丙烷預冷混合制冷劑二次分離液化工藝計算

摘 要

摘要：論述了丙烷預冷混合制冷劑二次分離天然氣液化流程工藝參數的計算，探討了求解循環量最小的制冷劑配比、混合制冷劑壓縮機最佳出口壓力和天然氣壓縮機最佳出口壓力。關鍵詞
摘要：論述了丙烷預冷混合制冷劑二次分離天然氣液化流程工藝參數的計算，探討了求解循環量最小的制冷劑配比、混合制冷劑壓縮機最佳出口壓力和天然氣壓縮機最佳出口壓力。
關鍵詞：液化天然氣；天然氣液化；丙烷預冷混合制冷劑；二次分離
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
進入21世紀，我國天然氣事業得到飛速發展，天然氣已經廣泛應用于各行各業。天然氣長輸管道輸送項目建設周期長、投資巨大，目前靠天然氣長輸管道輸送供氣，下游天然氣市場供不應求，部分地區、城市、大型用戶用氣高峰季節出現氣荒。近年來，天然氣(煤層氣)液化項目紛紛上馬，天然氣(煤層氣)液化工藝能耗指標優劣取決于制冷循環工藝[1]，丙烷預冷混合制冷劑分離液化工藝是混合制冷循環工藝之一[2]，也是目前國外大型天然氣液化廠普遍采用的液化工藝。
丙烷預冷混合制冷劑分離液化可以采用一次分離或二次分離。二次分離液化流程與一次分離液化流程相比，系統多了一個分離器、一個液相節流閥、一個換熱器，但兩者換熱面積相差不大。二次分離流程工藝計算卻復雜了很多，一次工藝計算需幾十個機時。
增加一個分離器的目的是減少混合制冷劑的預冷熱負荷，即一次分離后的氣相經冷卻后為氣、液兩相，為使液相即刻節流產冷而增加二次分離器，分離出的液相經節流而產冷，余氣再經過過冷器冷卻、液化，再節流產冷。
1 計算的目的
① 選擇制冷劑；
② 求循環量最小的制冷劑配比；
③ 求混合制冷劑壓縮機最佳出口壓力；
④ 求天然氣壓縮機最佳出口壓力。
2 已知條件
① 天然氣組成(摩爾分數)：yCH4=0.820，yC2H6=0.112，yC3H8=0.04，yi-C4H10=0.009，yn-C4H10=0.012，yN2=0.007。
② 天然氣處理量：25×104m3/d。
3 選擇制冷劑
以丙烷做預冷的制冷劑，選擇必要的N2、CH4、C2H6及少量C3H8便可確定預冷后所需冷量，本文在進行分析計算時選用N2、CH4、C2H6、C3H8作為混合制冷劑。
4 工藝流程
丙烷預冷混合制冷劑二次分離液化工藝流程見圖1。此流程適于大規模天然氣液化生產。天然氣液相節流閥后，氣相分率V=0，丙烷循環流程同一次分離流程，各節點參數也相同。計算結果見圖1。
 
5 混合制冷劑循環各節點壓力及溫度
5.1 壓力
① 天然氣壓力
天然氣進入換熱器1的設定壓力為4.76MPa，略去各換熱器阻力，各換熱器進出壓力均為4.76MPa。
② 混合制冷劑壓力
設定混合制冷劑壓縮機出口壓力為2.5MPa，不計換熱器等設備阻力，則相應點壓力為：p9=p10=p11=p12=p13=p14=p15=p16=p17=p18=p20=p21=p23=p24=2.5MPa，節流后相應點壓力為：p19=p25=p26=p27=p28=p29=p22=0.4MPa。
5.2 溫度
① 換熱器4熱端：
T4=T20=T14=238K。按換熱器4平衡方程計算求得：T29=234.16K，T4-T29=3.84℃＞3℃。
② 換熱器6冷端：
常壓罐壓力為0.12MPa，保持節流后氣相分率V=0，經計算，T7=111.03K，于是T18=111.03K。經節流閥，等焓求得T19=107.66K，T18-T19=3.37℃＞3℃。
③ 換熱器5的冷、熱端溫度計算：
a. 設定T5=T21=T15=T16=T23=180K，T27=T5-3K=177K。
b. 設定T6=T24=T17=150K，則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定壓力，按等焓閃蒸求得。
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定壓力，按等焓閃蒸求得。
6 循環量計算
6.1 做換熱器6平衡求循環量
① 在上述“5.2③b”中設定T6=T24=T17=150K，T25=147K，在相應壓力條件下，求得滿足換熱器6熱平衡的循環量。
② 以所求循環量，在上述“5.2③a”中設定T5=T23=T16=180K，T27=177K，在相應壓力條件下，做換熱器5熱平衡計算。若熱平衡滿足相對誤差為±1%要求，則所設溫度成立。反之如下：
a. 若換熱器5冷量不足，提高所設溫度T16、T17可得較高的循環量(每次升1℃)。
b. 換熱器5冷量過大，則降低所設溫度T16、T17可得較低的循環量(每次降1℃)。
本例中計算求得T6=151.73K。
6.2 求某一配比條件下的最小循環量
上述計算是在設定T5=T15=180K條件下進行的，現改變為T5=170～190K，T6=140～160K，求最小循環量。
7 混合制冷劑配比選擇
7.1 選擇范圍
z(CH4)=0.3～0.4，z(C2H6)=0.35～0.45，z(N2)=0.04～0.10，z(C3H8)滿足歸一化：
z(CH4)+z(C2H6)+z(N2)+z(C3H8)=1
式中z——氣液相摩爾分數之和
7.2 約束條件
① 換熱器6冷端進出口溫差△T＞3℃，最小也必須滿足△T＞2℃。
② 換熱器各溫段的換熱進出口溫差△T≥2℃。
7.3 求最小循環量
按上述制冷劑選擇范圍排列組合，求循環量最小的制冷劑配比。此計算過程很長，需摸索每一迭代計算步長，以減少機時。本例求得最佳配比為：
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，循環量為274.88kmol/h，循環比1.8923。
8 天然氣的最佳壓力
以p1=4.5～5.5MPa，按上述過程求最佳天然氣壓力。天然氣的壓力越高，其需冷量越小，則混合制冷劑的循環量越小，混合制冷劑壓縮機的功率越小，然而天然氣壓力越高，天然氣壓縮機的功率越大。經試算，天然氣的壓力約為4.8MPa時，綜合能耗處于較低值。
9 制冷劑壓縮機最佳出口壓力
以p10=2.0～3.0MPa，按上述過程求混合制冷劑的最佳壓力，經試算，p10=2.5MPa左右為最佳。
10 功耗
① 丙烷壓縮機功率993kW，單耗為0.0953kW·h/m3。
② 混合制冷劑壓縮機功率為1477kW，單耗為0.1418kW·h/m3。
③ 以上二項合計功率為2470kW，單耗為0.2371kW·h/m3。
參考文獻：
[1] 范學軍，袁樹明，杜建梅，等.天然氣部分液化工藝計算[J].煤氣與熱力，2010，30(7)：A40-A42.
[2] 袁樹明，劉蘭慧，范學軍，等.丙烷預冷混合制冷劑天然氣液化流程工藝計算[J].煤氣與熱力，2010，30(8)：B07-B09.
 
(本文作者：孫春旺 中國市政工程華北設計研究總院 天津 300074)