甲烷及天然气液化循环 天然气中甲烷的含量通常约在80%以上,经预处理后甲烷的相对 含量还要高。因此天然气的性质与甲烷相近。以甲烷为主的天然气液 化后的体积只有原来的1625左右,因此,对天然气进行液化是大量 贮存和远距离输送的一种经济而有效的方法。 天然气的液化技术始于1914年,但到1940年才在美国建成世界 上第一座工业规模的天然气液化装置。从六十年代开始,天然气液化 工业发展迅速。目前天然气液化循环主要有三种类型:复叠式制冷液 化循环(或称“逐级式”、“阶式”循环)、混合制冷剂液化循环和带膨 胀机的液化循环。 复叠式制冷的液化循环 这是一种常规的循环,它由若干个在不同低温下操作的蒸气制冷 循环复叠组成。对于天然气的液化,一般是由丙烷、乙烯和甲烷为制 冷剂的三个制冷循环复叠而成,来提供天然气液化所需的冷量,它们 的制冷温度分别为-45℃,一100℃及一160℃。该循环的原理流程如 图3-26所示。净化后的原料天然气在三个制冷循环的冷却器中逐级地 被冷却、冷凝液化并过冷,最后用低温泵将液化天然气(LNG)送入 贮槽。 复叠式液化循环属于蒸气制冷循环,工作压力较低,制冷剂在液 态下节流不可逆性小,实际单位能耗vn约为0.32 kw.h/nm3原料气5, 是目前热效率最高的一种天然气液化循环。此外,制冷循环与天然气 液化系统各自独立,相互影响少,操作稳定。但由于该循环机组多, 流程系统复杂,对制冷剂纯度要求严格(否则将会引起温度工况变化), 且不适用于含氮量较多的天气,这些均限制了此循环在天然气液化邻 域的应用
甲烷及天然气液化循环 天然气中甲烷的含量通常约在 80%以上，经预处理后甲烷的相对 含量还要高。因此天然气的性质与甲烷相近。以甲烷为主的天然气液 化后的体积只有原来的 1/625 左右，因此，对天然气进行液化是大量 贮存和远距离输送的一种经济而有效的方法。 天然气的液化技术始于 1914 年，但到 1940 年才在美国建成世界 上第一座工业规模的天然气液化装置。从六十年代开始，天然气液化 工业发展迅速。目前天然气液化循环主要有三种类型：复叠式制冷液 化循环（或称“逐级式”、“阶式”循环）、混合制冷剂液化循环和带膨 胀机的液化循环。 复叠式制冷的液化循环 这是一种常规的循环，它由若干个在不同低温下操作的蒸气制冷 循环复叠组成。对于天然气的液化，一般是由丙烷、乙烯和甲烷为制 冷剂的三个制冷循环复叠而成，来提供天然气液化所需的冷量，它们 的制冷温度分别为－45℃，－100℃及－160℃。该循环的原理流程如 图 3-26 所示。净化后的原料天然气在三个制冷循环的冷却器中逐级地 被冷却、冷凝液化并过冷，最后用低温泵将液化天然气（LNG）送入 贮槽。 复叠式液化循环属于蒸气制冷循环，工作压力较低，制冷剂在液 态下节流不可逆性小，实际单位能耗 w0, pr 约为 0.32kw.h/Nm3 原料气[5 ]， 是目前热效率最高的一种天然气液化循环。此外，制冷循环与天然气 液化系统各自独立，相互影响少，操作稳定。但由于该循环机组多， 流程系统复杂，对制冷剂纯度要求严格（否则将会引起温度工况变化）， 且不适用于含氮量较多的天气，这些均限制了此循环在天然气液化邻 域的应用
