨胀效应和积分等熵膨胀效应。膨胀效应。60微分等熵膨胀效应微分等熵膨胀效应微分等
29、熵膨胀效应是指微小压力变化所微分等熵膨胀效应是指微小压力变化所引起的温度变化。通常用引起的温度变化。通常用as表示微分等熵表示微分等熵膨胀效应系数表示。膨胀效应系数表示。 (8-26)61积分等熵膨胀效应积分等熵膨胀效应 积积分分等等熵熵膨膨胀胀效效应应是是指指气气体体实实际际等等熵熵膨膨胀胀时时，压压力力变变化化为为一一有有限限值值所所引引起起的的温温度变化，以度变化，以Ts表示：表示：(8-28)62等熵膨胀降温的物理实质等熵膨胀降温的物理实质 由由热热力力学学基基本本关关系系式式，可可导导出出表表示示微微分分等等熵熵膨膨胀胀效效应应系系数数as与与膨膨胀胀前前气气体体状状态态参数参数p、
30、T、V之间关系式为之间关系式为(8-27) cp气体的定压热容。气体的定压热容。63由于式由于式(8-27)中中故故 等等熵熵膨膨胀胀过过程程总总是是产产生生冷冷效效应应，膨膨胀胀结结果果气体的温度总是降低的。气体的温度总是降低的。等熵膨胀降温的物理实质等熵膨胀降温的物理实质64等熵膨胀温降的定性解释等熵膨胀温降的定性解释等等熵熵膨膨胀胀时时，气气体体一一方方面面要要在在绝绝热热情情况况下下对对外外作作功功，大大量量消消耗耗内内能能；另另一一方方面面要要克克服服分分子子间间的的吸吸引引力力，增增加加分分子子位位能能，使使分分子子动动能能减减少少，由由于于这这两两方方面面原原因因，导导致致气体温
31、度大幅度下降。气体温度大幅度下降。而而这这时时流流动动功功的的变变化化对对气气体体温温度度的的影影响响相相比比之之下下很很小小，因因此此，等等熵熵膨膨胀胀的的结结果果总总是使气体温度降低，且同时产生冷量。是使气体温度降低，且同时产生冷量。652. 绝热效率和实际功绝热效率和实际功等等熵熵膨膨胀胀的的焓焓降降HS是是气气体体等等熵熵膨膨胀胀开开始始状状态态p1、T1时时的的焓焓值值H1与与膨膨胀胀终终了了状状态态p2、T2的焓值的焓值H2之差值。之差值。(8-29)66实际膨胀过程是熵增过程实际膨胀过程是熵增过程 实实际际上上，压压缩缩气气体体通通过过膨膨胀胀机机进进行行绝绝热热膨膨胀胀，在在对
32、对外外作作功功的的同同时时存存在在着着摩摩擦擦、泄泄漏漏和和冷冷量量损损失失等等各各种种现现象象。因因此此，膨膨胀胀过过程程实实际际不不是是等等熵熵的的，而而是是熵熵增增大大的的不不可可逆过程。逆过程。67 实际膨胀过程的焓差实际膨胀过程的焓差H等于气体绝热膨胀开等于气体绝热膨胀开始状态的焓值始状态的焓值H1与膨胀终了状态的焓值与膨胀终了状态的焓值H2的差的差值，即膨胀机对外的单位功。值，即膨胀机对外的单位功。(8-30)实际膨胀过程是熵增过程实际膨胀过程是熵增过程 68膨胀机的绝热效率膨胀机的绝热效率 s 膨胀机的绝热效率是衡量膨胀过程偏离膨胀机的绝热效率是衡量膨胀过程偏离等熵过程的尺度。等
33、熵过程的尺度。透平膨胀机的绝热效率透平膨胀机的绝热效率可达可达75%85%。(8-31)69膨胀的对外实际作功膨胀的对外实际作功W(kJ/h)G气体流量，气体流量，kg/h；H实际膨胀过程的焓差，实际膨胀过程的焓差，kJ/kg。703. 膨胀过程的热力计算膨胀过程的热力计算 流量为流量为F（kmol/h），），组成为组成为zi（摩尔摩尔分数）在压力分数）在压力P1、温度温度T1下进入膨胀机，下进入膨胀机，膨胀机等熵效率为膨胀机等熵效率为 ，出口压力为，出口压力为P2，等等熵出口温度为熵出口温度为T2，实际出口温度为实际出口温度为T2。膨膨胀机出口的平衡汽、液相组成为胀机出口的平衡汽、液相组成为
