工业双级氨水吸收制冷系统的模拟与优化
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1 工艺原理
吸收制冷是一种依靠消耗热能作代价而获得降 温效果的制冷循环，以二元溶液的热力特性为基础， 采用在同一压力下各组分的蒸发温度不同的溶液作 为工质，以低蒸发温度的组分作为制冷剂，以高蒸发 温度的组分为吸收剂，实现制冷循环的热力循环[4]。
2 工艺流程
双级氨水吸收式制冷系统如图 1，主要由 5 个
冷却器模型
蒸发器
Heatx
双物流换热器模型
泵
Pump
泵/液压透平模型
分流器
Split
多出口分流器模型
阀系列
Valve
压力控制阀模型
鉴于氨蒸气极易溶于水，并且在溶解过程中放 出大量的热，本文采用了冷却器对高、低压吸收系 统进行了模拟，氨蒸气与水在冷却器中混合，溶解 过程中放出的热量由冷却水带走。 3.3 设计工况模拟结果
60
80 100
氨水质量分数/%
图 2 381.9 K 下氨水气液相平衡图
图 3 与图 4 分别表示 101.33 kPa 和 1013.3 kPa 时氨水体系的 T-x-y 关系，图中的 PAPER 数据来自 中科院过程工程研究所工程化学数据库。对于露点 线，ELECNRTL、LKP、PSRK 方程均能给出满意 的模拟结果，在 101.33 kPa 时，PSRK 方程的模拟 结果要好于 LKP 和 ELECNRTL 方程，当压力提高 到 1013.3 kPa 时，氨水质量分数小于 30%时， ELECNRTL 和 PSRK 方程和实验值非常接近，但当 质量分数高于 30%时，PSRK 方程的优越性就显现 出来。
利用 ASPEN PLUS 模拟软件，采用改进的 PSRK 方程，对双级氨水吸收制冷装置进行了模拟， 设计值与模拟值比较如表 2。表 2 中设计值是由前 东德国营莱比锡 PKM 公司于 1988 年提供给该厂工 艺报告中的工艺数据。
序号 1 2 3 4
物流 低压精馏塔塔底
模拟值 设计值 低压精馏塔塔顶 模拟值 设计值 高压精馏塔塔顶 模拟值 设计值 高压精馏塔塔底 模拟值 设计值
温度/℃
表 2 设计值与模拟值的比较
压力/MPa
流量/kg·h－1
154.6 154.5
0.488 0.488
55298.7 55299.0
61.2
0.488
60.0
0.488
14372.1 14372.0
35.0
1.470
35.0
1.470
9130.3 9130.0
109.5 110.0
1.470 1.470
析了影响系统制冷系数ξ的因素，确定了装置的最佳分流比，得出了高低压吸收系统出口氨水浓度与ξ的定量关
系，提出了几种强化吸收的方法。
关键词：吸收制冷; 氨水; 汽液平衡; 过程模拟
中图分类号：TB 61
文献标识码：A
文章编号：1000–6613（2008）04–0625–06
Simulation and optimization of industrial two-stage ammonia-water absorption refrigeration system
行了比较，如图 2。从图 2 中可以得出当氨水质量分 数低于 40%时，3 种方程都能比较准确的描述氨水气 液相平衡，当氨水质量分数高于40%时，LKP 与PSRK 状态方程比 ELENRTL 方程更具有优势。
压力/MPa
8
7
381.9K
ELECNRTL
6
LKP
PSPK
5
PAPER
4
3
2
1
0
0
20
40
收稿日期：2007–07–18；修改稿日期：2007–11–20。 第一作者简介：孙道青（1982—），男，硕士研究生。电话 0411– 88993807；E–mail daoqingsun@163.com。
·626·
化工进展
2008 年第 27 卷
冷却却水水 2
甲甲醇醇液液 甲甲醇醇富富液液
10 11
460 440
420 400
380
360
340
ELECNRTL
LKP
320
PSPK
300
PAPER
0
20
40
60
80
100
氨水质量分数/%
图 4 1013.3 kPa 下氨水 T-x-y 图
T/ K
鉴于以上分析，模拟最终采用了 PSRK 状态方 程，由于 ASPEN PLUS 默认的 PSRK 方程对氨水的 液体体积及焓的计算不准确，所以调整了液体体积 及焓的计算路线。
