天然气液化流程模拟及其工艺计算
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b1 、b2 、b3 、b4 、c1 、c2 、c3 、c4 、d1 、d2 、β、γ 为 方 程 参 数。
当计算热力参数时 ,可表示成通用参数形式 : = q = q (0) + ω/ ω( r) ( q ( r) - q (0) )
= q (0) + ωq (1) 式中 : ω( r) 为重组分参考流体的偏心因子 ,一般认为 是正辛烷 , ω( r) = 0. 397 8 。 q = Z ln ( H°- H) / R Tc …… PLocker〔2〕等人提出改进的混合规则为 :
∑∑
Tcm
=
1
η
V cm
j
Zj Zk Vηcjk Tcjk
k
∑∑ V cm =
Zj Zk V cjk
j
k
∑ ωm =
Zωj j Tcjk = ( Tcj Tck) 1/ 2κjk
j
V cjk
=
1/
8(
V
1/ cj
3
+
V
1/ 3 ck
)
3
pcm = (0. 290 5 - 0. 085ωm ) R Tcm / V cm
2 NACE Standard RP0296 - 96. Guideline for detection , re2 pair ,and mitigation of cracking of existing petroleum refin2 ery pressure vessels in wet H2 S environments.
方程的解法可参见文献〔3〕。
由此可见 ,此流程采用一个与天然气液化过程 分开的氮膨胀制冷循环 ,制冷剂基本为纯氮 ,计算方 便 ,操作安全 ;采用两级膨胀以及直接用不同温度的 流体做精馏塔再沸器热源和冷凝器冷源 ,考虑了热 量耦合 ,有利于节能 。
数学模型及选择
计算体系属以碳氢化合物为主的非极性体系 , 计算中主要涉及气液平衡与热量的计算 ,对焓值计 算的要求较高 ,而 Lee - Kesler 方程〔1〕( 简称 L —K 方程) 对此体系的物性计算十分成功 ,对焓值的计算 被世界各国学者一致公认为是精度很高的模型 ,且 属对比态方程 ,特别适于计算机计算 ,所以计算选用 L —K 状态方程 。
5 刘来福. 过滤分离器的设计及其安全性评定. 天然气与石 油 ,1997 ; (1)
6 柯 伟 ,陈进伟. 炼油工业中腐蚀研究的进展. 石油化工腐 蚀与防护 ,1997 ;14 (2)
(收稿日期 1998 - 04 - 16 编辑 王瑞兰)
3 刘新伟 ,1972 年生 ,1998 年在西安交通大学化工系获硕士学位 ,现在原化工部第一设计院工作 。地址 : (710049) 陕西省 西安市咸宁西路 28 号 。电话 : (029) 3268569 。
图 1 工艺流程图
L —K 方程的形式为 :
Z
=
prV r Tr
=
1
+
B Vr
+
C
V
2 r
+
D
V
5 r
cr
9+7
来自百度文库c4
T
3r V
2 r
β+
γ
V
2 r
exp
-
γ
V
2 r
uc
式中 : B
= b1 -
b2/ T r -
b3/
T
2 r
-
b4/
T
3 r
C = c1 -
c2/
Tr
+
c3/
T
3 r
D = d1 - d2/ Tr
对比国内外酸性环境压力容器用钢的现状 ,展 望我国酸性环境压力容器防护 ,可见我国在这方面
还需要做深入的研究和开发 ,以满足我国天然气工 业生产的需要 。
参 考 文 献
1 NACE International Publication 8X194. Materials and fabri2 cation practice for new pressure vessels used in wet H2 S re2 finery service. 1994 ,6
采取上述修复 HIC 压力容器的方法都可能要进 行补焊 ,因而应考虑焊后热处理 。
3) HIC 的防护 。目前国外主要从四个方面来解 决 HIC 问题 :设计中采用抗 HIC 的钢材 ; 采用缓蚀 剂 (据美国 CL I 公司称已有较满意的缓蚀剂用于防 止 HIC) ;采用耐蚀复合钢板和堆焊衬里 (据加拿大 介绍 ,塔体选用碳钢 ,内壁喷焊含 Ni 50 %的镍铬合 金) ;内涂层 (加拿大一些公司将再生塔搞内涂) 。
