混合工质循环气体液化系统组分测定方法研究

　　混合制冷剂制冷循环由于其机组设备少、流程简单、初投资低和管理方便而被广泛使用[1-2]。最著名的是美国Air Products and Chemicals(AP)开发的丙烷预冷混合制冷剂(C3-MR)天然气液化循环。近年来小型混合工质低温制冷机/液化机发展十分迅速。2000年Little W. A.[3]发明微型低温MRC液氮机系统,制冷工质采用氖气、氮气、甲烷、R14、乙烷、丙烷、异丁烷及异戊烷。美国Instituteof Gas Technology (GTI)[4]2003年推出一种螺杆压缩机驱动的混合制冷剂一次节流循环液化甲烷系统。Venkatarathnam G.[5]2005年提出一种液化氮气/空气生产系统,利用制冷压缩机驱动混合制冷剂,采用风冷机组对氮气和混合制冷剂进行预冷以提高系统效率。Neksa P.和Brendeng E.[6]2007年提出一种小型混合工质LNG液化样机。

　　小型预冷式混合工质循环气体液化系统具有机组设备少、流程简单、易撬装化和管理方便等优点。2009年,本研究成功搭建了一套实用型预冷式混合工质循环天然气液化装置,全部采用制造工艺成熟、性能稳定的常规制冷部件,大大降低了初投资。该装置进行多次实验,最低制冷温度达到-183e,并可稳定运行[7]。在混合工质循环制冷过程中,组分的配比调整对制冷循环的特性影响很大。本研究针对预冷式混合工质循环气体液化系统,建立了工质组分的气相色谱分析方法,可快速、简便、准确地测定系统混合工质的组分含量,为混合工质组分的循环优化提供支持。

　　1循环工质取样

　　图1为本研究建立的小型低温气体液化装置的流程示意图。在系统运行实验过程中,循环工质的组分随工质的调整和时间而变化。工质组分的变化对系统的降温特性、能耗、压缩机特性等会产生影响。所以,根据测定的混合工质的组分含量就可做相应调整,如加入一些纯工质或者排出一部分工质,以达到提高循环性能的目的。

　　分析测试取样应遵守如下原则:(1)系统必须均匀。保证样品为系统的总组分;(2)样品必须为气相。系统共布置三个取样点,分别位于压缩机入口、压缩机出口和多股流换热器入口。其中,压缩机出口工质必然是气相,而压缩机入口和多股流换热器入口在不同压力和温度下可能是气相或气液两相状态。一般认为在多股流换热器入口取样分析是可以的,但如果多股流换热器入口出现气液两相状态,取样结果就需商榷。由于工质经过水冷板式换热器冷却后,一部分液态工质随润滑油返回压缩机入口,在此取样也会有问题。因此,在压缩机出口取样最适宜,虽然有可能含有少量润滑油,但对制冷剂的组分分析影响不大。

　　选择压缩机出口作为取样点,一共取样5次。如下文表4中编号1~4为系统运行时取样的分析测试结果;编号5为系统停止后的分析测试结果。