34、yi、xi。汽、汽、液相量为液相量为V、L；汽、液相焓值为汽、液相焓值为HV、HL及及汽、液熵值为汽、液熵值为SV、SL等。等。71膨胀计算的基本方程膨胀计算的基本方程相相平平衡衡方方程程 72物料平衡方程物料平衡方程 ：热量平衡方程热量平衡方程 ：膨胀机出口的实际焓值膨胀机出口的实际焓值 ：膨胀计算的基本方程膨胀计算的基本方程73膨胀机基本方程各符号的意义膨胀机基本方程各符号的意义 H1进口状态下气体的焓值，进口状态下气体的焓值，kJ/kmol； S1进口状态下气体的熵值，进口状态下气体的熵值，kJ/(kmolK)； SV等熵膨胀后汽相的熵值，等熵膨胀后汽相的熵值，kJ/(kmolK)； S
35、L等熵膨胀后液相的熵值，等熵膨胀后液相的熵值，kJ/kmol； H2等熵膨胀后出口混合物的焓值，等熵膨胀后出口混合物的焓值，kJ/kmol； H2 膨胀机实际出口混合物的焓值，膨胀机实际出口混合物的焓值，kJ/kmol； 膨胀机的绝热效率。膨胀机的绝热效率。74膨膨胀胀机机的的热热力力计计算算框框图图754. 膨胀机的类型膨胀机的类型膨膨胀胀机机输出输出功类功类输出输出热类热类活塞式膨胀机活塞式膨胀机(容积型容积型)透平式膨胀机透平式膨胀机(速度型速度型)热分离机热分离机气波制冷机气波制冷机76（2）结构和工作原理）结构和工作原理 透透平平膨膨胀胀机机是是由由通通流流部部分分、制制动动器器及及
36、机机体体三三大大部部分分组组成成。透透平平膨膨胀胀机机的的结结构构示示意图如图所示意图如图所示 。77透平膨胀机的结构图透平膨胀机的结构图78通流部分通流部分 该该部部分分是是获获得得低低温温的的主主要要部部件件。压压力力较较高高的的工工作作介介质质从从管管道道进进入入膨膨胀胀机机的的涡涡壳壳，把把气气流流均均匀匀地地分分配配给给喷喷嘴嘴，气气体体在在喷喷嘴嘴中中第第一一次次膨膨胀胀，推推动动工工作作轮轮输输出出外外功功，同同时时气气流流在在工工作作轮轮中中继继续续膨膨胀胀而而转转换换成成外外功功，因因此此，气气体体的的流流速速就就降降低低了了，膨膨胀胀后后的的低低温温工工质质经经过扩压器排出
37、到低温管道中。过扩压器排出到低温管道中。79制动器制动器 透透平平膨膨胀胀机机有有机机械械功功输输出出，需需要要有有一一定定的的负负载载。负负载载主主要要是是起起刹刹车车即即制制动动作作用用，一般称负载为制动器。一般称负载为制动器。 制制动动器器可可以以是是鼓鼓风风机机、机机泵泵、压压缩缩机机、发发电电机机等等。在在天天然然气气处处理理中中，制制动动器器大大多多为天然气的增压机。为天然气的增压机。80 在在油油气气处处理理和和加加工工装装置置中中，制制动动器器采采用用压压缩缩机机，即即由由膨膨胀胀机机驱驱动动离离心心式式压压缩缩机机，由由膨膨胀胀机机输输入入到到驱驱动动端端的的净净功功率率，通