第 19 卷第 1 期 天 然 气 工 业 化工与综合利用
第二步 :按等熵过程由入口熵 S i1 和透平出口压力
po1 ,求出口温度 To1 ;第三步 :由出口压力 po1 及出
口温度 To1 求出口焓 Ho1 ,即等熵过程时的出口焓 值 ; 第 四 步 : 由 等 熵 效 率 的 定 义 : ηs = ( Hi1 -
工艺流程
装置的工艺流程见图 1 。进入装置的原料天然 气经预冷器 (i) 、气液分离器 (ii) 、分子筛干燥器 (iii)
净化后 ,进入预冷换热器 (A1) 预冷 ,然后进入重烃分 离器 (A2) 除去液化的重烃 。从重烃分离器出来的气 体进入主换热器 (A3) 冷却后 ,再经节流阀 (A4) 进入 除 N2 精馏塔 (A5) 除去 N2 ,在塔底得到 L N G ,再经过
-
3 176. 20 0. 392 2
-
-
8. 67
4 176. 20 0. 392 2 5 640. 02 408. 00
第 19 卷第 1 期 天 然 气 工 业 化工与综合利用
天然气液化流程模拟及其工艺计算
刘新伟 3
(原化工部第一设计院)
李(西安海交国通大 学刘化工芙学蓉院)
刘新伟等. 天然气液化流程模拟及其工艺计算. 天然气工业 ,1999 ;19 (1) :97～100 摘 要 LN G 作为天然气加工的重要产品 ,其市场需求随着世界能源危机的加深和环境问题的突出而迅速增 长 。LN G 生产流程主要有混合制冷循环流程 、膨胀机制冷的循环流程 、带循环压缩机的天然气膨胀机制冷循环流 程等三类 。而实际生产过程中 ,到底选用何种方案 ,则需由具体情况确定 。根据原料气的特点 ,提出了带循环压缩 机的氮膨胀制冷循环 ;根据两级氮膨胀的天然气液化循环的特点 ,基于 Lee —Kesler 状态方程 ,在对分凝器 、节流 阀 、膨胀机 、换热器 、精馏塔等单元设备精确计算的基础上 ,采用序贯模块的方法 ,以直接迭代法对整个流程进行了 模拟 ,采用 C + + 语言编写了计算程序 ,并给出了计算实例 。 主题词 天然气液化 工艺流程 数学模型 计算方法 实例
计算结果见表 1 。
表 1 流程各点参数汇总表
温度 点
( K)
压力 ( M Pa)
焓 汽相流量 液相流量 (J / mol) (m3/ h) (m3/ h)
1 243. 0 0. 392 2 8 041. 90 416. 67
-
2 176. 12 0. 392 2 5 680. 20 416. 67
3 NACE Standard MR0175 - 97. Sulfide stress cracking resis2 tant metallic materials for oilfield equipment .
4 NACE Standard TM0284 - 96. Evaluation of pipeline and pressure vessel steels for resistance to hydrogen induced cracking.
·98 ·
图 2 透平示意图
对重烃分离器及节流的计算 , 可参见文献〔4〕。 透平膨胀机的计算〔3〕,透平示意图如图 2 所示 ,等熵 效率取为 0. 75 ,计算方法如下 。第一步 :由透平膨胀 机入口参数 pi1 、Ti1 、计算入口焓 Hi1 和入口熵 S i1 ;
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
Ho1
)
real
/
(
Hi1
-
Ho1) 确定实际的透平出口流体焓 :
Ho1 real = Hi1 - ηs ×( Hi1 - Ho1) 再由 Ho1 real 及出口
压力 po1 求出口流体温度 To 。
压 缩 机 轴 功 率 采 用 下 式 计 算 : N ad =
γ γ - 1 p1 ( V / 3 600) [ ( p2/
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
·97 ·
化工与综合利用 天 然 气 工 业 1999 年 1 月
