摘 要：闡述了引射式天然氣液化流程，結(jié)合算例給出了該流程的工藝計(jì)算方法，包括引射過(guò)程氣體組成計(jì)算及引射器出口壓力計(jì)算。
關(guān) 鍵 詞：引射器 液化天然氣 引射式天然氣液化流程 工藝計(jì)算
Abstract：The ejection—type natural gas liquefaction process is described.The technological calcu—lation of this process is presented with a case，including the calculation of gas composition and outletpressure of ejector.
Keywords：ejector；LNG； ejection—type natural gas liquefaction process；technological calculation
液化天然氣是具有較高體積能量密度的清潔能源，在應(yīng)急調(diào)峰方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。隨著液化天然氣技術(shù)的發(fā)展，各種天然氣液化流程已應(yīng)用到工程實(shí)踐中[1-3]。引射式天然氣液化流程是將原料天然氣加壓至20.0 MPa，水冷至常溫，依次經(jīng)過(guò)各級(jí)換熱器(包括外加制冷劑換熱器)，然后經(jīng)過(guò)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，由中間罐液相得到產(chǎn)品LNG的流程，適用于小型天然氣液化工程。本文對(duì)該工藝進(jìn)行算例計(jì)算。
1 引射式天然氣液化流程
1.000 kmoL/h、4.0 MPa、310.00 K的原料天然氣經(jīng)加壓、水冷后，壓力為20.0 MPa(本文中壓力均為絕對(duì)壓力)，溫度為310.00 K。回流復(fù)熱氣經(jīng)加壓、水冷至壓力為20.0 MPa，溫度為310.00 K。天然氣和回流復(fù)熱氣以相同壓力、相同溫度匯合，此時(shí)總物質(zhì)的量流量為l.670 kmol/h。匯合氣經(jīng)換熱器1被冷卻至286.22 K，接著進(jìn)入外加制冷劑的換熱器2，被冷卻至218.27 K，然后進(jìn)入換熱器3，最終被冷卻至203.15 K。天然氣以高壓、低溫的狀態(tài)進(jìn)入拉法爾噴管，之后噴人引射器，并從中間罐引射出氣相組分，經(jīng)過(guò)混合室，再經(jīng)引射器的擴(kuò)壓管減速，恢復(fù)靜壓至l.2 MPa。此過(guò)程中，由于急驟膨脹促使混合流體出現(xiàn)降溫，并在臨界狀態(tài)下出現(xiàn)兩相流。在分離器l中分出的氣相即為回流復(fù)熱氣體，此處應(yīng)控制氣化量為0.670 koml/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L(zhǎng)NG產(chǎn)品，被送人LNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)存。
分離器1中少量未進(jìn)入換熱器復(fù)熱的氣體，經(jīng)換熱器4與節(jié)流后溫度較低的兩相流換熱，再經(jīng)分離器2分出液相，并經(jīng)節(jié)流后匯人分離器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(jiàn)圖1。
2 引射過(guò)程氣體組成計(jì)算
經(jīng)預(yù)處理凈化后的原料天然氣的組成(本文皆為摩爾分?jǐn)?shù))見(jiàn)表l。其溫度為310.00 K，壓力為4.0 MPa，摩爾質(zhì)量為l6.17 9/mol，物質(zhì)的量流量為1.000 kmol/h。
引射天然氣壓力采用20.0 MPa，引射后壓力為1.2 MPa，回流復(fù)熱氣量取原料天然氣的67%。以此數(shù)據(jù)計(jì)算，液化耗功處于較低水平。
初始運(yùn)行時(shí)，原料氣冷卻所需冷量由外加制冷劑提供。當(dāng)換熱器3出口的天然氣溫度達(dá)到203.15 K時(shí)，天然氣從拉法爾噴管噴出并進(jìn)入引射器，由于沒(méi)有被引射氣體，故此刻僅以原料氣組分從引射器出口流出，控制其出口溫度使之在1.2 MPa壓力下的氣化率為0.67。通過(guò)比較計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得出用SRK方程計(jì)算烴類混合物的氣液相平衡是可靠的H 3，本文選用SRK方程計(jì)算天然氣氣液相的相平衡。利用ASPEN.HYSYS7.2計(jì)算得前述天然氣組成，并且得出引射器出口溫度為152·43 K。引射器出口天然氣氣液相組成及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。
67%即0.670 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。然后被加壓至20.0 MPa，并經(jīng)水冷后匯人天然氣高壓管道。
2.1 第一次引射計(jì)算
①引射氣體組成
回流復(fù)熱的0.670 kmoL/h氣體經(jīng)加壓后與原料天然氣混合。換熱器3出口的引射氣體組成及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3狀態(tài)點(diǎn)A。
②被引射氣體組成
從引射器出口流出的混合流壓力為1.2 MPa，溫度為152.43 K，節(jié)流至壓力為0.4 MPa，然后經(jīng)過(guò)換熱器4換熱之后出口溫度為131.11 K，氣化率為0.188 400，其氣、液相組成及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3狀態(tài)點(diǎn)B。氣相即為第一次引射的被引射氣體。
③混合流體組成
