天然气加工技术及其应用-本科生论文

天然气加工技术及其应用-本科生论文内容摘要：

需一人操作。 由于它具有轻便、灵活、节约等投资优点，小型油、气田回收凝液来说是一种理想形式。 上述改进加快了美国天然气加工工业的发展，尽管近年来美国天然气储量和产量一直在下降，但其天然气凝液产量一直保持稳定。 另外加拿大也是天然气加工发展较早的国家， 近年来在气体储量，加工量和凝液加工回收方面都有很大增长。 苏联和中东地区今年来在天然气凝液回收方面也有很大发展。 我国的天然气液烃分离技术起步较晚，上世纪 60 年代四川气田开展了从天然气中分离、回收 C3+液体产物的试验工作。 到 20 世纪 70～ 80 年代，随着北方大油田的开发，自油田伴生气中回收 C3+的各种工艺装置陆续建成。 天然气加工对象也扩大到 C2+产物。 近年来，在引进、吸收、消化国外先进回收工艺技术的基础上国内轻烃回收装置无论工艺技术还是设备制造、自动控制等水平都有了长足进步 [11]。 目前 国产装置采用的主要工艺方 法，归纳起来有：冷剂循环制冷、膨胀机制冷、冷剂制冷和膨胀制冷相结合的混合制冷。 吸附法 吸附法是利用固体吸附剂对各种烃类的吸附容量不同，从而使天然气中一些组分得以分离的方法。 在北美，有时用这种方法从湿天然气中回收较重烃类，且多用于处理量较小及较重烃类含量少的天然气，也可用来同时从天然气中脱水和回收丙、丁烷等烃类 (吸附剂多为分子筛 )，使天然气水、烃露点都符合管输要求 [1]。 常用的吸附剂是硅胶和活性炭。 吸附法的优点是装置比较简单，不需特殊材料和设备，投资费用较少 [12]；缺点是要几个吸附塔切换操作，产 品局限性大，能耗与成本高，燃料气量约为所处理天然气量的 5％ ，吸附剂的吸附容量等问题未能得到很好的解决，所以这种方法未得到广泛利用，曾经在美国使用过。 油吸收法 油吸收法是基于天然气中各组分在吸收油中溶解度的差异而使不同烃类气体得以分离的方法。 由于该法具有系统压降小、允许使用碳钢钢材、对原料气预处理没有严格要求、单套处理能力大等优点，在 20 世纪 60 年代中期之前一直是世界上轻烃回收的主要工艺方法，特别是对于炼油厂的石油裂解气分离具有优势。 天然气加工技术及其应用 8 油吸收法按照吸收操作温度的不同分为常温、中温和低温吸收法。 常温油吸收法的操作温度为 30℃ ，多用于中小型天然气凝液回收装置，以回收 C3+为主要目的；中温油吸收法的操作温度一般在 ﹣ 20℃ 以上 ， C3+回收率为 40%左右； 低温油吸收温度一般在 ﹣ 40℃ 左右， C3+回收率为 80~90%。 后两种油吸收法 常用于大型天然气加工厂。 常用的吸收油有石脑油、煤油或柴油，其相对分子质量为 100~200。 吸收油相对分子质量越小，天然气液烃回收率越高，随干气挥发耗损的吸收油量越大。 所以，一般只有要求 乙烷 回收率较高时，才采用相对分子质量较小的吸收油。 同时，随干气挥发耗损的吸收油量因温度升高而增加， 因此，只有低温才有利于采用较小相对分子质量的吸收油。 油吸收过程属物理吸收，吸收时采用高压低温有利，解吸时采用高温低压有利，但一般油吸收操作温度不宜低于塔操作压力下的烃露点 [7]。 油吸收法主要设备有吸收塔 、 富油稳定塔 、 富油蒸馏塔 ， 如为低温油吸收法，还需增加制冷系统。 图 21 为采用低温油吸收法的回收 NGL 原理流程图， 图中原料气先与离开吸收塔的冷干气换热，再经冷剂制冷后进入吸收塔与冷吸收油逆流接触，使气体中大部分丙、丁烷及戊烷以上的烃类被吸收下来。 从吸收塔顶流出的冷干气与原料气换热后外输。 由吸收塔底部流出的富 吸收油（富油）进入富油稳定塔中，由塔顶脱除甲烷等作为燃料，然后进入富油蒸馏塔蒸出 NGL 并去 NGL蒸馏塔分离为液化石油气（ LPG）和稳定天然汽油。 从富油蒸馏塔底流出的贫吸收油（贫油）经冷剂制冷后返回吸收塔循环使用。 如果采用装置自己得到的稳定天然汽油作为吸收油，则可取消富油吸收塔，将富油稳定塔塔底的 NGL 直接进入NGL 蒸馏塔即可。 