【论文精选】状态方程法液化天然气相平衡计算

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作 者： 宿敬群，包培哲，李宇轩

第一作者单位：吉林市大地技术咨询有限公司

摘自《煤气与热力》2022年9月刊

参考文献示例

宿敬群，包培哲，李宇轩 .   状态方程法液化天然气相平衡计算 ［J］ .    煤气与热力， 2022，42（9） ：B21-B24.

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LNG储运设备

1    概述

在液化天然气的储运、气化设计计算中，存在此类问题：已知 LNG 的组成和温度，待求 LNG 储罐 上部空间 BOG 压力和组成；已知 BOG 的组成、作为冷却介质的 LNG 的温度和压力，待判断能否实现 BOG 再液化。应用化工热力学的非均相系统相平衡理论，进行相平衡计算，能够很好地解决这些问题。

常用的相平衡计算有 2 种工况。工况 1 ：已知液相组成和系统温度，求解系统压力和气相组成。工况 2 ：已知气相组成和系统压力，求解系统温度和液相组成。本文对这 2 种工况进行分析。文中压力均指绝对压力。

2    相平衡关系

3    工况 1 计算

①计算流程

图 1    求解系统压力和气相组成的相平衡计算流程

表 1    甲烷、乙烷、氮的饱和蒸气压    MPa

4    工况 2 计算

图 2    求解系统温度和液相组成的相平衡计算流程

5    状态方程法逸度系数计算

表 2    甲烷、乙烷、氮的基础参数

组分 i 与组分 j 的相互作用系数取值见表 3 ^{［ 5 ］} ，表中“—”表示计算方法见式（ 16 ），式（ 16 ）取自文献［ 5 ］。

表 3    相互作用系数取值

6    算例

① LNG 储罐内气相压力

在 LNG 储罐中， LNG 和 BOG 构成两相系统。已知系统温度为 125 K ，液相中甲烷、乙烷、氮的摩尔分数分别为 90.00% 、 7.00% 、 3.00% 。采用本文的方法进行相平衡计算，得到系统压力为 0.395 MPa ，气相中甲烷、乙烷、氮的摩尔分数分别为 64.581% 、 0.027% 、 35.392% 。

② LNG 储罐安全阀放散时放散天然气参数

在 LNG 储罐 安全阀选型计算中，安全阀整定压力依据储罐设计压力选取，选型计算还与放散天然气的组成、系统温度（即 LNG 和放散天然气的温度）有关。所涉及的相平衡问题为：在 LNG 储罐中， LNG 和放散天然气构成两相系统。已知系统压力（即安全阀整定压力）和液相组成，求解系统温度和气相组成。

已知安全阀整定压力为 0.66 MPa ，液相中甲烷、乙烷、氮的摩尔分数分别为 90.00% 、 7.00% 、 3.00% ，求解系统温度和气相组成。取系统温度区间左端点温度为 100 K ，右端点温度为 170 K ，采用求解系统压力和气相组成的方法，分别得到左、右端点的系统压力、气相组成。然后用二分法得到系统压力与安全阀整定压力相等时的系统温度，同时得到气相组成。得出系统温度为 135.773 K ，气相中甲烷、乙烷、氮的摩尔分数分别为 73.460% 、 0.062% 、 26.478% 。

7    结论

应用非均相系统相平衡理论，分析了液化天然气的相平衡关系。针对求解系统压力和气相组成的工况、求解系统温度和液相组成的工况，给出了计算流程和初值的确定方法。实例验证表明此方法可行。

参考文献：

［ 1 ］陈新志，蔡振云，钱超 .  化工热力学［ M ］ . 4 版 .  北京：化学工业出版社， 2016.

［ 2 ］陈国邦，黄永华，包锐 .   低温流体热物理性质［ M ］ .   北京：国防工业出版社，  2006.

［ 3 ］段常贵 .   燃气输配［ M ］ .  4 版 .  北京：中国建筑工业出版社， 2011.

［ 4 ］童景山 .  流体热物性学［ M ］ .  北京：中国石化出版社， 2008 ：  353.

［ 5 ］李佩铭 .   丙烷预冷混合制冷剂循环液化天然气热力过程的数值模拟（硕士学位论文）［ D ］ .  哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2007 ： 25.

（本文责任编辑：刘灵芝）

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