过冷换热器 1 (A6) 过冷后送 L N G 贮罐 。在除 N2 精 馏塔塔顶得到的氮气 ,流经过冷换热器 2 (A14) 后与 膨胀机 2 ( A11 ) 的出口流体汇合 , 依次经过换热器 A6 、A3 、A1 回收冷量后 ,被循环 N2 压缩机 (A8) 压缩 后作为制冷剂 。经过压缩的 N2 经 A1 预冷后分为两 股 ,一股直接进入主换热器 (A3) 冷却 ,一股进膨胀机 膨胀 。膨胀的一股经膨胀机 1 (A10) 膨胀后 ,进主换 热器提供冷量 ,再经膨胀机 2 (A11) 膨胀到更低压力 后与除 N2 精馏塔顶流体汇合为总循环气量 ;进主换 热器的一股被冷却后作为除 N2 精馏塔塔底再沸器 热源进一步降温 ,再经过过冷换热器 (A14) 过冷 ,最 后节流进入除 N2 精馏塔塔顶 。
p1) ( r- 1) / r
-
1 ] 。式中 :
N ad
为按绝热压缩计的理论功率 ,W ; V 为生产能力 ,以
吸气量计 ,m3/ h ; p1 , p2 为进 、出口压力 ,Pa 。 压缩机实际轴功率为 : N = N ad/ ηad
A11膨胀机 2 A12汇合点 A13再沸器 A14过冷器 A15节流阀 采用序贯模块法对流程进行模拟 ,因流程中有 许多循环流股 ,序贯模块法无法直接应用 。为此根 据信息流程图 ,首先对流程进行了分块与切割 ,最后 选定 S 23 —T 、S 2 —T 和 S 21 —T (分别指流 23 、2 和 21 的温度) 为收敛变量 ,用直接迭代法对方程进行求 解 。计算框图如图 4 所示 。
计算方法与框图
模拟流程计算之前首先需将实际的装置流程图 变换成信息流程图 ,如图 3 所示 。
图 3 系统信息流程图
节点与流程说明 :系统信息流程图中 A 代表节点 , S 代表流 ( Stream) ,流的序号与图 1 (工艺流程图) 中序 号对应 ,各节点具体说明如下 :
A1 预冷换热器 A2 重烃分离器 A3 主换热器 A4 节流阀 A5 精馏塔 A6 过冷换热器 A7 氮放空阀 A8 压缩机 A9 预冷后分离点 A10膨胀机 1
目前还没有足够长的使用时间和经验来证明这种方 法是解决 HIC 的最有效方法 。
2) 发现 HIC 后的修复方法 。如果表面鼓泡直径 小于 50 mm ,鼓泡的修复可采用钻孔 ,消除内部应 力 ,但在此之前 ,须对鼓泡所在的设备进行强度分 析 。也可采用把已遭到氢损伤的钢板割除 ,并以新 钢板进行更换 。但在此前后 ,应注意消氢处理 。裂 纹的消除可采用磨和电弧刨的方法 ,并据对该设备 的强度分析进行必要的补焊 。
图 4 流程计算框图
计算实例
(1) 设计参数 原料 气 流 量 : 10 000 m3/ d , 原 料 气 压 力 : 3. 92
M Pa , 原 料 气 组 成 N2 10 %、CH4 85 %、C2 H6 3 %、 C3 H8 1 %、C4 H10 0. 5 %、C5 H12 0. 5 % ,甲烷收率大于 0. 95 。
模拟计算中各换热器的热损失取热负荷的 4 % , ·99 ·
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化工与综合利用 天 然 气 工 业 1999 年 1 月
当计算热力参数时 ,可表示成通用参数形式 : = q = q (0) + ω/ ω( r) ( q ( r) - q (0) )
= q (0) + ωq (1) 式中 : ω( r) 为重组分参考流体的偏心因子 ,一般认为 是正辛烷 , ω( r) = 0. 397 8 。 q = Z ln ( H°- H) / R Tc …… PLocker〔2〕等人提出改进的混合规则为 :
∑∑
Tcm
=
1
η
V cm
j
Zj Zk Vηcjk Tcjk
k
∑∑ V cm =
Zj Zk V cjk
j
k
∑ ωm =
Zωj j Tcjk = ( Tcj Tck) 1/ 2κjk
j
V cjk
=
1/
8(
V
1/ cj
3
+
V
1/ 3 ck
)
3
pcm = (0. 290 5 - 0. 085ωm ) R Tcm / V cm
2 NACE Standard RP0296 - 96. Guideline for detection , re2 pair ,and mitigation of cracking of existing petroleum refin2 ery pressure vessels in wet H2 S environments.
