混合制冷工藝中組分配比對冷箱各段溫度的影響

白 星

（陜西延長石油天然氣股份有限公司，陜西延安 716000）

1 混合制冷工藝的概述

混合制冷工藝即混合制冷劑液化流程，其中混合制冷劑是由兩種或兩種以上不同的制冷劑以一定的配比組合而成的。用于制作混合制冷劑的常見物質成分主要有氮氣、甲烷、乙烷以及丙烷等多種碳氫化合物。混合制冷劑是將多種物質按照不同的組分混合起來，在制冷時，充分利用了不同物質的不同沸點和部分冷凝的特征。通過對混合制冷劑進行逐級的冷卻凝結，蒸發和節流膨脹等操作，可以獲得不同溫度的冷量，進而對氣態的天然氣進行逐步的冷卻，最終實現天然氣液化的目的。但是混合制冷劑在加注時較為復雜，其制取工藝和制取成本也相對較高，在選擇使用混合制冷劑時需要進行全方位的考慮。

目前，混合制冷劑液化工藝在工業化的天然氣生產中占據著重要的地位。由于不同的制冷劑循環流程，混合制冷工藝主要分為三種，分別是單循環制冷流程、雙循環制冷流程、三循環制冷流程。其中，雙循環制冷流程是較為常用的一種制冷模式，該模式又可細分為兩種不同的方式，一是丙烷預冷和混合制冷劑液化流程，可以簡稱為C3-MR，二是雙循環混合制冷劑液化工藝流程，簡稱為DMR。在眾多制冷工藝中，雙循環的C3-MR的液化流程較為簡單，且熱交換效率高。因此，在液化天然氣的實際應用中最為廣泛。

通過混合制冷劑進行低溫制冷已經成為天然氣液化中的關鍵流程，不同的混合制冷劑組分配比可以獲得更寬的制冷溫區，從而使天然氣的低溫制冷擁有更多的溫度選擇。因此，在制取液化天然氣的生產工藝中，混合制冷劑的配比選擇是非常關鍵的，這關乎到了天然氣液化效率和生產成本的高低。所以，生產中使用的混合制冷劑要確保其與天然氣進行熱交換時，二者的熱交換溫度是相互匹配的。此外，混合制冷劑還要具備綠色環保的功能特性，以便在低溫制取過程中，可以進一步降低制取工作的能源耗費。

2 冷箱制冷工藝的流程概況

天然氣的液化主要通過物理冷卻的方式實現的，而冷箱便是天然氣液化工藝流程中核心的制冷裝置。目前，在天然氣液化工藝中主流使用的冷箱為板翅式換熱器。這種結構的冷箱比傳統冷箱有著更加緊湊的結構。由于此類冷箱的翅片和隔板的厚度通常較薄，因此其在工作時的導熱效率更高，適應性更強。在使用安裝時，此形式的冷箱占地較少，安裝更加便捷，且運行的穩定性較高。

冷箱實現制冷的方式主要是依靠進入冷箱內的制冷劑，工作時需要使用制冷劑壓縮機對進入冷箱的制冷劑進行增壓，并對制冷劑進行初步的預冷處理。進入冷箱的部分制冷劑與出冷箱的部分制冷劑進行熱交換后，需要對此部分的制冷劑進行降壓和降溫處理，使制冷劑保持更低的溫度。低溫狀態下的制冷劑會在冷箱內和天然氣完成必要的熱量交換，帶走天然氣攜帶的熱量。經過熱交換的制冷劑離開冷箱后，會通過必要的氣液分離流程使其與天然氣分開。此時的制冷劑會再次通過壓縮機的增壓而進入冷箱，從而完成一次制冷循環流程。