图 21 低温油吸收法回收 NGL 原理流 程 图 油吸收法的 优点是系统压降小，允许使用碳钢，对原料气的处理没有严格要求，单套装置处理能力大等； 缺点是工艺流程复杂，投资费用和运行成本高。 直至 20 世纪 60 年代中期还是天然气分离中使用最多的方法，但随着制冷技术的发展，自 1970 年以后，油吸收法在新建装置中已经很少采用。 本科毕业设计（论文） 9 冷凝分离法 冷凝分离法是利用天然气中各烃类组分冷凝温度不同的特点，通过制冷将天然气冷 凝 至一定温度，从而将沸点较高的烃类冷凝分离出来，并将凝液精馏分离成合格产品的方法。 此法的特点是需要向气体提供足够的冷量使其降温。 按照提供冷量的制冷系统不同，冷凝分离法可分为冷剂制冷法、直接膨胀制冷法和联合制冷法三种。 冷凝分离法具有较高的轻烃回收率，在轻烃回收工艺中占有重要地位。 冷剂制冷法 冷剂制冷法称为外加冷源法 (外冷法 )， 或蒸气压缩制冷，或机械制冷，该工艺是利用制冷剂汽化时吸收汽化潜热的性质，使之与天然气换热，使天然气获得低温的原理。 制冷剂可以分别是氨、 氟利昂、 丙烷及乙烷，也可以是乙烷、丙烷等烃类混合物，而后者又称为混合冷剂 (混合制冷剂 )。 制冷循环可以是单级或多级串联，也可以是阶式制冷 (覆叠式制冷 )循环 [1]。 冷剂的制冷过程如图 22 所示，采用的主要设备有换热器、冷剂蒸发器和低温分离器。 原料气与来自低温分离器的销售气换热，使原料气降温之后，原料气进入冷剂蒸发换热器，在壳程 内制冷剂汽化过程中吸收管程内天然气的热量，使气体获得低温。 低温天然气进入分离器分出 NGL，流出分离器的冷贫气经换热器与原料气换热，提高贫气温度后进入销售管网。 为防止生成水合物，在原料气降温前注入乙二醇，吸收水分的乙二醇富液进入再生设备提浓 [13]。 1—气∕ 气换热器； 2—冷剂蒸发器； 3—分离器 图 22 冷剂制冷流程图 天然气加工技术及其应用 10 冷剂制冷法的优点是 它是由独立设置的冷剂制冷系统向原料气提供冷量，其制冷能力与原料气无直接关系，稳定性能较好。 缺点是工艺流程比较复杂，投资较高。 在天然气轻烃回收装置中 ， 利用丙烷作为制冷 工质比氨等其它工质降低了对环境的污染和生产成本，节省了投资，方便了生产管理，因此丙烷制冷技术得到了广泛推广 ， 并成为天然气轻烃回收装置外冷工艺中的首选工艺。 丙烷 制 冷工 艺属新开发应用的制冷工艺，自八十年代末以来在我国广泛使用， 近年来 ， 我国新建的 外冷 工 艺天然 气 轻烃 回 收装 置基 本 都 采用丙 烷制 冷工艺 ， 一些原设 计 为氨 制冷工 艺的 老 装置也 在改 造 成丙 烷制 冷工 艺。 采用丙烷作冷剂的冷凝分离法天然气液回收原理流程如图 23，制冷温度为﹣35 ~﹣ 30℃ ， 制冷系数较大 ， 丙烷冷剂可由轻烃回收装置自行生产 ， 无刺激性气味 ，流程短，耗能低 ，操作简单。 图 23 采用丙烷作冷剂的冷凝分离方法 NGL 回收原理流程图 直接膨胀制冷法 随着膨胀机制冷技术的发展 ， 进人 80年代以后 ， 我国各油气田轻烃回收装置开始采用膨胀制冷回收工艺 ， 并取得良好的经济效益。 直接膨胀制冷法也称膨胀制冷法或自制冷法（自冷法）。 根据制冷元件的不同 ， 膨胀制冷可分为节流制冷 (也称焦耳 —汤姆逊法 )、膨胀机制冷和热分离机制冷 ， 而节流制冷很少单独在轻烃回收中使用。 原料气降温所需的冷量由气体直接经过串接在该系统中的各种类型膨胀制冷设备来提供 ， 冷量取决于原料气本身的压差 、 气体组成 、 膨胀元件的效率。 常用的膨胀制冷设备有节流阀、透平膨胀机及热分离机等。 由于透平膨胀机制冷有制冷温度低 ， 流程简单 ， 操作方便 ， 对原料气组成变化的适应性大 ， 等熵效率高等优点 ， 已成为目前轻烃回收的主要制冷方法。 但从国内自行设计的膨胀制冷轻烃回收装置来看 ， 仍然存在产品收率低 ， 装置能耗高的缺点 [14]。 本科毕业设计（论文） 11 1. 