混合制冷剂循环对甲烷低温分离性能的影响

引言

低温分离工艺的核心在于建立高效的热量传递系统，而制冷方式的选择直接影响分离性能。传统阶式制冷虽可靠性高，但存在设备复杂、能耗偏大的局限性。混合制冷剂循环通过多元工质的协同作用，实现了制冷曲线与工艺冷却需求的动态匹配。这种技术革新不仅提升了冷量利用效率，更对分离过程的温度控制精度产生了深远影响。本文将系统分析该技术对甲烷分离各环节的作用机制，重点探讨其在能效提升和操作稳定性方面的综合表现，为工艺优化提供理论依据。

1 混合制冷剂循环基本原理

混合制冷剂循环是一种采用多元非共沸混合物作为制冷剂的高效液化工艺。该技术通过将氮气、甲烷、乙烷、丙烷等不同沸点的组分按特定比例混合，形成具有温度滑移特性的制冷工质。其核心原理在于利用混合制冷剂在相变过程中非等温蒸发的特性，使制冷剂在换热器中的蒸发曲线能够与天然气等工艺流体的冷却曲线实现高度吻合。系统运行过程中，混合制冷剂首先经单台压缩机压缩至高压状态，随后通过冷却介质进行预冷。预冷后的制冷剂经过节流阀膨胀降温，形成气液两相混合物。这些气液相组分分别进入主低温换热器的不同通道，在换热器中液相制冷剂蒸发吸热，气相制冷剂进一步冷却冷凝，共同为工艺流体提供多温位的冷量。最终，完全气化的低压制冷剂返回压缩机入口完成闭合循环。这种创新的制冷方式通过优化温度匹配，显著减小了传热过程的平均温差，大幅降低了换热过程的㶲损失，实现了冷量的梯级利用和能量效率的显著提升。

2 甲烷低温分离工艺概述

2.1 预处理与初步冷却

预处理与初步冷却是甲烷低温分离的首要和关键环节。原料气首先需经过严格的净化处理，采用分子筛吸附脱除水分防止后续低温结冰，利用胺液吸收法脱除二氧化碳和硫化氢等酸性气体以避免设备腐蚀，并通过专用吸附剂彻底去除汞组分以保护铝制换热器。经净化后的原料气进入预冷阶段，通常由丙烷制冷循环或工艺集成换热提供冷量，将气体温度逐步降至零下三十至五十摄氏度。在此温区范围内，原料气中的重组分如戊烷及更重烃类率先发生冷凝，通过气液分离装置将这些液态重烃有效脱除，显著降低后续深冷单元的处理负荷，为高效分离创造有利条件。

2.2 深冷与精馏分离

经预冷的气体进入工艺核心的深冷分离阶段。气体在主低温换热器中与混合制冷剂进行换热，被进一步冷却至零下九十摄氏度以下的深低温环境。在此过程中，乙烷、丙烷、丁烷等轻烃组分按沸点高低依次冷凝为液体，而甲烷因其沸点极低仍与氮气、氢气等不凝气保持气相。随后这股气液混合物被引入脱甲烷塔进行精密分馏，塔内通过塔顶冷凝器提供低温回流，塔底再沸器提供上升蒸汽，利用各组分相对挥发度的差异，最终在塔顶获得高纯度甲烷产品，在塔底回收液化石油气等轻烃产品。

2.3 产品处理与冷量供应

产品处理与冷量供应是完成甲烷分离的最后关键环节。脱甲烷塔顶产出的甲烷气体通常含有氮气等残余不凝气，可根据需求选择直接复热后作为管道气外输，或进入液化单元深度冷却制成液化天然气。塔底获得的液态轻烃混合物被输送至脱乙烷塔和脱丙烷塔等后续精馏设备，通过进一步分离得到纯净的乙烷、丙烷等单一组分产品。整个分离过程的顺利实施完全依赖高效稳定的冷量供给系统，混合制冷剂循环提供的多温位冷源必须与工艺冷却需求精确匹配。制冷系统的性能直接关系到装置能耗水平和产品回收率，因此可靠高效的制冷系统是保障整套工艺稳定运行的核心基础。

