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氨水精馏效果及其对氨水吸收式系统性能影响的试验研究



蒸馏塔、精馏塔设计单位雷特石化8月30日讯 精馏是氨水吸收式系统中的重要环节,文中分析了精馏对氨水吸收式系统的影响,并在此基础上对影响精馏的几个重要因素进行了试验研究。结果表明:回流比越大、塔板开孔率越小,及溢流堰越高时,精馏效果越好;液气比的大小存在一个最佳值,对应于此最佳值时,精馏效果最好。文中在试验的基础上分析了精馏塔中两个不同的部分:精馏段和提馏段分别对系统cop和精馏效果的影响。

1 引言

氨水吸收式制冷机由于氨工质绿色环保、性能优良,且可获得低于零度的较低的温度,在很多场合有其独到的优越性。国内外对该制冷机的研究日益增多,但主要集中在吸收机理[1~3、9~10]、整机性能的热力学分析[4~5、11]、软件模拟计算[6](如物性软件)等方面,而对氨水吸收式系统的重要环节精馏过程研究甚少。本文对氨水精馏过程做了有益的试验探索。

2 制冷剂残留水分对系统影响的理论分析

从氨水工质对的h-e图中,可以定性地分析当精馏效果不好、氨制冷剂中含部分水分时,对制冷系统性能的影响:

在图1中,pe、pc表示的是等压线;t1、t2表示的是等温线;e虚线表示的是等浓度线。其中pc>pe, t1>t2>te>t3,er">er>ea。设纯氨制冷剂时对应的蒸发压力和蒸发温度为pe、t3;制冷剂含水分时的蒸发压力和蒸发温度为pe*、te。pc为系统冷凝压力,er、ea为系统内的浓溶液和稀溶液浓度。

2.1 水分含量对蒸发压力和蒸发温度的影响

从图中可以看到,当制冷剂中含有水分时,制冷剂氨的浓度由1降为er",保持蒸发压力不变,则蒸发温度由t3升高为te,即水分含量使制冷剂的沸点上升。同理,若保持蒸发温度t3不变,压力表中指示的实际蒸发压力(pe*)要比纯氨制冷剂时的蒸发压力(pe)要低,即pe*<pe。

2.2 水分含量对系统性能的影响

由系统热力计算,可以得到以下公式:

式中f—溶液循环倍率

式中qh—系统发生器单位热负荷, kj/kg

q0—单位制冷量, kj/kg

h9—精馏后制冷剂气体的焓值, kj/kg

ha—稀溶液的焓值, kj/kg

h3—发生器进口浓溶液焓值, kj/kg

qr—单位精馏热, kj/kg

era—精馏后制冷剂气体的浓度, kg/kg

经分析可知,当蒸发温度一样时,含水制冷剂的蒸发压力比纯氨制冷剂蒸发压力要低,由于吸收温度t2不变(由冷却水温度决定),吸收后浓溶液浓度由er减小为e'r,溶液循环在图(1)中由1-2-3-4变为1-5-6-7,因而(er-ea)将减小,f增大,qh增大,cop减小。

2.3 水分含量对制冷量的影响

蒸发中,随着氨的蒸发,溶液中水的比例逐渐增多,相应的蒸发温度逐渐上升,制冷量下降。与纯氨制冷剂相比,含水制冷剂制冷量的降低值,与在蒸发过程中,和水相结合的氨的量有关,这部分氨造成了制冷量的损失。把对应于蒸发压力和蒸发温度te的溶液平衡浓度设为eee,因此,蒸发器中残留下来的溶液中,氨的质量与水的质量之比为;1kg浓度为era的制冷剂混合物共有)制冷剂不起制冷作用。

即表示制冷剂制冷量的损失的比例。

由以上分析可知,制冷剂中残留的水分对蒸发温度、系统性能、制冷量都有影响,所以,精馏过程在氨水吸收系统中的重要性不言而喻。精馏过程是一个复杂的传质传热的过程。影响精馏效果的因素很多,如:精馏物系的物性、精馏塔内液气负荷比、精馏液回流比以及精馏塔结构参数等。本文针对其中较为重要的几个影响因素:液气比,回流比,塔板开孔率,塔板开孔大小对氨水系统中的精馏效果和系统性能的影响进行了试验对比。

3 试验台与试验方案

试验台流程如图2所示,它是一套单级氨水吸收式制冷系统。系统按循环工质的不同,包括制冷剂循环和氨水溶液循环。

在发生器中进入发生器的浓度为0.4的浓溶液,被加热,产生氨与水混合蒸汽,在精馏塔中,混合气体被精馏,到塔顶时变成0.998的氨蒸汽,氨蒸汽在冷凝器中被冷凝下来,存入冷凝器储罐,再在过冷器中过冷。之后进入节流阀节流,在水箱中蒸发吸热制冷。蒸发后产生的氨蒸汽在过冷器中回热后在吸收器中被稀溶液吸收。稀溶液吸收后氨气后变成浓溶液进入吸收器储罐,再由泵a打入溶液热交换器,换热后进入发生器。在发生器内加热后变成稀溶液,进入溶液热交换器与浓溶液换热后再进入吸收器,这样就完成了一个完整的循环过程。

