Nghiên cứu sản xuất mêtan lỏng

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 2 105 
NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT MÊTAN LỎNG 
RESEARCH ON THE PRODUCTION OF LIQUID METHANE 
Trần Thanh Sơn1, Phan Quí Trà2 
1Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; ttson@hde.vn 
2Trường Cao đẳng Công nghệ – Đại học Đà Nẵng; pqtra@dct.udn.vn, phanquitra@gmail.com 
Tóm tắt - Bài báo trình bày việc ứng dụng kỹ thuật cryo để hoá 
lỏng khí mêtan từ khí thiên nhiên, phục vụ mục đích tồn trữ và vận 
chuyển mêtan. Trong bài báo này, tác giả chọn phương pháp hoá 
lỏng khí mêtan từ khí thiên nhiên bằng việc sử dụng chu trình lạnh 
cascade. Hệ số COP của chu trình hóa lỏng mêtan từ khí thiên 
nhiên kiểu Pictet sử dụng chu trình cascade với cặp môi chất 
amoniac NH3 và etylen C2H4 cao hơn so với các chu trình hóa lỏng 
khí khác như: kiểu Linde đơn giản, kiểu Linde sử dụng môi chất 
lạnh trung gian, kiểu Claude. Bài báo trình bày các phương pháp 
hóa lỏng khí trong kỹ thuật lạnh cryo (phương pháp Pictet, phương 
pháp Linde, phương pháp Claude), góp phần vận dụng kiến thức 
kỹ thuật lạnh cryo trong công nghệ hóa lỏng khí thiên nhiên. Đồng 
thời, tác giả đã phân tích đánh giá ưu nhược điểm của hệ thống 
lạnh cascade trong kỹ thuật cryo dùng để hoá lỏng khí mêtan. 
Abstract - This article presents the application of cryogenic technique 
to liquefy methane from natural gases for storage and transportation of 
methane. In this paper, the author selects a method to liquefy methane 
from natural gases by using the cascade refrigerating cycle. The COP 
of the cycle to liquefy methane from natural gases following Pictet's 
cycle using a cascade cycle with a pair of medium ammonia NH3 and 
ethylene C2H4 is higher than that of other liquefied gas cycles such as 
Linde's simple type, Linde’s using the intermediate refrigerant type or 
Claude type. This article presents methods of gas liquefaction in 
cryogenic technique (Pictet method, Linde method, Claude method), 
contributes to the application of cryogenic refrigeration technology in 
natural gas liquefaction technology. At the same time, the author 
analyzes the advantages and disadvantages of cascade refrigeration 
systems in cryogenic technique used to liquefy methane gas. 
Từ khóa - mêtan; hoá lỏng mêtan; kỹ thuật cryo; chu trình cascade; 
khí thiên nhiên 
Key words - methane; liquefy methane; cryogenic technique; 
cascade cycle; natural gases 
1. Đặt vấn đề 
Khí thiên nhiên là nguồn nhiên liệu sạch và kinh tế, nó đã 
thực sự trở thành loại nhiên liệu thay thế hiện nay. Về bản 
chất, khí thiên nhiên không phải là sản phẩm của dầu mỏ, cũng 
không phải là hỗn hợp các nhiên liệu hoá thạch truyền thống, 
khí thiên nhiên có những tính chất riêng biệt của nó. Khí thiên 
nhiên hiện đang được các nhà chức trách, các hãng chế tạo ô 
tô, các nhà sản xuất và phân phối khí và dầu mỏ ủng hộ đưa 
vào sử dụng trong công nghiệp. Với tư cách là nhiên liệu thay 
thế, không có nguồn gốc từ dầu mỏ, khí thiên nhiên được sử 
dụng để chạy các động cơ nhiệt truyền thống, ít phát thải chất 
độc, do đó góp phần làm giảm hiệu ứng nhà kính. 
Ở thị trường Việt Nam, đã bắt đầu xuất hiện sản phẩm 
CNG (Compressed Natural Gas) là khí thiên nhiên nén, lấy 
từ các mỏ khí thiên nhiên, được xử lý và nén ở áp suất cao 
(200 bar đến 250 bar) để tồn trữ và vận chuyển, phục vụ 
nhu cầu sử dụng làm nhiên liệu cho các hộ công nghiệp. 
