低压天然气轻烃回收工艺.pdf
2 0 9 2 化 工 进 展 C H E MI C A L I N DUS T R Y A ND E NGI NE E R I NG P R O GR E S S 2 0 1 5年第 3 4卷第 7期 低压天然气轻烃回收工艺 陈天洪 ~,朱江 四川大学化学工程学院,四川 成都 6 1 0 0 4 1 ; 四川科比科油气工程有限公司,四川 成都 6 1 0 0 4 1 摘要通过对现有低压天然气 0 _ 3 ~1 . 6 MP a 轻烃回收方法比较,提 出一种新的改进吸附回收工艺,降低生产 消耗 ,提高轻烃的收率。本工艺采用两段变温变压吸附 T - P S A方法相结合,第一段 T - P S A主要脱除原料气中 水分,第二段 T - P S A主要回收原料气中的轻烃,回收的轻烃以压力不低于 1 . 6 MP a的液相混烃作为产品,保证烃 露点要求,满足储运安全。本工艺具有较 高的轻烃收率,丙烷和丁烷收率均大于 9 4 %,较 目前常采用的深冷回 收方法和一段变温吸附法的轻烃收率提高了 3 0 %4 0 %, 带来明显的经济效益 , 同时本工艺较外冷回收方法, 操 作弹性更大,适用性更强,特别适合小规模生产或需要经常搬迁的生产环境。因此,改进吸附回收工艺非常值 得推广应用。 关键词天然气;轻烃回收;分离;模拟;优化设计 中图分类号 T Q 2 8 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 0 6 6 1 3 2 0 1 50 7 2 0 9 2 0 5 D oI 1 0 . 1 6 0 8 5 . i s s n . 1 0 0 0 . 6 6 1 3 . 2 0 1 5 . 0 7 . 0 4 8 Re s e a r c h o n t he pr o c e s s o f l i g ht h ydr o c a r bo n r e c o v e r y f r o m l o w pr e s s ur e na t ur a l g a s CHEN T i a nh o n gl ~ , ZH U J i a n g 2 Co l l e g e o f Ch e mi c a l En g i n e e r i n g , S i c h u a n Un i v e r s i t y ,Ch e ng d u 6 1 0 0 4 1 ,S i c h u a n,Ch i n a ; S i c h u a n Co r b i c Oi l Ga s E n g i n e e r i n g Co . ,Lt d . ,Ch e n g d u 6 1 0 0 41 , S i c h u a n,Ch i n a Abs t r ac t Co mpa r e d wi t h t h e e x i s t i ng m e t ho ds o f l i g ht h y dr oc a r bo n r e c ov e r y f r o m l o w p r e s s u r e n a t u r a l ga s , a ne w mod i fie d a d s o r p t i o n r e c o v e ry p r o c e s s , wh i c h c a n r e du c e c o ns ump t i o n a nd i n c r e a s e r e c o v e r y r a t i o ,h a s b e e n p u t f o r wa r d . T h e p r o c e s s c o n s i s t s o f t wo s t a g e t e mp e r a t u r e a n d p r e s s u r e s wi n g a d s o r p t i o n s T - P S A . Wa t e r i n r a w g a s i s r e mo v e d i n t h e fi r s t s t a g e ,a n d l i g h t h y d r o c a r b o n i s r e c o v e r e d f r o m r a w g a s i n t h e s e c o n d s t a g e . W h e n t h e p r e s s u r e o f r e c o v e r e d l i q u i d l i g h t h y d r o c a r b o n i s n o t l e s s t h a n 1 . 