富气乙烷回收工艺改进.pdf

能源化工Energy Chemical Industry第 44 卷第 3 期2023 年 6 月Vol.44 No.3Jun.,2023富气乙烷回收工艺改进*李斐1，杨冬磊2(1.陕西国防工业职业技术学院，陕西西安 710300；2.中国石油塔里木油田分公司油气运销部，新疆库尔勒 841000)摘要：天然气富气中乙烷回收工艺在冷凝过程中，具有凝液量大且甲烷含量高、进入膨胀机的气量少、脱甲烷塔底部温度较高等特点，存在冷箱夹点控制困难、系统能耗高等技术问题。为降低富气乙烷回收工艺系统能耗，基于 RSV 工艺提出了 SRSV 改进工艺。能耗分析表明，SRSV 工艺的总压缩功较低，投资成本低，具有经济优势。特性分析表明，脱甲烷塔压力和低温分离器温度直接影响乙烷回收率及总压缩功耗。适应性分析表明，原料气压力越低，工艺的总压缩功耗越高，主冷箱内冷热复合曲线越靠近，越易发生温度交叉；富气的 GPM 值越大，SRSV 工艺的总压缩功越高，预冷箱内冷热复合曲线越靠近；原料气中 CO2含量越高，SRSV 工艺的总压缩功越高，脱甲烷塔内 CO2冻堵裕量越小。关键词：富气；乙烷回收；能耗分析；特性分析；适应性分析中图分类号：TE646 文献标志码：A 文章编号：2095-9834(2023)03-0029-05引文格式：李斐,杨冬磊.富气乙烷回收工艺改进 J.能源化工,2023,44(3):29-33.Process improvement of gas-rich ethane recovery processLI Fei1，YANG Donglei2(1.Shaanxi Institute of Technology,Xian 710300,Shaanxi,China；2.Oil and Gas Transportation and Marketing Department,PetroChina Tarim Oilfield Company,Kuerle 841000,Xinjiang,China)Abstract:The gas-rich ethane recovery process is characterized by large amount of condensate and high methane content in the condensation process,less gas entering the expander,and high temperature at the bottom of the methane removal tower.There are technical problems such as difficult control of cold box clamp point and high energy consumption of the system.In order to reduce the energy consumption of gas-rich ethane recovery process system,an improved SRSV process is proposed based on RSV process.Energy consumption analysis shows that SRSV process has low total compression power consumption,low investment cost and economic advantages.Characteristic analysis shows that the demethanizer pressure and the low-temperature separator temperature directly affect the ethane recovery and total compression power consumption.The adaptability analysis shows that the lower the feed-gas pressure is,the higher the total compression power consumption of the process