3MRC 对分离性能的影响机制

3.1 温度匹配优化

混合制冷剂循环提升甲烷分离性能的核心机制在于其卓越的温度匹配能力。传统纯制冷剂在蒸发时温度恒定，其冷却曲线为水平线，而天然气的冷却冷凝过程是一条从高温到低温的平滑曲线，两者间存在显著温差，导致换热过程存在大量㶲损失。混合制冷剂循环采用氮气、甲烷、乙烷、丙烷等组成的非共沸混合物，利用其相变时产生的温度滑移特性，通过精确调控各组分比例，可使其蒸发曲线与天然气冷却曲线实现高度吻合。这种优化的温度匹配使换热器内冷热流股间的传热温差大幅减小且分布均匀，极大降低了换热过程的不可逆性。这不仅显著提高了能量利用效率，在相同换热量下可减少换热面积，降低设备投资，更重要的是为脱甲烷塔提供了稳定精确的冷源，确保塔顶冷凝温度稳定，从而有效提升甲烷产品纯度并降低重烃产品中的甲烷残留量，使分离过程更加精确高效。

3.2 能耗效率提升

混合制冷剂循环通过多重路径实现显著的能耗效率提升。其节能优势首先来源于温度匹配优化带来的㶲损降低，使能量更有效地用于分离过程。系统仅需一到两套压缩机组即可覆盖全温区制冷需求，相比阶式循环的多套压缩系统，大幅简化了设备结构，降低了驱动功耗和投资成本。优化的换热效率使制冷剂循环量减少，进一步降低了压缩机负荷。实际运行数据表明，优化后的MRC 系统能耗可比传统阶式循环降低 10% 至 20% 。此外，系统具备良好的工况适应性，当原料气组成变化时，可通过调整制冷剂配比重新匹配工艺曲线，这种灵活的调优能力确保了装置在不同工况下都能保持高效运行，从全生命周期看具有显著的节能效益。

3.3 操作稳定性影响

混合制冷剂循环对操作稳定性的影响具有双重性。系统简化减少了设备数量，降低了单点故障概率。然而其性能高度依赖制冷剂组分的稳定性，运行中可能因泄漏或分离不彻底导致组分失衡，进而引发效率下降或设备堵塞。系统启动过程缓慢，动态响应迟滞，对负荷波动的适应能力较差。换热器内多组分两相流分布均匀性难以保证，可能影响换热效率并产生热应力。这些因素都增加了系统控制的复杂性，必须配备精密在线监测系统和专业运维团队才能确保稳定运行。同时，制冷剂组分的微小变化就会影响整个系统的热平衡，需要建立完善的制冷剂管理规程和应急调整方案，这对操作人员的专业技能提出了更高要求。

结束语

混合制冷剂循环通过温度匹配优化和能耗控制显著提升了甲烷低温分离效率，但其运行稳定性仍面临制冷剂组分控制的挑战。该技术为实现低碳能源目标提供了重要工艺支撑，未来需通过智能调控和配方优化进一步发挥其节能潜力，推动天然气清洁利用技术向高效化、智能化方向发展。

参考文献

[1]吴世清.一种混合制冷剂及制备方法和应用[J].化工生产与技术,2024,30(03):47.

[2]孙彦泽. 合成气深冷分离部分冷凝与甲烷洗工艺的模拟与对比分析[J].化学工程,2024,52(09):90-94.

[3]吴世清. 一种环保节能型混合制冷剂及其制备方法和应用[J].化工生产与技术,2023,29(05):47.

[4]赵旭升. 深冷分离装置进口甲烷含量高的后果及处理措施[J].山西化工,2022,42(03):97-98.

[5]曹红忠. 甲烷液化深冷分离生产工艺的比较分析[J].中国石油和化工标准与质量,2020,40(16):255-256.