Khi sử dụng khí nén CNG đòi hỏi thiết bị tồn trữ phải luôn 
được quan tâm hàng đầu về vấn đề an toàn. 
Khí thiên nhiên chiếm thể tích lớn hơn 600 lần so với 
dạng lỏng của nó. Do vậy, việc hóa lỏng khí thiên nhiên để 
vận chuyển và tồn trữ là vấn đề cấp bách cần được nghiên 
cứu kỹ công nghệ để ứng dụng tại thị trường Việt Nam 
trong giai đoạn hiện nay, nhằm khai thác hiệu quả nguồn 
nhiên liệu sạch và kinh tế này. 
Thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là mêtan (CH4). 
Mêtan sôi ở nhiệt độ -161°C ở áp suất khí quyển, nó có thể 
được hóa lỏng tách ra từ khí thiên nhiên nhờ kỹ thuật lạnh 
cryo (kỹ thuật lạnh sâu). Trong công nghiệp, kỹ thuật lạnh 
cryo được ứng dụng rộng rãi với nhiều quá trình công nghệ 
khác nhau, đã có nhiều công trình của các nhà khoa học 
trên thế giới nghiên cứu về lĩnh vực hóa lỏng khí [1, 2, 3, 
9]. Trong phạm vi bài báo này, tác giả nghiên cứu chu trình 
cascade để hóa lỏng mêtan từ khí thiên nhiên. 
2. Khai thác và tồn trữ khí thiên nhiên 
Khí thiên nhiên là hỗn hợp chất khí cháy được bao gồm 
phần lớn là các hydrocacbon. Khí thiên nhiên có thể chứa 
đến 85% mêtan (CH4) và khoảng 10% êtan (C2H6), và cũng 
có chứa số lượng nhỏ propan (C3H8), butan (C4H10), pentan 
(C5H12) và các ankan khác. 
Do khí thiên nhiên ở dạng khí khó vận chuyển bằng các 
phương tiện thông thường, trong lịch sử khí thiên nhiên đã 
được sử dụng ở các khu vực gần mỏ khí. Khi ngành công 
nghiệp dầu khí phát triển vào thế kỷ 19, 20, khí thiên nhiên 
được phát hiện cùng dầu mỏ (khí đồng hành) từ các mỏ ngầm, 
thường được xử lý như chất phụ phẩm phế thải và thường 
được đốt bỏ ngay trên giàn khoan. Ngày nay, khí thiên nhiên 
được vận chuyển thông qua các mạng lưới đường ống dẫn khí 
rộng lớn hoặc được hóa lỏng và chở bằng tàu bồn. 
Khí thiên nhiên được sử dụng làm nhiên liệu và nguyên 
liệu đầu vào cho ngành chế biến hóa chất. Là một nhiên 
liệu gia dụng, nó được đốt trong các bếp gas, lò gas để nấu 
nướng, sấy khô. Là một nhiên liệu công nghiệp, khí thiên 
nhiên được đốt trong các lò gạch, gốm và lò cao sản xuất 
xi măng. Khí thiên nhiên còn được sử dụng để đốt các lò 
đốt các tua bin nhiệt điện để phát điện, cũng như các lò nấu 
thủy tinh, lò luyện kim loại và chế biến thực phẩm. 
Để định vị được các mỏ khí, các nhà địa chất học thăm 
dò những khu vực có chứa những thành phần cần thiết cho 
việc tạo ra khí thiên nhiên: đá nguồn giàu hữu cơ, các điều 
kiện chôn vùi đủ cao để tạo ra khí tự nhiên từ các chất hữu 
cơ. Khi các kiến tạo địa chất có thể chứa khí tự nhiên được 
xác định, người ta  ... lượng đáng kể khí 
thiên nhiên, áp lực bên trong lớp đá xốp có thể ép khí thiên 
nhiên lên bề mặt. Nhìn chung, áp lực khí thường giảm sút 
dần sau một thời gian khai thác và người ta phải dùng bơm 
hút khí lên bề mặt. 
