王玉芝

[摘要]復(fù)合制冷法所組合的流程不僅以提高丙烷的收率，還能為回收乙烷的裝置提高乙烷的收率，同時(shí)還可大大減少裝置的整體能耗。因此，人們普遍認(rèn)為在處理油田氣時(shí)，設(shè)計(jì)冷劑循環(huán)制冷作為輔助冷源是一種很好的技術(shù)方案。

[關(guān)鍵詞]天然氣 輕烴回收 吸收 低溫分離法

1輕烴回收工藝技術(shù)及其進(jìn)展

1.1吸附法

吸附法是利用固體吸附劑對(duì)烴類組分吸附能力強(qiáng)弱的差異而實(shí)現(xiàn)組分相分離的，由于吸附劑的吸附容量、操作運(yùn)行的間歇性等問(wèn)題未能很好解決，該方法未能得到廣泛的應(yīng)用。油吸收法是基于天然氣中各組分在吸收油中的溶解度的差異而使輕、重?zé)N組分相分離的，油吸收法工藝系統(tǒng)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，隨著科學(xué)技術(shù)及裝備的進(jìn)步以及人們對(duì)輕烴收率的高期望值，油吸收法已經(jīng)被更為合理的低溫分離法（也稱為低溫冷凝法）所取代。

1.2油吸收法

油吸收法是基于天然氣中各組分在吸收油中的溶解度差異而使輕、重?zé)N組分得以分離的方法。吸收油一般采用石腦油、煤油或柴油，其相對(duì)分子量為100-2000按照吸收溫度的不同，油吸收法可分為常溫、中溫和低溫油吸收法。常溫與中溫油吸收法多用于中小型裝置，回收率也較低，故低溫油吸收法一直占主導(dǎo)地位。低溫油吸收法的溫度在-40℃左右，壓降小，允許采用碳鋼，對(duì)原料氣預(yù)處理沒(méi)有嚴(yán)格要求，單套裝置處理量較大，但由于其工藝流程復(fù)雜，投資和操作成本都較高，在20世紀(jì)70年代以后，低溫油吸收法己逐漸被更為合理的冷凝分離法所取代。20世紀(jì)80年代以后，我國(guó)新建的輕烴回收裝置己很少采用油吸收法。

1.3低溫分離法

冷凝分離法又稱低溫分離法，是利用在一定壓力下原料氣中各烴類組分冷凝溫度不同的特點(diǎn)，在逐步降溫的過(guò)程中依次將較高沸點(diǎn)的烴類組分冷凝分離出來(lái)。其最根本的特點(diǎn)是需要提供較低溫位的冷量使原料氣降溫，具有工藝流程簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低、回收率高的特點(diǎn)，目前在輕烴回收技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。按冷量提供方式的不同可分為冷劑制冷、膨脹機(jī)制冷、熱分離機(jī)制冷及復(fù)合制冷法。外加冷源制冷法、直接膨脹制冷法和混合制冷法。

2制冷方法

2.1冷劑制冷法

冷劑制冷法分為吸收式制冷和壓縮式制冷兩種。吸收式制冷的特點(diǎn)是直接利用熱能制冷，目前在輕烴回收中應(yīng)用很少：壓縮式制冷是一種相變制冷，即利用液體冷劑汽化成氣體時(shí)的吸熱效應(yīng)制冷。通常根據(jù)被分離氣體的壓力、組分及分離要求，所選擇的制冷介質(zhì)有氨、氟里昂、丙烷或乙烷，也可以采用多種制冷介質(zhì)配合使用。由于環(huán)保因素，氟里昂已經(jīng)被逐漸淘汰，氨也只在一批老輕烴裝置中使用。由于制冷劑丙烷可以由輕烴裝置自行生產(chǎn)，且其制冷系數(shù)大，制冷溫度一般可以達(dá)到-35℃～-30℃，在新建設(shè)的裝置中基本都采用丙烷制冷法。

2.2膨脹制冷法

膨脹制冷法應(yīng)用的前提條件是原料氣與外輸干氣是否有一個(gè)較高的壓力差可以利用，其核心是通過(guò)膨脹機(jī)將氣體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并產(chǎn)生冷量。膨脹機(jī)的膨脹過(guò)程熱力學(xué)上近似于等熵膨脹過(guò)程。

膨脹制冷法的特點(diǎn)是流程簡(jiǎn)單、設(shè)備數(shù)量少、維護(hù)費(fèi)用低，占用地少，適合于原料氣很貧的氣體。我國(guó)采用單純的膨脹制冷工藝（ISS）輕烴回收裝置，規(guī)模一般較小，且都采用中低壓膨脹機(jī)，膨脹比較小，制冷溫度一般僅能達(dá)到-20℃～-600℃，也有部分裝置制冷溫度達(dá)到-70℃～-86℃。為了獲得更大的輕烴收率，或者有更高的原料氣壓力資源利用時(shí)，可采用從多級(jí)膨脹工藝（MTP）以滿足更低的制冷溫度要求。