6 MP a ,t h e h y d r o c a r b o n d e w p o i n t ,s t o r a g e a n d t r a n s p o r t a t i o n s a f e t y c a n me e t p r o j e c t r e q u i r e me n t s , t h e n t h e l i g h t h y d r o c a r b o n c a n b e d e e me d a s p r o d u c t s . T h e r e c o v e ry r a t i o o f p r o p a n e a n d b u t a n e a r e b o t h h i g h e r t h a n 9 4 %, wh i c h h a v e b e e n i n c r e a s e d b y 3 0 %-- 4 0 % c o mp a r e d wi t h c o mmo n c ry o ge ni c r e c o v e ry pr oc e s s a nd on e s t a ge t e mpe r a tur e s wi ng a ds o r pt i o n f o r l i g h t h yd r o c a r b o n r e c ov e ry , e c o no mi c be ne fit s a r e o b v i o us . M e a nwhi l e , c o m p a r e d wi t h t h e c ry o g e ni c r e c o ve r y pr o c e s s , t h e o p e r a t i n g fl e x i b i l i t y a n d a p p l i c a b i l i t y o f t wo s t a g e t e mp e r a tur e a n d p r e s s u r e s wi n g a d s o r p t i o n i s h i g h e r a n d b r o a d e r An d i t i s p a rti c u l a r l y a p p l i c a b l e f o r s ma l l s c a l e p r o d u c t i o n o r mo b i l e f a c i l i ty. As a c o n s e q u e n c e ,t h e mo d i fi e d a d s o r p t i o n r e c o v e r y p r o c e s s i s g o o d for i n d u s tri a l a p p l i c a t i o n . Ke y wo r d s n a tur a l g a s ; l i g h t h y d r o c a r b o n r e c y c l i n g ; s e p a r a t i o n ; s i mu l a t i o n ; o p t i ma l d e s i g n 现有 的天然气轻烃 回收工艺系统优化过程中, 除对现有生产装置增加水冷设备 ,调节相应的冷凝 温度压力 卜 之外 , 还应该从工艺方案选择 中考虑轻 收稿 日期2 0 1 4 1 1 - 1 7 ;修改稿 日期2 0 1 4 1 2 . 0 9 。 第一作者及联系人陈天洪 1 9 8 4 一 ,男,硕士,工程师 ,主要从 事天然气、化工工艺方面的新技术开发。E ma i l c h e n t i a n h o n g c o r b i c . 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 7期 陈天洪等 低压天然气轻烃 回收工艺 2 0 9 3 烃收率,装置运行成本及投资费用等因素 ,本文通 过现有的轻烃 回收工艺介绍 ,以及将常规外冷分离 回收轻烃工艺与改进新型吸附工艺同时用于新疆某 油田伴生气项 目,采用 As p e n HY S YS软件进行模 拟分析,对两种工艺的设备投资、产品收率、运行 成本 以及收益进行 了综合分析。 