38、通常常要要减减去去约约2%的的轴轴和和轴轴承承的的损损失失。同同轴轴离离心心式式压压缩缩机的效率可取机的效率可取65%80。制动器制动器81（3）膨胀和升压的顺序）膨胀和升压的顺序 根根据据气气流流流流入入压压气气端端和和透透平平膨膨胀胀端端的的先先后后次次序序不不同同，可可分分为为正正升升压压透透平平膨膨胀胀机机和和逆逆升升压压透透平平膨膨胀胀机机两两种种型型式式。正正升升压压透透平平膨膨胀胀机机组组，气气体体先先压压缩缩后后膨膨胀胀。逆逆升升压压透透平平膨膨胀胀机组，气体先膨胀再压缩。机组，气体先膨胀再压缩。82 正升压透平膨胀机组正升压透平膨胀机组 C压压气气机机；T涡涡轮轮；H1冷冷却
39、却器器；H2冷冷箱；箱；S1一级分离器；一级分离器；S2二级分离器二级分离器83逆升压透平膨胀机组逆升压透平膨胀机组C压气机；压气机；T涡轮；涡轮；H2冷箱；冷箱；S1一级分离器；一级分离器； S2二级分离器二级分离器84（4）透平膨胀机的特点）透平膨胀机的特点绝热效率一般为绝热效率一般为80%85%；膨胀比为膨胀比为25；出口带液量大（理论不限制，但小于出口带液量大（理论不限制，但小于20%）；）；转速达转速达20000r/min以上，功率从几以上，功率从几kW至至几千几千kW；处理量可达处理量可达106m3/d以上；以上；流量可调（因装有可调喷嘴），约有流量可调（因装有可调喷嘴），约有20
40、%的可调范围。的可调范围。856. 热分离机热分离机（1） 制冷原理制冷原理热分离机的制冷装置由气体分配器（喷热分离机的制冷装置由气体分配器（喷嘴）和接收管组成。具有高能量的气体喷嘴）和接收管组成。具有高能量的气体喷入接收管中，对末端容器中的残留气体迅入接收管中，对末端容器中的残留气体迅速地压缩和加热。入口气体的动能传递给速地压缩和加热。入口气体的动能传递给残留气体，由于压缩产生的热量通过管壁残留气体，由于压缩产生的热量通过管壁向四周散失，使入口气体的温度降低，就向四周散失，使入口气体的温度降低，就能实现制冷。能实现制冷。 工作原理如图工作原理如图8-25所示。所示。868-25热分离机的工作
41、原理热分离机的工作原理87热分离机的制冷过程热分离机的制冷过程热分离机的制冷过程分为三个阶段：热分离机的制冷过程分为三个阶段：n 进气阶段；进气阶段；n 压缩阶段；压缩阶段；n 流出阶段。流出阶段。88（2）热分离机的结构）热分离机的结构热分离机的基本结构有两种类型：热分离机的基本结构有两种类型：静止式热分离机（静止式热分离机（static thermal separator 简称简称STS），），喷嘴和接收管都是喷嘴和接收管都是固定的热分离机。固定的热分离机。旋转式热分离机（旋转式热分离机（rotary thermal separator 简称简称RTS），），喷嘴及其相关部喷嘴及其相关部件
42、都可旋转的热分离机。件都可旋转的热分离机。89静止式热分离机静止式热分离机 气气体体从从固固定定的的喷喷嘴嘴喷喷入入接接收收管管，在在喷喷嘴嘴两两侧侧设设置置有有谐谐振振器器，其其振振动动频频率率在在100700Hz之之间间，使使喷喷嘴嘴喷喷出出的的高高速速气气流流发发生生振振动动产产生生脉脉冲冲压压力力，调调节节着着喷喷流流方方向向分分配配进进入入各各列列接接收收管管中中。是是一一种种简简单单耐耐用用的的制制冷冷装置，其最大效率可达等熵膨胀的装置，其最大效率可达等熵膨胀的40%。90静止式热分离机的结构静止式热分离机的结构静止式热分离机又分单管、双管和多管静止式热分离机又分单管、双管和多管三
