天然氣引射式液化流程的計算和分析

中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司 夏星星 楊 帆

0 概述

天然氣引射式液化流程是將原料天然氣加壓至 20MPa，水冷至常溫，依次經(jīng)過各級換熱器(包括外加制冷劑換熱器)，然后經(jīng)過引射器，引射中間罐的氣相組分，經(jīng)多次引射、回流、復(fù)熱后，由中間罐液相即得到液化天然氣(LNG)的流程。本文將對該工藝流程進(jìn)行計算及分析。

1 液化流程描述

天然氣引射式液化流程的引射氣體由天然氣、回流復(fù)熱氣兩種氣體組成。1 kmol/h、4.0 MPa、300K的原料天然氣經(jīng)加壓、水冷后，壓力為20 MPa，溫度為310 K?；亓鳉鉃?.67 kmol/h，1.2 MPa，經(jīng)多次引射、回流、復(fù)熱后，溫度為307 K，然后經(jīng)加壓、水冷至壓力為20 MPa，溫度為310 K。天然氣和回流復(fù)熱氣以相同壓力，相同溫度匯合進(jìn)入高壓引射氣體管道，此時總摩爾流量為1.67 kmol/h。匯合氣經(jīng)第一換熱器被冷卻至286.22 K，接著進(jìn)入外加制冷劑的第二換熱器，被冷卻至218.27 K，然后進(jìn)入第三換熱器，最終被冷卻至203.15 K，進(jìn)入高壓拉發(fā)爾噴管，以高壓、低溫的超臨界狀態(tài)進(jìn)入拉發(fā)爾噴管，之后以超臨界速度噴入引射器，并從中間罐引射出氣相組分，在混合室中組成引射及被引射氣體的混合氣體，再經(jīng)引射器的擴(kuò)壓管減速，恢復(fù)靜壓至 1.2MPa。此過程中，由于急驟膨脹促使混合氣體出現(xiàn)降溫，并在臨界狀態(tài)下出現(xiàn)兩相流。在分離器1中分出的氣相即為回流、復(fù)熱氣體，此處應(yīng)控制氣化量Q=0.67 kmol/h；分出的液相產(chǎn)物經(jīng)節(jié)流閥降壓，以兩相狀態(tài)進(jìn)入中間罐，氣相為被引射氣體，液相即為LNG產(chǎn)品，將被送入LNG儲罐。

分離器1中少量未進(jìn)入換熱器復(fù)熱的氣體，經(jīng)第四換熱器與節(jié)流后溫度較低的節(jié)流兩相流換熱，再經(jīng)分離器2分出液相，并經(jīng)節(jié)流后匯入分離器1液相節(jié)流換熱后的管道。引射式天然氣液化工藝流程見圖1。

圖1 天然氣引射式液化工藝流程

2 天然氣引射式液化過程氣體組成的計算

經(jīng)預(yù)處理后的天然氣，其摩爾組成(體積比)見表1。

表1 經(jīng)預(yù)處理后的天然氣的摩爾組成

其溫度為：310 K，壓力為：4.0 MPa ，密度為：0.721 818 kg/Nm3，分子量為：16.17 g/mol，摩爾流量為：1 kmol/h。

引射氣體壓力采用 20 MPa，引射后壓力為1.2MPa，回流復(fù)熱氣量取天然氣的67%，以此數(shù)據(jù)計算，液化耗功處于較低水平。

初始運行時，原料氣冷卻所需冷量由外加制冷劑提供。當(dāng)?shù)谌龘Q熱器出口的天然氣溫度達(dá)到203.15 K時，天然氣從拉發(fā)爾噴管噴出并進(jìn)入引射器，由于沒有被引射氣體，故此刻僅以天然氣組分從引射器出口流出，控制其出口溫度使之在1.2MPa壓力下的氣化率為0.67。本文選用SRK方程計算天然氣氣液相的相平衡，通過比較計算結(jié)果和實驗結(jié)果，可得出用 SRK方程計算烴類混合物的氣液相平衡是可靠的。利用ASPEN.HYSYS計算得前述天然氣組成條件下，引射器出口溫度為152.426 3 K，其氣液相組成見表2：