1 轻烃 回收工艺 1 . 1 油吸收工艺 油吸收工艺是利用不 同烃类在吸收油 中溶解度 差异 , 从而将天然气中的轻烃组分吸收分离的 目的, 吸收油一般采用石脑油、煤油、柴油或稳定凝析油 等,其存在的问题主要是吸收油相对分子质量小, 轻烃收率越高时蒸发损失越大, 该工艺在 2 0世纪六 七十年代较为普遍 ,目前 已很少使用 。 1 . 2 吸附工艺 吸附工艺是利用吸附剂对于不同吸附质 的选择 性不同,而在固定床层内达到分离的 目的,其典型 代表 即变压吸附 P S A,变温吸附 T S A,该工艺是 目 前气体分离较成熟工艺,具有无环境污染、无设备 腐蚀 、工艺简单 、吸附剂寿命长、操作弹性大、自 动化程度高的特点L 1 J 。 1 . 3 低温分离工艺 低温分离工艺是将天然气中的轻烃在较低温度 下液化 ,使 C1 、C 2 与 C 3 烃类分开的方法,其关键 是制冷方法 的选取 。常见的制冷方法有1 9 8 7年 O r t l o ff工程公司提出的气体过冷工艺 GS P , L S P 【 3 J , 这是对单级膨胀机制冷工艺 I S S 和多级膨胀机制 冷工艺 MT P 的改进;加拿大埃索资源 公司提出 的直接换热工艺 DH X【 4 】 ,实质是脱乙烷塔回流 罐的液烃经换热节流后进入 DH X 塔,吸收膨胀机 出口低温分离器出来的气相中 C 组分,从而提高 C 3 的收率;混合冷剂制冷 MR C【 5 】 工艺是 目前天 然气液化厂广泛采用 的制冷工艺,其混合冷剂一般 以乙烷 、丙烷为主。 1 . 4 膜分离工艺 膜分离工艺 J 是利用各种气体分子在膜 内的渗 透速度 的不 同达到分离气体的 目的,膜两侧 渗透 侧与非渗透侧需要有合适的压差 ,且对原料气 的 气质条件要求较高,目前轻烃回收包括其他气体分 离上常用的是非多孔质膜 。 1 . 5 超音速涡旋分离工艺 超音速涡旋分离工艺L 7 j 的核心设备是超音速分 离器,由旋流器、拉瓦尔喷管、扩压器组成, 天然 气进入旋流器产生旋流加速 ,在经过拉瓦尔喷管内 降压 、降温,天然气中的轻烃由于温度降低形成小 的液滴,顺着管壁切向分离出来 ,该方法无动力消 耗,设备简单 ,缺点是轻烃收率较低,系列压力损 失较大。 2 工艺方案比选 2 . 1 工艺技术路线 采用 As p e n HYS YS V7 . 3软件 P e n g R o b i n s o n 状态方程对于表 1的原料组分别进行常规 的深冷工 艺与改进的吸附工艺两种处理方法进行比较。 表 1 新疆某油田伴生气组 成 组分 体积分数/ 1 % 注伴生气量 2 . 0 x l 0 m3 / d ;压力 0 . 3 MP a G 温度4 0 “C。 由表 1数据分析 ,处理气量较小,采用 DH X 工艺,设备投入 ,运行成本高,经济价值低 ,通常 采用较成熟的外冷分离处理工艺如图 l ,外冷工艺 稳态运行物料见表 2 ;而改进 的新型吸附工艺如图 2 ,吸附工艺稳态运行物料见表 3 。改进的新型吸附 工艺中轻烃浓缩塔 内吸附剂为特制活性炭,其性能 指标 由实验试得数据如表 4 。 2 . 2 工 艺流程 概述 外冷分离回收轻烃工艺首选将原料气通过前 置压缩机加压到2 .0 MP a 以上,进行分子筛脱水[8 】 , 脱水后 的干气经过外冷换热器冷却到一 3 0 ℃左右进 入低温分离器,底部出来的液相混烃 由于含有部分 甲烷与乙烷 ,储运过程中存在安全隐患,因此,液 相混烃进入脱乙烷塔脱除液相中的乙烷 ,脱乙烷塔 顶部闪蒸的甲烷、乙烷混合气调压后返回前置压缩 机循环。低温分离器顶部气相组分经换热至常温后 进入 C NG压缩机或其他处理工段 。 改进的新型吸附工艺首选将原料气进行分子 “ m 怖 讪删 删 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 9 4 化 工 进 展 2 0 1 5年第 3 4卷 表 2 外冷工艺稳态运行物料表 图 1 外冷分离回收轻烃工艺 项 目 进气 水 2 3 。C NG产品3 3 。 液烃产品 ①2 3 ,3 3表示图 1中物流编号。 