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天然气液化工艺
　　工业上，常使用机械制冷使天然气获得液化所必须低温。经典液化制冷工艺大体可以分为三种：阶式(Cascade)制冷、混合冷剂制冷、带预冷混合冷剂制冷。
　　一、阶式制冷液化工艺
　　阶式制冷液化工艺也称级联式液化工艺。这是运用常压沸点不一样冷剂逐层减少制冷温度实现天然气液化。阶式制冷常用冷剂是丙烷、乙烯和甲烷。图3-5[1]表达了阶式制冷工艺原理。第一级丙烷制冷循环为天然气、乙烯和甲烷提供冷量;第二级乙烯制冷循环为天然气和甲烷提供冷量;第三级甲烷制冷循环为天然气提供冷量。制冷剂丙烷经压缩机增压，在冷凝器内经水冷变成饱和液体，节流后部分冷剂在蒸发器内蒸发(温度约-40℃)，把冷量传给经脱酸、脱水后天然气，部分冷剂在乙烯冷凝器内蒸发，使增压后乙烯过热蒸气冷凝为液体或过冷液体，两股丙烷释放冷量后汇合进丙烷压缩机，完毕丙烷一次制冷循环。冷剂乙烯以与丙烷相似方式工作，压缩机出口乙烯过热蒸气由丙烷蒸发获取冷量而变为饱和或过冷液体，节流膨胀后在乙烯蒸发器内蒸发(温度约-100℃)，使天然气深入降温。最终一级冷剂甲烷也以相似方式工作，使天然气温度降至靠近-160℃;经节流深入降温后进入分离器，分离出凝液和残存气。在如此低温度下，凝液重要成分为甲烷，成为液化天然气(LNG)。

　　阶式制冷是20世纪六七十年代用于生产液化天然气重要工艺措施。若仅用丙烷和乙烯(乙烷)为冷剂构成阶式制冷系统，天然气温度可低达近-100℃，也足以使大量乙烷及重于乙烷组分凝析成为天然气凝液。
　　阶式制冷循环特点是蒸发温度较高冷剂除将冷量传给工艺气外，还使冷量传给蒸发温度较低冷剂，使其液化并过冷。分级制冷可减小压缩功耗和冷凝器负荷，在不一样温度等级下为天然气提供冷量，因而阶式制冷能耗低、气体液化率高(可达90%)，但所需设备多、投资多、制冷剂用量多、流程复杂。

　　图3-6[3]为阶式制冷液化流程。为了提高冷剂与天然气换热效率，将每种冷剂提成2～3个压力等级，即有2～3个冷剂蒸发温度，这样3种冷剂共有8～9个递降蒸发温度，冷剂蒸发曲线温度台阶数多，和天然气温降曲线较靠近，即传热温差小，提高了冷剂与天然气换热效率，也即提高了制冷系统效率，见图3～7[6]。和图3-8[6]。上述阶式制冷工艺，制冷剂和天然气各自构成独立系统，冷剂甲烷和天然气只有热量和冷量互换，实际上是闭式甲烷制冷循环。近代已将甲烷循环系统改成开式，即原料气与甲烷冷剂混合构成循环系统，在低温、低压分离器内生成LNG。这种以直接换热方式取代常规换热器间壁式换热，提高了换热效率。

　　二、混合冷剂制冷液化工艺
　　混合冷剂制冷循环(Mixed Refrigerant Cycle，简称MRC)是美国空气产品和化学品企业予20世纪60年代末开发成功一项专利技术。混合冷剂由氮、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷构成，运用混合物各组分不一样沸点，部分冷凝特点，进行逐层冷凝、蒸发、节流膨胀得到不一样温度水平制冷量，以到达逐渐冷却和液化天然气目。混合冷剂液化工艺既到达类似阶式液化流程目，又克服了其系统复杂缺陷。由于只有一种冷剂，简化了制冷系统。图3-9[3]所示混合冷剂制冷液化流程，重要由两部分构成：密闭制冷系统和主冷箱。冷剂蒸气通过压缩后，由水冷或空冷使冷剂内低压组分(即冷剂内重组分)凝析。低压冷剂液体和高压冷剂蒸气混合后进入主冷箱，接受冷量后凝析为混合冷剂液体，经J-T阀节流并在冷箱内蒸发，为天然气和高压冷剂冷凝提供冷量。在中度低温下，将部分冷凝天然气引出冷箱，经分离分出C5+凝液，气体返回冷箱深入降温，产生LNG。C5+凝液需经稳定处理，使之符合产品质量规定。