丙烷压缩机乙烯压缩机甲烷压缩机 丙烷冷却器乙烯冷却器甲烷冷却器 燃料气 净化后的天然气进料 图3-26复叠式制冷液化循环原理流程 用混合制冷剂制冷的液化循环 混合制冷剂液化循环是六十年代末期由复叠式液化循环演变而来 的,它采用一种多组分混合物作为制冷制,代替复叠式液化循环中的 多种纯组分制冷剂。混合制冷剂一般是c1-cs的碳氢化合物和氮等五 种以上组分的混合物,其组成根据原料气的组成和压力而定。混合制 冷剂的大致组成列于表3-4。工作时利用多组分混合物中重组分先冷 凝、轻组分后冷凝的特性,将它们依次冷凝、节流、蒸发得到不同温 度级的冷量,使天然气中对应的组分冷凝并最终全部液化。根据混合 制冷剂是否与原料天然气相混合,分为闭式和开式两类循环。 表3-4天然气液化及分离技术中所使用的混合制冷剂的大致组 成 组分氮 甲烷乙烯丙烷丁烷戊烷 体积0-32032344412~208-153-8 (%) 闭式循环流程图如图3-27所示。制冷剂循环与天然气液化过程分 开,自成一个独立的制冷系统。被压缩机压缩的混合制冷剂,经水冷 却后使重烃液化,在分离器1中进行气液分离。液体在换热器I中过
图 3-26 复叠式制冷液化循环原理流程 用混合制冷剂制冷的液化循环 混合制冷剂液化循环是六十年代末期由复叠式液化循环演变而来 的，它采用一种多组分混合物作为制冷制，代替复叠式液化循环中的 多种纯组分制冷剂。混合制冷剂一般是 c1—c5 的碳氢化合物和氮等五 种以上组分的混合物，其组成根据原料气的组成和压力而定。混合制 冷剂的大致组成列于表 3-4。工作时利用多组分混合物中重组分先冷 凝、轻组分后冷凝的特性，将它们依次冷凝、节流、蒸发得到不同温 度级的冷量，使天然气中对应的组分冷凝并最终全部液化。根据混合 制冷剂是否与原料天然气相混合，分为闭式和开式两类循环。 表 3-4 天然气液化及分离技术中所使用的混合制冷剂的大致组 成 组 分 氮 甲烷 乙烯 丙烷 丁烷 戊烷 体 积 （%） 0~3 20~32 34~44 12~20 8~15 3~8 闭式循环流程图如图 3-27 所示。制冷剂循环与天然气液化过程分 开，自成一个独立的制冷系统。被压缩机压缩的混合制冷剂，经水冷 却后使重烃液化，在分离器 1 中进行气液分离。液体在换热器 I 中过
冷后,经节流并与返流的制冷剂混合,在换热器I中冷却原料气和其 它流体;气体在换热器I中继续冷却并部分液化后进入分离器2。经气、 液分离后进入下一级换热器I,重复上述过程。最后,在分离器3中 的气体主要是低沸点组分氮和甲烷,它经节流并在换热器ⅣV中使液化 天然气过冷,然后经各换热器复热返回压缩机。原料天然气经冷却并 除去水分和二氧化碳后,依次进入换热器ⅠⅡ和Ⅲ被逐级冷却。换 热器间有气液分离器,将冷凝的液体分出。在换热器ⅢI中原料气冷凝 后经节流进入分离器6。液化天然气经换热器ⅣV过冷后输出;节流后 的蒸气依次经换热器ⅣV至Ⅰ复热后流出装置。 开式循环的特点是混合制冷剂与原料气混合在一起,其流程如图 3-28所示。原料天然气经冷却并除去水份和二氧化碳后与混合制冷剂 混合,依次流过各级换热器及气液分离器,在天然气逐步冷凝的同时, 也把所需的制冷剂组分逐一地冷凝分离出来,然后又按沸点的高低将 这些冷凝组分逐级蒸发汇集一起构成一个制冷循环。开式循环运行中 利用各段的冷凝液可及时地补充循环制冷剂,免去供起动、停机时存 放混合制冷剂的贮罐。但其启动时间较长,且操作较困难,因此是 种尚待完善的循环。 PC TC IY 原料气 PC III 重烃 T℃—温度控制PC一压力控制LC一液里控制 HC一手动遥控 图3-27闭式混合制冷剂液化循环流程图
