天然气液化工艺中混合制冷剂的应用与优化

一、混合制冷工艺的核心机理

混合制冷剂液化流程（MRC）通过精准配比氮气、甲烷、乙烷、丙烷等碳氢化合物，利用组分间沸点差异实现-170℃至-35℃的宽温区制冷。其技术优势在于：

1. 分级制冷机制：逐级冷凝/蒸发过程中，不同组分在各温区释放针对性冷量

   ◦ 高温段（-35℃～-50℃）：丙烷主导制冷（沸点-42.1℃，吸热范围广）

   ◦ 中温段（-50℃～-120℃）：乙烷提供基础冷量，维持换热温差均匀性

   ◦ 低温段（-120℃～-162℃）：甲烷协同氮气形成主力冷源（甲烷沸点-161.5℃）

2. 组分协同效应：

   ◦ 添加异戊烷可增加压缩机分离口液化量，降低功耗5%-8%

   ◦ 氮气（沸点-196℃）填补深度制冷需求，但需甲烷配合防冷量断层

二、冷箱系统的工程化实现

1. 核心设备特性

板翅式换热器因结构紧凑（翅片厚度≤0.5mm）、导热效率提升40%以上，成为主流冷箱选择。其工作流程：

graph LR

A[制冷剂增压] --> B[预冷处理]
B --> C[冷箱内分级换热]
C --> D[气液分离]
D --> E[再压缩循环]

2. 热力学控制要点

• 天然气需预脱重烃后进入冷箱

• 维持-162℃临界储存温度（高于此温度产生闪蒸汽）

• 冷热流温差需控制在±3℃以内，避免曲线交叉

三、制冷剂配比的影响机制

组分 含量变化趋势 系统影响 液化率变化
氮气 ↓10% 低温段冷量缺口↑，过冷温度↓ ≤±0.2%
甲烷 ↓5% 压缩机功耗↓8%，冷量传导效率↓ 基本稳定
乙烷 ↑8% 中温区冷量↑，液化温度↑0.5℃ 波动≤0.3%
丙烷 ↓15% 预冷温度↓3℃，循环量↑12% 无显著变化

四、C3-MR流程的工业实践

双循环制冷中丙烷预冷+MRC流程（C3-MR）因操作简易、热效率＞68%被广泛应用，其制冷剂配比原则：

1. 组分精简原则：

   ◦ 基础组分：N₂+CH₄+C₂H₆+C₃H₈（异戊烷选择性添加）

   ◦ 组分＞5种将导致配比系统复杂化

2. 环保能效平衡：

   ◦ 甲烷比例需接近天然气组分（提升换热匹配度）

   ◦ 乙烷浓度需保障＞18%以降低不可逆损失

五、配比优化的工程价值

实验表明，通过动态调节制冷剂配比：

1. 压缩机总功耗可降低15%-22%
2. 液化流程循环量减少10%-15%
3. 冷箱各段温差均匀性提升30%以上