天然气带压液化流程及二氧化碳溶解度和凝华特性研究

带压液化天然气（PLNG）是液化后在较高压力下（1~2MPa）储存的天然气，对应的液化温度约-100~-120℃。较高的液化温度不仅降低了液化流程的能耗，而且大大增加了LNG中CO2的溶解度（CO2常压下在LNG中溶解度约为100ppm，而在PLNG条件下可增大到3~6%）。CO2溶解度的增加使得天然气液化流程有可能去掉占地很大的预处理装置，这为场地极为有限的海上平台实施天然气液化提供了可能性。本项目即针对PLNG流程中的重要科学问题开展研究。. 鉴于溶解度对PLNG技术的极端重要性和实验数据的严重缺乏，本研究对PLNG条件下CO2在LNG中的溶解度进行了实验测试和理论计算研究，获得了不同温度下，不同体系中CO2的溶解度。实验结果表明在T<140K时CO2的溶解度随着氮的加入而略微增加，随着温度的升高，CO2的溶解度随着氮的加入而减小；CH4+C2H6+CO2三元系统中，在整个温度区间，CO2的溶解度随着C2H6的加入而增大。理论计算结果表明状态方程法比溶液法精度更高。根据实验数据关联了二元交互作用系数，有效提高了计算精度。. 最初的PLNG技术主要是针对CO2含量较低的天然气提出的，其应用受到极大限制。本研究对目前仅有相关概念的PLNG流程进行优化研究，并首次提出结合CO2凝华分离的新型PLNG流程，使PLNG流程完全突破CO2含量的限制并实现天然气液化过程CO2零排放。此外，还对对新型流程进行了优化研究，结果表明，新型流程不仅能减小占地面积，还能大幅降低能耗。. 结合CO2凝华分离的新型PLNG流程显然十分依赖于CO2的凝华特性，为此本研究分别从理论和实验两方面开展了凝华特性的研究。分别在第一、二、三类边界条件下，建立了质量、能量、组分方程，采用四阶Runge-Kutta法求解，分析了壁温、热流密度和制冷剂入口温度等因素对凝华传热的影响。在此基础上，搭建了CO2凝华试验台，开展了第三类边界条件下的实验。实验结果表明，采用凝华的方法可以实现将CO2的浓度降到符合PLNG流程要求是完全可行的。