富含CO2天然气低温分离防冻堵工艺研究-.pdf

26 I 2。 2 年 8 月 富含 C O 2 天然气低温分离防冻堵工艺研究 王治红 吴明鸥 ’ 王小强 肖 乐 3 1 ． 西南石油大学 ， 四川成都6 1 0 5 0 0 2 ． 重庆天然气净化总厂綦江分厂 ， 重庆4 0 1 4 3 3 3 ． 中海油能源发展股份有限公司石化分公司， 广东惠州 5 1 6 0 8 6 摘要 富含 C O z 天然气在采 用低 温分 离技术进行处理 时， 容易 导致天然 气处理装置发 生 C O 冻堵 ， 造 成装置停车甚 至设备损坏 ， 影响装置的正常生产。借 助 H Y S Y S模拟软件 ， 选择 P R状态方程 ， 通过 气体过冷 、 液体过冷、 残余 气再循 环、 残余 气富集再循环 、 加入 防冻剂五种工 艺的 C O 在脱 甲烷塔 塔 液分布 、 乙烷 收率、 能耗等方 面的对 比分析 ， 寻求较佳 的方案解决 富含 C O 天 然气轻烃 回收装置 的 冻堵 问题。经过综合分析得 出， 残余 气再循环工艺及残余气 富集再循环工 艺性 能优 良， 能有效处理 富含 C 0z 天然 气。 关键 词 天然 气； C O 2 ； 冻堵 ； 乙烷收率 ； 防堵 工艺； H Y S Y S软件 文 献标识 码 A 文 章编 号 1 0 0 6 5 5 3 9 2 0 1 2 0 4 0 0 2 6 0 4 0前 言 在富含 C O 天然气 中， C O 不仅会降低天然气 的 热值 ，而且在低温分离法天然气轻烃 回收过程 中， 易 导致 C O 形成干冰 固体 ， 冻堵设备 ， 使气 、 液流动阻 力增大 ， 甚至损坏设备 ， 同时也降低分离设备运行效 率 ， 导致轻烃收率下降。 尽管对天然气中脱除 C O 已有 许多方法 ， 但均会增加处理装置的投资和生产成本阻 ] ， 因此 ， 传统工艺方案并不是富含 C O 天然气轻烃 回收 的最佳 工艺 。 以某气 田富含 c o 原料气为例 ， 该原料气温度 3 0 ℃， 压力 6 MP a 。原料气物料组成见表 1 。 图 1为含 4％C O 的天然气相 图，气液平衡 曲线 分 别 是相 图 的左右 边界 线 ， 两 边 界线 之 间非 阴 影 的区 域是混合物气一 液平衡的共存区域 ，阴影部分为生成 C O 固体的区域。若轻烃 回收装置中低温设备的操作 条件 操作温度和压力 落在相图阴影 区域 ， 将有 固体 C O 出现， 堵塞设备 。 表1 原料气物料 组成 兰 ， 8 1 -17 7 ；5 6 4 ．3 2 9 3 l -18 o ．3 2 0 ．2 9 O ．4 JD 0 ．2 9 O ．0 4 0 ．5 5 - 6 0 一l 0 温度／ ℃ 天然气相 点线 40 收 稿 日期 201 2 -0 4-1 2 作 者 简 介 王治红 1 9 7 4 一 ， 男 ， 四川 I 成都人 ， 副教授 ， 硕士 ， 主要从事天然气处理与加工 、 石油炼制与加工的教学和科研工作。 2 O 8 6 4 2 0 I 图 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 。卷 第 期 油 号 力 Ⅱ 工27O IL A N D G A S T R E A T I N G A N D P R O C E S S N G l 油 号 刀 Ⅱ 工 1 防止CO 冻堵工艺 富含 C O 天然气轻烃回收工艺 ， 主要有气体过冷 、 液体过冷 、 残余气再循环 、 残余气富集再循环等工艺 。 另外 ，由于脱 甲烷塔上端部分气相中的 C O z 摩尔分数 较大 ， 易析出固体 ， 可以考虑从脱 乙烷塔塔底引出一股 物流作为防冻介质进入脱 甲烷塔塔顶口 ] 。 1 ． 1 气 体 过冷 工艺 GS P 气体过冷工艺流程见 图 2 。 脱 田 烷 塔 L一 产品 图 2气 体 过 冷技 术工 艺 流 程 从低温分离器出来的部分气相进入换热器 ， 与脱 甲烷塔塔顶出来的气相换热过冷 ， 然后再节流闪蒸进 入脱 甲烷塔 的顶部 ， 以提供 回流 ； 另一部分气相经膨 胀机膨胀降温后进入脱 甲烷塔塔顶 。 