天然气液化流程

典型的MRC流程由混合制冷剂循环以及天然气液化回路组成。上图中，混合制冷剂经压缩机压缩至高压，首先采用风冷带走一部分热量，之后进入一级气液分离器分离出液相和气相，液相经过预冷换热器冷却后，节流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合，为预冷换热器提供冷量，冷却天然气和从气液分离器出来的气相和液相两股混合制冷剂。气相制冷剂经预冷换热器冷却后，进入二级气液分离器分离成气相和液相，液相经液化换热器冷却后节流、降温、降压与返流的混合制冷剂混合后，为液化换热器提供冷量，冷却天然气和从分离器出来的气相和液相两股混合制冷剂。从液化换热器出来的气相制冷剂，经过冷换热器冷却后节流、降温后进入过冷换热器，冷却天然气和气相混合制冷剂。在混合制冷剂液化流程中，天然气被预冷换热器、液化换热器、过冷换热器逐步冷却，最后经过闪蒸于储罐中储存。 与级联式液化流程相比，其优点是: 1)机组设备少，只需一台循环压缩机;流程简单;投资省，投资费用比经典级联式液化流程约低15%一20% 2)管理方便; 3)混合制冷剂组分可以部分或全部从天然气本身提取与补充。缺点是: l)能耗较高，比级联式液化流程高10%20%左右; 2)混合制冷剂的合理配比较为困难; 3)流程计算须提供各组分可靠的平衡数据与物性参数，计算困难。 带预冷的混合冷剂制冷循环，简称c3/MRC工艺，是在MRc工艺基础上开发出来的新一代液化工艺，也可以视其为对传统的阶式循环的改进。C3似RC循环采用丙烷预冷(或者氨制冷预冷)与混合制冷剂(NZ+Clc4)联合作用方式。 C3/MRC混合冷剂循环天然气冷却装置见图2一3。图2一3是丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气流程图。流程由三部分组成:1，混合制冷剂循环;2，丙烷预冷循环;3，天然气液化回路。在此液化流程中，丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气，而混合制冷剂循环用于深冷和液化天然气。 混合制冷剂经两级压缩压缩至高压，首先用水冷却，带走一部分热量，然后通过丙烷预冷循环预冷。预冷后进入气液分离器分离成气相和液相，液相经第一换热器冷却后，节流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合后，为第一个换热器提供冷量，冷却天然气和从分离器出来的气相和液相两股混合制冷剂。气相制冷剂经第一换热器冷却后，进入气液分离器分离成气相和液相，液相经第二个换热器冷却后节流、降温、降压，与返流的混合制冷剂混合后为第二个换热器提供冷量，冷却天然气和从分离器出来的气相和液相两股混合制冷剂。从第二换热器出来的气相制冷剂，经第三换热器冷却后，节流、降温后进入第三换热器，冷却天然气和气相混合制冷剂。 C3/MRC工艺综合了阶式循环工艺和MRC工艺的特长，具有流程简单、效率高、运行费用低、适应性强等优点，是目前最为合理的天然气液化工艺和基地型LNG工厂首选工艺。世界上采用这种工艺的基地型LNG工厂占所有基地型LNG工厂的2/3。 AsPenPlus是一种广泛应用于化工过程的研究开发，设计，生产过程的控制，优化及技术改造等方面的性能优良的软件。“过程工程的先进系统” (AdvancedSystemrProcessEngineering，简称AsPEN.为举世公认的标准大型流程模拟软件，应用案例数以百万计。其包括56种单元操作模型，含5000种纯组分、5000对二元混合物、3314种固体化合物、40000个二元交互作用参数的数据库。 AspenPlus功能齐全，规模庞大，可应用于化工，炼油，石油化工，气体加工，煤炭，医药，冶金，环境保护，动力，节能，食品等许多工业领域。 HyProtech出品的Hysys是一个化工流程模拟动态仿真软件，是一款环境模拟设计软件，允许设计者通过概念上的设计而简化制作过程来完成项目工作。广泛应用于石油开采、储运、天然气加工、石油化工、精细化工、制药、炼制等领域。它在世界范围内石油化工模拟、仿真技术领域占主导地位。 在混合制冷剂循环中，混合制冷剂的组分配比的选择是进行整个循环研究工作的基础。在混合制冷剂循环中采用的混合制冷剂应是由许多种不同沸点的气体组分构成。利用部分冷凝和逐级闪蒸的原理，高压的混合制冷剂液体经过降压和多级分离，提供了不同温度位级的制冷剂。换热后的各股制冷剂物质流汇合后，进入制冷压缩机，进行制冷循环。其中混合制冷剂多是以C1至C5的碳氢化合物及N2等五种以上的多组分混合制冷剂为工质。混合制冷剂循环的总效率主要是取决于天然气原料与混合制冷剂之间的温度匹配情况，而后者是有许多因素决定的，其中最重要的因素是混合制冷剂的组成。 确定混合制冷剂构成的一般原则: l)混合制冷剂是由一些具有不同沸点的气体组分构成的，包括:氮、甲烷、乙烷，以及更重要的烃类组分。 2)第三最低沸点的组分应该是混合制冷剂中百分含量最高的组分，但其含量不得高于混合物的50%，最好在35%一45%之间。 