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文|奉命说史

编辑|奉命说史

研究旨在为聚乙烯装置中的回收环己烷冷却至15 C提供水。这项研究可能会使使用基于溶液的聚合技术的聚乙烯工厂受益。

630T的冷水机组，压缩机功率输入为378.33kW，可以提供能够将循环环己烷冷却至15 C的冷冻水，采用AspenHysys7.1版设计。

测试了四种不同的制冷剂，以了解最适合该设计的制冷剂，其中最好的是R134a，设计的冷水机的性能系数为6.3，容量大于有缺陷的冷水机组（550TR）。

与有缺陷的冷水机不同，具有冷却能力的增加和压缩机功率从296kW增加到378.6kW，它可以排出能够冷却的冷冻水，将循环环己烷从38 C冷却到15 C，而不会跳闸。

通过这种设计，乙烯吸收率可以提高到40T/h。蒸发器和设计冷凝器，工作分别为2166.39KJ/sec和2544.72KJ/sec，设计了流量系数为46.17gpm的热力膨胀阀。

设计吸入和排气压力分别为414kpa和1053kpa，冷凝器温度为40 C。使用冷冻水将循环环己烷从38 C冷却至15 C由设计的冷水机组提供，使用AspenHysys进行模拟。

简介

聚乙烯生产可以使用基于溶液的聚合技术，浆料法或气相技术来实现，在基于溶液的方法中，使用溶剂来吸收乙烯，该溶剂不参与反应，但在其他溶剂中回收和再循环以节省成本，这种溶剂的例子是环己烷。

乙烯吸收是高度放热的，循环环己烷的温度影响平衡吸收温度，在饿了么石化中，回收7公斤/厘米的环己烷2使用一系列热交换器从180 C冷却到约35 C。

一些热交换器使用32 C的冷却水，为了进一步冷却环己烷以提高乙烯吸收，引入了冷却器，这仅有助于将循环环己烷温度降至20 C。

进一步冷却到17 C的努力导致冷却器跳闸，装置最终发生故障。

这项研究的目的是设计一种能够供水的冷却器，用于将循环环己烷冷却到15 C，冷水机组是传热设备之一，它采用蒸汽压缩循环的原理。

该项目的目标包括：使用Hysys模拟环己烷从38 C冷却到15 C，以获得冷水机组用水要求，使用不同的制冷剂进行测试以获得最适合设计的制冷剂，根据最佳冷水机组水参数要求和最佳制冷剂开发设计和设计算法。

材料和方法

本报告使用的材料分别包括R134a，R125，R152a和R1270的P-h图，ASHRAE手册，空调和制冷手册，工艺技术手册、软件（AspenHysys，版本7.1）和输入数据。

