天然气轻烃回收工艺设计

天然气轻烃回收工艺设计内容摘要：

国，丙烷制冷工艺应用于轻烃回收装置还不到 10 年时间，但山于其制冷系数较大，制冷温度为 （ 35～ 30℃ ） ，丙烷制冷剂可由轻烃回收装置自行生产，无刺激性气味，因此近儿年来，该项技术迅速推广，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。 外冷法的优点是制冷系统制冷量不受原料气的贫富程度的限制，对原料气的压力无严格要求，可根据回收率的要求确定原料气被冷却后的温度，在装置运转中，可根据原料气量和组成的变化以及季节性的气温变化来改变制冷量的大小。 上世纪 80 年代之前，我国投产的轻烃回收装置都采用单纯的外制冷工艺流程。 目轻烃回收装置工艺设计 3 前该方法仍是我国各油田采用较多的工艺方法之一。 自制冷法 自制冷法主要用于回收 C3 或 C2， 它是利用原料气进天然气凝液回收装置的压力降产生制冷效应。 制冷量取决于原料气本身的压力和组成，不设置独立的制冷系统。 这种效应的产生，现阶段通常采用等嫡效率最高的透平膨胀机，此外还有热分离机、节流阀等膨胀制冷方式。 (1)节流制冷法 节流制冷法主要是依据焦耳一汤姆逊效应，较高压力的原料气通过节流阀降压膨胀，使原料气冷却并部分液化，以达到分离原料气的目的。 该方法具有流程简单、设备少、投资少的特点，但此过程效率低，只能使少量的重烃液化，故只有在气体有压力能可利用，处理量小，气体重 烃含量少和收率要求不高时 才 选 用此方法。 (2)透平膨胀机制冷法 采用透平膨胀机制冷法的前提条件是有自由压力能供利用的场合。 当具有一定压力的天然气通过透平膨胀机时，其膨胀过程近似于等嫡膨胀过程，获得膨胀功的同时，气流的温度将急剧下降。 因此，气流中的烃组分将被冷凝下来。 膨胀机制冷法的特点是流程简单，设备数量少，维护费用低，公用工程消耗低，占地面积小，因此近年来采用的较多。 但是当处理量过小时不宜采用，因为此时膨胀机效率较低，可考虑采用热分离机。 (3)热分离机制冷法 热分离机装置的流程与透平膨胀机装 置类似，主要差别是主冷设备不同，它是利用高能动力气体由转动 (或静止 )的喷嘴分配进入末端封闭的容器，形成压缩、膨胀，由动能转变为热能的多变过程。 压缩时放出的热量由周围环境吸收掉，而膨胀时则相似于等嫡过程使气体降温而达到制冷的目的。 热分离机具有结构简单，维修方便，省人省电，允许带液工作的特点，适用于小气量、带液量大和气源压力较高的场所。 但是国内开发应用的热分离机制冷技术，由于热分离效率低、适应性差、技术性能差、质量不过关等原因，在我国仍处于工业试验阶段。 混合制冷法 为了最大限 度地从天然气中回收轻烃，要求的温度更低，单一的制冷法一般难以达到，即便有时膨胀机制冷能达到温度，但由于出口带液问题，对富气仍是不适用的，这时往往采用混合制冷法，即冷冻循环的多级化和混合冷剂制冷以及西南石油大学本科毕业设计（论文） 4 膨胀机加外冷的方式来实现。 目前，轻烃回收工艺上应用最多的是外加冷剂循环制冷作为辅助冷源，膨胀制冷作为主冷源，并采取逐级冷冻和逐级分离出凝液的工艺措施来降低冷量消耗和提高冷冻深度，以达到较高的冷凝率，回收原料气中绝大部分丙烷组份，达到回收目的。 这种方法具有许多优点 ： 1)有两个冷源，因此运转适应性较大，即使外加制冷系 统发生故障，装置也能在保持较低收率情况下继续运行。 2)混合制冷法中的外加制冷系统比外加冷源法要简单、容量小。 外加冷源 解决高沸点较重烃类冷凝问题，膨胀制取的冷量用在较低温度位。 3)此种流程组合即可提高乙烷、丙烷收率，又可大大减少装置的能耗。 轻烃回收工艺方法进展 国内轻烃回收工艺的发展及现状分析 我国的天然气分离轻烃回收技术起步较晚，四川约始于 上世纪 60 年代开展了从天然气中分离、回收 C2 液体产物的试验工作，大约只相当于国外 上世纪 30— 40年代的 “ 天然汽油时代 ”， 由于工艺技术的限制， 轻烃的收率很低，回收的产品仅作为工业 或民用燃料 ， 用途有限，发展缓慢。 在 上世纪 70— 80 年代，随着北方各大油田陆续开发，其兼产的油田气也登上了加工的舞台，天然气加工对象扩伸向C2 产物。 