筛脱水,脱水后的干气在经过变温吸附脱除干气 中 的轻烃 ,采用常温吸附 加热真空解析 ,脱烃后 的 产品气进入 C NG 压缩机或其他处理工段,再生的 少量混烃气体经过低压缓冲后进入混烃压缩机 ,在 二级气液分离器底部将有部分液相混烃生成,经加 压泵升压后与三级气液分离器的液相混烃混合后进 入脱乙烷塔,脱乙烷塔顶部 闪蒸气与三级气液分离 器顶部气体混合减压后进入脱烃塔进 口循环。 两种 工 艺 方 案 的原 料气 条 件相 同 ,产 品 以 C NGt 和混相混烃 。 乙烷≤2 %两种产品作为基 础对 比 。 2 . 3 设备费用对 比 两套 工艺方案主要设备型号及价格 预算如表 5 。 表 内参考价格 已包含相应的管道、阀门及仪表电 气安装材料 。 2 . 4 装置运行费用对 比 通过表 5 设备及费用对 比表可 以看 出外冷分 表 3 吸附工艺稳态运行物料表 项目 进气 水 4 9 。 C N G 液烃 1 2 产品 产品 温度/ ℃4 0 .0 0 5 0 . 0 0 3 9 . 3 3 压力/ MP a 0 . 3 0 0 .2 0 0 . 2 8 体积流量/ m3 . h 一 8 3 3 .3 3 1 5 . 6 7 1 0 3 6 . 1 7 Nlg h _ 9 3 4 . 1 9 1 2 .6 0 1 2 7 5 . 3 0 热负荷/ k w - 8 6 1 . 5 5 5 5 . 2 1- 1 1 4 2 . 6 1 各组分质量分数/ % N2 0 .0 2 4 5 0 .0 0 0 0 0 . 0 21 9 5 0 . 0 0 3 7 . 6 0 9 1 . 1 8 2 4 . 8 7 0 . 0 l 1 .7 5 6 7 8 . 3 0 3 5 7 . 8 7 1 5 4.9 9 5 3 7 .5 8 7 3 7 . 7 2 3 9 6 .5 9 - 6 4 4 .4 0 - 5 21 . 7 4 - 2 6 3 . 1 7 0 . 0 3 0 1 0 . 0 0 6 3 0 .0 0 0 0 C02 0 .0 01 3 0 .0 0 0 0 0 . 0 1 0 7 0 .0 0 1 6 0 . 0 2 8 0 0 .0 0 0 0 CHd C2 H6 C3 H8 圮 4 Hl o n C 4 Hl 0 / Ca Hl2 n C5 Hl 2 H2 O 0 . 7 2 9 2 0 .0 0 0 0 0 . 6 3 7 4 0 .8 9 5 8 0 . 1 4 7 6 0 .0 0 0 0 0 .0 4 6 5 0 .0 0 0 0 0 . 0 6 8 8 0 .0 5 2 5 0 . 0 9 9 6 0 .0 2 0 0 0 . 0 7 2 3 0 .0 0 0 0 0 . 1 2 1 9 0 .01 8 6 0 . 3 1 7 5 0 . 3 0 7 3 0 . 0 2 7 3 0 .0 0 0 0 0 . 0 3 5 0 0 .0 0 0 5 0 . 1 0 0 4 0 . 1 4 4 5 0 . 0 44 5 0 .0 0 0 0 0 . 0 5 2 0 0 .0 0 0 8 0 . 1 4 9 0 0 . 2 3 5 8 0 . 0 2 21 0 . 0 0 0 0 0 .0 21 7 0 . 0 0 0 0 0 .0 6 2 8 0 . 1 l 8 8 0 . 0 3 2 3 0 . 0 0 0 0 0 .0 3 0 7 0 . 0 0 0 0 0 .0 8 8 8 0. 1 7 3 6 0 .0 0 0 0 1 . 0 0 0 0 0 .0 0 0 0 0 . 0 0 o o 0 .0 0 0 0 0.0 0 0 0 ①4 9 ,1 2表示图2中物流编号。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 7期 陈天洪等低压天然气轻烃回收工艺 2 0 9 5 表 4 活性碳 吸附剂性 能指标 图 2 改进的新型吸附工艺 吸附质 静态吸附量幢 00 0 mL 一 注 测试条件 l a h n ,2 5 ℃, 稳态过程中各物质分离系数由工程经验取 值为C1 0 . 9 2 ; c2 0 . 5 ; C 3 O . 1 ; C 4 0 . 0 1 ; C s O ; N2 O . 9 ; C O2 O . 1 。 离工艺方案主要用 电设备有前置压缩机 、分子筛脱 水装置 内的再生气加热器 、制冷系统压缩机、C NG 压缩机 ,通过 HYS YS 软件模拟得 出的总 电耗为 2 1 1 . 