天然气冷凝分离脱烃工艺科普与适应性分析_李宁.pdf

74科技视界Science&Technology VisionF新技术应用New Technology Application引言天然气中常含有饱和水、天然气凝液（NGL）等，为了可以让天然气气质指标以及深度分离工艺的各项需求能够得到满足，必须要先除去饱和水和天然气凝液。在 19世纪，人们发现了一种类似于冰块的气体水化物。它是一种与冰相似，非化学计量的结晶化合物，在适当温度、压力或者是气体饱和度的情况下，遇到火焰就可以燃烧。天然气水化物的生成以及沉淀，对于气井、管道等少数部分的工厂设备会造成一定的影响。本文通过对浓缩分离技术，凝结分离技术的分析，研究了处理装置运行参数敏感性分析，研究冷凝分离适应性，主要包括脱烃压力、脱烃温度、脱乙烷进料温度、脱乙烷塔底温度、脱乙烷等几个方面的影响，从而提出提高轻烃回收率的主要途径优化操作参数和改变制冷方法。另外，由于天然气凝结物的存在，提高了输送管道的压力，减少了凝结气体的气液两相流，提高了经济性。一、国内脱烃技术的相关研究国内天然气的液氢分离技术发展较晚，在 20 世纪 60年代开始对 C3液体的产品进行回收实验以及分离实验，在70 年代到 80 年代之间，随着北方地区天然开采的工艺不断发展，从油田伴生天然气中提取 C；各类生产设备相继投产。同时，天然气的处理目标也扩展到了 C2产品上。近几年，通过引进、吸收和消化国外先进的技术，我国的脱烃厂在技术、设备制造、自动控制等方面取得了较大的进展。国内当前阶段存在的制冷剂循环制冷、冷剂制冷和膨胀制冷 3 种制冷方式，在低温不超过-50的设备当中，大多数会采用冷剂或者是单段膨胀式制冷，而在低温设备当中，大多数是以膨胀式制冷为主要方式。当前国内的中低温设备当中，大多数是用于提高 C3的产率，而 C2大多数没有得到回收。混合制冷技术具有制冷温度低，产品回收率高，对原料的变化有很好的适应性等优点，但是其缺点是工艺流程非常复杂，需要投入大量的资金，且会消耗大量的资源。天然气冷凝分离脱烃工艺科普与适应性分析李宁（山东莱克工程设计有限公司,山东东营257000）【摘要】天然气行业的持续低迷迫使传统油气田企业必须加快转型，努力寻找新的经济增长点。近年来，我国城市化进程日益加快，对天然气的需求量逐年增长，同时也对天然气净化能力提出了更高的要求。文章通过对天然气脱烃工艺技术研究，介绍了脱烃工艺；研究冷凝分离适应性方面，对浓缩分离技术，凝结分离技术进行分析；对脱乙烷塔塔板数的影响、脱乙烷塔底温度的影响、脱乙烷进料温度的影响、脱烃温度的影响、脱烃压力的影响进行分析，对脱烃系统工艺参数进行敏感性分析，通过优化操作参数和改变制冷方法，从而提高轻烃回收率。【关键词】天然气处理；脱烃工艺；适应性23年04期.indd 7423年04期.indd 742023/5/4 15:52:412023/5/4 15:52:4175科技视界Science&Technology VisionF新技术应用New Technology Application二、天然气气质组分一般，油田伴生气来气压力约为 0.150.25MPa，而装置处理能力一般按 10104m3/d（标况）计算，天然气进装置压力约为 6MPa，温度为 30，因此，设计脱烃压力常为 5.5MPa，温度-35，实际温度为-10-25，外输压力取决于外输管线背压，约为 24MPa。通常情况下，进入装置的天然气气质组分主要 3 大类：气质较富（气质 1）、气质较贫（气质 3）、气质介于较富和较贫二者之间（气质 2）。三、天然气水及烃质的影响气体在集输的过程中，随着气温甚至是气压的持续改变，容易形成反凝析，也就很容易产生腐蚀堵塞。当在管线中它以气态的状态出现的时候，不会对管线的集输工作造成相应的影响，如果是液态状态的话，会对管线的集输工作造成负面的影响。如在对居民提高水压的过程中，由于液体水的大量存在和极大的减天然气的供水质量，从而缩减了管道的使用寿命。在水温较低的状况下，液体水会变成固体状态，从而直接降低了管道的输送效率，对管道产生了腐蚀性，进而会造成管道阻塞的状况发生。而气体低温脱水处理工艺则是将溶液吸收到管道集输的过程中，运用光化学反应溶解机理，使用溶剂吸附技术，对废气中的水分进行吸收，确保了集输过程中气体不形成水化物，同时降低了对水相中的危险。