进行模拟是成功的，因此可以用于对该装置进行优化。
4 系统优化
吸收式制冷装置的制冷系数定义如式（1）：
·628·
化工进展
2008 年第 27 卷
热负荷/kW 温度/ ℃
ξ= Q0 Q
Βιβλιοθήκη Baidu
（1）
式中，Q0 为吸收式制冷的制冷量，kW；Q 为 热源供给的热量，kW。 4.1 调节分流比
从高压吸收器出来的氨水富液由分流器将其分 成两股，一股作为高压精馏塔的进料，另一股进低 压精馏塔，作为低压精馏塔的回流。分流比定义为 高压精馏塔进料的量与高压吸收器出来的氨水富液 的量的比值。同样固定高压精馏塔塔顶氨蒸气的量， 通过调节分流器的分流比，得出了装置总的热负荷 与分流比的关系，如图 5 所示。随着分流比的增大， 装置消耗的热能呈下降趋势，当分流比达到 76%时， 装置消耗的热能最少，如果继续增加分流比，装置 的能耗又随之增加。这是因为随着分流比的增加， 进入高压精馏塔的氨水富液增加，在塔顶得到相同 氨蒸气的前提下，高压精馏塔的热负荷随之降低， 而低压精馏塔的热负荷虽然有所增加，但增加的量 远小于高压精馏塔热负荷降低的量，所以总的热负 荷程下降的趋势；当分流比增加到 76%，若继续增 加分流比，虽然高压精馏塔的热负荷有所降低，但
部分组成。 （1）蒸发系统。此氨水制冷装置有两个蒸发温
度－55 ℃、－38 ℃，分别在蒸发器 4 和蒸发器 6 中实现。（2）低压吸收系统。分为低压吸收系统Ⅰ （吸收来自－55 ℃蒸发器的氨蒸气）和低压吸收系 统Ⅱ（吸收来自－38 ℃蒸发器的氨蒸气），分别在 吸收器 7 和吸收器 8 中实现。（3）低压精馏塔 10。 （4）高压吸收系统，在高压吸收器 12 中实现。（5） 高压精馏塔 1。
20167.5 20168.0
水质量分数/%
0.984 0.985
0.019 0.020
0.001 0.010
0.638 0.640
氨水质量分数/%
0.016 0.015
0.981 0.980
0.991 0.990
0.362 0.360
从表 2 中可以看出，装置的各个参数点与设计值 复合较好，高低压精馏塔塔底与塔顶的温度，氨水质 量分数与设计值的相对误差均在 5.00%以内，模拟结 果表明，应用 ASPEN PLUS 对此氨水吸收制冷装置
2008 年第 27 卷第 4 期
化工进展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS
·625·
工业双级氨水吸收制冷系统的模拟与优化
孙道青，张述伟，刘 健
（大连理工大学化工学院，辽宁 大连 116012）
摘 要：应用 Aspen Plus 模拟软件，采用改进的 PSRK 物性方法，完成了某厂双级氨水吸收制冷系统的模拟。分
SUN Daoqing，ZHANG Shuwei，LIU Jian
（Department of Chemical Technology，Dalian University of Technology，Dalian 116012，Liaoning，China）
Abstract：Based on improved PSRK equation of state model，the simulation of industrial two-stage ammonia-water absorption refrigeration system was perfomed with the help of Aspen Plus software. Analysis of the process was made，and the best split fraction was presented. The change of ξ(coefficient of performance) with the concentrations of ammonia-water from high pressure absorption and low pressure absorption systems was deduced，and several methods to enhance the absorption were proposed. Key words：absorption refrigeration; ammonia-water; vapor-liquid equilibrium; process simulation