从工厂获得的输入数据包括环己烷流速、温度和压力，冷却水压力和温度。

为了实现这项研究的目的，使用了AspenHysys软件7.1版，该软件使用质量和能量守恒原理，传热原理和热力学来产生结果。

这项工作使用了10%的设计公差，并应用了稳态仿真和设计程序。做出了以下假设：

1）势能和动能效应可忽略不计

2）蒸发器和冷凝器处于恒定压力

3）蒸发器出口为饱和蒸汽，冷凝器出口为饱和液体

4）蒸汽压缩循环处于稳态。

5）膨胀阀处发生绝热过程

6）冷水机组被认为是理想的蒸汽压缩制冷循环，因此压缩过程是等熵的。

图1是带有环己烷冷却回路的冷却器回路，路径“abcd”表示制冷回路。

在蒸发器中，用于环己烷冷却的水将热量损失到制冷剂中，并作为较低温度的冷冻水返回板式换热器，用于冷却回收的环己烷，同时制冷剂获得热量并蒸发。

压缩机将制冷剂提升到冷凝器，能量增加，在冷凝器中，蒸发器从水中带走的热量被排出，冷凝的制冷剂通过计量装置送回蒸发器，完成蒸汽压缩循环。

使用AspenHysys模拟了将200T/hr的环己烷从38 C冷却到15 C的过程，以确定水量和进入冷却器的水的温度，如图1所示，冷却过程的显热估计如下：

其中，Qs是热环己烷的热损失率，ms是环己烷的质量流量，Cp。s是环己烷在平均温度下的比热容，t所以是环己烷冷却后的温度和t四是环己烷的入口温度。

另外，为了估计需水量，在板式换热器上完成能量平衡：

其中，t窝是环己烷冷却后返回冷水机蒸发器的水的温度，这是要确定的（如图1所示）和t无线是值不大于15 C的冷冻水的温度。

图1.冷却器和环己烷冷却回路

分别在5 C、8 C、10 C、12 C和13 C的蒸发器温度下模拟蒸汽压缩循环和环己烷冷却，以确定压缩机中需要最少能量输入的制冷剂。

使用的制冷剂是1，1，1，2-四氟乙烷（R134a），1，1，1，2，2-五氟乙烷（R125），丙烯（R1270）和1，1-二氟乙烷（R152a）。

记录所需制冷剂的体积、压缩机功率要求和返回蒸发器的水的温度，利用环己烷冷却模拟结果，使用公式（3）计算冷水机组的冷却负荷。

冷却负荷转换为制冷机容量，单位为制冷吨（TR），转换系数为1TR为3.5kW。

冷水机组的理想P-h图如图2所示，它用于确定制冷剂在第1阶段（压缩机吸入）、第2阶段（压缩机排气）、第3阶段（冷凝器出口）和第4阶段（膨胀阀出口/蒸发器入口）的热力学特性。

由于压缩过程是等熵的，因此使用等熵过程中各阶段之间的温度变化来计算排气温度。

在这项工作中，排气温度不超过107 C，因为排放温度应低于制冷剂的临界温度。

使用图2，压缩机能量输入可以确定如下

根据焓的定义，方程（5）可以转换为

为了确定设计压缩机的等熵效率，等熵头估计为

要获得T转速，假设压缩是可逆的，等熵过程的熵为零

压缩机的等熵效率使用公式（9）计算，而压缩机功率使用公式估算。

图2.冷水机组的理想P-h图

在这项研究中，使用了70%-85%的等熵效率范围。

冷水机组采用冷凝器温度40 C，蒸发温度10 C设计，设计的蒸发器类型是富液式水冷管壳式换热器，管侧流体是水，而制冷剂R134a是壳侧流体，冷凝器是壳管式的。

在蒸发器上实现能量平衡的情况下，传热速率可以如图2所示估算。

传热所需的蒸发器面积使用公式（12）估计，而管数使用公式（14）估计。

本研究公式（12）中“U”的值范围为1080-3600kJ/hm2・C（300-1000W/m2・K）用于蒸发器和3600- 14，400kJ/hm2・C（1000-4000W/m2・K）用于冷凝器。