106 Trần Thanh Sơn, Phan Quí Trà 
Theo PetroVietNam Gas Company, tiềm năng nguồn khí 
Việt Nam tập trung ở 5 vùng trũng chính: trũng Sông Hồng, 
trũng Cửu Long, trũng Nam Côn Sơn, trũng Mã Lai - Thổ 
Chu và trũng miền Trung, có khả năng cung cấp khí trong 
vài thập kỷ tới. Các vùng trũng này đến nay vẫn đang trong 
giai đoạn nghiên cứu và đánh giá một cách chi tiết. 
Hiện nay, chỉ có 2 trũng có trữ lượng thương mại là 
trũng Cửu Long và trũng Nam Côn Sơn, thuộc thềm lục địa 
phía nam. Trong đó, mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng thuộc vùng 
trũng Cửu Long đã và đang cho sản lượng khai thác khí 
đồng hành quan trọng nhất. 
Bảng 1. Tiềm năng khí thiên nhiên ở Việt Nam 
Mỏ khí 
Trữ lượng thực tế 
(tỷ m3) 
Trữ lượng tiềm 
năng (tỷ m3) 
Sông Hồng 5,6 – 11,2 28 – 56 
Cửu Long 42 – 70 84 – 140 
Nam Côn Sơn 140 – 196 532 – 700 
Mã Lai – Thổ Chu 14 – 42 84 – 140 
Các mỏ nhỏ khác - 532 – 700 
Tổng cộng 201,6 – 319,2 1.260 – 1.736 
Thành phần các khí hydrocacbon trong các mỏ khí hiện 
đang khai thác tại Việt Nam cho thấy mêtan chiếm tỷ trọng 
chủ yếu: 
Bảng 2. Thành phần khí thiên nhiên khai thác từ một vài mỏ ở 
Việt Nam (% theo thể tích) 
Thành phần khí Mỏ Bạch Hổ Mỏ Rồng Mỏ Đại Hùng 
CH4 71,50 76,54 77,25 
C2H6 12,52 6,98 9,49 
C3H8 8,61 8,25 3,83 
C4H10 4,83 1,72 2,60 
C5H12 và cao hơn 1,84 1,49 2,33 
CO2 0,40 3,02 2,50 
H2S 0,30 2,00 2,00 
Thực tế cho thấy rằng, với trữ lượng dầu và khí thiên 
nhiên lớn, có thể tổ chức sản xuất ở quy mô lớn có lợi 
nhuận cao các sản phẩm êtan, khí hóa lỏng (LPG, LNG), 
các hydrocacbon khác và nhiên liệu cho động cơ [9]. 
3. Các phương pháp hóa lỏng khí 
Ba phương pháp chính được sử dụng trong kỹ thuật hóa 
lỏng khí là phương pháp Pictet, phương pháp Linde và 
phương pháp Claude. 
3.1. Phương pháp Pictet 
Phương pháp này còn có tên gọi là phương pháp hóa 
lỏng nhiều tầng, là phương pháp truyền thống nhất, mang 
tên nhà vật lý Thụy Sĩ Pictet R., phát minh từ năm 1877. 
Hệ thống ghép tầng là hệ thống hóa lỏng đầu tiên sử dụng 
cho không khí [3, 4, 5, 6]. 
Hệ thống ghép tầng hóa lỏng không khí kiểu Pictet 
được trình bày ở Hình 1. Hơi môi chất lạnh được nén, quá 
lạnh và giãn nở qua van tiết lưu. Các môi chất lạnh lần lượt 
được hóa lỏng và bay hơi một cách liên tục trong mỗi tầng. 