經過預先處理并脫掉重烴的天然氣，會在冷箱中完成熱量交換，然后以低溫的狀態離開冷箱。經過降壓和降溫處理后，此時的天然氣已呈液態狀，其溫度已然下降到了-162℃左右。此時，使用專業的管線將液態狀的天然氣送入專用的儲存罐進行儲存。由于天然氣在低于-162℃時是以液體形態存在的，而高于-162℃則容易出現閃蒸汽，從而使儲存罐內的壓力突然升高，不利于天然氣的安全儲存，并增加了液化天然氣的儲存能耗。

3 混合制冷劑的組分與初選

混合制冷劑的組成成分和配比比例對天然氣的液化流程有著很大的影響。雖然制冷劑的成分越多，冷箱內的冷熱交換越均勻。但是，制冷劑的組分一旦過多，反而會造成制冷劑儲存配比系統的復雜化，從而不利于液化天然氣的便捷操作。因此，混合制冷劑的組分和配比必須經過科學合理的選擇。以C3-MR 的工藝流程為例，該制冷工藝所使用的混合制冷劑中有常見的氮氣，還有和天然氣成分相似的甲烷、乙烷、丙烷和異戊烷等。

選擇使用氮氣作為制冷劑的成分之一，是由于冷箱制冷的溫區為-35℃～-162℃之間。在實際的工業生產中，冷箱制冷溫度必須達到-170℃左右的水平才能保證天然氣液化流程的正常進行，而氮氣的沸點遠低于-170℃。此外，氮氣還具有使冷箱低溫段的導熱溫差變大的作用。

甲烷是混合制冷劑中的主要成分，選擇使用甲烷則是為了使混合制冷劑的性質與天然氣更加接近，以提高天然氣與混合制冷劑之間的匹配度，從而確保天然氣與制冷劑間換熱溫差的均勻性，使熱交換效率得到進一步的提升，促使天然氣的液化流程更加的節能。同時，由于單純依靠氮氣無法為冷箱低溫段提供足夠的冷源，所以，甲烷也是冷箱低溫段的主要冷源之一。

選擇使用乙烷則是保證混合制冷劑的換熱溫差更加均勻，以減少制冷過程中出現的不可逆損失。乙烷的存在可以滿足制冷劑自身的冷量需求，同時還可以為冷箱的中溫段制冷提供必要的冷量。

添加丙烷的目的則在于丙烷可以在熱交換的過程中提供大量的冷量。這是因為丙烷在與氮氣、甲烷、乙烷等物質進行相互作用時，丙烷的沸點會逐步升高，吸收的熱量范圍也隨之擴大。基于丙烷的這一特性，冷箱高溫段的制冷冷量便是來源自丙烷。

在混合制冷機中添加異戊烷主要是為了使制冷劑壓縮機一級分離口的液化分離量增加，從而為冷箱的高溫段區域提供更多的冷量。此外，異戊烷在混合制冷劑中可以起到良好的溶質作用，又因為該組分較重，可以使制冷劑壓縮機在工作時產生的功耗有所降低。

混合制冷劑的組成成分較多，在實際的工業生產中，需要根據實際生產情況對制冷劑進行配比及優化，才能使天然氣經過冷箱液化時的各種消耗降到最低。

4 混合制冷劑的主要應用

4.1 混合制冷劑組分配比對冷箱各段溫度的影響

在天然氣的液化流程中，冷箱的溫度可以分為三個不同的階段。首先是預冷溫度，其次是液化溫度，最后則是過冷溫度。冷箱各段溫度的變化除了受到混合制冷劑自身溫度的影響外，其他的液化工藝流程的實際性能也會對冷箱溫度產生較大的影響。在研究混合制冷劑組分配比對冷箱溫度的影響時，需要保證天然氣氣體性質和其他流程參數固定不變。并依照順序調整混合制冷劑中的組分，每次兩個，而另兩個則固定不變。