方程的解法可参见文献〔3〕。
由此可见 ,此流程采用一个与天然气液化过程 分开的氮膨胀制冷循环 ,制冷剂基本为纯氮 ,计算方 便 ,操作安全 ;采用两级膨胀以及直接用不同温度的 流体做精馏塔再沸器热源和冷凝器冷源 ,考虑了热 量耦合 ,有利于节能 。
数学模型及选择
计算体系属以碳氢化合物为主的非极性体系 , 计算中主要涉及气液平衡与热量的计算 ,对焓值计 算的要求较高 ,而 Lee - Kesler 方程〔1〕( 简称 L —K 方程) 对此体系的物性计算十分成功 ,对焓值的计算 被世界各国学者一致公认为是精度很高的模型 ,且 属对比态方程 ,特别适于计算机计算 ,所以计算选用 L —K 状态方程 。
5 刘来福. 过滤分离器的设计及其安全性评定. 天然气与石 油 ,1997 ; (1)
6 柯 伟 ,陈进伟. 炼油工业中腐蚀研究的进展. 石油化工腐 蚀与防护 ,1997 ;14 (2)
(收稿日期 1998 - 04 - 16 编辑 王瑞兰)
3 刘新伟 ,1972 年生 ,1998 年在西安交通大学化工系获硕士学位 ,现在原化工部第一设计院工作 。地址 : (710049) 陕西省 西安市咸宁西路 28 号 。电话 : (029) 3268569 。
图 1 工艺流程图
L —K 方程的形式为 :
Z
=
prV r Tr
=
1
+
B Vr
+
C
V
2 r
+
D
V
5 r
cr
9+7
来自百度文库c4
T
3r V
2 r
β+
γ
V
2 r
exp
-
γ
V
2 r
uc
式中 : B
= b1 -
b2/ T r -
b3/
T
2 r
-
b4/
T
3 r
C = c1 -
c2/
Tr
+
c3/
T
3 r
D = d1 - d2/ Tr
对比国内外酸性环境压力容器用钢的现状 ,展 望我国酸性环境压力容器防护 ,可见我国在这方面
还需要做深入的研究和开发 ,以满足我国天然气工 业生产的需要 。
参 考 文 献
1 NACE International Publication 8X194. Materials and fabri2 cation practice for new pressure vessels used in wet H2 S re2 finery service. 1994 ,6
采取上述修复 HIC 压力容器的方法都可能要进 行补焊 ,因而应考虑焊后热处理 。
3) HIC 的防护 。目前国外主要从四个方面来解 决 HIC 问题 :设计中采用抗 HIC 的钢材 ; 采用缓蚀 剂 (据美国 CL I 公司称已有较满意的缓蚀剂用于防 止 HIC) ;采用耐蚀复合钢板和堆焊衬里 (据加拿大 介绍 ,塔体选用碳钢 ,内壁喷焊含 Ni 50 %的镍铬合 金) ;内涂层 (加拿大一些公司将再生塔搞内涂) 。
第 19 卷第 1 期 天 然 气 工 业 化工与综合利用
第二步 :按等熵过程由入口熵 S i1 和透平出口压力
po1 ,求出口温度 To1 ;第三步 :由出口压力 po1 及出
口温度 To1 求出口焓 Ho1 ,即等熵过程时的出口焓 值 ; 第 四 步 : 由 等 熵 效 率 的 定 义 : ηs = ( Hi1 -
工艺流程
装置的工艺流程见图 1 。进入装置的原料天然 气经预冷器 (i) 、气液分离器 (ii) 、分子筛干燥器 (iii)
净化后 ,进入预冷换热器 (A1) 预冷 ,然后进入重烃分 离器 (A2) 除去液化的重烃 。从重烃分离器出来的气 体进入主换热器 (A3) 冷却后 ,再经节流阀 (A4) 进入 除 N2 精馏塔 (A5) 除去 N2 ,在塔底得到 L N G ,再经过
-
3 176. 20 0. 392 2
-
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8. 67
4 176. 20 0. 392 2 5 640. 02 408. 00
第 19 卷第 1 期 天 然 气 工 业 化工与综合利用
天然气液化流程模拟及其工艺计算
刘新伟 3
(原化工部第一设计院)
李(西安海交国通大 学刘化工芙学蓉院)
刘新伟等. 天然气液化流程模拟及其工艺计算. 天然气工业 ,1999 ;19 (1) :97～100 摘 要 LN G 作为天然气加工的重要产品 ,其市场需求随着世界能源危机的加深和环境问题的突出而迅速增 长 。LN G 生产流程主要有混合制冷循环流程 、膨胀机制冷的循环流程 、带循环压缩机的天然气膨胀机制冷循环流 程等三类 。而实际生产过程中 ,到底选用何种方案 ,则需由具体情况确定 。根据原料气的特点 ,提出了带循环压缩 机的氮膨胀制冷循环 ;根据两级氮膨胀的天然气液化循环的特点 ,基于 Lee —Kesler 状态方程 ,在对分凝器 、节流 阀 、膨胀机 、换热器 、精馏塔等单元设备精确计算的基础上 ,采用序贯模块的方法 ,以直接迭代法对整个流程进行了 模拟 ,采用 C + + 语言编写了计算程序 ,并给出了计算实例 。 主题词 天然气液化 工艺流程 数学模型 计算方法 实例
计算结果见表 1 。
表 1 流程各点参数汇总表
温度 点
( K)
压力 ( M Pa)
焓 汽相流量 液相流量 (J / mol) (m3/ h) (m3/ h)
1 243. 0 0. 392 2 8 041. 90 416. 67
-
2 176. 12 0. 392 2 5 680. 20 416. 67
3 NACE Standard MR0175 - 97. Sulfide stress cracking resis2 tant metallic materials for oilfield equipment .
4 NACE Standard TM0284 - 96. Evaluation of pipeline and pressure vessel steels for resistance to hydrogen induced cracking.