冷后，经节流并与返流的制冷剂混合，在换热器 I 中冷却原料气和其 它流体；气体在换热器 I 中继续冷却并部分液化后进入分离器 2。经气、 液分离后进入下一级换热器 II，重复上述过程。最后，在分离器 3 中 的气体主要是低沸点组分氮和甲烷，它经节流并在换热器 IV 中使液化 天然气过冷，然后经各换热器复热返回压缩机。原料天然气经冷却并 除去水分和二氧化碳后，依次进入换热器 I、II 和 III 被逐级冷却。换 热器间有气液分离器，将冷凝的液体分出。在换热器 III 中原料气冷凝 后经节流进入分离器 6。液化天然气经换热器 IV 过冷后输出；节流后 的蒸气依次经换热器 IV 至 I 复热后流出装置。 开式循环的特点是混合制冷剂与原料气混合在一起，其流程如图 3-28 所示。原料天然气经冷却并除去水份和二氧化碳后与混合制冷剂 混合，依次流过各级换热器及气液分离器，在天然气逐步冷凝的同时， 也把所需的制冷剂组分逐一地冷凝分离出来，然后又按沸点的高低将 这些冷凝组分逐级蒸发汇集一起构成一个制冷循环。开式循环运行中 利用各段的冷凝液可及时地补充循环制冷剂，免去供起动、停机时存 放混合制冷剂的贮罐。但其启动时间较长，且操作较困难，因此是一 种尚待完善的循环。 TC—温度控制 PC—压力控制 LC—液里控制 HC—手动遥控 图 3-27 闭式混合制冷剂液化循环流程图
原料气 PC 会E H20 返流气 TC一温度控制PC一压力控制LC一液面控制HC一手动控制 图3-28开式混合制冷制液化循环流程图 同复叠式液化循环相比,混合制冷剂液化循环具有流程简单、机 组少、初投资少、对制冷剂纯度要求不高等优点。其缺点是能耗比复 叠式高20%左右5;对混合制冷剂各组分的配比要求严格,流程计算 较困难,必须提供各组分可靠的平衡数据和物性参数。 为了降低能耗,出现了一些改进型的混合制冷剂液化循环。目前 应用最多的是采用丙烷、乙烷或氨作前级预冷的混合制冷剂循环,将 天然气预冷到238~223K后,再用混合制冷剂冷却。这时混合制冷剂 只需氮、甲烷、乙烷和丙烷四种组分,因而显著地缩小了混合制冷剂 的沸点范围,使制冷的冷却负荷大大减少。同时,在预冷阶段又保持 了单组分制冷剂复叠式循环的优点,提高了热力学的效率。 需要指出,混合制冷剂的各组分一般都是部分地甚至全部地由天 然气原料中来提供或补充。因此,当天然气含甲烷较多且其它制冷剂 组分的供应又不太方便时,则不宜选用此类循环。 除在天然气液化及分离技术中使用混合制冷剂循环外,近年来在 稀有气体的提取,工业尾气的低温分离及氮、氢、氦的液化等方面也 试用混合制冷剂循环。但随着冷却温度级的不同,混合制冷剂的组成 也就不同
TC—温度控制 PC—压力控制 LC—液面控制 HC—手动控制 图 3-28 开式混合制冷制液化循环流程图 同复叠式液化循环相比，混合制冷剂液化循环具有流程简单、机 组少、初投资少、对制冷剂纯度要求不高等优点。其缺点是能耗比复 叠式高 20%左右[5 ]；对混合制冷剂各组分的配比要求严格，流程计算 较困难，必须提供各组分可靠的平衡数据和物性参数。 为了降低能耗，出现了一些改进型的混合制冷剂液化循环。目前 应用最多的是采用丙烷、乙烷或氨作前级预冷的混合制冷剂循环，将 天然气预冷到 238~223K 后，再用混合制冷剂冷却。这时混合制冷剂 只需氮、甲烷、乙烷和丙烷四种组分，因而显著地缩小了混合制冷剂 的沸点范围，使制冷的冷却负荷大大减少。