表2 氣液相組成表(摩爾分?jǐn)?shù))

67%即0.67 kmol/h的氣相全部回流復(fù)熱，為天然氣冷卻提供部分冷量，即預(yù)冷天然氣。然后經(jīng)加壓至20 MPa，并經(jīng)水冷后匯入天然氣高壓管道，作為第一次引射的引射氣體。

2.1 第一次引射流程的計算

2.1.1 引射氣體組成的計算

回流復(fù)熱的 0.67 kmol/h氣體經(jīng)加壓后與原料天然氣匯合混合運行。引射氣體組成見表3。

表3 引射氣體組成表(摩爾分?jǐn)?shù))

2.1.2 被引射氣體組成的計算

從引射器出口流出的液相壓力為1.2 MPa，溫度為152.4263 K，節(jié)流至壓力為0.4 MPa時，經(jīng)計算第一換熱器回流側(cè)出口溫度為132.114 6 K，氣化率為0.1884，其氣、液相組成見表4(氣相即為第一次引射的被引射氣體)：

表4 氣、液相組成表(摩爾分?jǐn)?shù))

2.1.3 混合氣體組成的計算

1.0 kmol/h的天然氣，0.67 kmol/h的回流復(fù)熱氣及0.062 172 kmol/h的被引射氣體組成1.732 172 kmol/h的混合氣體，經(jīng)計算其組成見表5：

表5 被引射氣體組成表(摩爾分?jǐn)?shù))

2.2 第二次引射流程的計算

2.2.1 引射氣體組成的計算

第一次引射后的混合氣體在壓力為1.2 MPa，氣化率為0.386 798條件下，經(jīng)計算第二換熱器冷劑側(cè)進(jìn)口溫度為152.168 3 K,氣液相組成見表6：

表6 氣液相組成表(摩爾分?jǐn)?shù))

將氣相 0.67 kmol/h與原料氣組成混合氣體即為第二次引射的引射氣體，經(jīng)計算其組成見表7：

表7 引射氣體組成表(摩爾分?jǐn)?shù))

2.2.2 被引射氣體組成的計算

將第一次引射所得混合氣體在壓力為1.2MPa，氣化率為0.386798條件下，所得的液相流體，節(jié)流至0.4MPa，節(jié)流后溫度為130.9886K，氣液相組成見表8（氣相即為第二次被引射氣體）：

表8 氣液相組成表(摩爾分?jǐn)?shù))

2.2.3 混合氣體組成的計算

1 kmol/h的天然氣，0.67 kmol/h 的回流氣體及0.199 407 kmol/h的被引射氣體，共1.869 407 kmol/h的混合氣體，經(jīng)計算其組成見表9：

表9 混合氣體組成表(摩爾分?jǐn)?shù))

2.3 第三次引射流程的計算

2.3.1 引射氣體組成的計算

在第二次引射后的混合氣體在壓力1.2 MPa，氣化率為0.358402條件下，經(jīng)計算第三換熱器回流側(cè)進(jìn)口溫度為151.927 6 K，氣、液相組成見表10：

表10 氣、液相組成表(摩爾分?jǐn)?shù))

0.67 kmol/h的氣相與原料氣組成混合氣體即為第三次引射的引射氣體，經(jīng)計算其組成見表11：

表11 引射氣體組成表(摩爾分?jǐn)?shù))

2.3.2 被引射氣體組成的計算

將第二次引射所得的混合氣體在1.2 MPa壓力下，氣化率為0.558 402條件下所得的液相節(jié)流至0.4 MPa，得節(jié)流后溫度為130.874 5 K，組成見表12(氣相即為第三次引射的被引射氣體)：

表12 被引射氣體組成表(摩爾分?jǐn)?shù))

2.3.3 混合氣體組成的計算

1 kmol/h的天然氣，0.67 kmol/h的回流復(fù)熱氣及0.224 447 kmol/h的被引射氣，混合得1.894 447 kmol/h混合氣體，經(jīng)計算，其組成見表13：

表13 混合氣體組成表(摩爾分?jǐn)?shù))