　　在混合制冷剂液化流程冷箱换热可以是多级，提供冷量混合工质液体蒸发温度随组分不一样而不一样，在换热器内热互换过程是个变温过程，通过合理选择制冷剂，可使冷热流体间换热温差保持比较低水平。
　　与阶式液化流程相比，其长处是：①机组设备少、流程简朴、投资省，投资费用比经典阶式液化流程约低15%～20%：②管理以便;③混合制冷剂组分可以部分或所有从天然气自身提取与补充。缺陷是：①能耗较高，比阶式液化流程高10%～20%左右;②混合制冷剂合理配比较为困难;③流程计算须提供各组分可靠平衡数据与物性参数，计算困难。
　　三、带预冷混合冷剂制冷液化工艺
　　丙烷预冷混合制冷剂液化流程(C3/MRC：Propane-Mixed Refrigerant Cycle)，结合了阶式液化流程和混合制冷剂液化流程长处，流程既高效又简朴。因此自20世纪70年代以来，此类液化流程在基本负荷型天然气液化妆置中得到了广泛应用。目前世界上80%以上基本负荷型天然气液化妆置中，采用了丙烷预冷混合制冷剂液化流程。
　　图3-10[3]。是丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气流程图。流程由三部分构成：①混合制冷剂循环;②丙烷预冷循环;③天然气液化回路。在此液化流程中，丙烷预冷循环用于预冷混合制冷剂和天然气，而混合制冷剂循环用于深冷和液化天然气。

　　混合冷剂由氮、甲烷、丙烷等构成，平均相对分子质量约为25。混合冷剂蒸气压缩后，先由空气或水冷却，再经压力等级不一样三级丙烷蒸发器预冷却(温度达-40℃)，部分混合冷剂冷凝为液体。液态和气态混合冷剂分别送入主冷箱内，液态冷剂通过J-T阀蒸发时，使天然气降温同步，还使气态混合冷剂冷凝。冷凝混合冷剂(冷剂内轻组分)在换热器顶端通过J-T阀蒸发，使天然气温度深入减少至过冷液体。流出冷箱液态天然气进闪蒸罐，分出不凝气和LNG，不凝气作燃料或销售气，LNG进储罐。由上可知，天然气在主冷箱内进行二级冷凝，由冷剂较重组分提供温度等级较高冷量和由较轻组分提供温度等级较低冷量。
　　预冷丙烷冷剂在分级独立制冷系统内循环。不一样压力级别丙烷在不一样温度级别下蒸发气化，为原料气和混合冷剂提供冷量。原料天然气预冷后，进入分馏塔分出气体内重烃，深入处理成液体产品;塔顶气进入主冷箱冷凝为LNG。因而，预冷混合冷剂制冷过程实为阶式和混合冷剂分级制冷结合。
　　由热力学分析，带丙烷预冷混合制冷剂液化流程，“高温”段用丙烷压缩机制冷，按三个温度水平预冷原料气到-60℃;“低温”段换热采用两种方式：高压混合冷剂与较高温度原料气换热，低压混合冷剂与较低温度原料气换热，最终使原料气深冷到-162℃而液化，充足体现了热力学特性，从而使热效率得到最大程度提高。此工艺具有流程简朴，效率高，运行费用低，适应性强等长处，是目前采用最广泛天然气液化工艺。这种液化流程操作弹性很大。当生产能力减少时，通过变化制冷剂构成及减少吸入压力来保持混合制冷剂循环效率。当需液化原料气发生变化时，可通过调整混合制冷剂构成及混合制冷剂压缩机吸入和排出压力，也能使天然气高效液化。预冷混合冷剂采用乙烷和丙烷时(DMR法)，工艺效率比丙烷预冷高20%，投资和操作费用也相对较低。
　　以上三种制冷循环能耗见表3-3。
　　表3-3 天然气液化制冷循环能耗比较
制冷循环方式
能  耗
kW·h/m3天然气
kJ/m3天然气
阶式
混合冷剂
带预冷混合冷剂
0
.32
0.33～0.375
0
.39
1152
1200～1350
1404
　　表3-4列出了丙烷预冷混合制冷剂液化流程C3/MR、阶式液化流程和双混合制冷剂液化流程DMR比较。
　　表3-4 C3/MR、阶式液化流程和DMR比较
比较项目
C3/MR
阶式液化流程
DMR
单位LNG液化成本