3)第二最低沸点的组分应该是混合制冷剂中百分含量次高的组分大约为22%一6% 4)第三和第二最低沸点组分百分比含量之和应大于混合制冷剂的50%，最好在64%77%之间 5)混合制冷剂的平均分子量在31一35之间。 根据以上的两个原则，运用计算机语言编制程序对制冷剂进行了选择，可以挑选一些有代表性的制冷剂组分和配比作为本次研究中所采用的制冷剂。总共选择出了三大类制冷剂。它们分别是由甲烷、乙烷、丙烷和氮气组成的4组分制冷剂:由甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷和氮气组成的5组分制冷剂;由甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、异戊烷和氮气组成的6组分制冷剂。 混合制冷剂系统的组成是复杂的，其影响因素众多，要想通过一般的实验安排方法安排实验，从而得到有意义的结论比较困难的。正交试验是解决这个问题的有效办法。 天然气所有热力学性质的计算都要以相平衡计算为基础。液化过程中焓熵等热力学参数的计算都需要首先通过相平衡计算来确定混合物的相态与组分。天然气液化流程中工质经常在气液两相间相互转变，工作情况非常复杂，一般不是在理想区内工作，所以在流程计算时应该使用实际的状态方程。状态方程的种类有很多，最常用的是维里型状态方程和立方型状态方程。立方型状态方程是以展开成体积或压缩因子 Z 的三次多项式为特征，它的形式不复杂，十分灵活，对于工程计算来讲非常适合，在混合物的相变计算上精度也非常高；另一方面，由于它的参数较少，方程的模型参数用实验数据关联并不复杂，所以在实际中立方型状态方程得到很大量应用。常用的立方型状态方程主要有 SRK、PR 以及它们的一些修正式。PR 方程同 SRK 方程一样，在计算气相热力学参数上具有很高的准确度，但是 PR 方程在计算液相密度上的优势是 SRK 方程无法比拟的。用 HYSYS 软件计算天然气液化流程中的参数，可用PR 方程作为制冷剂和天然气的相平衡特性计算的状态方程。 天然气液化流程的气液相平衡计算都是温度和压力的闪蒸计算，其实质是已知混合物在进行闪蒸前的温度、压力、流量以及其中各组分的摩尔含量，来计算经气液分离后的两相各自流量和各组分在两相中的含量。为接下来的各部分物质的焓熵计算打下基础 在天然气液化流程模拟计算中，焓熵的计算是在相平衡计算的基础上进行的。相平衡计算得出节点的气液两相的组成和流量，对气液两相分别计算求得各自的焓和熵，然后再将气液两相的焓熵相加算出节点的焓和熵。对于焓熵的计算一般采用LKP方程，LKP方程被认为是计算压缩因子、定压热容、定容热容、焓和熵的最佳方法。本文也采用 LKP方程计算天然气液化模拟流程中节点的焓和熵。 首先要了解天然气液化流程涉及到的物性参数，要分析天然气的热力学性质在天然气液化流程中的重要性；可选择 PR 状态方程作为相平衡计算方程，了解 PR 方程的计算方法且比较了计算值与实验值；了解用 LKP 方程计算天然气焓和熵的方法和步骤。 设备建模液化流程系统建模的基础是设备建模。泵、气液分离器、节流阀、混合器、LNG 换热器、塔是天然气液化流程中使用最广泛的设备。各个设备模块模拟计算热力参数时用到的四个方程有物流平衡方程、能量平衡方程、物性关系式、设备约束方程。在已知入口的物性参数和出口的压力的情况下，可以通过上述的四个方程计算出口处流体的温度 T、焓 H、熵 S、汽相流量 V、液相流量 L、总流量 F、液相摩尔分率 X、汽相摩尔分率 Y、总流量中的摩尔分率 Z。压缩机和泵节流阀 LNG 换热器塔把各个模型用物流连接起来就是整个天然气液化流程的模型 LNG 换热器可以解决多股流换热器和换热器网络的能量和物料平衡，能处理大量的指定和未知的变量。LNG 换热器多采用板翅式换热器。对于整个 LNG换热器，可以指定包括热损失、UA 或温度方法在内的变量参数。目前使用两种解决方法：单个未知变量求解时，利用能量平衡直接计算未知变量；多个未知变量求解时，不仅要满足能量平衡还要满足约束条件来获得解决方案。HYSYS中冷却器和 LNG换热器模型如图所示。LNG换热器可以包含多股冷流和热流，图中以三股为例，其中 5-6、3-4 为冷流，1-2 为热流。 多股流换热器在流程中，实现低温级制冷剂冷量向天然气和高温级制冷剂传递，天然气吸收冷量后降温，往液化并提高液化率的目标逼近:高温制冷剂吸收冷量后能部分液化，使高温制冷剂进入下一个气液分离器时能产生气液两相。为了提高换热器的使用效率，大容量装置的换热器通常在制造厂完成，组装成冷箱。换热器可以组成逆流式换热器和错流式换热器。多股流换热器模块计算，就是通过己知条件(多股流换热器进口物流压力、温度、焙、摩尔流量、组分摩尔分率)求解出气液分离器出口处物流的参数(气相温度、气相压力、焓、熵、气相组分摩尔分率、液相温度、液相压力、焓、熵、液相组分摩尔分率)。 例子说明:有四股物流通过一个换热器，其中三股为冷流，一股为待冷却的天然气，己知换热器入口处三股冷流的压力、温度、摩尔流量、组分摩尔分率，天然气压力、温度、摩尔流量、组分摩尔分率，求解出口处三股冷流的热力参数和天然气的热力参数(物流未发生相变)。