1.000 kmoL/h的天然氣，0.670 kmoL/h的回流復(fù)熱氣及0.062 kmoL/h的被引射氣體組成l.732；kmol/h的混合流體，經(jīng)計(jì)算其組成及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3狀態(tài)點(diǎn)c。
2.2第二次引射計(jì)算
①引射氣體組成
第一次引射后的混合流體在壓力為1.2 MPa，氣化率為0.386 798條件下，計(jì)算其溫度為l52.43K，其氣液相組成及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3狀態(tài)點(diǎn)C。
氣相0.670 kmoL/h與原料氣組成的混合氣體即為第二次引射的引射氣體，經(jīng)計(jì)算得引射氣體組成及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4狀態(tài)點(diǎn)A。
②被引射氣體組成
將第一次引射所得混合流體在壓力為1.2 MPa，氣化率為0.386 798條件下，所得的液相流體節(jié)流至0.4 MPa，節(jié)流后溫度為130.99 K，氣液相組成及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4狀態(tài)點(diǎn)B。氣相即為第二次被引射氣體。
③混合流體組成
1.000 kmoL/h的天然氣，0.670 kmoL/h的回流氣體及0.199 kmoVh的被引射氣體，共l.869 kmol/h的混合流體，經(jīng)計(jì)算其組成及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4狀態(tài)點(diǎn)C。
2.3 第三次引射計(jì)算
①引射氣體組成
第二次引射后的混合流體在壓力為l.2 MPa，氣化率為0.358 402條件下，經(jīng)過(guò)換熱器4換熱之后出口溫度為151.93 K，其氣、液相組成及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4狀態(tài)點(diǎn)C。
0.670 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(jì)算引射氣體組成及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表5狀態(tài)點(diǎn)A。
②被引射氣體組成
將第二次引射所得的混合流體在1.2 MPa壓力下，氣化率為0.358 402條件下所得的液相節(jié)流至0.4 MPa，節(jié)流后溫度為130.87 K，其組成及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表5狀態(tài)點(diǎn)B。氣相即為第三次引射的被引射氣體。
③混合流體組成
1.000 kmol/h的天然氣，0.670 kmol/h的回流復(fù)熱氣及0.224 kmo]/h的被引射氣，混合得1.894 kmol/h混合流體，經(jīng)計(jì)算，其組成及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表5狀態(tài)點(diǎn)C。
2.4 多次引射
繼續(xù)按上述方法計(jì)算出每次引射所得出的引射氣體、被引射氣體及混合流體的組成。將所得到的混合流體在壓力為l.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(jì)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l時(shí)，計(jì)算完成。計(jì)算收斂條件為：液相LNG與天然氣任一組分的摩爾分?jǐn)?shù)的絕對(duì)誤差不大于±0.000 002，LNG收率的絕對(duì)誤差不大于±0.000 005。
2.5最終計(jì)算結(jié)果
①最終引射氣體組成及相關(guān)數(shù)據(jù) 最終引射氣體組成見(jiàn)表6。
其壓力為20.0 MPa，溫度為203.15 K，密度為307 k9/m3，等熵指數(shù)為2.083 22，摩爾質(zhì)量為l6.88k9/kmol，比焓為一78 317.22 kJ/kmol(本文中比焓為負(fù)值，皆因基準(zhǔn)焓取壓力為101.0 kPa，溫度為25.00℃狀態(tài)下的氣態(tài)的生成焓)。
②最終被引射氣體組成及相關(guān)數(shù)據(jù)最終的被引射氣體組成見(jiàn)表7。
其壓力為0.4 MPa，溫度為l29.26 K，密度為7.057 k9/m3，等熵指數(shù)為l.447，摩爾質(zhì)量為l7.39k9/kmol，比焓為一72 351.95 kJ/kmol。
③最終混合流體組成及相關(guān)數(shù)據(jù)
最終的混合流體組成見(jiàn)表8。
其壓力為l.2 MPa，溫度為l48.67 K，密度為8.585 k9/Ill3，等熵指數(shù)為l.230，摩爾質(zhì)量為l6.93k9/kmol，比焓按混合焓計(jì)算為一77 628.64 kJ/kmol，考慮冷量損失0.3%～0.5%，則比焓為一77 318.12 kJ/kmol。
3 計(jì)算引射器出口壓力
引射氣體、被引射氣體及混合流體組成的計(jì)算是基于引射壓力為20.0 MPa，引射器出Vl壓力為1.2 MPa的情況下所得到的流體的組成，此處則驗(yàn)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，采用絕熱壓縮(或膨脹)計(jì)算方程。
3.1 被引射氣體速度
參考文獻(xiàn)：
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本文作者：高永和 蔣浩 杜建梅 夏星星 常玉春 莊偉波
作者單位：中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院