5 k w, I l ; 改进吸附工艺方案主要用电设备有分子 筛脱水装置 内的再生气加热器、轻烃提缩装置 内的 再生气加热器、 真空泵、 C N G压缩机、 混烃压缩机, 同样通过 H YS YS软件模拟得 出的总 电耗为 2 5 0 { 饧 吸附工艺中混烃压缩机功率与外冷分离工艺的 制冷系统功率相当,高出的功率主要为轻烃提缩装 置内的再生气加热与真空泵的功率。 2 . 5 两种工艺综合对比 外冷分离工艺与改进吸附工艺综合对 比数据如 表 6 。 外冷分离工艺液相混烃产品收率低的原因主要 表 5 设备及费用对比 前置压缩机 气气换热器 分子筛脱水 装置 制冷系统 丙烷蒸发器 低温分离器 脱 乙烷塔 出口压力 3 . 2 MP a 1 2 0 气量 9 0 0 m 热负荷 3 0 k W 5 三塔工艺,等压再生 1 2 0 冷量 6 0 k W 热负荷 6 0 k W 操作压力 3 . 0 MP a 操作温度一 3 5 ℃ 热负荷2 2 k W C NG压缩机进 口3 . 0 MP a出口约 2 5 Ⅳ a 真空泵 轻烃提缩 装置 混烃压缩机 气量 7 0 0 mB 2 0 0 2 O 1 0 三塔工艺,等压1 2 0 2 0 热负荷1 8 k W 2 0 1 5 0 进 口 0 . 2 6 MP a 2 2 0 出 口约 2 5 MP a 气量 7 0 0 m3 真空度8 0 .0 8 M P a , 气量 4 0 0 m 三塔工艺, 加热1 0 0 真空再生 进 口常压出 口 6 0 2 . 0 M Pa 气量 4 0 0 m3 在于原料气在第一级压缩和第二级压缩后的气液分 离排液 中溶解有大量的轻烃,通过另外一种改进措 删 删 ~ 一 仉 n 一 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 9 6 化 工 进 展 2 0 1 5年第 3 4卷 表 6 工艺综合对 比数据 注年装置运行时间为 8 0 0 0 h 。 施却将一级分离的液相用泵升压到 1 . 7 MP a , 与二级 分离液减压到 1 . 7 MP a混合后进入三相分离器,分 离后的液相混烃进入脱乙烷塔处理 ,此时液相混烃 的收率将 由 4 8 . 2 6 %提高到 8 5 . 4 7 %,与改进吸附工 艺相 比还少 8 . 9 6 %。 改进吸附工艺装置能耗偏高是由于轻烃吸 附再 生时采用真空负压再生,从常压重新进行升压 ,增 加了部分压缩功耗 。 改进吸附工艺与外冷分离工艺相 比,每年提高 经济直接效益约 8 9 3 . 2 6万元。 3 结 语 1 改进吸附工艺的关键在于轻烃回收,即采 用变压吸附方式分离甲烷、乙烷与丙烷、丁烷等, 吸附剂采取专用脱烃吸附剂,根据实验测出的吸附 剂对于各类烷烃吸附容量数据,模拟 出轻烃收率可 达 9 4 %以上。 2 通过对操作条件分析, 找出外冷分离工艺 液相混冷收率不高的原因,经简单改进后收率明显 提高,与改进吸附工艺相 比还少 8 . 9 6 %。 3 改进吸附工艺具有较明显的经济效益, 主 要体现在设备投资与产品收率两个方面 。 参考文献 王媛.浅谈如何提高天然气轻烃回收装置收率[ J ] . 黑龙江科技信 息 ,2 0 1 3 ,2 3 7 9 . 孙坤,朱胜璋 ,雷荷,等.低温分离法在油 田伴生气轻烃回收中 的应用[ J ] .中国化工贸易,2 0 1 4 ,6 2 0 1 5 2 . 李国诚,诸林. 油气田地面轻烃回收技术【 M] . 成都四川科学技 术出版社,l 9 9 8 1 5 . 4 6 . 李士富,李亚萍 ,王继强等. 轻烃回收中 D H X工艺研究[ J ] .天然 气与石油,2 0 1 0 ,2 8 2 1 8 - 2 6 . 刘宏.混合工质制冷流程 MR C液化天然气及轻烃联合生产装 置简介[ J 1 . 天然气化工,2 0 1 2 ,3 7 4 3 . 4 4 . 马宁, 周悦, 孙源.天然气轻烃 回收技术的工艺现状与进展[ J ] . 广 东化 工 ,2 0 l 0 ,3 7 1 0 7 8 . 7 9 . 王健. 轻烃回收工艺的发展方向及新技术探讨[ J ] . 天然气与石油, 2 0 0 3 , 2 1 2 2 0 2 3 . 中国石油天然气管道工程有限公司天津分公司主编. 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