Trong chu trình I, môi chất lạnh được ngưng tụ trong 
thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước (NT1). Trong các chu 
trình II và III, môi chất lạnh được ngưng tụ trong các bình 
ngưng (NT2) và (NT3) do môi chất lạnh của tầng trên bay 
hơi làm mát. Các thiết bị ngưng tụ (NT2) và (NT3) vừa 
đóng vai trò là thiết bị ngưng tụ đối với tầng dưới vừa là 
thiết bị bay hơi của chu trình tầng trên. Ở chu trình tầng 
cuối cùng (ở đây là tầng IV), môi chất lạnh phải là khí cần 
hóa lỏng. Như vậy, khí này được làm lạnh sơ bộ trong thiết 
bị bay hơi (NT4) của tầng III và đi qua van tiết lưu (TL4) 
để giãn nở đến trạng thái của hỗn hợp hai pha rồi vào thiết 
bị phân ly. Phần lỏng của hỗn hợp được tách ra khỏi chu 
trình, còn phần chưa hóa lỏng được hòa trộn với khí mới 
để đưa vào máy nén 4 lặp lại chu trình. Khối lượng khí mới 
bổ sung bằng khối lượng khí đã hóa lỏng do quá trình hóa 
lỏng được thực hiện liên tục. 
Ở phương pháp hóa lỏng Pictet, số lượng tầng phụ 
thuộc vào tính chất của khí hóa lỏng và của các môi chất 
lạnh sử dụng. Chẳng hạn, để hóa lỏng không khí theo 
phương pháp này, người ta sử dụng thiết bị hóa lỏng 4 tầng 
như kiểu sơ đồ trình bày ở trên; môi chất lạnh sử dụng ở 
các tầng trên thường là amoniac, êtylen, mêtan và tầng cuối 
cùng là không khí. 
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống hóa lỏng kiểu Pictet 
3.2. Phương pháp Linde 
Phương pháp Linde là phương pháp thứ 2 được sử dụng 
để hóa lỏng khí. Phương pháp Linde là phương pháp hóa 
lỏng có làm lạnh khí trước khi tiết lưu đoạn nhiệt, do Linde 
- người Đức đề xuất và thực hiện lần đầu tiên vào năm 
1895. Khí được làm lạnh nhờ trao đổi nhiệt với khí lạnh từ 
thiết bị phân ly về máy nén tại thiết bị hồi nhiệt, hoặc trao 
đổi nhiệt với môi chất lạnh trung gian tại thiết bị trao đổi 
nhiệt trung gian, và khí lạnh từ thiết bị phân ly về máy nén 
tại thiết bị hồi nhiệt [3, 4, 5, 6]. 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 2 107 
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống hóa lỏng khí kiểu 
Linde đơn giản 
Hệ thống hoá lỏng khí kiểu Linde đơn giản được trình 
bày ở Hình 2. Đây là chu trình đơn giản nhất trong tất cả 
các chu trình hóa lỏng khí. 
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống hóa lỏng kiểu Linde 
dùng môi chất lạnh trung gian 
Trong sơ đồ Hình 2, khí được hút từ môi trường ngoài 
vào máy nén (MN) ở điểm 1, được nén đẳng nhiệt lên đến 
điểm 2. Khí tiếp tục đi qua thiết bị hồi nhiệt (HN), trao đổi 
nhiệt đẳng áp với hơi lạnh về máy nén để hạ nhiệt độ xuống 
điểm 3. Từ điểm 3 đến điểm 4, hơi giãn nở qua van tiết lưu 
(TL). Tại điểm 4, một phần hơi đã hóa thành lỏng được lấy 
ra ở trạng thái f và phần còn lại tách ra khỏi lượng lỏng đó 
ở trạng thái g (trạng thái hơi bão hòa). Hơi bão hoà này hấp 
thụ nhiệt của hơi cao áp, nóng lên rồi được hút về lại máy 
nén hòa trộn với khí mới ở trạng thái 1, sau đó tiếp tục một 
chu trình mới. 
Nguyên lý hoạt động của chu trình trong sơ đồ Hình 3 
tương tự như chu trình Hình 2. Nhưng khí cần hóa lỏng 
trước khi qua van tiết lưu được hạ nhiệt độ xuống nhờ trao 
đổi nhiệt với thiết bị trao đổi nhiệt trung gian sử dụng môi 
chất lạnh trung gian bên ngoài (TĐNTG) và trao đổi nhiệt 
với khí lạnh về tại thiết bị hồi nhiệt (HN). 
3.3. Phương pháp Claude 
Ở các hệ thống thiết bị hóa lỏng khí theo phương pháp 
Claude, ngoài van tiết lưu dùng để tạo quá trình giãn nở 
không thuận nghịch, còn có máy dãn nở (MDN) thực hiện 
chu trình dãn nở đoạn nhiệt sinh công [3, 4, 5, 6]. 
