工業(yè)上，常使用機械制冷使天然氣獲得液化所必須的低溫。典型的液化制冷工藝大致可以分為三種：階式(Cascade)制冷、混合冷劑制冷、帶預(yù)冷的混合冷劑制冷。

一、階式制冷液化工藝

階式制冷液化工藝也稱級聯(lián)式液化工藝。這是利用常壓沸點不同的冷劑逐級降低制冷溫度實現(xiàn)天然氣液化的。階式制冷常用的冷劑是丙烷、乙烯和甲烷。圖3-5^[1]表示了階式制冷工藝原理。第一級丙烷制冷循環(huán)為天然氣、乙烯和甲烷提供冷量；第二級乙烯制冷循環(huán)為天然氣和甲烷提供冷量；第三級甲烷制冷循環(huán)為天然氣提供冷量。制冷劑丙烷經(jīng)壓縮機增壓，在冷凝器內(nèi)經(jīng)水冷變成飽和液體，節(jié)流后部分冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)(溫度約-40℃)，把冷量傳給經(jīng)脫酸、脫水后的天然氣，部分冷劑在乙烯冷凝器內(nèi)蒸發(fā)，使增壓后的乙烯過熱蒸氣冷凝為液體或過冷液體，兩股丙烷釋放冷量后匯合進(jìn)丙烷壓縮機，完成丙烷的一次制冷循環(huán)。冷劑乙烯以與丙烷相同的方式工作，壓縮機出口的乙烯過熱蒸氣由丙烷蒸發(fā)獲取冷量而變?yōu)轱柡突蜻^冷液體，節(jié)流膨脹后在乙烯蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)(溫度約-100℃)，使天然氣進(jìn)一步降溫。最后一級的冷劑甲烷也以相同方式工作，使天然氣溫度降至接近-160℃；經(jīng)節(jié)流進(jìn)一步降溫后進(jìn)入分離器，分離出凝液和殘余氣。在如此低的溫度下，凝液的主要成分為甲烷，成為液化天然氣(LNG)。

階式制冷是20世紀(jì)六七十年代用于生產(chǎn)液化天然氣的主要工藝方法。若僅用丙烷和乙烯(乙烷)為冷劑構(gòu)成階式制冷系統(tǒng)，天然氣溫度可低達(dá)近-100℃，也足以使大量乙烷及重于乙烷的組分凝析成為天然氣凝液。

階式制冷循環(huán)的特點是蒸發(fā)溫度較高的冷劑除將冷量傳給工藝氣外，還使冷量傳給蒸發(fā)溫度較低的冷劑，使其液化并過冷。分級制冷可減小壓縮功耗和冷凝器負(fù)荷，在不同的溫度等級下為天然氣提供冷量，因而階式制冷的能耗低、氣體液化率高(可達(dá)90%)，但所需設(shè)備多、投資多、制冷劑用量多、流程復(fù)雜。

圖3-6^[3]為階式制冷液化流程。為了提高冷劑與天然氣的換熱效率，將每種冷劑分成2～3個壓力等級，即有2～3個冷劑蒸發(fā)溫度，這樣3種冷劑共有8～9個遞降的蒸發(fā)溫度，冷劑蒸發(fā)曲線的溫度臺階數(shù)多，和天然氣溫降曲線較接近，即傳熱溫差小，提高了冷劑與天然氣的換熱效率，也即提高了制冷系統(tǒng)的效率，見圖3～7^[6]。和圖3-8^[6]。上述的階式制冷工藝，制冷劑和天然氣各自構(gòu)成獨立系統(tǒng)，冷劑甲烷和天然氣只有熱量和冷量的交換，實際上是閉式甲烷制冷循環(huán)。近代已將甲烷循環(huán)系統(tǒng)改成開式，即原料氣與甲烷冷劑混合構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)，在低溫、低壓分離器內(nèi)生成LNG。這種以直接換熱方式取代常規(guī)換熱器的間壁式換熱，提高了換熱效率。

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