????????? 甲烷的臨界溫度為-82.1℃，臨界壓力為4.49MPa。在0.055MPa壓力下，達到-161℃，甲烷即可液化。使用液化溫度取決于儲存壓力。最常用的是深度冷凍法，將天然氣冷卻至-162℃，在常壓、低溫下儲存。天然氣液態(tài)容積為氣態(tài)的1/600。
????????? 一、天然氣的液化
天然氣的液化屬于深度冷凍，靠一段制冷達不到液化的目的。下面介紹三種方法。
1. 階式循環(huán)(或稱串級循環(huán))制冷
圖6-15所示是階式循環(huán)制冷流程。
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為使天然氣液化并達到-162℃，需經(jīng)過三段冷卻，制冷劑為丙烷(也可用氨)、乙烯(也可用乙烷)和甲烷。在丙烷通過蒸發(fā)器7冷卻乙烯和甲烷的同時，天然氣被冷卻到-40℃左右；乙烯通過蒸發(fā)器8冷卻甲烷的同時，天然氣被冷卻到-100℃左右；甲烷通過蒸發(fā)器9把天然氣冷卻到-162℃使之液化，經(jīng)氣液分離器10分離后，液態(tài)天然氣進罐儲存。三個被分開的循環(huán)過程都包括蒸發(fā)、壓縮和冷凝三個步驟。此法效率高、設(shè)計容易、運行可靠，應(yīng)用比較普遍。
2. 混合式(或稱多組分)制冷
圖6-16所示是混合式制冷流程。這種方法的制冷劑是烴的混合物，并有一定數(shù)量的氮氣。丙烷、乙烯及氮的混合蒸汽經(jīng)制冷機6壓縮和冷卻器5冷卻后進入丙烷儲罐。丙烷呈液態(tài)，壓力為3MPa，乙烯和氮呈氣態(tài)。丙烷在換熱器4中蒸發(fā)，使天然氣冷卻到-70℃，同時也冷卻了乙烯和氮氣，乙烯呈液態(tài)進入乙烯儲槽，氮氣仍呈氣態(tài)。液態(tài)乙烯在換熱器中蒸發(fā)，冷卻了天然氣及氮氣。氮氣進入氮儲槽并進行氣液分離，液氮在換熱器中蒸發(fā)，進一步冷卻天然氣，同時冷卻了氣態(tài)氮氣。氣態(tài)氮氣進一步液化并在換熱器中蒸發(fā)，將天然氣冷卻到-162℃送入儲罐。
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此法的優(yōu)點是設(shè)備較少，僅需一臺制冷機和一臺換熱器。其缺點是氣液平衡與焓的計算繁瑣，換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造也困難。
混合式制冷的效率和投資均比階式循環(huán)制冷低。
3. 膨脹法制冷
如圖6-17所示，膨脹法制冷流程是充分利用長輸干管與用戶之間較大的壓力梯度作為液化的能源。它不需要從外部供給能量，只是利用了干管剩余的能量。這種方法適用于遠程干管壓力較高、且液化容量較小的地方。來自長?天然氣??? 送入管網(wǎng)輸干管的天然氣，先流經(jīng)換熱器1，然后大部分天然氣在膨脹渦輪機中減壓到輸氣管網(wǎng)的壓力。沒有減壓的天然氣在換熱器2中被冷卻，并經(jīng)節(jié)流閥3節(jié)流膨脹，降壓液化后進入儲罐4。儲罐上部蒸發(fā)的天然氣，由膨脹渦輪機帶動的壓縮機吸出并壓縮到輸氣管網(wǎng)的壓力，并與膨脹渦輪機出來的天然氣混合作為冷媒，經(jīng)換熱器2及1送入管網(wǎng)。
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按此原理所能液化的天然氣數(shù)量，取決于管網(wǎng)的壓力所能提供的能量。表6-3是各種壓力比下甲烷的液化量。
表6-3 各種壓力比下甲烷的液化量
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入口壓力p1/MPa | 出口壓力p2/MPa | 甲烷液化量/% | p1/p2 |
7.00 | 3.50 | 3.7 | 2:1 |
5.25 | 3.50 | 2.4 | 1.5:1 |
5.25 | 1.05 | 1.03 | 5:1 |
5.25 | 0.35 | 1.48 | 15:1 |
2.10 | O.21 | 0.83 | 10:1 |
在城市對天然氣的需用量大于長輸干管的輸氣量時，必須使儲存的液化氣體重新氣化供應(yīng)城市。氣化設(shè)備所需費用大約占液化設(shè)備的1/4。
為使液化天然氣氣化，目前大部分都采用浸沒式加熱的蒸發(fā)器。為了保持水溫，就需要燒掉一部分天然氣。一般從液化天然氣中得到1m3氣態(tài)天然氣需消耗745kJ左右的熱量。
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