低温分离器出来 的一部分液相随着低温分离器 出来的部分 气相进入 塔顶换热器， 另一部分液相直接进入塔中部 ] 。 1 _ 2液体 过冷工 艺 L SP 液体过冷工艺流程见图 3 。 脱 田 烷 塔 L 一 产品 图 3液体过冷技术工艺流程 从低温分 离器 出来 的气相通过膨胀机膨胀降温 后进入脱 甲烷塔塔顶。低温分离器出来的高压液相过 换热器后 ， 一部分液相经节流与高压液相换热后再进 入塔 中部 ；另一部分液相经过节流后直接进入塔顶 ， 可 提供 回流 l 5 ] 。 1 ． 3残余 气再循 环 工艺 R S V 残余气再循环工艺流程见图 4 。 从低温分离器出来的部分气相进入换热器 ， 与脱 甲烷塔塔顶出来的气相换热冷凝后 ， 再节流闪蒸进入 脱 甲烷塔塔顶 ， 另一部分气相经膨胀机后人塔。低温 分 离器 出来 的一部分液相 随着低温分离器出来 的部 脱 甲 烷 塔 L 品 图 4残余气再循环工艺流程 分气相进入塔顶换热器 ， 另一部分液相经节流后直接 进入塔中部。部分干气再压缩后进入冷箱与脱甲烷塔 塔顶气换热过冷 ，然后再节流降压作为塔顶进料 ， 提 供脱 甲烷塔顶的甲烷回流物流。 1 ． 4残 余气 富集再 循环 工艺 R S V E 残余气富集再循环工艺流程见 图 5 。 图 5残余气富集再循环工艺流程 脱 田 烷 塔 L产品 从低温分离器出来的部分气相进入换热器 ， 与脱 甲烷塔塔顶出来的气相换热后全部冷凝 ， 然后再节流 闪蒸进入脱 甲烷塔塔顶 ， 另一部分气相经膨胀机后入 塔。低温分离器出来 的一部分液相随着低温分离器出 来的部分气相进入塔顶换热器 ， 另一部分液相直接进 入塔中部。部分干气再压缩后与低温分离器的部分残 余气混合后经冷箱降温、 再节流降压作为塔顶进料。 1 ． 5加 入 防冻剂 工艺 加入防冻剂工艺流程见 图 6 。 图 6加 入 防 冻 剂 工 艺 流程 在常规流程 中， 从脱 乙烷塔塔底产物 中引一股釜 液经过节流换热后进入脱 甲烷塔塔顶 ，作为 防冻介 质 ， 提供塔顶循环。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 28 l I 2 年 8 月 I I 2不 同防冻堵工艺对 比 2 ． 1 脱 甲烷塔 中CO 分布规 律 原料气 中 C O z 摩尔含量为 5％， 乙烷收率为 8 3％ 时， 塔内精馏段 塔顶向下 1 0块板 液相 中 C O 摩尔分 布图 ， 见 图 7 。 咖{ 缸 封 0 U ． _ ． G S P -．LSP ． _RS V -RS VE 一防冻 剂 图 7塔 液 中 CO2 分 布 图 图 7中第 1 0块板为中部进料位置 ，由于 中部进 料 中含有大量重组分 ， 在进料板的前 3块板 ， 主要精 馏作用体现在重关键组分 C O 和重组分之间，此时重 关键组分 C O z 暂表现为易挥发组分 ，含量沿塔 向上递 增 ， 在第 9块板达到最 大值 ， 从第 7块板向上重组分 基本消失 ，精馏作用重新转移到轻重关键组分之间 ， 由于精馏作用 C O 含量开始单调下降。 从图 7可知 ，通过脱 甲烷的精馏作用后 ， G S P工 艺塔内液相中的 C O 摩尔含量最高， 加人防冻剂工艺 次 之 ， L S P 、 R S V、 R S V E工 艺 的 C O 摩 尔含 量 最 小 ， 尤 其 自塔顶 向下 的前 9块塔板上 C O 摩尔含量均不超 过 1 2％。 五个工艺相对常规工艺其回流设计可在同一 收率下调整塔的操作条件 ， 增加工艺的 C O 容纳量。 增 加循环干气 中重烃 的量可提高脱 甲烷塔上部液 相的 泡点温度 ， 使塔的操作条件偏离 C O 固体 的形成条件 ， 因此在 同一 乙烷收率 的情况下 R S V E工艺可容纳更 多 的 C O 2 。 2 ． 2乙烷收 率对 比 原料天然气 中 C O 摩尔含量为 0 ． 