丙烷预冷混合制冷剂二次分离液化工艺计算_工程实践

摘要

摘要：论述了丙烷预冷混合制冷剂二次分离天然气液化流程工艺参数的计算，探讨了求解循环量最小的制冷剂配比、混合制冷剂压缩机最佳出口压力和天然气压缩机最佳出口压力。关键词

摘要：论述了丙烷预冷混合制冷剂二次分离天然气液化流程工艺参数的计算，探讨了求解循环量最小的制冷剂配比、混合制冷剂压缩机最佳出口压力和天然气压缩机最佳出口压力。

关键词：液化天然气；天然气液化；丙烷预冷混合制冷剂；二次分离

Calculation of Secondary Separation and Liquefaction Process with Propane Precooled Mixed Refrigerant

SUN Chunwang

Abstract：The calculation of technological parameters of secondary separation and liquefaction of natural gas with propane precooled mixed refrigerant is described.The solutions of minimum refrigerant ratio of circulating flow，the optimal outlet pressure of mixed refrigerant compressor and the optimal outlet pressure of natural gas compressor are discussed.

Key words：liquefied natural gas；natural gas liquefaction；propane precooled mixed refrigerant；secondary separation

进入21世纪，我国天然气事业得到飞速发展，天然气已经广泛应用于各行各业。天然气长输管道输送项目建设周期长、投资巨大，目前靠天然气长输管道输送供气，下游天然气市场供不应求，部分地区、城市、大型用户用气高峰季节出现气荒。近年来，天然气(煤层气)液化项目纷纷上马，天然气(煤层气)液化工艺能耗指标优劣取决于制冷循环工艺^[1]，丙烷预冷混合制冷剂分离液化工艺是混合制冷循环工艺之一^[2]，也是目前国外大型天然气液化厂普遍采用的液化工艺。

丙烷预冷混合制冷剂分离液化可以采用一次分离或二次分离。二次分离液化流程与一次分离液化流程相比，系统多了一个分离器、一个液相节流阀、一个换热器，但两者换热面积相差不大。二次分离流程工艺计算却复杂了很多，一次工艺计算需几十个机时。

增加一个分离器的目的是减少混合制冷剂的预冷热负荷，即一次分离后的气相经冷却后为气、液两相，为使液相即刻节流产冷而增加二次分离器，分离出的液相经节流而产冷，余气再经过过冷器冷却、液化，再节流产冷。

1 计算的目的

① 选择制冷剂；

② 求循环量最小的制冷剂配比；

③ 求混合制冷剂压缩机最佳出口压力；

④ 求天然气压缩机最佳出口压力。

2 已知条件

① 天然气组成(摩尔分数)：y_CH4=0.820，y_C2H6=0.112，y_C3H8=0.04，y_i-C4H10=0.009，y_n-C4H10=0.012，_yN2=0.007。

② 天然气处理量：25×10⁴m³/d。

3 选择制冷剂

以丙烷做预冷的制冷剂，选择必要的N₂、CH₄、C₂H₆及少量C₃H₈便可确定预冷后所需冷量，本文在进行分析计算时选用N₂、CH₄、C₂H₆、C₃H₈作为混合制冷剂。

4 工艺流程

丙烷预冷混合制冷剂二次分离液化工艺流程见图1。此流程适于大规模天然气液化生产。天然气液相节流阀后，气相分率V=0，丙烷循环流程同一次分离流程，各节点参数也相同。计算结果见图1。

5 混合制冷剂循环各节点压力及温度

5.1 压力

① 天然气压力

天然气进入换热器1的设定压力为4.76MPa，略去各换热器阻力，各换热器进出压力均为4.76MPa。

② 混合制冷剂压力

设定混合制冷剂压缩机出口压力为2.5MPa，不计换热器等设备阻力，则相应点压力为：p₉=p₁₀=p₁₁=p₁₂=p₁₃=p₁₄=p₁₅=p₁₆=p₁₇=p₁₈=p₂₀=p₂₁=p₂₃=p₂₄=2.5MPa，节流后相应点压力为：p₁₉=p₂₅=p₂₆=p₂₇=p₂₈=p₂₉=p₂₂=0.4MPa。