Hình 4. Sơ đồ nguyên lý hệ thống hóa lỏng kiểu Claude 
có van tiết lưu 
Ở hệ thống này, khí nén sau khi được làm lạnh sơ bộ, 
được chia thành 2 dòng: một dòng được dãn nở và sinh 
công trong máy dãn nở rồi quay lại thiết bị hồi nhiệt để làm 
lạnh dòng thứ hai trước khi dòng này được dãn nở trong 
van tiết lưu. Hỗn hợp hai pha ra khỏi van tiết lưu được phân 
li ở phần dưới của thiết bị. Khí hóa lỏng được lấy ra. Phần 
còn lại cũng được đưa trở lại thiết bị hồi nhiệt rồi vào máy 
nén cùng với khí mới tiếp tục chu trình. 
4. Hệ thống hóa lỏng mêtan từ khí thiên nhiên sử dụng 
chu trình cascade 
4.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống 
Sơ đồ nguyên lý hệ thống hoá lỏng khí mêtan được trình 
bày ở Hình 5. Khí thiên nhiên sau khi đã được xử lý từ điểm 1 
được đưa vào máy nén (MN) thực hiện quá trình nén đẳng 
nhiệt lên đến điểm 2. Ra khỏi máy nén, hơi môi chất được đi 
qua thiết bị hồi nhiệt (HN1) trao đổi nhiệt đẳng áp với hơi lạnh 
về máy nén để hạ nhiệt độ xuống điểm 3. Tiếp tục, hơi môi 
chất qua thiết bị trao đổi nhiệt (TĐN1), tức là thiết bị ghép tầng 
(NT-BH) trao đổi nhiệt đẳng áp với cặp môi chất lạnh trung 
gian NH3 và C2H4 để hạ nhiệt độ xuống điểm 4. Tiếp tục, hơi 
môi chất được đi qua thiết bị hồi nhiệt (HN2) trao đổi nhiệt 
đẳng áp với hơi lạnh về máy nén để hạ nhiệt độ xuống điểm 5. 
Hơi môi chất tiếp tục qua thiết bị trao đổi nhiệt (TĐN2), 
tức là thiết bị bay hơi của tầng thấp (BH) trao đổi nhiệt 
đẳng áp với môi chất lạnh trung gian C2H để hạ nhiệt độ 
xuống điểm 6. Tiếp tục, hơi môi chất được đi qua thiết bị 
hồi nhiệt (HN3) trao đổi nhiệt đẳng áp với hơi lạnh về máy 
nén để hạ nhiệt độ xuống điểm 7. Từ điểm 7 đến điểm 8, 
hơi dãn nở qua van tiết lưu (TL). Tại điểm 8, một phần hơi 
đã hóa thành lỏng được lấy ra ở trạng thái 9 và phần còn lại 
tách ra khỏi lượng lỏng đó ở trạng thái 10 (trạng thái hơi 
bão hòa). Hơi lỏng này cuối cùng hấp thụ nhiệt của hơi cao 
áp, nóng lên đến điểm 11, 12, 13 rồi được hút về lại máy 
nén khí thiên nhiên hòa trộn với khí mới ở trạng thái 1 và 
lại tiếp tục một chu trình mới [5, 6, 7, 8]. 
108 Trần Thanh Sơn, Phan Quí Trà 
Hình 5. Sơ đồ nguyên lý hệ thống hóa lỏng mêtan từ khí 
thiên nhiên sử dụng chu trình cascade 
4.2. Tính toán chu trình 
Đồ thị T-s của chu trình cascade lý thuyết được trình 
bày trong Hình 6 [7, 8]. 
1 – 2: Quá trình nén đẳng nhiệt trong máy nén nhiều 
tầng (MN) có làm mát trung gian. 
2 – 3: Quá trình làm lạnh khí ở thiết bị hồi nhiệt (HN1). 
3 – 4: Quá trình làm lạnh khí ở thiết bị ghép tầng (NT-
BH) nhờ cặp môi chất lạnh trung gian của hệ thống lạnh 
cascade. 