1 14
13
3
5
4
6
粗粗煤煤气 冷冷却却水 12
粗粗煤煤气气
P3 9
7
8
冷冷却却水水
冷冷却却水水 P1
P2 图 1 双级氨水吸收制冷工艺流程 1—高压精馏塔；2—氨冷凝器；3—氨热交换器Ⅰ；4—－55 ℃蒸发器；5—氨热交换器Ⅱ；6—－38 ℃蒸发器；7—低压吸收器Ⅰ； 8—低压吸收器Ⅱ；9—溶液热交换器Ⅰ；10—低压精馏塔；11—低压发生器；12—高压吸收器； 13—高压发生器；14—溶液热交换器Ⅱ
某厂氨水吸收制冷装置有两个蒸发温度，一级 为－55 ℃，另一级为－38 ℃。采用的热源为粗煤 气的显热，温度由 180 ℃降低到 123 ℃。回收粗煤 气余热的同时，又能为低温甲醇洗装置提供冷量。
虽然氨与水的沸点在常压下相差 133.4 ℃，但蒸 发时所产生的蒸气仍会含有一定量的水蒸气，水蒸气
的存在不但会影响整个吸收制冷装置的操作稳定性， 而且会使系统的制冷系数ξ降低[3]，所以要得到纯度 较高的氨需要用到精馏设备。由于氨水吸收制冷系统 的不可逆损失较大，故实际制冷系数ξ较小，本文通 过对该系统的模拟，找出了影响系统ξ的可调节因 素，并且通过调整各个因素找到提高ξ的方法。
3.2 单元操作模型 双级氨水吸收制冷系统涉及塔、压力变送器、换
热器等单元操作模型，为实现全流程模拟单元操作模 型非常重要，对该系统所选用的单元操作模型见表 1。
表 1 单元操作模型
设备名称
模型
说明
高、低压精馏塔
RadFrac
严格算法的精馏塔模型
再沸器
Heatx
双物流换热器模型
高、低压吸收器
Heater
化学工业是我国的能源消耗大户，怎样降低消耗 是多年来科学界研究的重点课题，工业余热的回收是 充分利用能源的重要手段之一。另外，随着人们对生 存环境的日益重视，解决那些危害人们生存环境的问 题，如臭氧层的消耗、全球变暖等已经成为全世界共 同的责任[1]。吸收制冷系统能利用工业余热，并且具 有环境友好等优点已越来越受到科学界的关注。目 前，工业上吸收制冷系统主要有两种，一种是溴化锂 吸收式制冷系统，另一种是氨水吸收式制冷系统。前 者以溴化锂为吸收剂，水为制冷剂，制冷温度一般在 5～10 ℃，后者则以水为吸收剂，氨为制冷剂，制冷 温度最低可达－60 ℃。为合理利用能源，在需要冷 量又存在余热的场合，吸收制冷系统值得推广[2]。
3 设计工况模拟
3.1 物性方法的选择 可靠的热力学模型对模拟结果的正确与否起着
决定性的作用。由于氨与水两种分子之间存在着缔合 与离子化的特殊作用，所以氨水系统呈现出高度非理 想化。氨水溶液的热力学性质一直没有非常准确的状 态方程来描述。Kh Mejbri 等[5]比较了 3 种描述氨水 工质的方法，虽然能得到不错的模拟结果，但方程非 常繁琐。国内学者对氨水的热力学性质也做了大量的 工作[6－7]，作者根据氨水的性质及 Aspen Plus 物性选 择树，最终将范围缩小到了状态方程 Lee-KeslerPlocker（LKP）、扩展的具有预测性的 Soave-RedlichKwong 状态方程模型（PSRK）、基于 NRTL 的电解 质模型（ELECNRTL）。将 Syed S.H.Rizvl 等[8]所测的 氨水气液相平衡数据与 3 种物性方法的计算数据进
第4期
孙道青等：工业双级氨水吸收制冷系统的模拟与优化
·627·
T/ K
380
360
340 320
300
280 260
240 220
0
ELECNRTL LKP PSPK PAPER
10 20 30 40 50 60 70 80 氨水质量分数/%
图 3 101.33 kPa 下氨水 T-x-y 图
90 100
吸收制冷是一种依靠消耗热能作代价而获得降 温效果的制冷循环，以二元溶液的热力特性为基础， 采用在同一压力下各组分的蒸发温度不同的溶液作 为工质，以低蒸发温度的组分作为制冷剂，以高蒸发 温度的组分为吸收剂，实现制冷循环的热力循环[4]。
2 工艺流程
双级氨水吸收式制冷系统如图 1，主要由 5 个
冷却器模型
蒸发器
Heatx
双物流换热器模型
泵
Pump
泵/液压透平模型
分流器
Split
多出口分流器模型
阀系列