5％～ 5 ％时， 分别 与乙烷收率的关系见 图 8 。 由图 8可看 出 ， 在五 种工艺 中 ， 加人 防冻剂 工艺 的 乙烷收率最高 ， R S V工艺次之， 其次为 R S V E、 G S P 、 L S P 工艺。随着原料天然气 C O 2 摩尔含量的增加， 所有工艺 的乙烷收率均有所下降。由于 R S V E工艺塔顶乙烷含 量较多 ， 受平衡影响， R S V E工艺最终的乙烷收率略低。 2 ． 3能 耗对 比 在原料气 中 C O z 摩尔含量为 0 ． 5％，乙烷收率为 9 7 9 4 91 8 8 8 5 N 8 2 79 76 谆 O 1 2 3 4 C O 摩 尔含 量／ ％ 图 8乙烷收率图 图 9收 率一 能耗图 7 3％- 8 5％时 ， 五种工 艺 的能 耗见 图 9 。 随着 乙烷收率的增加 ， 五种工艺的能耗均相应增 加[ 6 ] 。在同一乙烷收率下， R S V工艺能耗最低 ， G S P工 艺能耗相对较高。 乙烷收率为 8 0 ％时 ， 五种工艺 的 C O 摩尔含量与 能耗关 系见 图 1 0 。 咖 抽 长 封 0 U 能耗／ k W 图 1 0 CO2 含 量一能 耗 图 随着 C O z 摩尔含量的增加 ， 五种工艺 的能耗均相 应增加。 整体上呈现 R S V工艺能耗最低 ， R S V E、 L S P 、 加人防冻剂工艺次之 ， G S P工艺能耗最高。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 第 3 。卷 第 4期 油号 加 【29O L A N D G A S T R E A T I N G A N D P R O C E S S I N G l 油亏 加 【 由于残余气提供了容积收率 ， 使得较低 的回流可 被用来调整塔 内的气相分布 ， 因此两个残余气 回流工 艺相对其他工艺 ， 其膨胀功较小 ， 整体能耗较低 。 3 结论 a G S P工艺在塔液中 C O 摩尔含量较高 ， 对脱 甲 烷塔塔顶温度控制的要求较严格 ， 否则易发生冻堵 。 b L S P工艺在塔液 中 C O 摩尔含量较低 ， 冻堵温 度较低 ， 能耗居中， 可适应 的操作范 围较广 ， 但 乙烷收 率总体较差 。 c R S V工艺在盘液中 C O 摩尔含量较低 ， 乙烷收率 较好 ， 能耗最低。 d R S V E工艺在盘液中 C O 摩尔含量较低 ，乙烷 收率居中， 能耗略大于 R S V工艺 。 e 加人防冻剂工艺在盘液中 C 0 摩尔含量较高， 回 流液 为脱 乙烷塔 釜液 ， 提供 充足 的重烃用 于 回流 ， 乙烷 收率最好 ， 由于 回流的脱乙烷塔的釜液需加压降温 ， 因 此能耗较大。 五种工艺 由于有部分液相进入塔顶而降低了 C O 冻堵的温度 。对于加入防冻剂工艺的方法 ， 因为含有 大量重烃的液相进入塔顶对防冻堵有 良好的效果 ， 其 C O 的容纳量较大， 回流量可灵活改变。 加入防冻剂工 艺最为简单 ，仅需从脱乙烷塔塔底引出一股液相 ， 泵 入脱 甲烷塔塔顶 即可。 总体而言 R S V、 R S V E工艺的性 能最 优 。 参考文献 [ 1 ]王开岳． 天然气脱硫脱碳工艺发展进程的回顾 U] ． 天然气与 石 油 ， 2 0 1 1 ， 2 9 1 1 5 2 1 ． [ 2 ]叶懋权 ， 陈全福． 二氧化碳 分 离技术一 石 油伴 生气处理工艺 [ M ] ． 上海 上海 交通大学 出版社 ， 1 9 9 0 ， 6 6 7 0 ． [ 3 ] 程振 华． 天然气处理厂脱 甲烷塔 CO， 冻堵 的规律及 解决方 案研究[ J ] ． 现代化工， 2 0 1 0 ， 3 0 8 8 0 8 2 ． [ 4 ] L y n c h J T， R i c h a r d N， Or t l o ff 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