对数平均温差（LMTD）的评估如下所示

使用图2，可以通过在冷凝器上保持能量平衡来建立冷凝器中传递的热量。

在阀门处，由于闪蒸作用，制冷剂以饱和液体（f）和饱和蒸汽（g）的形式存在。制冷剂的干度分数用“X”表示。为了获得阀门出口处制冷剂的干度分数，制冷剂的焓为

从图2中，冷水机的性能系数可以确定为：

在这项研究中，COP的值被认为大于5.7，因为冷却器的卡诺COP为5.7。

冷水机组是使用AspenHysys模拟器设计的。以下算法被开发为求解技术（图3）

图3.冷水机设计的算法

结果和讨论

环己烷冷却的模拟结果如表1所示，结果表明，返回冷水机的水温为31.65 C，使用120m将200T/h环己烷从38 C冷却至15 C3/h的水，水温为15 C。

这是因为热交换器的温度接近为0 C，水流量为120米3使用/hr是因为向冷水机组供水的泵的最大额定值为135m3/人力资源。

图4 显示了所有所用制冷剂的压缩机功率输入如何随蒸发器温度变化，这表明R134a是最适合该设计的制冷剂，因为它在每个相应的蒸发器温度下具有最少的压缩机功率输入。

蒸发器温度从5 C升高到13 C会降低压缩机功率输入，因为压缩比下降，从而减少了压缩机的工作，如图 4 所示。

图4.不同制冷剂的蒸发器温度对压缩机功率输入的影响

当使用R134a时，这种效果最大，因此，R134a最适合该设计。

不考虑蒸发温度低于5 C以避免蒸发器管内的冷冻水冻结，而蒸发温度大于13 C则不考虑避免温度交叉。

表1.冷水机组水的工艺要求

图5 显示了所用不同制冷剂的压缩机负荷对性能系数的影响。最适合该设计的制冷剂是1，1，1，2-四氟乙烷（R134a），因为它需要的压缩机功率最小，如图 5 所示。

图5.压缩机负荷对不同制冷剂性能系数的影响

功率输入较少的冷水机组具有很高的性能系数，并且具有成本效益。

R134a在10 C时需要378.1KW的压缩机功率，而R152a在10 C时需要390kW的压缩机功率，因为使用R152a时排气温度更高。

图5还显示，冷水机组的性能系数随着压缩机功率的降低而增加，因为性能系数是蒸发器吸收的能量与制冷循环能量输入的比率。

R134a具有最高的性能系数，为6.49，因为它的压缩机输入最小，为333.6kW，如图5所示。

冷水机组设计结果的汇总如表2所示，设计的冷水机组容量为630制冷吨，当使用R134a在蒸发器中将冷水从31.65 C冷却到15 C时，可以去除7，799，004kJ/h的热量，压缩机需要379kW的电力来扩展42.2m3/hR134a从10 C到设计温度49.53 C。

表2.新的冷水机组规格

压缩机的类型是离心式的，因为在蒸汽压缩循环中需要大量的制冷剂。

表3 显示了从Hysys获得的压缩机选型结果，设计压缩机的功率输入为378.6kw，绝热效率为75%，压缩机的绝热头为1995m，这种高功耗是由于蒸发器负荷和制冷剂流量的增加。

设计的压缩机的最高排气温度低于制冷剂的临界温度107 C，令人满意，压缩机是单级的，因为压缩机比小于4.0。

表3.压缩机选型结果

表4显示，该蒸汽压缩循环的蒸发器需要7，799，004kJ/hr的设计热负荷，蒸发器设计温度为10 C。

这是因为对于富液式水冷蒸发器，温度方法，即蒸发温度与冷冻水出口温度之间的差异，应为3.3 C-5.6 C。

管侧出口温度为15 C，因为该设计是在板式冷却器温度接近的最坏情况下进行的，其中环己烷的冷却是在0 C下完成的。

传热面积为288米2与244m的故障冷水机组相比2（来自供应商图）和蒸发器有764个管，面积增加是由于热负荷的增加。

表5表明，设计所需的冷凝器负荷为9，167，040kJ/hr，冷凝温度为40 C，因为根据经验，冷凝器温度比环境温度高10 C-15 C。

冷凝器总传热系数为3796kJ/h-m2C，传热面积为332.5米2与319m的有缺陷的冷水机组相比2.设计的冷凝器的管子总数为882个，为了避免腐蚀的影响，碳钢被用于外壳设计。

表6显示了膨胀阀的选型结果，对于这种设计，考虑了热力膨胀阀，阀门具有流量系数（Cv）的46.17加仑/分钟，打开率为50%。

表6.阀门尺寸结果

通过阀门的流量为5.22 104kg/h，而阀门的压降为597.1kPa。

表7给出了建议设计的冷却器与旧的有缺陷的冷却器的比较，为了使用拟议设计的冷水机将环己烷循环至15 C，由于冷水机水温下降增加了蒸发器负荷，冷水机容量从550TR增加到630TR，压缩机负荷从1，065，600kJ/h增加到1，361，988kJ/h。