is,and the closer the composite curves of heat and cold in the main cold box are,the more likely temperature crossover occurs.The higher the GPM value of rich gas is,the higher the total compression power consumption of SRSV process is,and the closer the composite curves of heat and cold in the precooler are.The higher the CO2 content in the feed gas is,the higher the total compression power consumption of SRSV process is,and the smaller the CO2 freeze plugging margin in the methane removal tower is.Key words:gas rich;ethane recovery process;consumption analysis;characteristics analysis;adaptability analysis收稿日期：2022-05-18。作者简介：李斐(1994)，女，陕西西安人，讲师，硕士研究生，主要从事天然气处理和石油化工方向的研究工作。E-mail：。*基金项目：陕西国防工业职业技术学院 2023 年度科研项目“中高压富气乙烷回收应用工艺技术研究”(Gfy23-38)。研究与开发30能源化工2023 年 6 月天然气乙烷回收是指回收天然气中的乙烷等组分，高温高压的油田伴生气中乙烷及重组分含量较高，乙烷体积分数高达 12%，具有较高的乙烷回收价值。为提高油气田开发效益，多数油气田对回收天然气中的乙烷十分重视。因此，为有效利用油气资源，以提高凝液回收率、降低系统能耗为目标，开发出一种适合于高效回收天然气乙烷的工艺，以期提高乙烷回收装置的经济效益，实现油气田的高效开发1-2。目前，乙烷回收装置回收工艺主要有气相过冷工艺(GSP)、液相过冷工艺(LSP)、部分干气循环工艺(RSV)和冷渣气回流法(CRR)等，在不同原料气气质下对上述乙烷回收工艺进行对比分析，发现 RSV 工艺具有较高的乙烷回收率和经济效益3。RSV 工艺具有乙烷回收率高，对原料气适应性较强的特点，是应用较广泛的乙烷回收工艺之一4-5。笔者根据 RSV 工艺，基于国内油气田气质较富的高压天然气提出一种改进工艺，改进方向分别采用侧线抽出回流提取法以增加脱甲烷塔上部气体入口流量，提高了能量的综合利用效率；对工艺进行了模拟研究，并对比分析了 2 种工艺的能耗，优选出节能效果较好的改进工艺。1富气乙烷回收工艺特性1.1富气冷凝特性原料气气质贫富程度可用 GPM 值来反映，GPM 值表示每千标准立方英尺(1 立方英尺=0.028 316 8 m3)的天然气中可回收凝液量的体积(按美制加仑计，1美制加仑0.003 785 4 m3)。当GPM值低于2.5时，天然气为贫气；GPM值高于2.5时，天然气为富气。GPM值越大，气质越富。典型富气组成见表1。1.2乙烷回收工艺特性目前，RSV 工艺是乙烷回收普遍采用的工艺之一，其工艺流程见图 1。由图 1 可见：RSV 工艺采用部分富含甲烷的外输干气作为塔顶回流，再经过冷冷箱中塔顶气降温后节流闪蒸进入塔顶部，对脱甲烷上部乙烷组分具有较好的冷凝效果，乙烷回收率较高。当原料气气质较富时，原料气降温后的冷凝率高，进入膨胀机的气量减少，膨胀机产生的冷量及输出功降低，且大量甲烷被冷凝到凝液中，节流后进入脱甲烷塔表1富气气质组成项目富气1#富气2#富气3#气质组成()/%N20.5513.1650.151CO20.2010.4351.027C184.98174.26567.877C28.65012.4059.384C33.3876.3398.808i-C40.5741.3673.192n-C40.8491.1504.966i-C50.2720.2781.655n-C50.2030.2261.411C60.1650.1400.919C70.0990.1260.452C80.0340.0710.139C90.0190.0260.018C100.0150.0070.001GPM值4.016.269.31图1RSV乙烷回收工艺流程示意中部，会造成脱甲烷塔甲烷与乙烷分离负荷增加。