Valve
压力控制阀模型
鉴于氨蒸气极易溶于水，并且在溶解过程中放 出大量的热，本文采用了冷却器对高、低压吸收系 统进行了模拟，氨蒸气与水在冷却器中混合，溶解 过程中放出的热量由冷却水带走。 3.3 设计工况模拟结果
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氨水质量分数/%
图 2 381.9 K 下氨水气液相平衡图
图 3 与图 4 分别表示 101.33 kPa 和 1013.3 kPa 时氨水体系的 T-x-y 关系，图中的 PAPER 数据来自 中科院过程工程研究所工程化学数据库。对于露点 线，ELECNRTL、LKP、PSRK 方程均能给出满意 的模拟结果，在 101.33 kPa 时，PSRK 方程的模拟 结果要好于 LKP 和 ELECNRTL 方程，当压力提高 到 1013.3 kPa 时，氨水质量分数小于 30%时， ELECNRTL 和 PSRK 方程和实验值非常接近，但当 质量分数高于 30%时，PSRK 方程的优越性就显现 出来。
利用 ASPEN PLUS 模拟软件，采用改进的 PSRK 方程，对双级氨水吸收制冷装置进行了模拟， 设计值与模拟值比较如表 2。表 2 中设计值是由前 东德国营莱比锡 PKM 公司于 1988 年提供给该厂工 艺报告中的工艺数据。
序号 1 2 3 4
物流 低压精馏塔塔底
模拟值 设计值 低压精馏塔塔顶 模拟值 设计值 高压精馏塔塔顶 模拟值 设计值 高压精馏塔塔底 模拟值 设计值
温度/℃
表 2 设计值与模拟值的比较
压力/MPa
流量/kg·h－1
154.6 154.5
0.488 0.488
55298.7 55299.0
61.2
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9130.3 9130.0
109.5 110.0
1.470 1.470
析了影响系统制冷系数ξ的因素，确定了装置的最佳分流比，得出了高低压吸收系统出口氨水浓度与ξ的定量关
系，提出了几种强化吸收的方法。
关键词：吸收制冷; 氨水; 汽液平衡; 过程模拟
中图分类号：TB 61
文献标识码：A
文章编号：1000–6613（2008）04–0625–06
Simulation and optimization of industrial two-stage ammonia-water absorption refrigeration system
行了比较，如图 2。从图 2 中可以得出当氨水质量分 数低于 40%时，3 种方程都能比较准确的描述氨水气 液相平衡，当氨水质量分数高于40%时，LKP 与PSRK 状态方程比 ELENRTL 方程更具有优势。
压力/MPa
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ELECNRTL
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收稿日期：2007–07–18；修改稿日期：2007–11–20。 第一作者简介：孙道青（1982—），男，硕士研究生。电话 0411– 88993807；E–mail daoqingsun@163.com。
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化工进展
2008 年第 27 卷
冷却却水水 2
甲甲醇醇液液 甲甲醇醇富富液液
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ELECNRTL
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氨水质量分数/%
图 4 1013.3 kPa 下氨水 T-x-y 图
T/ K
鉴于以上分析，模拟最终采用了 PSRK 状态方 程，由于 ASPEN PLUS 默认的 PSRK 方程对氨水的 液体体积及焓的计算不准确，所以调整了液体体积 及焓的计算路线。
进行模拟是成功的，因此可以用于对该装置进行优化。
4 系统优化
吸收式制冷装置的制冷系数定义如式（1）：
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化工进展
