天然气引射式液化流程的计算和分析

中国市政工程华北设计研究总院有限公司 夏星星 杨 帆

0 概述

天然气引射式液化流程是将原料天然气加压至 20MPa，水冷至常温，依次经过各级换热器(包括外加制冷剂换热器)，然后经过引射器，引射中间罐的气相组分，经多次引射、回流、复热后，由中间罐液相即得到液化天然气(LNG)的流程。本文将对该工艺流程进行计算及分析。

1 液化流程描述

天然气引射式液化流程的引射气体由天然气、回流复热气两种气体组成。1 kmol/h、4.0 MPa、300K的原料天然气经加压、水冷后，压力为20 MPa，温度为310 K。回流气为0.67 kmol/h，1.2 MPa，经多次引射、回流、复热后，温度为307 K，然后经加压、水冷至压力为20 MPa，温度为310 K。天然气和回流复热气以相同压力，相同温度汇合进入高压引射气体管道，此时总摩尔流量为1.67 kmol/h。汇合气经第一换热器被冷却至286.22 K，接着进入外加制冷剂的第二换热器，被冷却至218.27 K，然后进入第三换热器，最终被冷却至203.15 K，进入高压拉发尔喷管，以高压、低温的超临界状态进入拉发尔喷管，之后以超临界速度喷入引射器，并从中间罐引射出气相组分，在混合室中组成引射及被引射气体的混合气体，再经引射器的扩压管减速，恢复静压至 1.2MPa。此过程中，由于急骤膨胀促使混合气体出现降温，并在临界状态下出现两相流。在分离器1中分出的气相即为回流、复热气体，此处应控制气化量Q=0.67 kmol/h；分出的液相产物经节流阀降压，以两相状态进入中间罐，气相为被引射气体，液相即为LNG产品，将被送入LNG储罐。

分离器1中少量未进入换热器复热的气体，经第四换热器与节流后温度较低的节流两相流换热，再经分离器2分出液相，并经节流后汇入分离器1液相节流换热后的管道。引射式天然气液化工艺流程见图1。

图1 天然气引射式液化工艺流程

2 天然气引射式液化过程气体组成的计算

经预处理后的天然气，其摩尔组成(体积比)见表1。

表1 经预处理后的天然气的摩尔组成

其温度为：310 K，压力为：4.0 MPa ，密度为：0.721 818 kg/Nm3，分子量为：16.17 g/mol，摩尔流量为：1 kmol/h。

引射气体压力采用 20 MPa，引射后压力为1.2MPa，回流复热气量取天然气的67%，以此数据计算，液化耗功处于较低水平。

初始运行时，原料气冷却所需冷量由外加制冷剂提供。当第三换热器出口的天然气温度达到203.15 K时，天然气从拉发尔喷管喷出并进入引射器，由于没有被引射气体，故此刻仅以天然气组分从引射器出口流出，控制其出口温度使之在1.2MPa压力下的气化率为0.67。本文选用SRK方程计算天然气气液相的相平衡，通过比较计算结果和实验结果，可得出用 SRK方程计算烃类混合物的气液相平衡是可靠的。利用ASPEN.HYSYS计算得前述天然气组成条件下，引射器出口温度为152.426 3 K，其气液相组成见表2：

表2 气液相组成表(摩尔分数)

67%即0.67 kmol/h的气相全部回流复热，为天然气冷却提供部分冷量，即预冷天然气。然后经加压至20 MPa，并经水冷后汇入天然气高压管道，作为第一次引射的引射气体。

2.1 第一次引射流程的计算

2.1.1 引射气体组成的计算

回流复热的 0.67 kmol/h气体经加压后与原料天然气汇合混合运行。引射气体组成见表3。

表3 引射气体组成表(摩尔分数)

2.1.2 被引射气体组成的计算

从引射器出口流出的液相压力为1.2 MPa，温度为152.4263 K，节流至压力为0.4 MPa时，经计算第一换热器回流侧出口温度为132.114 6 K，气化率为0.1884，其气、液相组成见表4(气相即为第一次引射的被引射气体)：

表4 气、液相组成表(摩尔分数)

2.1.3 混合气体组成的计算

1.0 kmol/h的天然气，0.67 kmol/h的回流复热气及0.062 172 kmol/h的被引射气体组成1.732 172 kmol/h的混合气体，经计算其组成见表5：

表5 被引射气体组成表(摩尔分数)

2.2 第二次引射流程的计算

2.2.1 引射气体组成的计算

第一次引射后的混合气体在压力为1.2 MPa，气化率为0.386 798条件下，经计算第二换热器冷剂侧进口温度为152.168 3 K,气液相组成见表6：

表6 气液相组成表(摩尔分数)

将气相 0.67 kmol/h与原料气组成混合气体即为第二次引射的引射气体，经计算其组成见表7：

表7 引射气体组成表(摩尔分数)

2.2.2 被引射气体组成的计算

将第一次引射所得混合气体在压力为1.2MPa，气化率为0.386798条件下，所得的液相流体，节流至0.4MPa，节流后温度为130.9886K，气液相组成见表8（气相即为第二次被引射气体）：

