天然气液化混合冷剂配方优化研究.docx

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天然气液化混合冷剂配方优化研究

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摘要：现阶段,随着我国经济的快速发展,而环境污染问题的日益加剧，天然气作为一种优质清洁燃料，在能源、交通、化工等领域的应用越来越广泛。液化天然气便于运输和使用，因此，开展天然气液化技术研究对扩大天然气的应用范围具有十分重要的意义。目前，天然气液化主要采用低温液化的工艺实现，大致分为级联式、膨胀式和混合冷剂３种方式。与前两者相比，混合冷剂技术具有流程简单、机组设备少、投资少、能耗低等特点。目前世界上８０％的基本负荷型天然气液化装置都采用了混合冷剂液化流程。由于操作工况复杂、冷剂介质多相共存，天然气混合冷剂液化技术面临的主要挑战是制冷剂的组成确定及配方优化。鉴于混合冷剂制冷过程中各单纯制冷工质间复杂的热力学交互作用，采用高效的均匀设计确定初步试验方案，通过ＨＹＳＹＳ流程模拟软件对混合制冷过程进行模拟研究，归纳预测混合冷剂优化组成并进一步模拟验证。

关键词：天然气;液化混合冷剂;配方优化

引言

随着目前世界各国对环境的日益重视，LNG作为一种优质、高效的清洁能源，广泛应用于工业燃气、城市公交和重型卡车等领域，对改善城市空气质量，节能减排具有重大意义。近年来LNG项目发展迅速。我国经过十几年的快速发展，实现了由主要依靠引进国外成套技术和设备到目前完全拥有LNG生产装备自主知识产权的转变。从2008年起，国内很多业主陆续使用国产技术和设备投资建设了LNG工厂，目前运行状况良好。

1混合制冷剂循环液化天然气流程

本混合制冷剂循环液化天然气流程包括两部分：混合制冷循环和天然气液化回路。混合制冷剂循环指混合制冷剂经过制冷剂循环压缩机压缩升压，经冷却后进入气液分离器进行气液分离。经气液分离器分离出来的气相制冷剂送入冷箱后，先经过第一换热器冷却后，再送入制冷剂分离器进行气液分离。从制冷剂分离器分离出来的气相制冷剂，先经第二换热器冷却，再经过第三换热器冷却后，通过节流阀节流降温降压后进入第三换热器制冷剂反流通道，为后续冷却工艺提供所需冷量。从制冷剂分离器分离出的液相制冷剂经第二换热器冷却后，通过节流阀节流降温降压后，与第三换热器返流的混合制冷剂混合后，送入第二换热器制冷剂反流通道为第二换热器提供运行所需冷量。经气液分离器分离出来的液相制冷剂送入冷箱后，经第一换热器冷却降温后，通过节流阀节流降温降压后与第二换热器制冷剂返流的混合制冷剂混合，混合后的制冷剂送入第一换热器制冷剂反流通道为第一换热器提供所需冷量。天然气液化回路工艺主要处理净化后的天然气，使其符合液化天然气的相关标准和要求。净化以后的天然气经第一换热器冷却后进入重烃分离器进行重烃分离，分离出的液相返回第一换热器后进入凝析油闪蒸系统，分离出的气相经第二、三换热器冷却后，经节流阀节流降压产生的液体则为液化天然气，作为产品被存储到LNG低温液化储罐中储存。

2天然气液化混合冷剂配方研究

混合冷剂组成的确定目前主要采用优化模型计算法和原理优化法。计算法是通过选取实验影响因素编写优化方程，利用热力学公式优化冷剂组成，该方法需要对制冷系统建立复杂的热力学模型，优化计算困难；原理优化法是结合流程模拟和原理判断，通过提高或降低混合物中某一种组分的含量来最终确定混合物组成，该方法需要大量的试算且不易寻求最优结果。鉴于混合冷剂制冷过程是复杂的热力学效应交互作用的结果，本文采用原理初选结合均匀实验设计的混合冷剂配方优化方法，通过HYSYS软件对混合制冷过程进行流程模拟，利用少量具有代表性的实验结果建立考察指标与冷剂组成间定量关系，进而预测混合冷剂的优化组成，并对预测结果进行模拟验证。

2.1混合冷剂初选

混合冷剂制冷主要是通过蒸发吸热及复杂的换热过程实现的，这与阶式制冷的原理相类似，即高沸点冷剂组分主要在高温区发挥制冷效果，低沸点冷剂组分主要在低温区发挥制冷效果。不同的是，混合冷剂中各组分可共同在单压缩循环下逐级蒸发、冷凝，实现不同沸点组分在不同温区制冷。

2.2优化换热系统、降低损耗

混合制冷剂组分由甲烷、乙烯、氮气、丙烷、异戊烷组成。根据混合制冷剂的特性及冷热物流曲线图1-1可知，在-162℃-140℃范围内，若换热器的冷、热物流曲线间距较远，说明混合制冷剂内氮气组分多，需减少处理。如图1-2若冷、热物流曲线相互交叉或者接近，说明氮气组分较少，需加之。根据上述原理，在不同的温度范围内，及时调节制冷剂组分配比，提高混合制冷剂效果。在-140℃-80℃之间，需要调节甲烷组分，在-80℃-35℃之间，调节乙烯组分，在-35℃-0℃范围，调节丙烷组分，在0℃-40℃之间，调节异戊烷组分，与此同时，还需调节混合制冷剂的蒸发压力，以便更好换热。

图1-1

图1-2

3本改造流程的创新点与理论依据

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