低壓天然氣輕烴回收工藝

陳天洪，朱江

（1 四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610041; 2 四川科比科油氣工程有限公司，四川 成都 610041）

現(xiàn)有的天然氣輕烴回收工藝系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中，除對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)裝置增加水冷設(shè)備，調(diào)節(jié)相應(yīng)的冷凝溫度壓力[1-2]之外，還應(yīng)該從工藝方案選擇中考慮輕烴收率，裝置運(yùn)行成本及投資費(fèi)用等因素，本文通過(guò)現(xiàn)有的輕烴回收工藝介紹，以及將常規(guī)外冷分離回收輕烴工藝與改進(jìn)新型吸附工藝同時(shí)用于新疆某油田伴生氣項(xiàng)目，采用Aspen HYSYS 軟件進(jìn)行模擬分析，對(duì)兩種工藝的設(shè)備投資、產(chǎn)品收率、運(yùn)行成本以及收益進(jìn)行了綜合分析。

1 輕烴回收工藝

1.1 油吸收工藝

油吸收工藝是利用不同烴類在吸收油中溶解度差異，從而將天然氣中的輕烴組分吸收分離的目的，吸收油一般采用石腦油、煤油、柴油或穩(wěn)定凝析油等，其存在的問(wèn)題主要是吸收油相對(duì)分子質(zhì)量小，輕烴收率越高時(shí)蒸發(fā)損失越大，該工藝在20 世紀(jì)六七十年代較為普遍，目前已很少使用。

1.2 吸附工藝

吸附工藝是利用吸附劑對(duì)于不同吸附質(zhì)的選擇性不同，而在固定床層內(nèi)達(dá)到分離的目的，其典型代表即變壓吸附PSA，變溫吸附TSA，該工藝是目前氣體分離較成熟工藝，具有無(wú)環(huán)境污染、無(wú)設(shè)備腐蝕、工藝簡(jiǎn)單、吸附劑壽命長(zhǎng)、操作彈性大、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)[1]。

1.3 低溫分離工藝

低溫分離工藝是將天然氣中的輕烴在較低溫度下液化，使C1、C2與C3+烴類分開(kāi)的方法，其關(guān)鍵是制冷方法的選取。常見(jiàn)的制冷方法有：1987 年Ortloff 工程公司提出的氣體過(guò)冷工藝（GSP，LSP）[3]，這是對(duì)單級(jí)膨脹機(jī)制冷工藝（ISS）和多級(jí)膨脹機(jī)制冷工藝（MTP）的改進(jìn)；加拿大埃索資源公司提出的直接換熱工藝（DHX）[4]，實(shí)質(zhì)是脫乙烷塔回流罐的液烴經(jīng)換熱節(jié)流后進(jìn)入DHX 塔，吸收膨脹機(jī)出口低溫分離器出來(lái)的氣相中C3組分，從而提高C3的收率；混合冷劑制冷（MRC）[5]工藝是目前天然氣液化廠廣泛采用的制冷工藝，其混合冷劑一般以乙烷、丙烷為主。

1.4 膜分離工藝

膜分離工藝[6]是利用各種氣體分子在膜內(nèi)的滲透速度的不同達(dá)到分離氣體的目的，膜兩側(cè)（滲透?jìng)?cè)與非滲透?jìng)?cè)）需要有合適的壓差，且對(duì)原料氣的氣質(zhì)條件要求較高，目前輕烴回收包括其他氣體分離上常用的是非多孔質(zhì)膜。

1.5 超音速渦旋分離工藝

超音速渦旋分離工藝[7]的核心設(shè)備是超音速分離器，由旋流器、拉瓦爾噴管、擴(kuò)壓器組成， 天然氣進(jìn)入旋流器產(chǎn)生旋流加速，在經(jīng)過(guò)拉瓦爾噴管內(nèi)降壓、降溫，天然氣中的輕烴由于溫度降低形成小的液滴，順著管壁切向分離出來(lái)，該方法無(wú)動(dòng)力消耗，設(shè)備簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是輕烴收率較低，系列壓力損失較大。

2 工藝方案比選

2.1 工藝技術(shù)路線

采用Aspen HYSYS V7.3 軟件Peng-Robinson狀態(tài)方程對(duì)于表1 的原料組分別進(jìn)行常規(guī)的深冷工藝與改進(jìn)的吸附工藝兩種處理方法進(jìn)行比較。

表1 新疆某油田伴生氣組成

由表1 數(shù)據(jù)分析，處理氣量較小，采用DHX工藝，設(shè)備投入，運(yùn)行成本高，經(jīng)濟(jì)價(jià)值低，通常采用較成熟的外冷分離處理工藝如圖1，外冷工藝穩(wěn)態(tài)運(yùn)行物料見(jiàn)表2；而改進(jìn)的新型吸附工藝如圖2，吸附工藝穩(wěn)態(tài)運(yùn)行物料見(jiàn)表3。改進(jìn)的新型吸附工藝中輕烴濃縮塔內(nèi)吸附劑為特制活性炭，其性能指標(biāo)由實(shí)驗(yàn)試得數(shù)據(jù)如表4。