4 – 5: Quá trình làm lạnh khí ở thiết bị hồi nhiệt (HN2). 
5 – 6: Quá trình làm lạnh khí ở thiết bị bay hơi tầng thấp 
(BH) nhờ môi chất lạnh trung gian của hệ thống cascade. 
6 – 7: Quá trình làm lạnh khí ở thiết bị hồi nhiệt (HN3). 
7 – 8: Quá trình dãn nở Joule – Thompson trong van 
tiết lưu. 
8 – (9+10): Hỗn hợp (8) tách thành lỏng bão hòa (trạng 
thái 9) và hơi bão hòa (trạng thái 10) ở thiết bị phân ly 
(BPL). 
Đồ thị chu trình cascade sử dụng trong hệ thống hoá 
lỏng như trong Hình 7: 
1’-2’: Quá trình nén đoạn nhiệt môi chất (C2H4) ở tầng thấp. 
2’-3’: Quá trình ngưng tụ hơi môi chất ở thiết bị ghép 
tầng NT-BH. 
3-4’: Quá trình tiết lưu qua van tiết lưu ở tầng thấp. 
4-1’: Quá trình bay hơi của môi chất tại TBBH ở tầng thấp. 
5’-6’: Quá trình nén đoạn nhiệt môi chất (NH3) ở tầng cao. 
6’-7’: Quá trình ngưng tụ hơi môi chất tại TBNT ở tầng cao. 
7’-8’: Quá trình tiết lưu qua van tiết lưu ở tầng cao. 
8’-5’: Quá trình bay hơi của môi chất tại thiết bị ghép 
tầng NT-BH. 
Hình 6. Đồ thị chu trình hệ thống hóa lỏng mêtan từ khí 
thiên nhiên sử dụng chu trình cascade 
Hình 7. Đồ thị T-s chu trình lạnh cascade trong 
chu trình hệ thống hóa lỏng khí thiên nhiên 
Bảng 1. Thông số trạng thái các điểm nút chu trình hóa lỏng 
mêtan từ khí thiên nhiên 
Đ. 
Nút 
T K P bar h kJ/kg 
s 
kJ/kg.K 
Trạng thái 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
288 
293 
283 
238 
228 
173 
01 
68 
68 
68 
68 
68 
958,45 
823,65 
800,50 
696,32 
673,17 
545,81 
7,24 
0,07 
- 
- 
- 
- 
H.Hợp khí mới 
Hơi cao áp 
Hơi cao áp 
Hơi cao áp 
Hơi cao áp 
Hơi cao áp 
Bảng 2. Thông số trạng thái các điểm nút chu trình lạnh cascade 
Đ. nút T K P bar h kJ/kg V m3/kg Trạng thái 
1’ 
2’ 
3’ 
4’ 
170 
323 
238 
170 
1,0 
16,6 
16,6 
1,0 
-180 
50 
-482 
-482 
5,0 
0,5 
0,001 
1,75 
Hơi bão hòa khô 
Hơi quá nhiệt 
Lỏng bão hòa 
Hơi ẩm 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 2 109 
5’ 
6’ 
7’ 
8’ 
233 
423 
293 
233 
0,7 
8,6 
8,6 
0,7 
1.400 
1.750 
291 
291 
1,5 
0,25 
0,001 
0,35 
Hơi bão hòa khô 
Hơi quá nhiệt 
Lỏng bão hòa 
Hơi ẩm 
Bỏ qua tổn thất nhiệt ra môi trường, tính cho 1 kg khí 
nén trong chu trình hóa lỏng, áp dụng định luật I nhiệt động 
học, ta có: 
1. Nhiệt lượng nhận được tại thiết bị phân ly: 
Q = QMN + Q1 + Q2 [kJ] (1) 
𝑄 = 𝑚(ℎ1 − ℎ2) + 𝑚(ℎ3 − ℎ4) + 𝑚(ℎ5 − ℎ6) [kJ] (2) 
Trong đó: 
QMN: Nhiệt lượng tỏa ra tại máy nén kJ. 