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图 2 透平示意图
对重烃分离器及节流的计算 , 可参见文献〔4〕。 透平膨胀机的计算〔3〕,透平示意图如图 2 所示 ,等熵 效率取为 0. 75 ,计算方法如下 。第一步 :由透平膨胀 机入口参数 pi1 、Ti1 、计算入口焓 Hi1 和入口熵 S i1 ;
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Ho1
)
real
/
(
Hi1
-
Ho1) 确定实际的透平出口流体焓 :
Ho1 real = Hi1 - ηs ×( Hi1 - Ho1) 再由 Ho1 real 及出口
压力 po1 求出口流体温度 To 。
压 缩 机 轴 功 率 采 用 下 式 计 算 : N ad =
γ γ - 1 p1 ( V / 3 600) [ ( p2/
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化工与综合利用 天 然 气 工 业 1999 年 1 月
过冷换热器 1 (A6) 过冷后送 L N G 贮罐 。在除 N2 精 馏塔塔顶得到的氮气 ,流经过冷换热器 2 (A14) 后与 膨胀机 2 ( A11 ) 的出口流体汇合 , 依次经过换热器 A6 、A3 、A1 回收冷量后 ,被循环 N2 压缩机 (A8) 压缩 后作为制冷剂 。经过压缩的 N2 经 A1 预冷后分为两 股 ,一股直接进入主换热器 (A3) 冷却 ,一股进膨胀机 膨胀 。膨胀的一股经膨胀机 1 (A10) 膨胀后 ,进主换 热器提供冷量 ,再经膨胀机 2 (A11) 膨胀到更低压力 后与除 N2 精馏塔顶流体汇合为总循环气量 ;进主换 热器的一股被冷却后作为除 N2 精馏塔塔底再沸器 热源进一步降温 ,再经过过冷换热器 (A14) 过冷 ,最 后节流进入除 N2 精馏塔塔顶 。
p1) ( r- 1) / r
-
1 ] 。式中 :
N ad
为按绝热压缩计的理论功率 ,W ; V 为生产能力 ,以
吸气量计 ,m3/ h ; p1 , p2 为进 、出口压力 ,Pa 。 压缩机实际轴功率为 : N = N ad/ ηad
A11膨胀机 2 A12汇合点 A13再沸器 A14过冷器 A15节流阀 采用序贯模块法对流程进行模拟 ,因流程中有 许多循环流股 ,序贯模块法无法直接应用 。为此根 据信息流程图 ,首先对流程进行了分块与切割 ,最后 选定 S 23 —T 、S 2 —T 和 S 21 —T (分别指流 23 、2 和 21 的温度) 为收敛变量 ,用直接迭代法对方程进行求 解 。计算框图如图 4 所示 。
计算方法与框图
模拟流程计算之前首先需将实际的装置流程图 变换成信息流程图 ,如图 3 所示 。
图 3 系统信息流程图
节点与流程说明 :系统信息流程图中 A 代表节点 , S 代表流 ( Stream) ,流的序号与图 1 (工艺流程图) 中序 号对应 ,各节点具体说明如下 :
A1 预冷换热器 A2 重烃分离器 A3 主换热器 A4 节流阀 A5 精馏塔 A6 过冷换热器 A7 氮放空阀 A8 压缩机 A9 预冷后分离点 A10膨胀机 1
目前还没有足够长的使用时间和经验来证明这种方 法是解决 HIC 的最有效方法 。
2) 发现 HIC 后的修复方法 。如果表面鼓泡直径 小于 50 mm ,鼓泡的修复可采用钻孔 ,消除内部应 力 ,但在此之前 ,须对鼓泡所在的设备进行强度分 析 。也可采用把已遭到氢损伤的钢板割除 ,并以新 钢板进行更换 。但在此前后 ,应注意消氢处理 。裂 纹的消除可采用磨和电弧刨的方法 ,并据对该设备 的强度分析进行必要的补焊 。
图 4 流程计算框图
计算实例
(1) 设计参数 原料 气 流 量 : 10 000 m3/ d , 原 料 气 压 力 : 3. 92
M Pa , 原 料 气 组 成 N2 10 %、CH4 85 %、C2 H6 3 %、 C3 H8 1 %、C4 H10 0. 5 %、C5 H12 0. 5 % ,甲烷收率大于 0. 95 。
模拟计算中各换热器的热损失取热负荷的 4 % , ·99 ·
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化工与综合利用 天 然 气 工 业 1999 年 1 月