2.4 多次引射

繼續(xù)按上述方法計算出每次引射所得出的引射、被引射及混合氣體的組成。將所得到的混合氣體在壓力為1.2 MPa及氣化率為0.67條件下所得到的液相，節(jié)流至壓力為0.4 MPa，做等焓計算所獲得的液相組成等于或接近于原料氣組成，且 LNG收率等于或接近于1時(即液相LNG與天然氣任一組成的絕對誤差不大±0.000 002，LNG收率的絕對誤差不大于±0.000 005)，計算過程完成。

2.5 計算結(jié)果分析

2.5.1 引射氣體的組成及參數(shù)

(1)引射氣體組成見表14：

表14 引射氣體組成表(摩爾分?jǐn)?shù))

(2)壓力：20 MPa。

(3)溫度：203.15 K。

(4)密度：307 kg/m3。

(5)絕熱指數(shù)：2.083 22。

(6)分子量：16.88 kg/kmol。

(7)比焓：-78 317.22 kJ/kmol。

2.5.2 被引射氣體的組成及參數(shù)

前一次引射的混合氣體，經(jīng)引射后所得的液相，經(jīng)節(jié)流后得出氣、液相組成及相關(guān)數(shù)據(jù)。

(1)被引射氣體組成見表15：

表15 被引射氣體組成表(摩爾分?jǐn)?shù))

(2)壓力：0.4 MPa。

(3)溫度：129.256 5 K。

(4)密度：7.057 2 kg/m3。

(5)絕熱指數(shù)：1.447。

(6)分子量：17.39 kg/kmol。

(7)比焓：-72 351.95 kJ/kmol。

2.5.3 混合氣體的組成及參數(shù)

(1)混合氣體組成見表16：

表16 混合氣體組成(摩爾分?jǐn)?shù))

(2)溫度：128.184 6 K。

(3)密度：8.585 kg/m3。

(4)絕熱指數(shù)：1.230 561。

(5)分子量：16.93 kg/kmol。

(6)比焓：按混合焓計算得-77 628.64 kJ/kmol，考慮冷量損失在 0.3%～0.5%范圍內(nèi)，則比焓為-77318.12 kJ/kmol。

3 引射器出口壓力的計算

前述三種氣體組成的計算是基于引射壓力為20 MPa時，引射器出口壓力為1.2 MPa所得到的三種氣體的組成，此處則驗算此三種組成的物性參數(shù)是否能使引射器出口壓力為1.2 MPa，通常采用絕熱壓縮(或膨脹)計算方程。

3.1 被引射氣體速度計算方程

式中：——局部組力系數(shù)，本例取0.15；

w0——被引射氣體進(jìn)引射器的速度，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

0——被引射氣體絕熱指數(shù)；

p0——被引射氣體壓力，MPa；

ρ0——被引射氣體密度，kg/m3；

p2——混合室入口壓力，MPa。

混合室入口壓力取被引射氣體壓力損失 8%之后的值計，將被引射氣體相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)得：w0=90.03 m/s。

3.2 引射氣體進(jìn)入引射器入口速度

式中：w1——引射氣體進(jìn)入引射器入口的速度，m/s；

1——引射氣體的絕熱指數(shù)；

p1——引射氣體的壓力，MPa；

ρ1——引射氣體的密度，kg/m3；將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2)得：w1=468.18 m/s，考慮5%的速度損失，則w1=444.77m/s。

3.3 引射系數(shù)

式中：n——引射系數(shù)；

qm,0——被引射氣體的質(zhì)量流量，kg/h；

qm,1——引射氣體的質(zhì)量流量，kg/h。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)得：n=0.134 42。

3.4 混合氣體入混合室速度

式中：w2——混合氣體進(jìn)入混合室的速度，m/s。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(4)得：w2=402.74 m/s。

3.5 引射器出口壓力

式中：7.138 ——引射器的有效作用系數(shù)；

ρ2——混合氣體的密度,kg/m3；

2——引射器出口氣體的絕熱指數(shù)；

p4——引射器出口壓力，MPa。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(5)得：p4=12.24kg/cm2=1.201 MPa，與所設(shè)初值較為吻合，基本符合工程計算精讀要求，建議結(jié)合計算機(jī)模擬，增加對比分析，以進(jìn)一步減少誤差。