5.2 温度

① 换热器4热端：

T₄=T₂₀=T₁₄=238K。按换热器4平衡方程计算求得：T₂₉=234.16K，T₄-T₂₉=3.84℃＞3℃。

② 换热器6冷端：

常压罐压力为0.12MPa，保持节流后气相分率V=0，经计算，T₇=111.03K，于是T₁₈=111.03K。经节流阀，等焓求得T₁₉=107.66K，T₁₈-T₁₉=3.37℃＞3℃。

③ 换热器5的冷、热端温度计算：

a. 设定T₅=T₂₁=T₁₅=T₁₆=T₂₃=180K，T₂₇=T₅-3K=177K。

b. 设定T₆=T₂₄=T₁₇=150K，则T₂₅=T₆-3K=147K。

c. T₂₂按T₂₁=180K，p₂₁=2.5MPa，p₂₂=0.4MPa等焓求得，T₂₈以T₂₂和T₂₇二股流混合焓及p₂₈定压力，按等焓闪蒸求得。

d. T₅₁按T₂₄=150K，p₂₄=2.5MPa及p₅₁=0.4MPa等焓求得，T₂₆以T₂₅和T₅₁二股流混合焓及p₂₆定压力，按等焓闪蒸求得。

6 循环量计算

6.1 做换热器6平衡求循环量

① 在上述“5.2③b”中设定T₆=T₂₄=T₁₇=150K，T₂₅=147K，在相应压力条件下，求得满足换热器6热平衡的循环量。

② 以所求循环量，在上述“5.2③a”中设定T₅=T₂₃=T₁₆=180K，T₂₇=177K，在相应压力条件下，做换热器5热平衡计算。若热平衡满足相对误差为±1%要求，则所设温度成立。反之如下：

a. 若换热器5冷量不足，提高所设温度T₁₆、T₁₇可得较高的循环量(每次升1℃)。

b. 换热器5冷量过大，则降低所设温度T₁₆、T₁₇可得较低的循环量(每次降1℃)。

本例中计算求得T₆=151.73K。

6.2 求某一配比条件下的最小循环量

上述计算是在设定T₅=T₁₅=180K条件下进行的，现改变为T₅=170～190K，T₆=140～160K，求最小循环量。

7 混合制冷剂配比选择

7.1 选择范围

z(CH₄)=0.3～0.4，z(C₂H₆)=0.35～0.45，z(N₂)=0.04～0.10，z(C₃H₈)满足归一化：

z(CH₄)+z(C₂H₆)+z(N₂)+z(C₃H₈)=1

式中z——气液相摩尔分数之和

7.2 约束条件

① 换热器6冷端进出口温差△T＞3℃，最小也必须满足△T＞2℃。

② 换热器各温段的换热进出口温差△T≥2℃。

7.3 求最小循环量

按上述制冷剂选择范围排列组合，求循环量最小的制冷剂配比。此计算过程很长，需摸索每一迭代计算步长，以减少机时。本例求得最佳配比为：

z(CH₄)：z(C₂H₆)：z(N₂)：z(C₃H₈)=43：31：20：6

以此配比求得T₅=180K，T₆=151.7K，T₂₉=234.16K，循环量为274.88kmol/h，循环比1.8923。

8 天然气的最佳压力

以p₁=4.5～5.5MPa，按上述过程求最佳天然气压力。天然气的压力越高，其需冷量越小，则混合制冷剂的循环量越小，混合制冷剂压缩机的功率越小，然而天然气压力越高，天然气压缩机的功率越大。经试算，天然气的压力约为4.8MPa时，综合能耗处于较低值。

9 制冷剂压缩机最佳出口压力

以p₁₀=2.0～3.0MPa，按上述过程求混合制冷剂的最佳压力，经试算，p₁₀=2.5MPa左右为最佳。

10 功耗

① 丙烷压缩机功率993kW，单耗为0.0953kW·h/m³。

② 混合制冷剂压缩机功率为1477kW，单耗为0.1418kW·h/m³。

③ 以上二项合计功率为2470kW，单耗为0.2371kW·h/m³。

参考文献：

[1] 范学军，袁树明，杜建梅，等.天然气部分液化工艺计算[J].煤气与热力，2010，30(7)：A40-A42.

[2] 袁树明，刘兰慧，范学军，等.丙烷预冷混合制冷剂天然气液化流程工艺计算[J].煤气与热力，2010，30(8)：B07-B09.

(本文作者：孙春旺中国市政工程华北设计研究总院天津 300074)