深冷分离co模拟理论基础.doc

深冷分离 C 模拟理论基础深冷分离的基本原理是焦耳一汤姆逊的节流致冷效应一定压力的工艺气通过减 压、节流，可产生更低的低温，通过换热回收冷量，可将原料气中的co冷凝分离下来 整个系统的冷源则是工艺气的压力能转化为冷量在深冷和极低温技术中，用于获得低温和冷量的方法很多，其中气体节流和气体做 外功的绝热膨胀是深冷工业中应用的主要方法，本文工艺原理使用的方法为气体节流过 程实际压缩气体通过节流阀（或膨胀阀），压力突然降低，同时不对外做功，也不与 外界换热，可看作绝热过程，故称绝热节流（简称节流）｛54\根据热力学第一定律，节流的最终结果是等焰的，由于节流过程中摩擦和涡流所产 生的热量不可能完全地转变为其他形式的能，因此，节流过程是炳增加过程在制冷过程中需要用到焦耳一汤姆逊效应，这一效应是指流体节流时，由于压力的 变化导致温度的变化2.1.1微分节流效应向微分节流效应：节流时，无限小的压力变化所产生的无限小的温度变化，一般定义6作为微分节流效应系数：(2.1)（—）,1 cP 1格的变化d/是以下列方程式与热宣变化"0关联起来的:dO = di — A Vdp另一方面 dQ = CpdT - .4 T(—)p dP由此得sc/rr『财），"〃节流前后的嬉保持相等时，出=o,由此得式中：A—功的热当量C,一气体的定压比热理想气体实际上因为PV=RT, (-)=- = -,则由公式(2.2)可得。

产0,这就 dT p P T是说，理想气体在节流时温度没有发生任何变化，即气体的温度保持恒定实际气体的格是温度和压力的函数，节流后温度一般会发生变化，由公式(2.2)知 有三种情况：T(—)p > V时，a.X),节流后温度降低，称为冷效应： dT p7(籍)，=|/时，a,=0,节流后温度不变，称为零效应；< V时，qvO,节流后温度升高，称为热效应 dT r如己知气体的状态方程，即可利用公式(2.2)近似算出微分节流效应系数的值；准 确的微分节流效应系数值由实验测定2.1.2积分节流效应积分节流效应(△?；)：实际节流时，压力变化是一个有限值时所引起的温度变化 高压气体节流到某一个较小的压力的过程，可以把它看成许多个很小压力降的过程，这 些压力降的总和等于总的压力降如果期间进行的压力降数目为无限大，则节流时所引 起的温度变化经过积分后为：r/,2 QT(2.3)AT=7；-7；= f | (—)dP1 2 1 Jpi 1 p Jpi dp.式中：7；、T2—%体节流前、后的温度［、乌一气体节流前、后的压力因为％不仅是压力的函数，还是温度的函数，因此公式(2.3)不能积分，但△/；可 按公式(2.4)进行近似计算。

pl式中d,—较小压力改变范围内的名的平均值准确的气体混合物节流效应值由实验测定，缺乏实救数据时，如果已知气体混合物的状态方程式，即可按公式（2.2）进行计算对于组分性质相近的气体混合物，亦可根据 纯组分的节流效应值及其组成，用相加性原理作近似计算由嬉和微分节流效应的定义，结合热力学关系能够推导出:1 du A诺时ud(PV)dP(2.5)饮是指内能与流动能两部分之和，而内能包括分子运动的动能和分子相互作用的位 能：（2.5）式说明节流效应由内能的变化和流动功这两部父的能量组成；节流前后的燃 不变是这两部分的总和不变，而其中的每一项在节流过程中都是可以变化的，其中分子动能的变化反应温度的变化，如果动能减少，则温度降低内能变化为（―V，由于气 dP体节流后的压力降低，比体积增大，分子间距离拉大，分子间的位能就增加，同时需要 消屈功来克服分子间引力：但气体在绝热膨胀过程中外界没有能量供给，只有靠分子动 能的减少提供分子间位能增加所需要的能量，所以导致气体温度降低故（岑）了 或-?（曳）Vp V/即说明气体绝热膨胀后内能变化的结果，对节流效应而己总是产生降温的作用山公式（2.5）可见，%为正,为负或为零，即取决于［四竺3 cj apA d(PV)>0,则6>0,即产生的节流效dP■为流动功的变化，当d（pn p・<0,。