为进一步分析 RSV 工艺中原料气为富气时的特性，针对表 1 中 3 种富气进行工艺流程模拟。模拟条件为：原料气的进气压力为 6.0 MPa，温度为42，处理量为 500104 m3/d，外输干气压力为 6.2 MPa，气液平衡模型选用 Peng-Robinson 方程，熵焓模型采用 Lee-Kesler 方程。模拟中主要的控制参数见表 2；原料气分别为 3 种富气时，RSV 工艺流程模拟结果见表 3。由表 3 可见：原料气气质越富，膨胀机回收功越小，制冷循环压缩功越大，总压缩功越大，这是由于原料气气质越富，重组分含量越多，低温分离时冷凝率越高，进入膨胀机的气量越小，且冷凝重组分所需的浅冷冷量增大，丙烷冷剂循环量增加。原料气气质越富，脱甲烷塔底凝液温度越高，塔底凝液进入预冷箱提供预冷冷量，预冷箱内冷热复合曲线越靠近，当原料气为富气 3#时，脱甲烷塔31第 44 卷第 3 期表2模拟分析中主要控制参数项目数值脱甲烷塔压降/kPa30脱甲烷塔塔板数/块25脱乙烷塔压降/kPa30脱乙烷塔塔板数/块24吸收塔压降/kPa20吸收塔塔板数/块8脱甲烷塔CO2冻堵余量/5乙烷回收率(w)/%95冷箱夹点温度/3.5冷箱压降/kPa30空冷器出口温度/50膨胀机绝热效率/%85压缩机绝热效率/%75乙烷产品中C1含量(w)/%1.0乙烷产品中C2含量(w)/%96.0乙烷产品中C3含量(w)/%2.5表3RSV工艺流程模拟结果项目富气1#富气2#富气3#预冷温度/192225低温分离器温度/-45-45-40低温分离冷凝率/%18.1339.3061.58外输气回流比/%16.4418.009.10低温分离器气相分流比/%181818低温分离器凝液分流比/%252530脱甲烷塔压力/MPa2.72.71.8脱甲烷塔顶温度/-97.40-97.14-103.37脱甲烷塔底温度/27.7029.9339.03制冷循环压缩机功/kW2 0393 9754 085外输气压缩机功/kW6 5506 2437 408膨胀机回收功/kW1 192903824总压缩功/kW8 58910 21811 493底凝液温度过高，预冷箱会出现温度交叉现象，影响系统热集成。综上分析，富气中重组分含量较多，乙烷回收工艺易存在以下问题：原料气冷凝过程中凝液量大，进入膨胀机的气量减少，膨胀产生的冷量减少，回收的膨胀功减小；预冷冷量较大，外部制冷循环功耗大，乙烷回收装置能耗高；脱甲塔底物料温度较高影响系统热集成。因此，为提高乙烷回收率及降低装置能耗，需对富气气质条件下的乙烷回收工艺进行改进。2富气乙烷回收工艺改进2.1SRSV工艺在典型的富气乙烷回收工艺中，RSV 工艺是将部分外输气过冷回流至脱甲烷塔顶，而压缩气补充精馏(SRC)工艺是将脱甲烷塔中部侧线抽出气先增压再过冷回流至脱甲烷塔顶。将两者的特点结合后再进行工艺流程优化改进，得到了带压缩和部分干气再循环(SRSV)的改进工艺，工艺流程见图 2。图2SRSV乙烷回收工艺流程示意2.2乙烷回收工艺流程模拟对比分析采用 Aspen HYSYS 工艺流程模拟软件对 RSV、SRSV 2 种乙烷回收工艺进行模拟，对比分析各工艺的能耗情况，并通过分析找出改进工艺具有节能优势的原因。乙烷回收系统能耗中总压缩功占 90%以上，该计算分析中以总压缩功近似代替系统整体能耗，总压缩功主要包括外输压缩功和制冷系统压缩功。2 种乙烷回收工艺能耗对比分析结果见图 3。图32种乙烷回收工艺能耗对比由图 3 可见：3 种富气的 SRSV 工艺的总压缩功均低于 RSV 工艺，这是由于 SRSV 工艺是利用脱甲烷塔中部侧线抽出气先增压再过冷回流至脱甲烷塔顶的特点，增加了脱甲烷塔顶部的液相甲烷量，提高了乙烷回收率。同时，脱甲烷塔中部侧线抽出减小了外输气回流比，进而减小了外输气压缩功率，降低了总压缩功率。原料气气质越富，SRSV 工艺节省的压缩功率越多。李斐,等.