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热负荷/kW 温度/ ℃
ξ= Q0 Q
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（1）
式中，Q0 为吸收式制冷的制冷量，kW；Q 为 热源供给的热量，kW。 4.1 调节分流比
从高压吸收器出来的氨水富液由分流器将其分 成两股，一股作为高压精馏塔的进料，另一股进低 压精馏塔，作为低压精馏塔的回流。分流比定义为 高压精馏塔进料的量与高压吸收器出来的氨水富液 的量的比值。同样固定高压精馏塔塔顶氨蒸气的量， 通过调节分流器的分流比，得出了装置总的热负荷 与分流比的关系，如图 5 所示。随着分流比的增大， 装置消耗的热能呈下降趋势，当分流比达到 76%时， 装置消耗的热能最少，如果继续增加分流比，装置 的能耗又随之增加。这是因为随着分流比的增加， 进入高压精馏塔的氨水富液增加，在塔顶得到相同 氨蒸气的前提下，高压精馏塔的热负荷随之降低， 而低压精馏塔的热负荷虽然有所增加，但增加的量 远小于高压精馏塔热负荷降低的量，所以总的热负 荷程下降的趋势；当分流比增加到 76%，若继续增 加分流比，虽然高压精馏塔的热负荷有所降低，但
部分组成。 （1）蒸发系统。此氨水制冷装置有两个蒸发温
度－55 ℃、－38 ℃，分别在蒸发器 4 和蒸发器 6 中实现。（2）低压吸收系统。分为低压吸收系统Ⅰ （吸收来自－55 ℃蒸发器的氨蒸气）和低压吸收系 统Ⅱ（吸收来自－38 ℃蒸发器的氨蒸气），分别在 吸收器 7 和吸收器 8 中实现。（3）低压精馏塔 10。 （4）高压吸收系统，在高压吸收器 12 中实现。（5） 高压精馏塔 1。
20167.5 20168.0
水质量分数/%
0.984 0.985
0.019 0.020
0.001 0.010
0.638 0.640
氨水质量分数/%
0.016 0.015
0.981 0.980
0.991 0.990
0.362 0.360
从表 2 中可以看出，装置的各个参数点与设计值 复合较好，高低压精馏塔塔底与塔顶的温度，氨水质 量分数与设计值的相对误差均在 5.00%以内，模拟结 果表明，应用 ASPEN PLUS 对此氨水吸收制冷装置
2008 年第 27 卷第 4 期
化工进展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS
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工业双级氨水吸收制冷系统的模拟与优化
孙道青，张述伟，刘 健
（大连理工大学化工学院，辽宁 大连 116012）
摘 要：应用 Aspen Plus 模拟软件，采用改进的 PSRK 物性方法，完成了某厂双级氨水吸收制冷系统的模拟。分
SUN Daoqing，ZHANG Shuwei，LIU Jian
（Department of Chemical Technology，Dalian University of Technology，Dalian 116012，Liaoning，China）
Abstract：Based on improved PSRK equation of state model，the simulation of industrial two-stage ammonia-water absorption refrigeration system was perfomed with the help of Aspen Plus software. Analysis of the process was made，and the best split fraction was presented. The change of ξ(coefficient of performance) with the concentrations of ammonia-water from high pressure absorption and low pressure absorption systems was deduced，and several methods to enhance the absorption were proposed. Key words：absorption refrigeration; ammonia-water; vapor-liquid equilibrium; process simulation