会因实际气体不同温度时与玻意耳定律的偏差导致 T应为冷效必瑚誓的内能和流动功变化的绝对值大小而有所不同，分为三种情况:< Ad(PVY ~9P )Td(PV)dP Jr时,时,a >0,产生冷效应;a=o.产生零效应:』（瓷岑时，产牛热效应，2.1.4转化点实际气体的焦■一汤姆逊系数不仅与气体的本性有关，而且也是温度和压力的函 数:所以同•种气体在不同状态F进行节流,会仃不同的微分廿流效应：为正值、负值 或字微分节流效应为专即弓=0的点，称为转化点对应「•转化点的温度，即转化温度.VT气体处于转化点时:由范德华方程式能够推导出：7； =6.757；其中7；是山范德华方程求得的气体转化温 度，4•是气体的临界温度虽然真实气体不完全符合范德华方程，但上A说明厂’（体转 化温度与临界温度的关系是转化温度随临界温度的降低而降低气体在不同压力下有不同的转化点,相应有不同的转化温度.以压力为横坐标,温 度为纵坐标,山转化点组成的曲线是转化曲线，（体不同转化为线也不同,图2.1是M 的转化曲线.400 - B20p (MPa)图2.1 N：的转化曲线Fig. 2.1 Inversion curve of nitrogen从图上可以看出，同-压力卜都有两个转化点,相应。

两个转化温度:-个是气和 转化点,对应为气相转化温度,或称上转化温度:-个是液相转化点,对应为液相转化温度，或称下转化温度气体在上、下两转化温度之间即曲线内是致冷区E>0：比上转 化温度高或比下转化温度低即曲线外是致热区％vo所以这条曲线对气体的致冷和液化 具有重要的实用价值，它表明，当气体的温度和压力处在致冷区时，经节流膨胀后便能 致冷乃至液化转化点的最高压力是有限的，不同气体的最高压力也不同上图中，当压力增加时, 两个温度会渐渐靠近，并在A点重合，最高压力下只有一个转化点，相应的只有一个转 化温度当压力大于A点的压力时，不论气体的温度时多少，节流膨胀后的温度总是升 高压力趋近于零时的气相转化温度，即图中B点温度一般称为最高转化温度，当气体 温度在B点以上时，不论气体的压力多大，节流膨胀后温度也总是升高的，不会产生冷 效应最高转化温度由实蛤测定，不同气体的最高转化温度不同，一些气体的最高转化 温度如表2.1表2.1 —些气体的最高转化温度Tab. 2.1 The highest transformation temperature of several gases3称~化学式 温度T/K T/KH:N2(KAr氢氮氧M204He446604Ne230771甲烷CHi953765一氧化碳CO644大多数气体的转化温度都很高，它们在室温下节流都产生冷效应。

少数气体如Ne、 He\出等的转化温度低于室温，欲使其节流后产生冷效应，必须在节流前进行预冷2.2工艺流程介绍德士古气经过废热回收及冷却，低温甲醇洗系统脱硫脱碳后，进入吸附工艺流程， 除去气体中所含有的少量甲静和CO2,以防在冷箱中冻结引起堵塞吸附器的再生气是 来自冷箱分离出来并预热后的富田气体，吸附器再生的主要工艺过程有降压；再生气 将分子筛加热至环境温度：热再生气将分子筛加热：再生气将分子筛冷至环境温度：加 压；平行操作用原料气将分子筛冷却至操作温度经过吸附的气体经过过滤器除掉机械 杂质后分两股进入冷箱，其中一股作为冷箱内调节温度的旁路工艺气进入冷箱后，经 换热、分离、精懈、精制得到产品CO,然后将不同压力的CO送至压缩工序木文主要探讨工艺装置中的冷箱工艺流程深冷分离CO系统包括两个设计工况， 工况I相比于工况II,进料条件不同且工况II有一股作为冷箱内调节温度的旁路，设计工况I的工艺流程简图为图2.2,主要设备有：换热器、闪蒸罐、汽提塔和减压阀为 减少冷量损失，低温设备装在冷箱内.26图2.2深冷分离CO工艺流程简图Fig. 2.2 Flow sheet of carbon monoxide cryogenic separation process原料气在换热系统中被冷的产品物流冷却，大量的CO被冷凝F来，然后进入分离 折将气液相分高。

