为满足我国环境保护和天然气市场的需求,边远气田、油田伴生气、煤层气等曾经被搁浅的天然气急需被开发。小型天然气液化工艺作为该类天然气回收的方式之一,有必要开展深入的研究。基于此,本文以旅大油田伴生气为研究对象,数值模拟利用小型天然气液化工艺回收旅大油田伴生气。主要采用理论研究和数值模拟相结合的方法,围绕小型天然气液化工艺模拟及优化,开展了天然气和混合制冷剂的热物性计算、液化流程的模拟、改进流程模拟优化以及液化工艺分析等研究,为旅大油田伴生气的液化回收提供理论和技术支撑。主要研究内容及其成果如下:(1)根据天然气和制冷剂的热物性特点,确定了热力计算的基本方程。比较分析了状态方程法和活度系数法的优缺点,选择状态方程法求解气液相平衡。对比分析了PR、SRK、LKP等状态方程,确定选用PR方程为整个液化流程的相平衡计算方程。(2)根据旅大油田伴生气的组成情况,综合比较各脱碳、脱水工艺的优缺点,选择合适的预处理方案并利用Aspen HYSYS软件建模。模拟结果表明:①选用醇胺法脱碳,其吸收剂为MDEA(40%)+PZ(3%)混合溶剂,选用分子筛脱水,可达到预处理目的;②得到的净化气满足天然气液化标准。(3)经比较,初选出适用于油田伴生气液化的单循环混合制冷剂液化工艺和氮气膨胀机制冷液化工艺。对两种液化流程的主要设备,即压缩机、膨胀机、多股流换热器、节流阀和分离器,建立了相应的热力学模型。在此基础上,利用HYSYS软件对两种液化工艺流程进行模拟,得到各节点参数。根据模拟结果,对两种液化流程进行分析比较,选取了氮气膨胀机制冷液化工艺做进一步研究。(4)对氮气膨胀机制冷液化流程进行了影响因素分析和优化,研究结果表明:①随着膨胀端高压压力的提升,流程的液化率和比功耗不断上升;②随着膨胀端低压压力的上升,流程的液化率和比功耗逐渐下降;③随着膨胀机入口处氮气温度的上升,液化率总体呈下降的趋势,比功耗先是逐渐下降,后又有所上升。④结合液化率、比功耗以及流程复杂程度等因素综合考虑,最终决定选择氮气+甲烷膨胀机制冷工艺作为改进措施,该液化流程优化运行状态的混合冷剂配比为氮气56%,甲烷44%;液化率为92.1%,比功耗为 15.11 kW·h/kmol。(5)对氮气+甲烷膨胀机制冷液化工艺进行了 LNG换热器性能分析、烟能分析、适应性分析、设备选型和经济性评价。研究结果表明:该流程性能较好,经济性较好,税后内部收益率为13.6%,净现值405.2万元,均大于行业标准,说明项目盈利能力较好;项目借款偿还期为3.13年,项目的盈亏平衡点为45.8%。通过综合分析可知,N2-CH4膨胀机制冷液化工艺适用于旅大油田伴生气的回收。