富气乙烷回收工艺改进32能源化工2023 年 6 月3SRSV工艺特性及适应性分析3.1脱甲烷塔压力及低温分离器温度的影响脱甲烷塔压力直接影响膨胀机膨胀产生的冷量和脱甲烷塔内温度，间接影响主冷箱内冷热物流温位匹配的合理性以及外输气压缩机的压缩功耗和丙烷制冷循环的压缩功耗。因此，根据气源压力大小，必须先确定出合适的脱甲烷塔压力以及与之相匹配的低温分离温度。脱甲烷塔压力和低温分离温度对工艺的影响见表 4。表4脱甲烷塔压力和低温分离温度对工艺的影响项目工艺参数值脱甲烷塔压力/MPa2.502.602.702.80低温分离器温度/-49-49-48-46预冷温度/20202224低温分离冷凝率/%45.9045.9044.1040.81外输气回流比/%9.3810.2513.3818.63低温分离器凝液分流比/%14131416低温分离器凝液节流压力/MPa4.74.74.74.7低温分离器凝液复热温度/-38-38-38-38脱甲烷塔顶温度/-99.03-98.09-97.16-96.25脱甲烷塔底温度/25.4627.6129.8332.02脱甲烷塔CO2冻堵裕量/17.2217.9317.8717.71制冷循环压缩机功/kW4 3774 4414 2704 244外输气压缩机功/kW5 6725 4295 3785 471膨胀机回收功/kW1 0259809791 013总压缩功/kW10 0499 8719 7499 714乙烷回收率/%95.0095.0095.0095.00由表 4 可见：随着脱甲烷塔压力升高，与之对应的低温分离温度越高，外输回流比逐渐增大，但总压缩功率下降，且下降幅度逐渐缓慢。脱甲烷塔压力设置为 2.8 MPa 且低温分离器温度设置为-46 时较为合适。这是由于脱甲烷塔压力越高，脱甲烷塔内部温度越高，脱甲烷塔侧线抽出物流温度越高，导致冷箱夹点降低，需提高低温分离温度并控制主冷箱夹点在 3.5，同时提高外输回流比保证乙烷回收率在 95%；升高脱甲烷塔压力降低了外输气压缩机的压缩比，提高外输回流比增加了外输气压缩机的流量，导致外输气压缩机功率先下降再升高；提高低温分离器温度使得丙烷冷剂的循环量降低，制冷压缩机功率下降，因此工艺的总压缩功逐渐降低且下降幅度变缓。3.2原料气气质组成的适应性分析在不同原料气气质下对 SRSV 工艺进行模拟分析，原料气压力为 6.0 MPa 时原料气气质变化对压缩功率的影响见图 4。图4原料气气质对压缩功率的影响由图 4 可见：随着原料气气质 GPM 值增大，工艺的制冷循环压缩功、外输气压缩功以及总压缩功均增大，表明原料气气质越富，工艺的能耗越大。这是由于原料气气质越富，原料气中重组分越多，所需预冷冷量增大，制冷循环压缩功升高；同时，原料气低温分离时冷凝率升高，进入膨胀机的气量减小，膨胀机膨胀产生的冷量减少，乙烷回收率下降，通过增加外输气回流比使乙烷回收率维持在95%，进而使经过外输气压缩机的气量增大，外输气压缩功率上升。3.3原料气中CO2含量的适应性分析为了研究 SRSV 工艺对原料气中 CO2含量波动的适应性，对富气 2#气质进行模拟，模拟时原料气中 CO2体积分数为 0.5%2.5%，乙烷回收率维持在 95%，控制主冷箱夹点为 3.5，考察原料气中CO2含量对脱甲烷塔 CO2冻堵裕量的影响，结果见图 5。图5原料气中CO2含量对脱甲烷塔CO2冻堵裕量的影响由图 5 可见：随着原料气中 CO2含量升高，脱甲烷塔内 CO2冻堵裕量逐渐下降，但 CO2冻堵裕量较高且均大于零，表明 SRSV 工艺对原料气中33第 44 卷第 3 期李斐,等.富气乙烷回收工艺改进CO2含量变化具有较强的适应性。当原料气中 CO2体积分数为 2.5%时，脱甲烷塔内 CO2冻堵裕量为2.65，若原料气中 CO2含量进一步升高，脱甲烷塔内可能会出现 CO2冻堵问题。为了进一步研究 SRSV 工艺的抗 CO2冻堵能力也受原料气压力和气质组成的影响及 SRSV 工艺的抗 CO2冻堵能力特性，在不同原料气压力和气质组分下对 SRSV 工艺进行模拟分析。模拟分析时，乙烷回收率维持在 95%，不断提高原料气中 CO2含量，控制主冷箱夹点为 3.5，脱甲烷塔内 CO2冻堵裕量为 5.0，考察 2 种原料气压力和气质条件下 SRSV 工艺能适应的原料气 CO2最高含量，模拟结果见表 5。