天然气液化流程中的热力特性分析与设计

天然气的热力特性是天然气液化流程设计、分析和运行的基础。在天然气液化流程过程中，天然气和混合制冷剂分别要经历压缩和节流膨胀、加热与冷却过程，体系的温度、压力、密度和相态都发生变化。精确知道和计算天然气和混合制冷剂的热力参数，是液化流程模拟、分析、设计、优化的基础和前提。

压力、温度、流量、各组分的摩尔分数，是计算一个节点其他热力参数的基本数据，知道了它们，就可以计算出单位流量的焓值和熵值，通过气液相平衡计算和特定的状态方程就可以得到气相和液相的主要参数。

LNG的主要成分是甲烷，它的体积分数为80%～85%。另外还含有乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷和2-甲基丁烷等烃类物质，以及氮气和水、二氧化碳、硫化氢等少量杂质。作为参考，表1-14和表1-15列出了广汇和海南海燃LNG的各组分。

表1-14 广汇LNG组分（体积分数）

表1-15 海南海燃LNG组分含量（摩尔分数）

甲烷，分子式CH₄。甲烷是最简单的烷烃，也是有机物中最简单的稳定化合物。植物在没有空气的条件下腐烂以及一些复杂分子经过断裂最终会生成甲烷。天然气的主要成分是甲烷，煤矿瓦斯气、沼气池中的沼气也含有大量甲烷。甲烷为无色无臭的可燃气体，也是优质民用燃料。乙烷，化学式为CH₃-CH₃，亦是无色、无臭的可燃气体。丙烷结构式为CH₃-CH₂-CH₃。常温常压下丙烷为无色无臭的易燃气体。丁烷有两种异构体，即正丁烷和异丁烷。正丁烷，结构式为CH₃-CH₂-CH₂-CH₃。异丁烷，又名2-甲基丙烷，结构式为（CH₃）₂CH-CH₃。常温常压下丁烷亦为无色可燃气体，有轻微的令人不愉快的气味。LNG组分的热力特性见表1-16。

表1-16 LNG组分的热力特性

（续）

氮是一种常见的元素，氮气是空气中最主要的成分，大气中氮气的体积分数为78.484%。氮气主要分布在地球表面的大气层中，在地层中也蕴藏有氮气。氮气在常温常压下是无色、无味、无臭气体，低温下冷凝为无色的液体，继续降温可凝固成固体。

自然界中稳定存在的氮同位素有两种，即¹⁴N和¹⁵N，相对比率分别为99.635%和0.365%。重同位素可以用来作为示踪剂。

在通常条件下，氮是化学惰性的。在常温、常压下，除金属锂等极少数元素外，氮几乎不与任何物质发生反应。只有在极高的温度下，双原子分子氮才会分解为单原子。在高温、高压或有催化剂存在的特定条件下，氮可以与许多物质发生反应。反应生成物中，氮主要表现为正五价或负三价。

氮气一般从空气中分离得到。从空气分离制氮可以采取低温精馏法、变压吸附法、膜分离法等方法。此外，氮也可以通过燃烧法、氨热分解法、叠氮化钠（NaN₃）热分解法等方法制取。氮的一般物理性质见表1-17。(www.xing528.com)

一氧化碳（CO）由碳或含碳化合物的不完全燃烧产生，是碳的低价氧化物。二氧化碳是碳的高价氧化物。一氧化碳是无色、无味、无臭、无刺激性、可燃烧的有毒气体。低温下，固态CO有两种同素异形体。在3.75kPa压力下，形体转变温度为61.55K，低于61.55K为立方体CO，高于61.55K时转变为六方体CO，转变热为0.632kJ/mol。工业上，一氧化碳主要由煤的汽化，天然气或石油烃的水蒸气转化来制备。作为工业气体时，其纯度不低于98%～99%。

表1-17 氮的一般物理性质

（续）

在自然界中，二氧化碳（CO₂）是最丰富的化学物质之一，是大气组成的一部分，也包含在某些天然气或油田伴生气中以及以碳酸盐形式存在的矿石中。大气中二氧化碳的体积分数为0.03%～0.04%，总量约2.75×10¹²t，主要由含碳物质燃烧和动物的新陈代谢过程产生。作为工业气体产品，二氧化碳主要是从合成氨、氢气生产过程中的原料气、发酵气、石灰窑气和烟道气中提取和回收，其纯度不应低于99.5%（体积）。二氧化碳比空气重，约为空气重量的1.53倍，是无色而略带刺鼻气味和微酸味的气体。

一氧化碳和二氧化碳的主要物理性质见表1-18。

表1-18 一氧化碳和二氧化碳的主要物理性质

（续）

硫化氢的分子式为H₂S。硫化氢是大气的污染物，产生于煤、石油、天然气的燃烧及加工过程。随着高硫原油的利用和煤液化技术的发展，由加氢脱硫技术产生的硫化氢将日趋增加。硫化氢在硫的自然循环中起重要作用。

硫化氢容易液化为无色液体，是具有恶臭气味（臭鸡蛋味）的无色有毒气体，其密度略大于空气，易燃烧，能与空气形成爆炸性混合物，在空气中燃烧时发出蓝色火焰。硫化氢的主要物理性质见表1-19。

表1-19 硫化氢的主要物理性质