43、种型式，多管式的结构示意图如图三种型式，多管式的结构示意图如图8-26。由于静止式热分离机效率低，最高只能达由于静止式热分离机效率低，最高只能达到等熵膨胀的到等熵膨胀的40，已基本不用了，目前，已基本不用了，目前，旋转式热分离机较多。旋转式热分离机较多。91 图图8-26 多管式热分离机结构示意图多管式热分离机结构示意图l喷嘴；喷嘴；2共鸣箱；共鸣箱；3接收管；接收管；4小室小室92旋转式热分离机（旋转式热分离机（RTS） 带带压压气气流流进进入入旋旋转转式式气气体体分分配配器器中中，经经过过喷喷嘴嘴变变成成高高速速气气流流喷喷射射到到膨膨胀胀管管中中，同同时时由由于于气气流流在在气气道道中中
44、的的方方向向发发生生变变化化，使使旋旋转转分分配配器器产产生生自自转转，实实现现对对膨膨胀胀管管依依次次喷射循环。其结构示意图如图喷射循环。其结构示意图如图8-27所示。所示。93 图图8-27 旋转式热分离机结构示意图旋转式热分离机结构示意图94（3）热分离机的特点）热分离机的特点绝热效率为绝热效率为70左右；左右；膨胀比宜为膨胀比宜为35，不宜超过，不宜超过7。转速低，通常为转速低，通常为10003000 r/min。转速转速太，造成轴向推力大，轴承能耗增大。太，造成轴向推力大，轴承能耗增大。轴承润滑可以使用润滑脂，比透平膨胀轴承润滑可以使用润滑脂，比透平膨胀机的润滑系统简单。机的润滑系统
45、简单。95弹性大，适应性强。进口气体流量和压弹性大，适应性强。进口气体流量和压力波动对机组的稳定运行影响不大。力波动对机组的稳定运行影响不大。适用于原料气气量小、压力不高的场所。适用于原料气气量小、压力不高的场所。（3）热分离机的特点）热分离机的特点96图图8-19 膨胀机过程的原理流程图膨胀机过程的原理流程图 97图图8-20 500低温分离工艺原理流程图低温分离工艺原理流程图 98图图8-21 8-21 杏九联杏九联2020万万NmNm3 3/d/d油田气深冷分离试验油田气深冷分离试验装置流程图装置流程图 99图图8-22 温米装置优化工艺流程图温米装置优化工艺流程图 1008.5提取天然
46、气液烃加工方法的选择提取天然气液烃加工方法的选择 （一一)当当进进气气压压力力与与干干气气输输出出压压力力之之间间有有剩剩余余压压差差可可利利用时用时,透平膨胀工艺是最好的选择。透平膨胀工艺是最好的选择。(二二)对对于于有有剩剩余余压压差差可可利利用用的的很很贫贫的的天天然然气气而而言言,回回收收液液烃烃价价值值不不大大,但但仍仍可可采采用用节节流流制制冷冷法法或或热热分分离离机机法法利利用用此此剩剩余余压压差差,使使之之降降低低水水及及烃烃的的露露点点,以以满满足足气气体体长长输要求。如果温度还不够低输要求。如果温度还不够低,可再加浅度冷冻。可再加浅度冷冻。(三三)对对于于要要求求回回收收乙
47、乙烷烷,而而又又没没有有多多余余压压力力差差可可利利用用者者,须须要要根根据据具具体体条条件件,对对膨膨胀胀机机法法、外外加加冷冷源源法法、冷冷油油吸吸收法等作周密比较后决定取舍。收法等作周密比较后决定取舍。(四四)对于井场小型气体加工装置对于井场小型气体加工装置,可采用浅冷法或常温可采用浅冷法或常温吸附法；如果是较贫气体以用吸附法同时脱水及脱液吸附法；如果是较贫气体以用吸附法同时脱水及脱液烃更为经济合理。烃更为经济合理。 1018.6凝析油的稳定及算例凝析油的稳定及算例 可以把无回流的稳定塔看作可以把无回流的稳定塔看作“闪蒸分离闪蒸分离器器” 式式中中di 某某个个被被分分离离组组分分之之流