焦耳 —汤姆逊法（节流阀制冷） 焦耳 —汤姆逊效应多年来已用于矿场油气分离，并已成为气体加工过程的一个 组成部分，但由于在常温下焦耳 —汤姆逊节流效应未能充分发挥，因而分离效果较差，只能回收部分凝液。 1976 年美国利用焦耳 —汤姆逊效应使气体在低温高压下膨胀获得良好的降温效果。 如在 ﹣ ℃ 、 ／ cm178。 压力下利用焦耳 —汤姆逊效应膨胀到 14 kg／ cm178。 ，温度可降至 ﹣ ℃ ， 并利用此效应在德克萨州建立了一套处理量为 万 m179。 ／ d 的工业装置，乙烷效率为 80%。 此法被称为深冷焦耳 —汤姆逊法，它在膨胀前温度越低效果越好。 汤姆 — 焦耳逊法的显著优点是对处理量变化的适应性较大，并容许气体中存在大量 CO2，因此此法如果应用适当，对中小型油气田回收凝液来说是一种理想的方法。 2. 热分离机制冷 热分离机是 70 年代由法国门 ELF—Bert in 公司研制的一种简易有效的气体膨胀制冷设备，由喷嘴及接受管组成，按结构可分为静止式和转动式两种。 自 80 年代末期以来，热分离机已在我国一些天然气液回收装置中得到应用。 其原理是利用具有一定压力的气体骤然膨胀使 其 温度大幅度下降而致冷来回收气体中的凝液。 热分离机是冷却发生器，它是使气体通过一个独特的制冷头膨胀而制冷的。 制冷头是由许多接收管和一个旋转气体分配器（ 1000~1500 转 /分 ）所组成。 高压入口气体向接受管喷射时由于等熵膨胀而降温，在接收管内的气体吸收冲击波的能量而升温，移走热量后，管内气体恢复到原来的压力。 冷气由排气管排出，与入口气换冷。 整个过程无需外界供能。 热分离机一般能达到的温度为 ﹣ 30℃。 此法一般用于从伴生气中回收汽油。 采用热分离机制冷的天然气凝液回收原理流程图见 24。 24 热分离机制冷工艺流程示意图 热分离机的优点是：①操作灵活性大；②适用于各种处理量；③投资和维修费用低。 缺点是效率低，适用性差，技术性能差，在我国仍处于试验阶段。 3. 膨胀机制冷法 天然气加工技术及其应用 12 当节流阀或热分离机制冷不能达到所要求的凝液收率时可考虑采用膨胀机制冷。 1964 年美国首先将透平膨胀机制冷技术用于天然气凝液回收过程中，透平膨胀机法的基础是一定压力的气体通过一个透平膨胀机，膨胀的同时产生有用功。 在膨胀过程中气流被冷却至非常低的温度，于是大量重组分冷凝下来。 由于此法具有流程简单、操作方便、 投资低及效率高等优点，因此近二三十年来发展很快，美国新建或改建是我天然气凝液回收装置有 90%以上采用了透平膨胀机制冷法。 天然气采用膨胀机制冷回收液烃时的原理流程见图 25，该技术的主要设备有换燃器、增压机 、压缩机、膨胀机、去分馏塔、脱甲烷塔等。 图 25 采用膨胀机制冷的 NGL 回收原理流程 膨胀机制冷法的优点是： ① 效率高，对比于等熵膨胀效率为 ~； ② 允许达 20%（重）的液体在机内冷凝； ③ 气体膨胀时得到的能量可以用作发电机或压缩机的动力； ④ 可靠性高。 缺点是处理能力的灵活性较差，限定为 20%，超过此范围时，效率下降到设计处理量时的 60%。 透平膨胀机法由于设备比较简单，投资小，凝液回收效率高，已被日益广泛地用于天然气深冷加工中，并成为天然气加工工业中发展最快的一种方法。 国外认为对于处理量为中等至大规 模（ 84~700 万 m179。 ／ d）和原料其中凝液含量为~／ m179。 情况下的天然气凝液回收选用此法比较经济。 联合制冷法 联合制冷法又称为冷剂与直接膨胀联合制冷法。 此法是冷剂制冷法与直接膨胀制冷法二者的复合，冷量一部分 由膨胀制冷法提供，另一部分由冷剂制冷法提供。 当原料气组成较富， 其压力低于适宜的冷凝分离压力，为了充分、经济地回收天然气液而设置原料气压缩机时，应采用有冷剂预冷的联合制冷法。 本科毕业设计（论文） 13 由于我国的伴生气大多具有组成较富、压力较低的特点，所以自 80 年代以来新建或改建的天然气液回收装置普遍采用膨 胀制冷法及有冷剂顶冷的联合制冷法，而其中的膨。