混空輕烴燃氣露點計算方法的探究

樊玉光，史冬雨，魏 嘉，張 碩

西安石油大學機械工程學院 （陜西 西安 710065）

改革開放以來，隨著人口數量的增長以及國家經濟增長速度的加快，能源供求問題日益突顯出來，煤電油供求關系明顯趨緊。目前我國能源利用問題主要是能源利用技術落后以及能源利用效率比較低，根據可持續發展的要求，提高能源利用率、研究發展新型能源迫在眉睫[1]。

混空輕烴燃氣是由輕烴原料經過工藝裝置氣化，與空氣按一定比例充分混合配制成的可燃氣體。作為我國新能源領域的一種新型燃氣，混空輕烴燃氣在我國的工業以及家用領域均有較為廣闊的發展前景。但與此同時，由于其發展時間較短，與混空輕烴燃氣相關的工藝參數標準，尤其是露點的制定仍然很不完善。作為一項重要的燃氣參數，經濟、合理地確定混空輕烴燃氣的露點對于保證混空輕烴燃氣的長期經濟運行以及輸氣管道安全運行具有重要的意義。

目前國家涉及露點描述的燃氣標準大部分均是以天然氣為參考制定的，并且只規定了標準燃氣露點在運輸過程中的合理范圍，缺乏相關精確的計算過程，或者只有露點的相關檢測方法。因此，制定一套完整的混空輕烴燃氣露點規范是非常必要的。

1　現有標準的混空輕烴露點計算

1.1　計算方法

在諸多標準中，目前國家只有CJT 341—2010《混空輕烴燃氣》較為詳細地規定了針對混空輕烴燃氣的露點計算，其計算方法如下[2]。

1）輕烴混空氣中氣液平衡時輕烴的蒸汽分壓按式（1）計算：

式中：P為輕烴混空氣中氣液平衡時輕烴的蒸汽分壓，Pa（絕）；γi為該組分在輕烴氣相中的體積分數，%；pi為輕烴混合液體中該組分的蒸汽壓，Pa（絕）。

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2）輕烴原料的蒸汽壓按式（2）計算：

式中：t為液體溫度，℃；P為t溫度下的蒸汽壓，Pa（絕）；A、B、C是與碳氫化合物種類有關的系數，按安托內公式的常數采用。

1.2　現有計算方法的局限性

1）上述計算方法實際投入使用的輕烴原料成分均較為復雜，含有很多戊烷以外的物質，如苯、雙環戊二烯等，這些重質組分的含量對混空輕烴燃氣的露點影響較大。而且上述計算方法既需要輕烴原料的氣態參數，又需要確定輕烴液態時混合液體各組分的參數，不僅會使計算過程變得復雜化，而且計算誤差的來源也會增多，降低計算精確度。

2）上述計算方法并沒有考慮混空輕烴燃氣含水的情況。參考天然氣及人工煤氣制造運輸規范，在實際混空輕烴燃氣制造和運輸的過程中，水蒸汽的含量會對燃氣的露點產生影響，不僅會提高混空輕烴燃氣整體的露點值，而且運輸管道中析出的液體會降低天然氣管道的輸送效率，增大輸送介質腐蝕管道內壁的概率，嚴重時管道中的帶液還會造成燃燒的發生，甚至爆炸。

2　相平衡常數法計算混空輕烴燃氣露點

由于混空輕烴燃氣的氣態烴部分經常是由多種烴類構成的混合物，所以可以根據多組分物系露點的相平衡常數法進行露點的計算。其原理是根據已知混空輕烴燃氣各組分的氣相分率以及工作壓力，依據相平衡關系以及濃度總和歸一方程，最終求解出混空輕烴燃氣在一定壓力狀態下的露點溫度。相平衡常數的計算方法及濃度總和歸一方程如下：

用（3）式計算出的相平衡常數Ki適用于中壓、液相非理想性不是很強的烴類系統。在一些精度要求不高的計算中，相平衡常數還可以通過查閱相平衡常數P—T—K列線圖得到。但是對于大部分極性物質、大分子化合物等非理想型較強的系統，上述相平衡常數計算方法得到數值并不精確，此時相平衡常數由以下公式求得：

實驗室用某企業提供的混合輕烴組分進行了混空實驗，其各組分含量如下：戊烷總質量分數為98.40%，其中正戊烷的質量分數為44.35%，異戊烷54.05%；C6及以上的重組分的質量分數為1.0%，C4組分的質量分數為0.60%，氣態輕烴與空氣常壓下以體積比1∶4混合，得到混空輕烴燃氣。考慮到C6以及C4組分均為少量，計算時用正己烷與正丁烷代替，并利用相平衡常數法進行計算，最終得出這種混空燃氣在常壓下的露點溫度為-7.8℃，這與CJT 341—2010《混空輕烴燃氣》中對混空燃氣露點溫度在-10～-2.5℃之間的描述基本相符。

在實際操作過程中，當空氣中水分含量超過某一值時，就會對與空氣混合后的混空輕烴燃氣的露點造成極大的影響。參考天然氣標準，管輸天然氣中水含量一般不高于300 mg/m3，在一些高含硫化氫氣田中開采出來的含CO2、H2S的天然氣，其飽和水含量也不會超過1 000 mg/m3。由此計算當混空輕烴燃氣由不含水提升到含水量1 000 mg/m3時，露點提升了約2℃。查閱相關資料發現，在含水量為100 mg/m3時，常壓下天然氣露點由約-160℃上升為-47 ℃左右[3-5]。

相比天然氣，混空輕烴燃氣受水含量的影響相對較小，這與兩種氣體的組分不同有關，但是水含量不僅會對燃氣露點產生影響，也會對燃氣的燃燒性能產生影響。不僅影響到燃燒是否能夠持續穩定進行，而且水含量過多也會降低火焰溫度，影響到工業生產及家庭生活使用，所以控制燃氣中水含量仍然是非常必要的。

3　相平衡常數計算方法的優點

在實際油品煉制的過程中，產物的種類非常多。因此，作為石油煉制產品的副產物，混空燃氣的液相輕烴原料的成分也較為復雜，同分異構的情況非常常見，并且還會含有少量的重質組分[6]。

相平衡常數法計算露點的方法不僅適用于組分復雜的情況，對于大多數極性或者非極性烴類化合物系統，均有較高的計算精度。并且同樣適用于原料含水時的露點計算，這是現有標準中的計算方法所不能達到的。

4　結論

1）由于混空輕烴燃氣在我國屬于新能源領域，其露點的確定對燃氣的制備、運輸等過程有顯著影響。在混空燃氣制備的過程中，需要綜合考慮輕烴原料成分、燃氣運輸條件以及當地氣候條件的影響，通過控制與空氣混合的比例來調節制造出混空燃氣的露點，如適當增加混合的空氣量或者降低空氣的水分含量以降低混空輕烴燃氣的露點。若當地環境氣溫較低，如我國東北地區，則可考慮在輸送管道中設置保溫層以防止混空輕烴燃氣液化。

2）綜合考慮各種因素的影響，經濟合理的確定輕烴原料的組分含量以及輕烴原料和空氣的混合比例，有助于混空輕烴燃氣在工業領域更好地利用。

總的來說，混空燃氣在我國發展潛力巨大，針對混空輕烴燃氣相關參數尤其是露點的計算方法還有待深入研究，有助于其進一步地推廣和使用，以促進我國經濟發展。