Q1: Nhiệt lượng nhả ra của hơi cao áp tại thiết bị TĐN1 kJ. 
Q2: Nhiệt lượng nhả ra của hơi cao áp tại thiết bị TĐN2 kJ. 
m: Khối lượng khí nén trong chu trình hóa lỏng kg. 
- Tại thiết bị TĐN2, ta có phương trình cân bằng nhiệt: 
m(h5 − h6) = mt(h1′ − h4′) (3) 
Với mt là khối lượng môi chất lạnh ở tầng thấp của hệ 
thống cascade. 
- Tại thiết bị TĐN1, ta có phương trình cân bằng nhiệt: 
m(h3 − h4) = mc(h5′ − h8′) − mt(h2′ − h3′) (4) 
Với mc là khối lượng môi chất lạnh ở tầng cao của hệ 
thống cascade. 
2. Năng suất lạnh riêng của chu trình lạnh cascade: 
q0 = (h1′ − h4′) [kJ/kg] (5) 
3. Công nén của cả chu trình lạnh cascade: 
WCascade = (h2′ − h1′) +
mc(h6′−h5′)
mt
 [kJ/kg] (6) 
4. Hệ số hiệu suất lạnh của chu trình lạnh cascade: 
COP =
q0
WCascade
 (7) 
5. Công nén của cả chu trình hóa lỏng: 
𝑊 = 𝑚.
𝑇1(𝑠1−𝑠2)−(ℎ1−ℎ2)
𝜂
+ 𝑚𝑡 . 𝑊𝐶𝑎𝑠𝑐𝑎𝑑𝑒 [kJ/kg] (8) 
6. Hệ số làm lạnh COP chu trình hóa lỏng mêtan từ khí 
thiên nhiên: 
COP =
Q
W
 (9) 
Thay các giá trị vào ta tính được COP của chu trình 
cascade là khoảng 0,39. Giá trị này lớn hơn so với COP của 
các chu trình Linde, Pictet và Claude lý thuyết. 
5. Kết luận 
Từ kết quả tính toán chu trình cascade và so sánh với 
với các chu trình hoá lỏng khí mêtan khác, nhóm tác giả 
kết luận như sau: 
Hệ số làm lạnh COP của chu trình hóa lỏng mêtan từ 
khí thiên nhiên kiểu Pictet sử dụng chu trình cascade với 
cặp môi chất NH3 và C2H4 cao hơn so với các chu trình hóa 
lỏng khí khác (kiểu Linde đơn giản; Linde sử dụng môi 
chất lạnh trung gian; Claude). Từ đó cho ta thấy, hệ thống 
lạnh cascade được ứng dụng trong hệ thống hóa lỏng mêtan 
từ khí thiên nhiên. Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là cần đưa ra 
giải pháp vận hành tối ưu hệ thống cascade sử dụng nhiều 
môi chất lạnh khác nhau để nâng cao hiệu quả kinh tế, kỹ 
thuật trong công nghiệp ứng dụng hệ thống lạnh cascade 
vào hệ thống hóa lỏng khí. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Bruce E. Polin, John M. Prausnitz, John P. O’Connell, The 
properties of gases and liquids, McGraw-Hill, 2004. 
[2] A.H Younger, P. Eng, Natural Gas Processing Principles and 
Technology, Dr. Harald F.Thimm & Jason Sullivan Thimm 
Engineering INC., 2000. 
[3] Frank G. Kerry, Industrial Gas Handbook, Taylor and Francis 
Group LLC., 2006. 
[4] L.L Faulkner, Fundamentals of Natural gas Processing, Taylor and 
Francis Group LLC., 2006. 
[5] Thomas M. Flynn, Cryogenic Engineering, Marcel Dekker, 2005. 
[6] Randall Barron1, Cyogenic Systems, McGraw-Hill Book Company, 
1996, pp. 122-123, pp. 306-310. 
[7] Shan K. Wang, Handbook of air conditioning and refrigeration, 
McGraw-Hill Book Company, 2000. 
[8] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Đinh Văn Thuận, Kỹ thuật lạnh 
ứng dụng, Nhà xuất bản Giáo dục, 2007. 
(BBT nhận bài: 12/10/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 24/10/2017)