4.2 氮氣組分配比的影響

經過一系列的科學實驗驗證，當混合制冷劑中氮氣的含量降低，而其他成分的組分變多時，丙烷預冷和混合制冷劑液化流程的循環量是有所降低的。同時，制冷劑壓縮機的總功耗也出現了明顯的下降，但天然氣的液化率卻依然保持著一個恒定的狀態。混合制冷劑中氮氣的存在主要為冷箱低溫區進行制冷時提供大量的冷量，以保證低溫區制冷工作的正常運轉。因此，當氮氣的組分有所減少時，勢必會造成冷箱的低溫區出現冷熱流曲線交叉現象，從而導致為低溫區提供的制冷冷量有所不足，進而造成冷箱液化溫度和過冷溫度的降低，直接影響冷箱低溫區的制冷工作。

4.3 甲烷組分配比的影響

在減少甲烷的組分含量，保持氮氣的含量不變，增加乙烷、丙烷等物質的組分含量時。C3-MR 流程的循環次數會出現明顯的降低，此時制冷劑壓縮機的總功耗也呈現降低的趨勢，而天然氣的液化率依據保持著恒定不變。而適當增加氮氣的組分含量后，丙烷預冷和混合制冷劑液化流程的循環量則出現了明顯增多的趨勢，這時制冷劑壓縮機的消耗的總功率也隨之上升。

由于氮氣在控制的溫區范圍方面的能力與甲烷相比明顯較差。因此，單單依靠氮氣制冷劑為冷箱低溫區制冷供給冷量難以滿足實際的使用需求。所以需要在制冷劑中添加適當含量的甲烷，以保證冷箱低溫區正常工作時的冷量供給量。因此，甲烷在混合制冷劑中起到了配合氮氣的作用，二者共同為冷箱低溫區供給冷量。當甲烷的組分降低時，低溫區的冷量供給量受其影響會明顯減少，從而降低冷箱液化溫度和過冷溫度的溫度值，進一步影響到天然氣的液化效率。

4.4 乙烷組分配比的影響

降低乙烷物質在混合制冷劑中的組分含量，并增加氮氣與甲烷在制冷劑中的含量，會造成天然氣液化流程的循環量出現增加的情況，從而導致壓縮機的整體能耗有所增加，但對天然氣的液化率卻不會產生太大的影響。此時，增加丙烷的組分含量會降低液化流程制冷劑的循環量，從而減少壓縮機功耗的總量，而天然氣的液化率同樣不會發生變化。

由于乙烷在混合制冷劑中主要是為了確保主換熱器的冷量和混合制冷劑的液化量，從而保證冷箱中溫區的冷量供給。所以，一旦降低混合制冷劑中乙烷的含量，會使冷箱中溫區的制冷工作出現冷量供給的問題，從而無法滿足冷箱在該段時的使用需求。因此，乙烷的組分配比對冷箱液化溫度產生了直接影響，在其他條件不變時，乙烷的含量減少，液化溫度也會隨之降低。

4.5 丙烷組分配比的影響

減少混合制冷劑中丙烷的含量，而增加其他制冷劑組分的含量，同樣可以導致制冷劑的循環量呈現增加趨勢，還會增加天然氣液化流程中使用壓縮機而產生的功耗，此時冷箱中的預冷溫度也會降低。這是因為丙烷在制冷劑中發揮的主要作用便是滿足冷箱中高溫區制冷時的冷量需求。在天然氣進入冷箱開始預冷環節時，混合制冷劑丙烷含量的減少會降低冷箱中高溫區的冷量，導致對天然氣進行預冷的冷量供應不足，其明顯的表現便是冷箱中的預冷溫度降低。

5 結束語

液化天然氣所表現出的應用優勢使其在能源應用中的地位越來越高，人們對液化天然氣的需求量也越來越多。因此，液化天然氣的產量也快速上升。液化天然氣的制取需要使用大量的制冷劑，并消耗大量的能源。進一步降低天然氣在液化流程中總功耗則成為了人們研究液化天然氣工藝的一個重點。而經過實驗證明，混合制冷劑中各種成分的組分配比對天然氣液化流程的整體功耗有著較為明顯的影響效果。因此，合理的調控混合制冷劑的組分配比，對控制和降低天然氣液化工藝的能耗有著非常重要的現實意義。