分离雄出来的CO液体分成两股，一股去汽提塔的塔顶进行喷淋，另 一股经换热系统部分再沸后进入汽提塔的中部汽提塔的塔底液体经换热系统再沸后回 到塔底作为汽提气从汽提塔底部出来的高纯度co产品被分为三股物流.根据后续多 级压缩机的进气量、合理压比以及冷箱的冷站平衡，确定各物流减压至不同压力，产品 物流在换热系统中被加热送出冷箱汽提塔塔顶气体经减压后与来自分离琳经减压的富 汇成一股.在换热系统中回收冷量后送出冷箱.从冷箱出来的三股CO产品和富Hz 与出低温甲醇洗的物流换热，并被加热至环境温度，经调节压力后三股CO分则送至压 缩机进口，压缩至-定压力送卜游T序，富中一部分用作分子筛再生（，再生后的 再生气仍然汇入富H?总管中.2.3深冷分离CO精僧塔模型深冷分离CO精馅塔塔顶有来自冷凝分离雒底部的一股液体进行喷淋，为塔顶回流 提供所需要的冷量，相当于精憎塔的塔顶冷凝器；塔底有一股侧流经换热器再沸后重新 回到塔底提供再沸所需要的热量，相当于塔底再沸器，将混合物中的H2进一步气提， 保证了塔底CO纯度：冷凝分离雄底部的另一•股液体经换热器部分再沸后进入塔中部， 相当于塔的进料这种精憎塔降低了冷箱设备的布置难度，为大规模的装置提供方便， 同时也提高了分离效果。

本文深冷分离CO的精饵塔塔板数和进料位置均未知，己知进料、塔顶顿淋物流、 塔底再沸物流及出塔物流的流量，温度，压力和组成，所以需要对精馅塔进行设计计算 来求得塔板数和进料位置对于多组分多级分离设备的设计过程，使用严格计算法来确 定各级上的气液相组成、温度、压力、流率和传热速率联立求解物料衡算方程、相平 衡和热量衡算方程是严格算法的关键，这些方程式非线性方程而且数量庞大，迭代困难， 对于两组分分离的设计常采用假设恒摩尔流和组分相对挥发度为常数的逐级计算法或 图解法，其广泛应用于精馅过程的设计计算，尤其是手算的情况；多组分精馅设计相当 繁复，不易直观清晰，常采用简捷法简捷法的具体步骤是：根据分离要求确定关键组 分；根据进料组成和分离要求进行物料衡算，估算各组分在塔顶和塔底产品中的组成： 最小理论板数通过芬斯克方程求得；最小回流比通过恩德伍德公式确定，然后计算操作 回流比；利用吉利兰图的经验关联式求算理论板数：最后确定进料位置将问题转化为操作型计算，利用高速计算机采用更为严格的算法在模拟过程中， 规定一定塔板数，运用灵敏度分析设定不同的塔板数，计算塔顶和塔底物流的流量、温 度、压力及组成多组分的精憎塔可分为简单塔和夏杂塔，前者仅有一股进料且无侧线 出料和中间换热设备，本工艺中的精绥塔即相当于简单精惚塔，其计算思路经适当修改 后也可用于其他类型的多级分离计算（如复杂精馅塔、特殊精伯塔和吸收塔等）。

普通 N级逆流装置如图2.3Fi —\AAA* Q\F2 — — QiFi — JW — Q\F\ ―\A/\A"^ Q\图2.3平衡级模型Fig. 2.3 Equilibrium stage model围绕平衡级j可以写出MESH方程，M代表的是物料衡算方程，E代表的是相平衡 。