设备投资成本

能耗

操作弹性
低

 中

高

中
高

高

低

差
低

低

中

高
　　四、其他措施
　　(一) CII液化流程
　　天然气液化技术发展规定液化制冷循环具有高效、低成本、可靠性好、易操作等特点。为了适应这一发展趋势，法国燃气企业研究部门开发了新型混合制冷剂液化流程，即整体结合式级联型液化流程(Integral Incorporated cascade)，简称为CII液化流程。CII液化流程吸取了国外LNG技术最新发展成果，代表天然气液化技术发展趋势。
　　上海建造我国第一座调峰型天然气液化妆置采用了CII液化流程。该流程如图3-11所示，流程重要设备包括混合制冷剂压缩机、混合制冷剂分馏设备和整体式冷箱三部分。整个液化流程可分为天然气液化系统和混合制冷剂循环两部分。
　　在天然气液化系统中，预处理后天然气进入冷箱12上部被预冷，在气液分离器13中进行气液分离，气相部分进入冷箱12下部被冷凝和过冷，最终节流至LNG储槽。
　　在混合制冷剂循环中，混合制冷剂是N2和C1～C5烃类混合物。冷箱12出口低压混合制冷剂蒸气被气液分离器1分离后，被低压压缩机2压缩至中间压力，然后经冷却器3部分冷凝后进入分馏塔8。混合制冷剂分馏后提成两部分，分馏塔底部重组分液体重要具有丙烷、丁烷和戊烷，进入冷箱12，经预冷后节流降温，再返回冷箱上部蒸发制冷，用于预冷天然气和混合制冷剂;分馏塔上部轻组分气体重要成分是氮^甲烷和乙烷，进入冷箱12上部被冷却并部分冷凝，进气液分离器6进行气液分离，液体作为分馏塔8回流液，气体经高压压缩机4压缩后，经水冷却器5冷却后，进入冷箱上部预冷，进气液分离器7进行气液分离，得到气液两相分别进入冷箱下部预冷后，节流降温返回冷箱不一样部位为天然气和混合制冷剂提供冷量，实现天然气冷凝和过冷。

　　CII流程具有如下特点：
　　(1) 流程精简、设备少。CII液化流程出于减少设备投资和建设费用考虑，简化了预冷制冷机组设计。在流程中增长了分馏塔，将混合制冷剂分馏为重组分(以丁烷和戊烷为主)和轻组分(以氮、甲烷、乙烷为主)两部分。重组分冷却、节流降温后返流，作为冷源进入冷箱上部预冷天然气和混合制冷剂;轻组分气液分离后进入冷箱下部，用于冷凝、过冷天然气。
　　(2) 冷箱采用高效钎焊铝板翅式换热器，体积小，便于安装。整体式冷箱构造紧凑，分为上下两部分，由通过优化设计高效钎焊铝板翅式换热器平行排列，换热面积大，绝热效果好。天然气在冷箱内由环境温度冷却至-160℃左右液体，减少了漏热损失，并很好地处理了两相流体分布问题。冷箱以模块化形式制造，便于安装，只需在施工现场对预留管路进行连接，减少了建设费用。
　　(3) 压缩机和驱动机形式简朴、可靠、减少了投资与维护费用。
　　(二) 天然气膨胀液化流程
　　膨胀机液化流程(Expanaer-Cycle)，是指运用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀克劳德循环制冷实现天然气液化流程。气体在膨胀机中膨胀降温同步，能输出功，可用于驱动流程中压缩机。当管路输来进入装置原料气与离开液化妆置商品气有“自由”压差时，液化过程就也许不要“从外界”加入能量，而是靠“自由”压差通过膨胀机制冷，使进入装置天然气液化。流程关键设备是透平膨胀机。
　　天然气膨胀液化流程，是指直接运用高压天然气在膨胀机中绝热膨胀到输出管道压力而使天然气液化流程。这种流程最突出长处是它功耗小，但液化流程不能获得像氮气膨胀液化流程那样低温度、循环气量大、液化率低。膨胀机工作性能受原料气压力和构成变化影响较大，对系统安全性规定较高。
　　天然气膨胀液化流程见图3-12。原料气经脱水器1脱水后，部分进入脱CO2塔2进行脱除CO2。这部分天然气脱除CO2后，经换热器5～7及过冷器8后液化，部分节流后进入储槽9储存，另一部分节流后为换热器5～7和过冷器8提供冷量。储槽9中自蒸发气体，首先为换热器5提供冷量，再进入返回气压缩机4，压缩并冷却后与未进脱CO2塔原料气混合，进换热器5冷却后，进入膨胀机10膨胀降温后，为换热器5-7提供冷量。
　　对于此类流程，为了能得到较大液化量，在流程中增长了一台压缩机，这种流程称为带循环压缩机天然气膨胀液化流程，其缺陷是流程功耗大。
　　图3-12所示天然气直接膨胀液化流程属于开式循环，即高压原料气经冷却、膨胀制冷与回收冷量后，低压天然气直接(或经增压到达所需压力)作为商品气去配气管网。若将回收冷量后低压天然气用压缩机增压到与原料气相似压力后，返回至原料气中开始下一种循环，则此类循环属于闭式循环。