近年来，由于我国石油化工飞速发展和世界的能源危机，使天然气及轻烃的需求量急剧增长，促使了我国轻烃回收技术的迅速发展。 我国在国外技术经验的基础上，设计出了适合国内油气田特点的工艺方法。 目前国产装置采用的主要工艺方法，归纳起来有 :外部冷剂循环制冷 ； 膨胀机制冷 ； 冷剂制冷和膨胀制冷相结合的混合制冷。 制冷温度不低于 50℃ 的浅冷装置，大部分 采用冷剂制冷或单级膨胀制冷，中深冷装置大部分采用冷剂制冷和膨胀制冷相结合的混合制冷方法。 目前，我国中深冷装置主要用于提高 C3 收率，乙烷大部分都未回收。 混合制冷主要优点是制冷温度低，产品收率高，对原料气的变化适应性强，缺点是流程比较复杂，投资高，装置的能耗也比较高。 国内开发应用的热分离机制冷技术， 上世纪 70 年代中期进入油田伴生气的加工行业， 1984 年浙大设计承建的两套热分离机回 收轻烃装置在辽河油旧投入使用。 从此，国内除节流、透平膨胀制冷外 ， 热分离机也开始应用于轻烃回收领域。 国外轻烃回收 工艺的发展及现状分析 国外的分离回收技术己有近 100 年的历史，工艺较先进，一些国家在提高加工深度、增加收率、合理利用油气资源上都取得了显著的成绩 在不同的历史时期，轻烃回收装置工艺设计 5 采用不同的回收方法。 自 上世纪 70 年代以来，国外以节能降耗，提高液烃收率为目的，对轻烃回收装置进行了一些列改进，出现了许多新工艺。 这些新工艺主要是在膨胀制冷流程和冷剂制冷流程基础上加以改进而发展起来的。 气体过冷工艺 (GSP)和液体过冷工艺 (LSP) 此工艺是对工业标准单级膨胀制冷工艺 (ISS)和多级膨胀制冷工艺 (MTP)的改进。 采用 GSP 工艺可在保持较高 C2 烃类收率的情况下，使原料气中 C2 的容许含量高于膨胀制冷工艺的容许含量，而且功耗较低。 直接换热工艺 (DHX) DHX 工艺是埃索资源公司首先提出并在 Judy Creek 工厂实践，叮收率由原来的 72%增加到 95%。 实践证明，在不回收乙烷的情况下 ， 利用 DHX 工艺可很容易地对现有的膨胀制冷流程加以改造，多数情况下所用投资较少。 混合冷剂制冷工艺 与传统的单组分冷剂或阶式制冷法相比，混合冷剂制冷 (MRC)法采用的冷剂可根据冷冻温度的高低配制冷剂 的组分与组成 一般是以乙烷、丙烷为主。 当压力一定时，混合冷剂在一个温度范围内随着温度逐渐升高而逐步汽化，因而在换热器中与待冷冻的天然气的传热温差很小，故其用效率很高。 当原料气与外输干气压差甚小，或在原料气较富的情况下，采用混合冷剂制冷法的工艺更为有利。 国内外轻烃回收技术的发展趋势 国内外轻烃回收技术将以低温分离法为主，向投资少、深分离、高效率、低能耗、橇装化、自动化的方向发展。 国内外轻烃回收工艺差距 近年来，轻烃回收作为油气田新的经济增长点，越来越受到重视，我国轻烃回收技术水平取得 了较大的进步，但从国内外轻烃回收技术的现状可以看出，我国轻烃回收技术与国外先进技术还有一定的距离。 国内天然气资源丰富，发展轻烃回收技术具有重要的意义。 西南石油大学本科毕业设计（论文） 6 2 设计说明书 设计概述 设计依据 SY/T0076－ 2020《天然气脱水设计规范》 SY/T0077－ 2020《天然气凝液回收设计规范》 HG20652－ 1998《塔设备》 GB/T9019— 2020《压力容器公称直径》 设计原则 本设计遵循降低能耗、提高回收率为原则，力求以最小的能耗得到最高的回收率为目的设计。 根据原料气中 C3+含量及自身可利用的压力降大小等因素选择合适的制冷工艺。 根据原料气预冷温度要求的脱水深度及原料气组成等多方面选择合适的脱水工艺流程。 设计内容 本设计主要根据已知天然气气源工况进行凝液回收装置工艺设计。 其中包括分离器工艺设计、吸附塔工艺设计、冷箱及预冷分离器工艺设计、膨胀机工艺设计、脱乙烷和丙丁烷塔工艺设计六大部分。 参考资料 化学工程手册编辑委员会 .化学工程手册 （上、下） [M].化 学工业出版社 ， 1989.余国骔 .化工机械工程手册 [M].化学工业出版社 ， 2020. 刘巍 .冷换设备 工艺计算手册 [M].