2.2 工藝流程概述

外冷分離回收輕烴工藝：首選將原料氣通過(guò)前置壓縮機(jī)加壓到2.0MPa 以上，進(jìn)行分子篩脫水[8]，脫水后的干氣經(jīng)過(guò)外冷換熱器冷卻到-30℃左右進(jìn)入低溫分離器，底部出來(lái)的液相混烴由于含有部分甲烷與乙烷，儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中存在安全隱患，因此，液相混烴進(jìn)入脫乙烷塔脫除液相中的乙烷，脫乙烷塔頂部閃蒸的甲烷、乙烷混合氣調(diào)壓后返回前置壓縮機(jī)循環(huán)。低溫分離器頂部氣相組分經(jīng)換熱至常溫后進(jìn)入CNG 壓縮機(jī)或其他處理工段。

改進(jìn)的新型吸附工藝：首選將原料氣進(jìn)行分子篩脫水，脫水后的干氣在經(jīng)過(guò)變溫吸附脫除干氣中的輕烴，采用常溫吸附+加熱真空解析，脫烴后的產(chǎn)品氣進(jìn)入CNG 壓縮機(jī)或其他處理工段，再生的少量混烴氣體經(jīng)過(guò)低壓緩沖后進(jìn)入混烴壓縮機(jī)，在二級(jí)氣液分離器底部將有部分液相混烴生成，經(jīng)加壓泵升壓后與三級(jí)氣液分離器的液相混烴混合后進(jìn)入脫乙烷塔，脫乙烷塔頂部閃蒸氣與三級(jí)氣液分離器頂部氣體混合減壓后進(jìn)入脫烴塔進(jìn)口循環(huán)。

圖1 外冷分離回收輕烴工藝

表2 外冷工藝穩(wěn)態(tài)運(yùn)行物料表

兩種工藝方案的原料氣條件相同，產(chǎn)品以CNG[9]和混相混烴[10]（乙烷≤2%）兩種產(chǎn)品作為基礎(chǔ)對(duì)比。

2.3 設(shè)備費(fèi)用對(duì)比

兩套工藝方案主要設(shè)備型號(hào)及價(jià)格預(yù)算如表5。表內(nèi)參考價(jià)格已包含相應(yīng)的管道、閥門(mén)及儀表電氣安裝材料。

2.4 裝置運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

通過(guò)表5 設(shè)備及費(fèi)用對(duì)比表可以看出：外冷分離工藝方案主要用電設(shè)備有前置壓縮機(jī)、分子篩脫水裝置內(nèi)的再生氣加熱器、制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)、CNG壓縮機(jī)，通過(guò)HYSYS 軟件模擬得出的總電耗為211.5kW/h；改進(jìn)吸附工藝方案主要用電設(shè)備有分子篩脫水裝置內(nèi)的再生氣加熱器、輕烴提縮裝置內(nèi)的再生氣加熱器、真空泵、CNG 壓縮機(jī)、混烴壓縮機(jī)，同樣通過(guò)HYSYS 軟件模擬得出的總電耗為250 kWh。

表3 吸附工藝穩(wěn)態(tài)運(yùn)行物料表

圖2 改進(jìn)的新型吸附工藝

表4 活性碳吸附劑性能指標(biāo)

吸附工藝中混烴壓縮機(jī)功率與外冷分離工藝的制冷系統(tǒng)功率相當(dāng)，高出的功率主要為輕烴提縮裝置內(nèi)的再生氣加熱與真空泵的功率。

2.5 兩種工藝綜合對(duì)比

外冷分離工藝與改進(jìn)吸附工藝綜合對(duì)比數(shù)據(jù)如表6。

外冷分離工藝液相混烴產(chǎn)品收率低的原因主要在于原料氣在第一級(jí)壓縮和第二級(jí)壓縮后的氣液分離排液中溶解有大量的輕烴，通過(guò)另外一種改進(jìn)措施卻將一級(jí)分離的液相用泵升壓到1.7MPa，與二級(jí)分離液減壓到1.7MPa 混合后進(jìn)入三相分離器，分離后的液相混烴進(jìn)入脫乙烷塔處理，此時(shí)液相混烴的收率將由48.26%提高到85.47%，與改進(jìn)吸附工藝相比還少8.96%。

表5 設(shè)備及費(fèi)用對(duì)比

表6 工藝綜合對(duì)比數(shù)據(jù)

改進(jìn)吸附工藝裝置能耗偏高是由于輕烴吸附再生時(shí)采用真空負(fù)壓再生，從常壓重新進(jìn)行升壓，增加了部分壓縮功耗。

改進(jìn)吸附工藝與外冷分離工藝相比，每年提高經(jīng)濟(jì)直接效益約893.26 萬(wàn)元。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）改進(jìn)吸附工藝的關(guān)鍵在于輕烴回收，即采用變壓吸附方式分離甲烷、乙烷與丙烷、丁烷等，吸附劑采取專用脫烴吸附劑，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)出的吸附劑對(duì)于各類烷烴吸附容量數(shù)據(jù)，模擬出輕烴收率可達(dá)94%以上。

（2）通過(guò)對(duì)操作條件分析，找出外冷分離工藝液相混冷收率不高的原因，經(jīng)簡(jiǎn)單改進(jìn)后收率明顯提高，與改進(jìn)吸附工藝相比還少8.96%。

（3）改進(jìn)吸附工藝具有較明顯的經(jīng)濟(jì)效益，主要體現(xiàn)在設(shè)備投資與產(chǎn)品收率兩個(gè)方面。

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[10] 中國(guó)石油化工股份有限公司石油化工科學(xué)研究院、中國(guó)石油化工股份有限公司九江分公司等起草. GB 11174-2011 液化石油氣[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.