氨精馏纯度影响因素及其对氨水吸收式制冷系统影响的研究

摘要

随着能源与环境问题日益严峻，利用热能驱动、以自然工质氨为制冷剂的氨水吸收式制冷系统再次受到科研工作者的重视。但是氨与水的标准沸点只相差133.4℃，发生器加热氨水溶液产生氨气的同时必然会携带出水蒸气，使得进入蒸发器的氨液不纯，对制冷系统产生不利影响，所以引入精馏塔来实现氨的提纯，而精馏塔提纯效果受到诸如塔板数、冷却水温度等因素的影响，这些因素通过影响氨精馏纯度又间接影响到制冷系统的性能系数（COP），所以要想提高氨水吸收式制冷系统性能、扩大其应用范围，研究清楚影响氨精馏纯度的各种因素以及氨精馏纯度对整个制冷系统性能的影响是工作的重中之重。本文即在此思想的指导下，利用相关软件，完成了以下工作内容： （1）利用Schulz氨水溶液状态方程推导得到氨水溶液达到气液相平衡时温度、压力、焓、气液相摩尔分数等参数之间的关系方程，并用Matlab软件对上述方程进行了编程并计算，将程序计算结果与文献数据进行对比完成验证，此计算程序为后续精馏塔内部的精馏过程模拟提供了支持。 （2）分析了精馏塔建模时常用的平衡级模型和非平衡级模型的优缺点，在综合考虑影响精馏过程的各因素基础上，对精馏塔建立了非平衡级模型，验证了其准确性并利用此模型研究了冷却水温度、回流比、精馏段和提馏段的塔板数、进料流量和浓度等共六个因素对塔顶出口氨精馏纯度的影响，研究表明：氨精馏纯度随着冷却水温度的升高而降低、随塔板数的增加而增加、随进料流量的增加而降低、随进料浓度的增加而增加，而且存在一个最佳回流比使得系统COP最大。对这些因素的分析为后续氨水吸收式制冷系统的改进设计提供了参考。 （3）在前一章探究影响氨精馏纯度因素的基础上，利用EES软件建立了整个氨水吸收式制冷循环的热力计算过程，探究不同氨精馏纯度下系统蒸发压力、吸收终了溶液浓度、发生器热负荷以及COP的变化情况，结果显示：在一定的前提条件下，随着氨精馏纯度的降低，蒸发压力和吸收压力降低，导致吸收终了溶液浓度减小，放气范围减小，系统循环倍率变大，最终导致发生器热负荷增大，系统COP降低，此计算结果说明了获得高纯度的制冷剂氨对于提高制冷系统性能的重要性。 （4）从回流比角度入手研究了一种改进的氨水吸收式制冷系统，即用蒸发器残液作精馏塔回流液，并用Aspen Plus模拟传统循环和该改进循环，对比了-12℃~4℃的不同蒸发温度下两种循环的发生器热负荷和COP，得到：在相同制冷量要求下，改进循环能够减少精馏塔顶所需要产生的氨气流量，降低发生器热负荷，尤其适用于所要求蒸发温度较低的场合；相比于传统循环，有回热的改进循环在蒸发温度为-12℃时能够使系统COP提高5%左右。以上结果说明该改进循环具有一定的优越性。

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