由于三甘醇是将水汽弥散脱除的最重要方法，它能够更大规模地对空气中进行低温脱水，使露点的气温可以降低近 10。固体吸收技术主要是把空气中的水分子分散，然后再利用吸附剂的功能将其脱水。这项技术的问世，使天然气中的水分获得了进一步的净化，但是因为它所需的能量非常庞大，而且操作起来也比较烦琐，因此目前主要用于小型的脱水反应，并没有用于集输。冷却、分离、再分离的主要工艺，有气波法和节流膨胀等方法。气波冷却工艺在国外已经获得了普遍的运用，它利用自身的能量来进行低温冷却。气体在集中运输以前预先加以冷却，称为冷分离工艺。它的基本原理是：当气温下降至液态水冻结的阶段，液态水将会以液体方式和大气进行隔离。超音速分离技术，是一个安全、环境、低效率的生产技术，目前已广泛用于油田的脱水。采用气体膨胀冷却技术，对超音速燃气进行了冷却和脱水。四、天然气脱烃工艺技术简介天然气脱烃工艺轻烃回收过程一般在天然气处理厂中进行，回收工艺主要有：吸附法、油吸收法、冷凝分离法。4.1吸附法吸附法是采用活性炭、硅胶、硅藻土等多孔固体吸附剂，在不同的碳氢化合物上吸附不同的碳氢化合物，以达到分离的目的。这种方法通常是从潮湿气体中提取重碳氢化合物，主要用于低浓度 C3+的处理量，还可以作为脱水和回收烃类的手段，使得水露点和烃露点符合管道输送的要求。4.2油吸收法石油吸收法是采用一定的分子量的烃类（也就是吸收油），将其从甲烷中分离出来。吸收油通常采用 C3、C4、芳香族类等油类作为吸收剂。4.3冷凝分离法冷凝分离法是在一定的压力下，通过不同的挥发度，将天然气冷却到低于露点温度，并对其进行冷凝和分离（见图 1）。五、冷凝分离适应性研究浓缩分离又叫低温分离。通常可以分为浅寒和中等低温两种。浅冷主要是为了回收 C3+，同时满足碳氢化合物的露点，低温主要是-1525，低温则是为了回收 C2+，一般在-90100之间。中低温通常为-3080，以增加 C3+含量。其特征在于，在某一特定的压力下，必须供给充足的冷量，以冷却天然气。根据供冷量的方式，可以将其分成 323年04期.indd 7523年04期.indd 752023/5/4 15:52:422023/5/4 15:52:4276科技视界Science&Technology VisionF新技术应用New Technology Application类：冷剂制冷法、直接膨胀法和冷剂+直接膨胀法。图 1石油天然气冷凝分离装置在 C3+碳氢化合物回收装置中，应确定合适的凝结压力和温度，以确保高的回收率，并使设备处于最佳工作状态。C2、C3、C3+的液化速度随压力升高和温度下降而增大，但不同组份的液化速度不同。液化率随压力的增大而迅速增大，但在达到 3.5MPa 以上时，其上升速度下降。但如果压力过小（1.5MPa），则必须降低凝结温度，才能提高液化速率。凝结分离技术具有在一定压力下为天然气供给足够的制冷能力。根据制冷系统的不同，冷凝法可以分为 3 类：冷媒制冷、直接膨胀制冷、联合制冷。工作于冷却周期的制冷剂叫作制冷剂。目前，可用作制冷剂的材料有下列几种：（1）卤代碳氢化合物。这两种物质都是甲烷、乙烷、丙烷的衍生物。（2）一种无机化合物冷却剂。氨、一氧化碳、二氧化硫等都是这类冷剂，氨是常见的。（3）碳氢化合物冷却剂。通常使用的碳氢化合物有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯和丙烯。在 NGL 的回收和液化中广泛使用单一的碳氢化合物或混合碳氢化合物。冷剂的物理化学性能参差不齐。本文根据制冷剂的物理特性和制冷剂的使用特性，进行了以下对比：（1）应具有较大的蒸发潜热；（2）工作压力和单位容积要适当；（3）冷却剂的化学稳定性要好；（4）所述冷却剂不得具有可燃和爆炸性；（5）冷剂必须在现场使用。在冷剂型 NGL 循环设备中，以氨气、丙烷为主。国内现有生产设备使用的氨气最多，而使用丙烷制冷剂的设备也在逐渐增多，目前新建的设备主要是丙烷。冷剂冷冻是通过对原料气体进行汽化，使其降温到露点以下，再将少量 C2和大量 C3+从原料气体中分离出来，达到碳露点的条件。在使用冷剂进行冷媒冷却时，利用独立的外循环制冷系统来供应天然气中的 NGL 冷量，制冷量不受原料气贫富的影响，对进料气体的压力没有严格的要求，而且在操作过程中，可以根据原料气量、成分和季节温度的变化而调整制冷量。