试验的精馏效果数据从精馏塔中采样获得,试验装置的精馏塔为小型多塔节筛板塔。通过改变精馏塔的液气比、回流比以及更换塔板,试验分析对比氨水吸收式系统的性能。

4 试验结果及分析

据试验数据绘制出回流比对精馏效果的影响示意,如图3所示。

从图中可以看到,cop随着回流比的增加,存在一个最佳值,图中的最佳回流比为0.4,此时的cop值为0.35。存在最佳值的原因可能是开始回流比较小时,精馏效果较差,精馏后的制冷剂浓度较低,系统制冷量小,导致系统cop不高。当增大回流比时,精馏效果变好,导致制冷剂浓度升高,制冷量增大,因此cop升高。当回流比增大到一定值时,精馏后制冷剂浓度的变化已经不大,而大的回流比使流向蒸发器的制冷剂流量变小,导致制冷量也会下降,cop随之下降。液气比是塔操作的重要参数,从图4中可以看出液气比的值也存在一个最佳值,在最佳液气比下,精馏塔的精馏效果最好,系统的cop也最大。如图所示,最佳液气比为0.6。

表1、表2为筛板塔内部结构对精馏效果的影响。

从表中可以看到,在其他条件不变的情况下,塔板的开孔率越大,精馏效果反而越差,cop越小;而当塔板溢流堰越高时,精馏效果越好,系统cop越大。这是因为溢流堰高度的增加意味着板上液层增厚,气液相界面积和接触时间随之增加,有利于提高传质效率,因此精馏浓度提高。而开孔率越大,则筛孔气速降低,漏液也会较严重,因此塔效率会下降,精馏效果会变差[7]。表中,当开孔率为2%、溢流堰高为50mm时、精馏的效果最好。但开孔率不能太小,否则会增大筛孔气速,容易发生液泛;溢流堰也不能太高,否则会使液层距上塔板距离减小,也会增加液泛的可能性。精馏塔在进料口以上称为精馏段,在进料口以下叫提馏段[8]。精馏段与提馏段是一个精馏塔中的2个部分。图5、6反映的是精馏塔中精馏段和提馏段对精馏效果和cop的影响。


从图中可以发现,精馏段塔板数的变化对系统cop影响较小,而对精馏的效果影响比较大,塔板数越多,精馏的浓度越高;提馏段塔板数的变化对精馏效果的影响较小,但对系统cop的影响较大。精馏段对精馏效果的影响是不言而喻的,但为什么提馏段对系统cop会有影响呢?经测定本系统进塔的浓溶液都为非饱和状态(溶液热交换器效果不佳),提馏段中,进塔的浓溶液与气体进行热质交换,提高浓溶液温度,从而减少了发生热,增大了cop。可见,当进入塔的浓溶液为非饱和时,提馏段对系统性能有影响。

图7示出测量制冷剂氨的纯度对蒸发温度和制冷量的影响曲线。图中对应蒸发压力p=0. 23mpa不变,制冷剂流量不变。可以看到:制冷剂中水分的存在使蒸发温度升高,制冷量降低。

5 结语

(1)其他结构参数和操作参数不变时,回流比存在一个最佳值使系统cop最大;

(2)液气比对精馏效果和系统cop的影响均存在最佳值;

(3)在塔的正常操作范围内,塔板开孔率越小,精馏效果越好,塔板溢流堰越高,精馏效果越好。但开孔率不宜太小,溢流堰不宜太高,否则会破坏塔的正常操作;

(4)精馏塔中精馏段对精馏效果影响较大,对cop影响不大;在进料不饱和的情况下,提馏段对系统性能影响较大,对精馏效果影响不明显;

(5)蒸发压力和制冷剂流量不变时,制冷剂氨浓度越低,蒸发温度越高,制冷量越小。

参考文献

[1] 牛晓峰,杜垲,胡智慧,等.磁场影响氨水吸收的实验研究[j].工程热物理学报,2008,29(6):919-922.

[2] 牛晓峰,王良虎,杜垲.一种氨水垂直降膜吸收传质模型[j].化工学报,2006,59(3):405-410.

[3] 盛伟,武卫东,张华,等.al2o3纳米颗粒对氨水鼓泡吸收过程的强化影响[j].化工学报,2008,59(11):2762-2767.

[4] 徐士鸣,袁一.氨水吸收式制冷循环的分析与改进[j].大连理工大学学报,1996,36(4):445-450.

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[6] 杜垲,兰国彬.利用低位能的氨水吸收式制冷_aar_系统设计软件的开发及应用[j].太阳能学报,2001, 22(3): 342-345.

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[11] koehler j,tegethoffw j,westphalen d,et a.l absorp-tion refrigeration system for mobile applications util-izing exhaust gases[j]. heat and mass transfer,1997,32:333-340.

作者简介:方志云(1985-),男,硕士,主要从事吸收式制冷研究,通讯地址:200093上海市军工路516号上海理工大学动力馆109室。

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