[科普中国]-串联蒸发冷凝液化流程

液化流程

串联蒸发冷凝液化流程也叫阶式制冷循环、复叠式液化流程。是1939 年首先应用于液化天然气产品，装于美国的Cleveland，采用NH3、C2H4 为第一、第二级制冷剂。 经典阶式制冷循环由三个独立的制冷系统组成。

第一级采用丙烷做制冷剂，经过净化的天然气在丙烷冷却器中冷却到-35～-40℃，分离出戊烷以上的重烃后进入第二级冷却。由丙烷冷却器中蒸发出来的丙烷气体经压缩机增压，水冷却器冷却后重新液化，并循环到丙烷冷却器。第二级采用乙烯做制冷剂，天然气在第二级中被冷却到-80～-100℃，并被液化后进入第三级冷却。第三级采用甲烷做制冷剂，液化天然气在甲烷冷却器中被过冷到-150～-160℃，然后通过节流阀降压，温度降到-162℃后，用泵输送到LNG 贮槽。甲烷冷却器中蒸发出来的气体经增压、水冷后，在丙烷冷却器中冷却、在乙烯冷却器中液化后，循环到甲烷冷却器。

天然气经过各个换热器后的出口温度一般为：第1个丙烷换热器出口 273K；第2个丙烷换热器出口 253K；第3个丙烷换热器出口 233K；第1个乙烯换热器出口213K；第2个乙烯换热器出口193K；第3个乙烯换热器出口173K；第1个甲烷换热器出口153K；第2个甲烷换热器出口133K；第3个甲烷换热器出口113K。

液化实例右图为串联蒸发冷凝液化流程的示意网，图中列处了运行参数。丙烷经压缩达到1206 kPa，经节流后压力降41kPa，温度为-35℃，然后丙烷流过3个换热器，依次冷却乙烯、甲烷和天然气。乙烯经压缩达到2MPa，经丙烷预冷和节流后压力降至41 kPa，温度为-100℃，然后乙烯流过2个换热器，依次冷却甲烷和天然气。甲烷经压缩达到3．24MPa，经丙烷、乙烯预冷和节流后压力降至41kPa，温度为-155℃，然后进换热器冷却天然气 在该流程中需液化的天然气增压至3.8MPa后，经水、丙烷、乙烯和甲烷冷却后，压力为3.65MPa、温度降为-150℃；最后节流后进一步降压降温为0.1034MPa、-162℃。2

应用特点级联式液化流程的优点是能耗较低，因制冷剂为纯物质，故无配比问题。各制冷系统与天然气液化系统彼此独立，相互影响较少，操作较稳定，适应性较强。

经典阶式制冷循环，包含几个相对独立、相互串联的冷却阶段，由于制冷剂一般使用多级压缩机压缩，因而在每个冷却阶段中，制冷剂可在几个压力下蒸发，分成几个温度等级冷却天然气，各个压力下蒸发的制冷剂进入相应的压缩机级压缩。各冷却阶段仅制冷剂不同，操作过程基本相似。从发展来看，最初兴建LNG 装置时就用阶式制冷循环的着眼点是：能耗最低，技术成熟，无需改变即可移植用于LNG 生产。

随着发展要求而陆续兴建新的LNG 装置，这时经典的阶式制冷循环就暴露出它固有的缺点：

1）经典的阶式制冷循环由三个独立的丙烷、乙烯、甲烷制冷循环复迭而成。机组多（三台压缩机）、冷剂用量大、级间管路连接复杂，导致造价高昂；

2）为使实际级间操作温度尽可能与原料天然气的冷却曲线（Q-T 曲线）贴近，以减少熵增，提高效率。可是随着效率的提高，工艺流程也将变得十分复杂。

3）需要相当一部分资金购置和贮存制冷剂。