表8 气液相组成表(摩尔分数)

2.2.3 混合气体组成的计算

1 kmol/h的天然气，0.67 kmol/h 的回流气体及0.199 407 kmol/h的被引射气体，共1.869 407 kmol/h的混合气体，经计算其组成见表9：

表9 混合气体组成表(摩尔分数)

2.3 第三次引射流程的计算

2.3.1 引射气体组成的计算

在第二次引射后的混合气体在压力1.2 MPa，气化率为0.358402条件下，经计算第三换热器回流侧进口温度为151.927 6 K，气、液相组成见表10：

表10 气、液相组成表(摩尔分数)

0.67 kmol/h的气相与原料气组成混合气体即为第三次引射的引射气体，经计算其组成见表11：

表11 引射气体组成表(摩尔分数)

2.3.2 被引射气体组成的计算

将第二次引射所得的混合气体在1.2 MPa压力下，气化率为0.558 402条件下所得的液相节流至0.4 MPa，得节流后温度为130.874 5 K，组成见表12(气相即为第三次引射的被引射气体)：

表12 被引射气体组成表(摩尔分数)

2.3.3 混合气体组成的计算

1 kmol/h的天然气，0.67 kmol/h的回流复热气及0.224 447 kmol/h的被引射气，混合得1.894 447 kmol/h混合气体，经计算，其组成见表13：

表13 混合气体组成表(摩尔分数)

2.4 多次引射

继续按上述方法计算出每次引射所得出的引射、被引射及混合气体的组成。将所得到的混合气体在压力为1.2 MPa及气化率为0.67条件下所得到的液相，节流至压力为0.4 MPa，做等焓计算所获得的液相组成等于或接近于原料气组成，且 LNG收率等于或接近于1时(即液相LNG与天然气任一组成的绝对误差不大±0.000 002，LNG收率的绝对误差不大于±0.000 005)，计算过程完成。

2.5 计算结果分析

2.5.1 引射气体的组成及参数

(1)引射气体组成见表14：

表14 引射气体组成表(摩尔分数)

(2)压力：20 MPa。

(3)温度：203.15 K。

(4)密度：307 kg/m3。

(5)绝热指数：2.083 22。

(6)分子量：16.88 kg/kmol。

(7)比焓：-78 317.22 kJ/kmol。

2.5.2 被引射气体的组成及参数

前一次引射的混合气体，经引射后所得的液相，经节流后得出气、液相组成及相关数据。

(1)被引射气体组成见表15：

表15 被引射气体组成表(摩尔分数)

(2)压力：0.4 MPa。

(3)温度：129.256 5 K。

(4)密度：7.057 2 kg/m3。

(5)绝热指数：1.447。

(6)分子量：17.39 kg/kmol。

(7)比焓：-72 351.95 kJ/kmol。

2.5.3 混合气体的组成及参数

(1)混合气体组成见表16：

表16 混合气体组成(摩尔分数)

(2)温度：128.184 6 K。

(3)密度：8.585 kg/m3。

(4)绝热指数：1.230 561。

(5)分子量：16.93 kg/kmol。

(6)比焓：按混合焓计算得-77 628.64 kJ/kmol，考虑冷量损失在 0.3%～0.5%范围内，则比焓为-77318.12 kJ/kmol。

3 引射器出口压力的计算

前述三种气体组成的计算是基于引射压力为20 MPa时，引射器出口压力为1.2 MPa所得到的三种气体的组成，此处则验算此三种组成的物性参数是否能使引射器出口压力为1.2 MPa，通常采用绝热压缩(或膨胀)计算方程。

3.1 被引射气体速度计算方程

式中：——局部组力系数，本例取0.15；

w0——被引射气体进引射器的速度，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

0——被引射气体绝热指数；

p0——被引射气体压力，MPa；

ρ0——被引射气体密度，kg/m3；

p2——混合室入口压力，MPa。

混合室入口压力取被引射气体压力损失 8%之后的值计，将被引射气体相关数据代入式(1)得：w0=90.03 m/s。

3.2 引射气体进入引射器入口速度

式中：w1——引射气体进入引射器入口的速度，m/s；

1——引射气体的绝热指数；

p1——引射气体的压力，MPa；

ρ1——引射气体的密度，kg/m3；将相关数据代入式(2)得：w1=468.18 m/s，考虑5%的速度损失，则w1=444.77m/s。

3.3 引射系数

式中：n——引射系数；

qm,0——被引射气体的质量流量，kg/h；

qm,1——引射气体的质量流量，kg/h。

将相关数据代入式(3)得：n=0.134 42。

3.4 混合气体入混合室速度

式中：w2——混合气体进入混合室的速度，m/s。

将相关数据代入式(4)得：w2=402.74 m/s。

3.5 引射器出口压力

式中：7.138 ——引射器的有效作用系数；

ρ2——混合气体的密度,kg/m3；

2——引射器出口气体的绝热指数；

p4——引射器出口压力，MPa。

将相关数据代入式(5)得：p4=12.24kg/cm2=1.201 MPa，与所设初值较为吻合，基本符合工程计算精读要求，建议结合计算机模拟，增加对比分析，以进一步减少误差。