一、LNG的儲(chǔ)存特性[3]
(一) 液體分層
LNG是多組分混合物，因溫度和組分的變化，液體密度的差異使儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG可能發(fā)生分層。一般罐內(nèi)液體垂直方向上溫差大于0.2℃、密度大于0.5kg/m3時(shí)，即認(rèn)為罐內(nèi)液體發(fā)生了分層。
研究表明[5]，如果液體儲(chǔ)罐內(nèi)的瑞利數(shù)如大于2000，則罐內(nèi)液體的自然對(duì)流會(huì)使分層現(xiàn)象不可能發(fā)生。瑞利數(shù)Ra的定義為：
式中 ρ——密度；
cP——比定壓熱容；
β——體積熱膨脹系數(shù)；
υ——運(yùn)動(dòng)黏度；
λ——熱導(dǎo)率；
α——熱擴(kuò)散率；
g——重力加速度；
T——溫度；
h——液體深度。
通常，一個(gè)裝滿LNG的儲(chǔ)槽內(nèi)的Ra數(shù)的數(shù)量級(jí)在1015，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可能導(dǎo)致分層的Ra數(shù)。這樣，LNG中較強(qiáng)的自然循環(huán)很容易發(fā)生，這種循環(huán)使液體溫度保持均勻。
實(shí)際運(yùn)行中，產(chǎn)生液體分層的原因有兩種：一種是進(jìn)入儲(chǔ)罐的LNG與罐內(nèi)原有LNG的密度不同，另一種原因是LNG內(nèi)氮含量太高。
已經(jīng)裝有液化天然氣的儲(chǔ)罐再次充裝密度不同的LNG時(shí)，可能出現(xiàn)兩種液體不混合而導(dǎo)致液體分層。如由罐的底部充裝密度較罐內(nèi)液體大的LNG，或由罐的頂部充裝密度較罐內(nèi)液體小的LNG，都可能形成罐上部液層較輕、罐下部液層較重的兩層液體。觀察表明：儲(chǔ)罐接受環(huán)境熱量后，罐內(nèi)分層液體出現(xiàn)各自的自然對(duì)流循環(huán)(如圖4-6所示)，上下兩層內(nèi)液體的密度和溫度較為均勻，但分層液體的溫度和密度不同，在層間交界面處有能量和物質(zhì)的交換。
氮含量較高的LNG，即使初始狀態(tài)下罐內(nèi)液體混合良好，由于罐體受熱、貼壁液體邊層溫度升高，密度降低，沿罐壁向上流動(dòng)到達(dá)氣液自由表面時(shí)，發(fā)生蒸發(fā)。氮的常壓沸點(diǎn)為-195.8℃。遠(yuǎn)低于甲烷的沸點(diǎn)-161.5℃，而在儲(chǔ)存條件下氮的密度約為613kg/m3，是甲烷密/蔓(425kg/m3)的1.44倍。邊層液體升至自由液面蒸發(fā)時(shí)，氮的揮發(fā)性強(qiáng)，其蒸發(fā)量遠(yuǎn)高于甲烷，蒸發(fā)后液體內(nèi)N2濃度減小、C1+的濃度增高、液體密度減小，停留在自由液面上。隨著時(shí)間的延續(xù)，在液面上積聚一層密度較小的液層，使罐內(nèi)液體分層。
若氮含量很低，如小于1%，則貼壁液體受熱上升至液面蒸發(fā)，除氮外，蒸發(fā)物內(nèi)主要為甲烷，殘留液相內(nèi)C2+含量增加，液體密度增大，在重力作用下向下運(yùn)動(dòng)，形成如圖4-7所示的自然對(duì)流，不發(fā)生液體分層。
在半充滿的LNG儲(chǔ)罐內(nèi)，充入密度不同的LNG時(shí)會(huì)形成分層。造成原有LNG和新充入的LNG密度不同的原因有：LNG產(chǎn)地不同使其組分不同；原有LNG與新充入的LNG溫度不同；原有LNG由于老化使其組分發(fā)生變化。雖然老化過程本身導(dǎo)致分層的可能性不大(只有在氮的體積分?jǐn)?shù)大于1%時(shí)才有必要考慮這種可能)，但原有LNG發(fā)生的變化，使得儲(chǔ)槽內(nèi)液體在新充入LNG時(shí)形成了分層。
(二) 老化
LNG是一種多組分混合物，在儲(chǔ)存過程中，各組分的蒸發(fā)量不同，導(dǎo)致LNG的組分和密度發(fā)生變化，這一過程稱為老化(weathering)。
老化過程是導(dǎo)致LNG成分和密度改變的過程，受液體中初始氮含量的影響很大。由于氮是LNG中揮發(fā)性最強(qiáng)的組分，它比甲烷和其他重碳?xì)浠衔锔日舭l(fā)。如果初始氮含量較大，老化LNG的密度將隨時(shí)間減小。在大多數(shù)情況下，氮含量較小，老化LNG的密度會(huì)因甲烷的蒸發(fā)而增大。因此，在儲(chǔ)槽充注前，了解儲(chǔ)槽內(nèi)和將要充注的兩種LNG的組成是非常重要的。因?yàn)閷娱g液體密度差是產(chǎn)生分層和翻滾現(xiàn)象的關(guān)鍵，所以應(yīng)該清楚了解液體成分和溫度對(duì)LNG密度的影響。
與大氣壓力平衡的LNG混合物的液體溫度是組分的函數(shù)。如果LNG混合物包含重碳?xì)浠衔?乙烷、丙烷等)，隨著重組分的增加，LNG的高發(fā)熱值、密度、飽和溫度等都將增大。如果液體在高于大氣壓力下儲(chǔ)存，則其溫度隨壓力變化，大約是壓力每增加6.895kPa，溫度上升1K。溫度每升高1K對(duì)應(yīng)液體體積膨脹0.36%。
(三) 翻滾
LNG是低溫液體，在儲(chǔ)存過程中，不可避免地從環(huán)境吸收熱量。若儲(chǔ)罐內(nèi)的液化天然氣已經(jīng)分層，被上層液體吸收的熱量一部分消耗于液面液體蒸發(fā)所需的相變焓，其余熱量使上層液體溫度升高。隨著時(shí)間的延續(xù)，上層液體的溫度逐步升高，隨蒸發(fā)的持續(xù)，上層液體的密度愈來愈大，見圖4-8。下層吸收的熱量通過與上層的分界面?zhèn)鹘o上層液體，這時(shí)可能有兩種情況：①圖(a)中，兩液層間的溫度差比較小，通過界面?zhèn)鬟f的熱量小于下層液體從環(huán)境獲得的熱量，下層液體溫度上升、密度減小。隨儲(chǔ)存時(shí)間的延續(xù)，上層液體的密度逐漸增大、下層液體的密度逐漸減小，當(dāng)上下兩層液體密度接近相等時(shí)，分層界面消失，液層快速混合并伴隨有液體的大量蒸發(fā)，此時(shí)的蒸發(fā)率遠(yuǎn)高于正常蒸發(fā)率(圖4-9)，這種現(xiàn)象稱為翻滾(roll-over)。②圖(b)中，兩液層間的溫差較大，通過界面?zhèn)鬟f的熱量大于下層液體從環(huán)境獲得的熱量，下層液體溫度下降、密度增加。在情況②中，上下兩層液體的密度同時(shí)增大，顯然，兩層液體密度接近相等，發(fā)生翻滾的儲(chǔ)存時(shí)間要長(zhǎng)于隋況①。