48、流量量，kmol/h； ke烃类的假平衡常数烃类的假平衡常数，可由图可由图830查查得得，它是烃类沸点的函数；它是烃类沸点的函数； 102图图829凝析油稳定塔示意图凝析油稳定塔示意图 1038.7 天然气液化简介天然气液化简介 液化天然气的必要性液化天然气的必要性 一、便于贮运一、便于贮运 天然气液化后的体积只有原来的天然气液化后的体积只有原来的1/625左左右右 二、是理想的峰值调节气二、是理想的峰值调节气 三、便于气体的分离三、便于气体的分离 1048.7.2 天然气液化技术天然气液化技术 图图8-31 装置方块流程图装置方块流程图 105天然气液化方法天然气液化方法目前天然气液化工艺主
49、要有三种类型：目前天然气液化工艺主要有三种类型：重叠式制冷液化循环重叠式制冷液化循环（或称（或称“逐级式逐级式”、“阶式阶式”循环）、循环）、混合制冷剂液化循环混合制冷剂液化循环和带膨胀机的液化循环和带膨胀机的液化循环。 106一、复叠式制冷液化循环一、复叠式制冷液化循环 这是一种常规的循环，它由若干个在不这是一种常规的循环，它由若干个在不同低温操作的蒸汽制冷循环复叠组成。同低温操作的蒸汽制冷循环复叠组成。对于天然气的液化，一般是由对于天然气的液化，一般是由丙烷、乙丙烷、乙烯和甲烷烯和甲烷为制冷剂循环复叠而成，来提为制冷剂循环复叠而成，来提供天然气液化所需的冷量。它们的制冷供天然气液化所需的冷
50、量。它们的制冷温度分别为温度分别为-45、-100、及、及-160。该循环的原理流程如图该循环的原理流程如图8-32所示。所示。 107图图8-32 复叠式制冷液化循环原理流程复叠式制冷液化循环原理流程 108二、用混合制冷剂制冷的液化二、用混合制冷剂制冷的液化循环循环 这种混合制冷剂的组成一般主要为这种混合制冷剂的组成一般主要为C1C5的碳氢化合物，其一般的含量范围见表的碳氢化合物，其一般的含量范围见表8-18，工作时利用多组分混合物中重组分工作时利用多组分混合物中重组分先冷凝，轻组分后冷凝的特性，将它们先冷凝，轻组分后冷凝的特性，将它们依次冷凝、节流、蒸发得到不同温阶的依次冷凝、节流、蒸发
51、得到不同温阶的冷量，使天然气中对应的组分冷凝并最冷量，使天然气中对应的组分冷凝并最终全部液化。终全部液化。根据混合制冷剂是否与原根据混合制冷剂是否与原料气相混合，液化循环又分为料气相混合，液化循环又分为闭式和开闭式和开式两类。式两类。 109表表8-18 天然气液化及分离技术中所使用的混合天然气液化及分离技术中所使用的混合制冷剂的大致组成制冷剂的大致组成组分组分氦氦甲烷甲烷乙烯乙烯丙烷丙烷丁烷丁烷戊烷戊烷体积体积（%）0320323444122081538110闭式循环、闭式循环、开式循环开式循环闭式循环的特点是制冷剂的循环与天然闭式循环的特点是制冷剂的循环与天然气液化过程分开，而自成一个独立的制气液化过程分开，而自成一个独立的制冷系统。冷系统。 开式循环的特点是混合制冷剂与原料气开式循环的特点是混合制冷剂与原料气混合在一起，混合在一起， 111图图8-33 闭式混合制冷剂液化循环流程图闭式混合制冷剂液化循环流程图TC-温度控制温度控制 PC-压力控制压力控制 LC-液面控制液面控制 HC-手动控制手动控制 112图图8-34 开式混合制冷剂液化循环流程图开式混合制冷剂液化循环流程图TC-温度控制温度控制 PC-压力控制压力控制 LC-液面控制液面控制
