基于LNG冷能氮膨胀制冷的空分工艺优化研究

作     者：张晨 

作者单位：西南石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马国光

授予年度：2018年

学科分类：080705[工学-制冷及低温工程] 081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：LNG冷能 氮膨胀制冷 低温空分 优化 改良(?)分析 

摘      要：随着国内天然气消耗量的日益增长,进口液化天然气(LNG)成为补充国内天然气缺口的重要途径,但由于LNG采购与销售定价方式的差异,导致了进口 LNG购销价格严重倒挂。冷能利用对LNG接收站本身的经济和产业发展的促进不可忽视。随着世界科学技术与经济的高速发展,各行各业对氧气和氮气的需求量大幅增加,这大大推动了空气分离技术的发展。开发节能、高效的空气分离技术逐渐成为了空分行业发展方向。因此,研究利用LNG冷能的低温空分工艺,对于降低液态空分产品生产成本,提高接收站的经济效益具有十分重要的意义。本文的研究目的是基于化工过程设计理论、最优化理论和改良的(?)分析方法,完成利用LNG冷能氮膨胀制冷的低温空分工艺优化。具体包括以下内容:(1)工艺中主要物流LNG与空气的物性分析,主要包括:不同条件下LNG气化过程的(?)值和冷量释放情况分析;氮气、氧气、空气基础物性及液化过程不同压力下的T-H曲线分析;精馏过程空气的相平衡分析;确定LNG冷能回收及空气液化分离过程的主要参数变化趋势,以此作为LNG冷能空分工艺设计及优化研究的基础。(2)对相变制冷、单级氮膨胀制冷、双级氮膨胀制冷、一级半氮膨胀制冷和膨胀前预冷的氮膨胀制五种制冷方式在不同的LNG气化压力下的制冷效果及耗能情况进行了研究,发现相变制冷适用于气化压力很低且对气化压力波动适应性较差的接收站。氮膨胀制冷方式的适应性较强,在不同的LNG气化压力下均有较好的制冷效果。并确定了不同LNG气化压力下本研究所需制冷深度的最优制冷方式。(3)基于大连LNG接收站的进料数据,优选膨胀前预冷的氮膨胀制冷方式,提出完整的LNG冷能氮膨胀制冷空分工艺,并利用HYSYS软件建立整体工艺的稳态模型,并对LNG入口参数、氮循环的循环压力与循环量和空气液化压力进行了参数分析。以能耗最小作为优化目标,建立优化模型完成参数优化,优化后整体工艺的单位液态产品能耗为0.4229kWh/kg,较同类实际工艺减少了 10.9%,说明该工艺有较好的节能效果。(4)为打破传统(?)分析方法的局限,找到工艺系统主要设备有效能损失的原因,引入了改良的(?)分析方法,将设备(?)损失按照可避免内源性、可避免外源性、不可避免内源性和不可避免外源性进行划分,建立各设备改良的(?)分析模型并利用线性回归简化计算过程。绘制氮循环系统的(?)流框图,建立系统整体的(?)分析模型,并提出基于改良(?)分析的优化方法。(5)基于改良(?)分析方法,对参数优化后的膨胀前预冷的氮膨胀制冷系统中的主要设备和整体系统进行计算分析,找到引起设备(?)损失的主要原因,提出优化方案,对比各方案的单位液态产品能耗和系统(?)效率完成方案优选。优化方案的(?)效率较原方案提高了近30%,单位液态产品能耗减少了 6.6%,验证了基于改良(?)分析的优化方法的可行性。对最优方案在LNG气化量、LNG气化压力波动时的适应性进行了研究,并提出了工况变化时的参数调整方向,同时发现在各工况下,优选方案的性能均优于原工艺。