表5不同压力、气质条件下SRSV工艺适应的最大CO2含量模拟结果项目富气1#富气1#富气2#富气2#GPM值4.04.06.66.6原料气压力/MPa5.56.05.56.0原料气CO2最高含量()/%1.31.81.42.2脱甲烷塔CO2冻堵裕量/5.035.025.035.05预冷温度/15131716低温分离器温度/-55-53-50-48低温分离冷凝率/%28.9032.5743.8250.39外输气回流比/%13.0812.3913.3613.57低温分离器凝液节流压力/MPa4.24.44.85.6低温分离器凝液复热温度/-38-42-41-39脱甲烷塔压力/MPa2.502.702.402.60脱甲烷塔顶温度/-98.68-96.50-99.00-96.52脱甲烷塔底温度/17.5918.7519.4520.07制冷循环压缩机功/kW2 2072 2583 9304 086外输气压缩机功/kW7 1806 3976 9476 299膨胀机回收功/kW1 1521 0561 041881总压缩功/kW9 3988 65610 87710 385乙烷回收率/%95.0095.0095.0095.00由表 5 可见：原料气压力和气质组分均影响SRSV 工艺对原料气中 CO2含量的适应性。原料气气质越富，压力越高，SRSV 工艺所能适应的原料气 CO2最高含量越大。这是由于原料气气质越富，侧线抽出位置下移进入脱甲烷塔顶部的重烃组分越多，对脱甲烷塔顶 CO2的吸收效果越好，原料气压力越高，脱甲烷塔压力越高，CO2冻堵裕量越高，因此，当 CO2冻堵裕量为 5.0 时原料气能适应的最高 CO2含量越高。4结论1)针对富气气质，RSV 乙烷回收工艺存在低温分离凝液量大、膨胀功回收功减少、冷箱夹点控制困难、能耗高等问题。为降低富气乙烷回收系统能耗，基于 RSV 工艺提出了 SRSV 改进工艺，SRSV 工艺的总压缩功较低，具有节能优势。2)SRSV 工艺节能的原因是低温分离器的凝液进入主冷箱提供冷量，主冷箱内冷热复合曲线温位匹配较好，减小了主冷箱不可逆热损失；闪蒸分离器分离出低温分离器凝液中甲烷组分，以甲烷为主的闪蒸气过冷后进入脱甲烷塔顶，减小了甲烷与乙烷组分的分离负荷，同时提高了乙烷回收率，减小了外输气回流比，外输压缩机损减小。3)SRSV 工艺的脱甲烷塔压力设置为 2.8 MPa且低温分离器温度设置为-46 较为合适。SRSV工艺的总压缩功耗、冷箱内温位匹配以及抗 CO2冻堵能力受压力、气质组成、CO2含量等原料气气源条件影响，原料气的压力不宜低于 5.0 MPa，CO2体积分数不宜大于 2.0%。参考文献：1 LI Y J,LUO H.Integration of light hydrocarbons cryogenic separation process in refinery based on LNG cold energy utilizationJ.Chemical Engineering Research and Design,2015,93:632-639.2 JIN C H,LIM Y S.Economic evaluation of NGL recovery process schemes for lean feed compositionsJ.Chemical Engineering Research and Design,2018,129:297-305.3 GETU M,MAHADZIR S,LONG NV D,et al.Techno-economic analysis of potential natural gas liquid(NGL)recovery processes under variations of feed compositionsJ.Chemical Engineering Research and Design,2013,91(7):1272-1283.4 CAMPBELL R E,WILKINSON J D.Hydrocarbon gas pro-cessing:US5568737AP.1996-10-29.5 FOGLIETTA J H,HADDAD H,MOWREY E R,et al.Cryogenic process utilizing high pressure absorber column:US20010003388P.2002-10-31.