Interne Temperaturverteilung eines Plattenwärmetauschers in einem Verflüssigungssystem

Interne Temperaturverteilung eines Plattenwärmetauschers in einer Verflüssigungsanlage:
1) Stickstoffexpansionszyklus: Die Wärmeaustauschtemperaturdifferenz an den beiden Enden und im mittleren Bereich des Wärmetauschers ist sehr gering, während sie in den übrigen Bereichen groß ist. Allerdings gibt es bestimmte Anforderungen an die minimale Wärmeaustauschtemperaturdifferenz bei der Auslegung des Wärmetauschers, die nicht zu gering sein darf. Im Allgemeinen ist die Verteilung der Wärmeaustauschtemperaturdifferenz ungleichmäßig, die Temperaturdifferenz groß und die irreversiblen Verluste hoch, wodurch der Leistungsbedarf des entsprechenden Kompressors steigt.
2) Stickstoff-Methan-Expansionszyklus: Die Kühlleistung im Niedertemperaturbereich des Wärmetauschers wird durch das Drosselventil bereitgestellt. Das Stickstoff-Methan-Gemisch wird gedrosselt und abgekühlt. Aufgrund des hohen Methangehalts ist die Temperaturdifferenz am kalten Ende nach der Drosselung gering. Nach dem Temperaturanstieg verdampfen Methan und Stickstoff schnell und tragen so maßgeblich zur Kühlleistung bei. Dies führt zu einer großen Temperaturdifferenz im Wärmetauscher, und die Temperatur des verdampften Gasgemisches steigt weiter an. Die fühlbare Wärme wird zur Kühlung des unter hohem Druck stehenden Flüssigerdgases genutzt, wodurch die Temperaturdifferenz wirksam wird. Sobald diese einen bestimmten Wert erreicht hat, wird das kalte Fluid am Expanderausgang mit dem Niedertemperaturgas vermischt, um die Kühlung des Systems fortzusetzen. Die geringste Temperaturdifferenz im Kühlraum befindet sich am heißesten, am kältesten Ende und am Zusammenfluss von gedrosseltem und expandiertem Fluid. Darüber hinaus ist die durchschnittliche Temperaturdifferenz des Wärmetauschers geringer als im Stickstoff-Expansions-Verflüssigungszyklus.
3) MRC: Die Temperaturdifferenz im Wärmetauscher ist am Niedertemperaturende gering, steigt jedoch im Bereich nahe der Normaltemperatur an. Dies liegt hauptsächlich daran, dass Butan im Kältemittel durch Isopentan ersetzt wird. Nach der Kühlung des komprimierten Kältemittelgemisches mit Meerwasser kondensiert das enthaltene Isopentan. Im gedrosselten Kältemittelgemisch verdampft Isopentan bei einer höheren Temperatur und besitzt eine hohe Verdampfungswärme. Dieser Teil der Kühlleistung steht bei der Kühlung von Erdgas und Hochdruck-Kältemittelgemisch im Wärmestrom nicht zur Verfügung. Daher ist die Temperaturdifferenz in diesem Abschnitt groß. Die Verwendung von Isopentan anstelle von Butan als hochsiedendes Kältemittel reduziert jedoch nicht nur den Energieverbrauch, sondern erhöht auch die Temperaturdifferenz, was für das Gesamtsystem sehr vorteilhaft ist.
Mit zunehmender Stufenzahl des Kältekreislaufs sinkt der Energieverbrauch des Kältesystems, während Kältekoeffizient und Exergieeffizienz steigen. Der Einfluss der Stufenzahl auf die Kälteleistung nimmt jedoch ab. Eine Erhöhung der Stufenzahl im Kältekreislauf führt zu einer höheren Prozesskomplexität und einer geringeren Bedienbarkeit. Die optimale Stufenzahl variiert je nach Größe des Kältesystems. Je größer das System, desto mehr optimale Stufen gibt es.

MRC umfasst Kreisläufe mit und ohne Vorkühlung. Der Vorkühlungskreislauf beinhaltet zudem die Vorkühlung mit reinem Kältemittel und die Vorkühlung mit Kältemittelgemisch. Die Kältemittelgemische werden in diesen Kreisläufen in verschiedene Stufen unterteilt. Die aus jeder Stufe abgetrennte Flüssigkeit wird unterkühlt und zur Kälteerzeugung gedrosselt, während das abgetrennte Gas weiter gekühlt und erneut abgetrennt wird. Die Trennstufen unterscheiden sich, wodurch sich die Komplexität des Prozesses und somit auch der Wirkungsgrad des Kältekreislaufs unterscheiden.
37. Bei der Prozessauslegung von MRC ist es notwendig, die Prozessstruktur zu optimieren und die geeignete Zyklusanzahl zu wählen. MRC umfasst einstufige, zweistufige, dreistufige und mehrstufige MRC. Diese Kältekreisläufe werden derzeit eingesetzt. Je nach Verarbeitungsgröße müssen unterschiedliche Stufen des Kältekreislaufs, unterschiedlicher Kälteleistungsverbrauch und unterschiedliche Prozesskomplexität gewählt werden. Die MRC-Optimierung umfasst die Strukturoptimierung und die Optimierung der Prozessparameter.