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粗粗煤煤气 冷冷却却水 12
粗粗煤煤气气
P3 9
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冷冷却却水水
冷冷却却水水 P1
P2 图 1 双级氨水吸收制冷工艺流程 1—高压精馏塔；2—氨冷凝器；3—氨热交换器Ⅰ；4—－55 ℃蒸发器；5—氨热交换器Ⅱ；6—－38 ℃蒸发器；7—低压吸收器Ⅰ； 8—低压吸收器Ⅱ；9—溶液热交换器Ⅰ；10—低压精馏塔；11—低压发生器；12—高压吸收器； 13—高压发生器；14—溶液热交换器Ⅱ
某厂氨水吸收制冷装置有两个蒸发温度，一级 为－55 ℃，另一级为－38 ℃。采用的热源为粗煤 气的显热，温度由 180 ℃降低到 123 ℃。回收粗煤 气余热的同时，又能为低温甲醇洗装置提供冷量。
虽然氨与水的沸点在常压下相差 133.4 ℃，但蒸 发时所产生的蒸气仍会含有一定量的水蒸气，水蒸气
的存在不但会影响整个吸收制冷装置的操作稳定性， 而且会使系统的制冷系数ξ降低[3]，所以要得到纯度 较高的氨需要用到精馏设备。由于氨水吸收制冷系统 的不可逆损失较大，故实际制冷系数ξ较小，本文通 过对该系统的模拟，找出了影响系统ξ的可调节因 素，并且通过调整各个因素找到提高ξ的方法。
3.2 单元操作模型 双级氨水吸收制冷系统涉及塔、压力变送器、换
热器等单元操作模型，为实现全流程模拟单元操作模 型非常重要，对该系统所选用的单元操作模型见表 1。
表 1 单元操作模型
设备名称
模型
说明
高、低压精馏塔
RadFrac
严格算法的精馏塔模型
再沸器
Heatx
双物流换热器模型
高、低压吸收器
Heater
化学工业是我国的能源消耗大户，怎样降低消耗 是多年来科学界研究的重点课题，工业余热的回收是 充分利用能源的重要手段之一。另外，随着人们对生 存环境的日益重视，解决那些危害人们生存环境的问 题，如臭氧层的消耗、全球变暖等已经成为全世界共 同的责任[1]。吸收制冷系统能利用工业余热，并且具 有环境友好等优点已越来越受到科学界的关注。目 前，工业上吸收制冷系统主要有两种，一种是溴化锂 吸收式制冷系统，另一种是氨水吸收式制冷系统。前 者以溴化锂为吸收剂，水为制冷剂，制冷温度一般在 5～10 ℃，后者则以水为吸收剂，氨为制冷剂，制冷 温度最低可达－60 ℃。为合理利用能源，在需要冷 量又存在余热的场合，吸收制冷系统值得推广[2]。
3 设计工况模拟
3.1 物性方法的选择 可靠的热力学模型对模拟结果的正确与否起着
决定性的作用。由于氨与水两种分子之间存在着缔合 与离子化的特殊作用，所以氨水系统呈现出高度非理 想化。氨水溶液的热力学性质一直没有非常准确的状 态方程来描述。Kh Mejbri 等[5]比较了 3 种描述氨水 工质的方法，虽然能得到不错的模拟结果，但方程非 常繁琐。国内学者对氨水的热力学性质也做了大量的 工作[6－7]，作者根据氨水的性质及 Aspen Plus 物性选 择树，最终将范围缩小到了状态方程 Lee-KeslerPlocker（LKP）、扩展的具有预测性的 Soave-RedlichKwong 状态方程模型（PSRK）、基于 NRTL 的电解 质模型（ELECNRTL）。将 Syed S.H.Rizvl 等[8]所测的 氨水气液相平衡数据与 3 种物性方法的计算数据进
第4期
孙道青等：工业双级氨水吸收制冷系统的模拟与优化
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ELECNRTL LKP PSPK PAPER
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图 3 101.33 kPa 下氨水 T-x-y 图
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