中国石化出版社 ， 2020. 钱颂文 .换热器设计手册 [M].化工出版社 ， 2020. 中国石化上海工程有限公司 .化 工工艺设计手册 [M].化学工业出版社 ， 2020. 锅炉技术标准规范汇编 [M].中国标准出版社 ， 2020. 汇编技术委员会 编 .压力容器相关标准汇 编 [M].中国标准出版社 ， 2020. 轻烃回收装置工艺设计 7 主要设计参数说明 原料气处理量为 100104Nm3/d； 进气压力为 ； 进气温度为 38℃ ； 出站压力 Mpa； LPG 质量指标： C2＜ 3﹪ 、 C5＜ 3﹪。 原料气气体组成 ： 表 原料气组成 气体组分 C1 C2 C3 nC4 iC4 nC5 iC5 N2 莫尔分数 表 物流参数表 1 2 3 4 5 6 7 8 流量 (kmol/h) 压力 (MPa) 温度 (K) 311 223 223 密 度 (kmol/m3) 分子量 组成 C1 0 0 0 C2 0 C3 0 nC4 iC4 0 0 nC5 0 0 iC5 0 N2 0 0 0 工艺流程设计说明 工艺流程设计：初始原料气在进入流程之前，夹带有油、游离水和泥沙等杂物，所以在原料气的进口处设置一个原料气的预分离器，由于卧式分离器在处理气体流量很大的情况下，分离效果要优于立式分离器，所以选用卧式分离器；由于原料气中含水量较少，而且需要深度脱水，所以选用分子筛脱水，考虑到实际中是进行 24 小时生产，所以采用双塔分子筛脱水装置；为了减少生产中的能耗，西南石油大学本科毕业设计（论文） 8 提高效益，设置一个换热器，并采用现在技术较先进的板翅式换热器；气体预冷后，可以分离出一部分的重组分，由于分离的流量不大，所以采用立式分离器 ；对 于本设计由于原料气气质条件较贫，来料气压力较高，与外输干气之间 有 相当的压差可以利用，则选用膨胀机制冷。 现有的膨胀机中透平膨胀机在各种场合运用最广，所以本设计里液采用透平膨胀机；在最后的分离阶段，采用现有技术较先进的填料塔，而填料中规整填料效果比散装填料好，所以采用规整填料中运用较广的金属波纹板 250Y 型规整填料；凝液在脱乙烷塔内脱除 C2 后，进入脱丙丁烷塔精馏，塔顶产生的气体经过冷凝即得到产品液化石油气（ LPG），塔底产生的液体即是轻油产品。 最后的产品列于下表： 表 产品说明表 压力 MPa 温度 ℃ 回收率 ﹪ 产量 kg/h 干气 34 液化气 轻油 39 图 轻烃回收工艺流程图 轻烃回收装置工艺设计 9 3 轻烃回收工艺计算 分子筛 吸附器设计计算 分子筛是一种人工合成的无机吸附剂，它是具有骨架结构的碱金属或碱土金属的硅铝酸盐晶体。 分子筛通常分为 X 型和 A 型两类。 它们的吸附机理是相同的，区别在于晶体结构的内部特征。 A 型分子筛具有与沸石结构类似的物质，所有吸附均发生在晶体内部 孔 腔内。 X 型分子筛能吸附所有能被 A 型分子筛吸附的分子，并且具有稍高的容量。 分子筛表面具有较强的局部电荷，因而对极性分子和不饱和分子有很高的亲和力。 在脱水过程中，分子筛作为吸附剂的显著特点是： 1． 具有很好的选择吸附性。 分子筛能按照物质的分子大小进行选择吸附。 由于一定型号的分子筛其孔径大小一样，所以 一般说来只有比分子筛孔径小的分子才能被分子筛吸附在晶体内部的孔腔内，大于孔径的分子就被筛去。 通过选用适当型号的分子筛，可以达到选择性的吸附水，减少甚至消除 其他气体成分的共吸附作用，因而更加提高了吸附水的能力。 经分子筛干燥后的气体，一般含水量可达到 （ ～ 10） ppm，冷凝分离法轻烃回收装置中多用 4A， 5A 等分子筛做吸附剂，可以将天然气干燥至低露点。 2． 具有高效吸附特性。 分子筛在低 水汽分压、高温、高气体线速度等苛刻的条件下仍然保持较高的湿容量。 这是因为分子筛的表面积大于一般的吸附剂，达（ 700～ 900） m2/g。 随着相对湿度进一步降低，分子筛的湿容量与其他干燥剂相比相对地提高，因而分子筛用于天然气深度脱水时较其他吸附剂优越。 设计计算中涉及的主 要计算公式 1）分子筛的允许气体质量流量： ()b g pG C D () 式中 G —— 允许的气。