由于制冷剂流量从33m增加导致压缩机工作增加，设计冷水机组的排气温度从29.26 C增加到49.53 C3/h至42.2m3/h.同样，冷凝器冷却水流量从257m增加到372m3/h因为冷凝器中的排热率从6，310，800kJ/h增加到9，197，040kJ/h。

由于排气温度从29.3 C上升到49 C，压缩比增加，新设计的冷水机组的压缩机功率输入大于旧冷水机组。

图6显示了当考虑这些情景时环己烷流量增加时环己烷的温度曲线，在冷水机发生故障之前，当有缺陷的冷水机被旁路时以及当建议的冷水机将使用时。

图6.环己烷在冷水机故障前的温度曲线，当冷水机被旁路时，以及何时使用建议的冷水机时

当环己烷流量提高到200T/h时，冷却器的存在导致乙烯吸收中使用的环己烷温度下降高达23 C，环己烷在15 C下排放到乙烯吸收单元。

这是因为冷冻水从环己烷中去除了更大的热能，冷冻水来自冷却器，温度较低，为15 C，图6表明，当使用建议的冷却器时，它可以给出环己烷的最低出口温度。

图7显示了冷水机组容量对乙烯吸收速率的影响，当使用550TR的冷水机时，乙烯吸收速率从20T/h增加到35T/h。

图7.冷水机组容量增加的影响

通过插值，可以预测，使用630TR容量的拟议冷却器，乙烯吸收率将增加到40T/h，如图7所示。

这是因为在630TR容量下，环己烷将在15 C进入吸收单元，这将降低乙烯的平衡吸收温度。

结论

设计了630吨制冷的离心式水冷式冷水机组。冷冻水设计流量为120米3/小时在15 C下。该冷水机能够以7Kg/cm的速度冷却200T/h的环己烷2在相同的压力下从38 C到15 C。

在使用四种制冷剂（R134a、R125、R152a和R1270）中，R134a是最适合该设计的制冷剂。

R134a在10 C蒸发温度下的压缩机功率输入要求最低，因此具有最高性能系数的冷水机组。

R152a的压缩机输入较低，但不适合蒸发温度低于8 C，R134a和R152a的混合物可用于进一步的研究，以查看冷却效果。

设计的冷水机的性能系数为6.3，容量大于有缺陷的冷水机组的550TR。

随着制冷量的提高和压缩机功率从296kW增加到378.6kW，它可以排出能够将循环环己烷从38 C冷却到15 C的冷冻水，而不会使机组跳闸。

在随后的研究中，可以对设计的冷水机组进行优化，以进一步降低能耗。

630TR冷水机组需要一台功率输入为378.33kW的单级离心式压缩机，设计吸入压力为414.2kPa，排气压力为1053kPa，冷水机温升为39.53 C，吸入温度为10 C。

在10 C下需要/h的R134a才能从120m吸收7，799，004kJ/hr的热量3/小时冷冻水在31.48 C。

同样，327.2米3在冷凝温度为40 C的冷凝器中，需要/小时的30 C冷却水才能在冷凝器中喷射9，167，040kJ/hr的热量，冷凝器水的最高回水温度为36 C。

蒸发器的传热面积要求为288m2而冷凝器的直径为332.5m2（与目前有缺陷的冷水机组相比，该冷水机为244米2和319m2分别）。

算法是为设计过程开发的，该算法不言自明且易于使用。

尽管设计的冷水机组可能会产生成本影响，但冷水机组会将乙烯吸收率提高到40T/h，从而增加工厂吞吐量和收入。

可以进一步研究冷冻水的冷却，并研究对环己烷冷却和乙烯吸收速率的影响。