同时，在预冷阶段又保持 了单组分制冷剂复叠式循环的优点，提高了热力学的效率。 需要指出，混合制冷剂的各组分一般都是部分地甚至全部地由天 然气原料中来提供或补充。因此，当天然气含甲烷较多且其它制冷剂 组分的供应又不太方便时，则不宜选用此类循环。 除在天然气液化及分离技术中使用混合制冷剂循环外，近年来在 稀有气体的提取，工业尾气的低温分离及氮、氢、氦的液化等方面也 试用混合制冷剂循环。但随着冷却温度级的不同，混合制冷剂的组成 也就不同
带膨胀机的液化循环 这种循环是利用气体在膨胀机中进行作外功的绝热膨胀来提供天 然气液化所需的冷量。 图3-29为直接式膨胀机循环流程图。它直接利用输气管道内带压 天然气在膨胀机中膨胀来制取冷量,使部分天然气冷却后节流液化。 循环的液化系数主要取决于膨胀机的膨胀比,一般为7~15%5]。这种 循环特别适用天然气输送压力较高、而实际使用压力较低,中间需要 降压的场合。其突出的优点是能耗低、流程简单、原料气的预处理量 少。由于在膨胀过程中天然气中一些高沸点组分会冷凝析出,致使膨 胀机在带液工况下运行,故设计比较困难 低压气 增压机 〔透平膨胀机 高压原料气 压缩机 ,节流阀 分子筛 换热器 换热器 换热器 吸附器 分离器 图3-29直接式膨胀机天然气液化循环流程 图3-30所示的循环采用一个与天然气液化过程分开的具有两极氮 膨胀的制冷循环来供给天然气液化所需的冷量。原料气经预纯化设备、 换热器Ⅰ,在重烃分离器分离出高碳化合物后,进入换热器Ⅱ继续冷 却,而后流入氦气提塔。在塔底得到液化天然气,经换热器Ⅲ过冷后 去贮槽;在塔上部得到含部分甲烷的氮气,它流入氮一甲烷分离塔使 氮与甲烷分离,在塔的下部获取纯液甲烷并送进贮槽,在塔上部流出 的氮气与从换热器Ⅲ来的膨胀后的氮气汇合,经换热器Ⅱ、Ⅰ复热后 流入循环压缩机。压缩后的氮气经换热器Ⅰ预冷后到第一台透平膨胀 机膨胀,产生的冷量经换热器Ⅱ回收;随后氮气进入第二台透平膨胀 机膨胀至更低压力,在换热器Ⅲ回收冷量将天然气液化
带膨胀机的液化循环 这种循环是利用气体在膨胀机中进行作外功的绝热膨胀来提供天 然气液化所需的冷量。 图 3-29 为直接式膨胀机循环流程图。它直接利用输气管道内带压 天然气在膨胀机中膨胀来制取冷量，使部分天然气冷却后节流液化。 循环的液化系数主要取决于膨胀机的膨胀比，一般为 7~15%[5 ]。这种 循环特别适用天然气输送压力较高、而实际使用压力较低，中间需要 降压的场合。其突出的优点是能耗低、流程简单、原料气的预处理量 少。由于在膨胀过程中天然气中一些高沸点组分会冷凝析出，致使膨 胀机在带液工况下运行，故设计比较困难。 图 3-29 直接式膨胀机天然气液化循环流程 图 3-30 所示的循环采用一个与天然气液化过程分开的具有两极氮 膨胀的制冷循环来供给天然气液化所需的冷量。原料气经预纯化设备、 换热器Ⅰ，在重烃分离器分离出高碳化合物后，进入换热器Ⅱ继续冷 却，而后流入氦气提塔。在塔底得到液化天然气，经换热器Ⅲ过冷后 去贮槽；在塔上部得到含部分甲烷的氮气，它流入氮—甲烷分离塔使 氮与甲烷分离，在塔的下部获取纯液甲烷并送进贮槽，在塔上部流出 的氮气与从换热器Ⅲ来的膨胀后的氮气汇合，经换热器Ⅱ、Ⅰ复热后 流入循环压缩机。压缩后的氮气经换热器Ⅰ预冷后到第一台透平膨胀 机膨胀，产生的冷量经换热器Ⅱ回收；随后氮气进入第二台透平膨胀 机膨胀至更低压力，在换热器Ⅲ回收冷量将天然气液化