2.3復(fù)合制冷法

復(fù)合制冷法采用兩種或兩種以上的制冷方式進(jìn)行輕烴回收，其目的是最大限度地天然氣中回收輕烴。目前，輕烴回收工藝上應(yīng)用最多的是外加冷劑循環(huán)制冷作為輔助冷源，膨脹制冷作為主要冷源，并采用逐級(jí)凍和逐級(jí)分離冷凝液體的措施來(lái)降低泠量消耗和提高冷凍深度，以達(dá)到較高的冷凝率，最大限度的回收天然氣中的輕烴。復(fù)合制冷法具有許多優(yōu)點(diǎn)：首先，冷源有兩個(gè)或兩個(gè)以上，因此裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)適應(yīng)性較大，即使在外加冷源系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，裝置也能保持在一定的收率下繼續(xù)運(yùn)行;其次，復(fù)合制冷法中外加制冷系統(tǒng)比冷劑制冷法要簡(jiǎn)單、容量小，加制冷系統(tǒng)僅僅須解決高沸點(diǎn)烴類的冷凝問(wèn)題;復(fù)合制冷法所組合的流程不僅以提高丙烷的收率，還能為回收乙烷的裝置提高乙烷的收率，同時(shí)還可大大減少裝置的整體能耗。因此，人們普遍認(rèn)為在處理油田氣時(shí)，設(shè)計(jì)冷劑循環(huán)制冷作為輔助冷源是一種很好的技術(shù)方案。

2.4外加冷源制冷法

天然氣冷凝分離所需要的冷量由獨(dú)立設(shè)置的冷凍系統(tǒng)提供。系統(tǒng)所提供冷量的大小與被分離的原料氣組成并無(wú)直接關(guān)系，故又可稱為直接冷凝法。根據(jù)被分離氣體的壓力、組分及分離的要求，選擇不同的冷凍介質(zhì)。制冷循環(huán)可以是單級(jí)，也可以是多級(jí)串聯(lián)。常用的制冷介質(zhì)有氨、氟里昂、丙烷或乙烷等，也可以多種冷凍介質(zhì)配合使用來(lái)獲得更低的溫度。由于環(huán)保因素，氨和氟里昂已逐漸被淘汰，在我國(guó)，丙烷制冷工藝應(yīng)用在輕烴回收裝置中還不到20年時(shí)間，但由于其制冷系數(shù)較大，制冷溫度為-30℃～-400℃，丙烷制冷劑可由輕烴回收裝置自行生產(chǎn)，無(wú)刺激性氣味，因此近幾年來(lái)，該項(xiàng)技術(shù)迅速推廣，我國(guó)新建的外冷工藝天然氣輕烴回收裝置基本都采用丙烷制冷工藝，一些原設(shè)計(jì)為氨制冷工藝的老裝置也在改造成丙烷制冷工藝。外加冷源制冷法的優(yōu)點(diǎn)是制冷系統(tǒng)所提供的制冷量不受原料氣的貧富程度的限制，對(duì)原料氣的壓力無(wú)嚴(yán)格要求，用戶可根據(jù)回收率的要求確定原料氣需要被冷卻的溫度，在裝置運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，還可根據(jù)原料氣量和組成的變化以及季節(jié)性的氣溫變化來(lái)改變制冷量的大小。20世紀(jì)80年代之前，我國(guó)投產(chǎn)的輕烴回收裝置都采用單純的外加冷源制冷工藝流程。目前該方法仍是我國(guó)各油田采用較多的工藝方法之一。

2.5渦流管技術(shù)的應(yīng)用

渦流管上世紀(jì)80年代開始用于回收天然氣中的輕烴。由于渦流管具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、易加工、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、不需要吸收劑、無(wú)需定期檢修、成本低、安全可靠、可迅速開停車和易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，故國(guó)外已在制冷、空調(diào)、恒溫、干燥和組分分離等多方面開拓其應(yīng)用場(chǎng)合。將其用于天然氣液烴回收，特別是油氣田邊遠(yuǎn)地區(qū)，具有其它方法難以取代的使用價(jià)值。天然氣通過(guò)渦流管時(shí)，利用天然氣開采時(shí)本身具有的壓力，被分為冷、熱流股，構(gòu)成一個(gè)封閉的能量循環(huán)系統(tǒng)，可有效回收天然氣中的液烴，脫除天然氣中水分，從而獲得干燥的天然氣。若原料氣與產(chǎn)品氣之間的壓差較大，可采用多種不同連接方式的兩級(jí)或多級(jí)串聯(lián)渦流管，與焦耳一湯姆遜閥、渦輪膨脹機(jī)相比較，渦流管的丙烷以上組分收率最高。