脱烃工艺设备如图 2 所示。图 2脱烃工艺设备所述冷剂的最佳冷却温度为：氨水适合在-28以上的原料气冻结条件下使用；在低温下，丙烷适合在-37以上的原料气体冻结条件下使用；以乙烷和丙烷为主的混合制冷系统，适合在-40以下的原料气体使用。六、处理装置运行参数敏感性分析采用 HYSYS 软件对现有工艺进行模拟，通过对脱烃系统工艺参数进行敏感性分析，研究参数对回收率及经济23年04期.indd 7623年04期.indd 762023/5/4 15:52:432023/5/4 15:52:4377科技视界Science&Technology VisionF新技术应用New Technology Application效益的影响。6.1脱烃压力的影响保证脱烃温度为-35不变的情况下，改变脱烃压力，分别研究脱烃压力对回收率和压缩机功率的影响。随着压力的增加回收率先增加，4.55.5MPa 左右时回收率达到最大值，然后逐步减小，且组分越贫回收率越低；在不同组分间进行对比，组分越贫回收率最高点的压力越低，因此较贫的组分脱烃压力不应太高。6.2脱烃温度的影响回收率随着温度的降低而增高，同时制冷机功率也以相同趋势增高，温度对回收率的影响较大。但由于制冷机功率以及后端烃液温度功率的限制，低温分离温度不宜太低，因此保证低温分离温度不低于-40。6.3脱乙烷进料温度的影响在保证低温分离器温度和压力不变的情况下，改变脱乙烷塔的进料温度，并对回收率及塔底再沸器功率进行分析。随着脱乙烷塔进料温度的提高，的回收率随之下降，这是由于进料温度的提高会造成部分气化，导致无法将其分离出来，从而降低收率；随着脱乙烷塔进料温度的提高，塔底再沸器功率随之降低。6.4脱乙烷塔底温度的影响在不改变其他条件的情况下，观察塔底再沸器温度对回收率的影响。塔底再沸器在一定温度时回收率在一个水平线上保持不变，当温度高于某个温度时，回收率迅速降低，且气质越贫，对应的回收率迅速降低的温度点越高。因此塔底再沸器的温度不应过高，否则会影响回收率。6.5脱乙烷塔塔板数的影响通过对脱乙烷塔的塔板数进行调整，在塔板数小于6 块时，随着塔板数量的增加，C3的回收率随之提高，当高于 6 块塔板时，C3的回收率基本保持不变，因此为保证回收率，脱乙烷塔塔板数不应低于 6 块。七、提高轻烃回收率的途径7.1优化操作参数（1）原料气体成分的最佳化（2）对系统的压力进行最优化（3）对系统凝结温度的最优化。7.2改变制冷方法目前，国内的浅低温设备多采用氨气压缩制冷，其制冷温度通常在-1825。若采用丙烷制冷剂，将制冷量降低到-30，则能显著地改善轻烃的产率。综合制冷技术（也就是低温工艺）是改善轻烃产率的一种有效方法。以丙烷制冷和膨胀机理冷却为代表，其冷凝温度在-80100，从而提高了轻烃的产率。在中深冷装置中，近两年来，多采用了混合制冷，C3产率在 75%85%。八、结语近几年，国外开发利用多种脱烃新技术，在节能降耗，提高轻烃收率方面起着重要的作用，引进、吸收、再次开发利用这些新技术是提高我国脱烃技术水平的有效途径。可以针对原料气的组成，压力和处理量等条件，选择适宜的新工艺技术，如气体过冷工艺（GSP）技术、液体过冷工艺（LSP）技术、直接换热（DHX）工艺技术、Twister分离技术等。另外还可通过工艺改进，尽可能地回收利用脱烃装置内的冷量，如低温干气将原料气先预冷后再外输，也可从脱甲烷塔或脱乙烷塔下部引出低温液体将原料气进行预冷等方法。一方面可以降低装置能耗，同时也可达到提高所要回收轻烃的液化率，从而达到节能降耗、提高收率的目的。参考文献1 宋婧，王丽，陈家庆，等.喷管超音速分离技术在天然气脱水中的应用研究 J.北京石油化工学院学报，2010（1）：16-18.2 张林，付晗阳.节流脱重烃工艺在膜脱碳系统中的应用 J.化工管理，2021（10）：166-167.3 李雁，丁理格，黄愿，等.风机的防喘振控制及优化浅析 J.仪器仪表用户，2021，28（3）：99-102.4 张政.南翼山站与尖北站天然气脱水效果分析 J.科学技术创新，2021（1）：195-196.23年04期.indd 7723年04期.indd 772023/5/4 15:52:432023/5/4 15:52:43