【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 輕烴。 復(fù)合制冷法具有許多優(yōu)點(diǎn) :首先，冷源有兩個(gè)或兩個(gè)以上，因此裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)適應(yīng)性較大，即使在外加冷源系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，裝置也能保持在一定的收率下繼續(xù)運(yùn)行 。其次，復(fù)合制冷法中外加制冷系統(tǒng)比冷劑制冷法要簡(jiǎn)單、容量小，外加制冷系統(tǒng)僅僅須解決高沸點(diǎn)烴類的冷凝 問(wèn)題 。復(fù)合制冷法所組合的流程不僅可以提高丙烷的收率還能為回收乙烷的裝置提高乙烷的收率，同時(shí)還可大大減少裝置的整體能耗。因此，人們普遍認(rèn)為在處理油田氣時(shí)，設(shè)計(jì)冷劑循環(huán)制冷作為輔助冷源是一種很好的技術(shù)方案。 國(guó)內(nèi)外 LNG 輕烴回收進(jìn)展 國(guó)外 LNG 輕烴回收進(jìn)展 國(guó)外早在 1960 年就有從 LNG 中分離輕烴的專利，但在早期的輕烴分離工藝中，分離完輕烴后的甲烷物流為氣體，需采用大功率壓縮機(jī)壓縮才能達(dá)到管輸?shù)膲毫σ?，能耗高。近年?lái)，美日等國(guó)又開發(fā)了很多新型的 LNG 輕烴分離工藝，這些工藝都是通 過(guò)壓縮分離輕烴后的甲烷氣體來(lái)提高其壓力，并利用 LNG 原料的冷量將甲烷氣體在較高的壓力下再次液化成 LNG，再利用 LNG 泵將其壓力提高至管輸標(biāo)準(zhǔn)，最后汽化進(jìn)入高壓天然氣管網(wǎng)，較好地解決了天然氣的外輸問(wèn)題。但需使用壓縮機(jī)壓縮大量的甲烷氣體，壓縮機(jī)的能耗很大。 1) 現(xiàn)有 LNG 輕烴分離流程分析 美國(guó)專利 US6941771B2 是一種比較新型的 LNG 輕烴分離工藝，流程如圖 1 所示。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 其設(shè)備主要包括 LNG 泵 P P2， 換熱器 E，閃蒸塔，脫甲烷塔以及壓縮機(jī) 。 LNG原料首先經(jīng)泵 P1 增壓，再由分流器分為大小兩 股：較大的一股 (約為總流量的 85%～90%)在換熱器中預(yù)熱而部分汽化，然后進(jìn)入閃蒸塔中進(jìn)行汽液分離，甲烷氣體從閃蒸塔頂分出，富含 C2+輕烴的 LNG 從塔底分出后輸入脫甲烷塔中進(jìn)一步分離；而從分流器中分出的另一股 LNG(約為總流量的 10%~15%)則作為脫甲烷塔頂回流；經(jīng)脫甲烷塔的分離，剩余的甲烷全部以氣相從塔頂分出，塔底分出的液體則為 C2+輕烴產(chǎn)品。將從閃蒸塔和脫甲烷塔頂分離出來(lái)的兩股甲烷氣體混合后經(jīng)壓縮機(jī)壓縮提高壓力，然后在換熱器中與增壓過(guò)冷的 LNG 原料換熱而全部液化，再用高壓泵 P2 將液體甲烷增壓到外輸要求 后送入汽化裝置。在此流程中， LNG 的冷量主要用于輕烴分離以及分離出來(lái)的甲烷氣體的再液化。 LNG 的主要成分是甲烷，還含有部分 C2+輕烴，圖 2 為 LNG 和甲烷的壓力 (p)溫度 (t)相圖，其中 LNG 組成如表 1 所示。 從圖 2 可知，當(dāng) LNG 原料增壓過(guò)冷時(shí)，其具有的冷量包括顯冷 (LNG 溫度低于泡點(diǎn)的這部分冷量 )和潛冷 (LNG 相變汽化釋放的冷量 )兩部分，其中顯冷的溫度較低。同時(shí)，由于 LNG 中含有部分 C2+輕烴，故在相同壓力下 LNG 的泡點(diǎn)溫度比甲烷的相變溫度高。在 US6941771B2 流程中，從閃蒸塔和脫甲烷塔頂分離出 來(lái)的甲烷氣體，其壓力和經(jīng) P1 增壓后的 LNG 壓力基本相當(dāng)，由于 LNG 的顯冷不足以將全部的甲烷西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 氣體液化，故甲烷液化需要利用一部分 LNG 的潛冷。為了能夠利用 LNG 的潛冷，所以必須提高甲烷氣體的壓力，使其液化溫度高于換熱過(guò)程 LNG 部分汽化的溫度。US6941771B2 等現(xiàn)有工藝都是通過(guò)采用壓縮機(jī)做功來(lái)提高甲烷氣體的壓力，所以能耗較高。 表格 1 LNG 的組成（ ％ ） 甲烷 乙烷 丙烷 異丁烷 正丁烷 C5+ 氮 2) LNG 輕烴分離流程優(yōu)化 由上述分析可知， LNG 增壓過(guò)冷的顯冷量只能將部分低壓的甲烷氣體液化，其它甲烷氣體液化需要利用 LNG 的潛冷，而利用潛冷必須提高甲烷壓力以使其液化溫度高于 LNG 部分汽化的溫度。本研究在已有工作的基礎(chǔ)上，按照冷量梯級(jí)利用的原則對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，將 LNG 的顯冷和潛冷分開來(lái)使用，即利用顯冷液化壓力較低的甲烷氣體，而利用潛冷來(lái)液化高壓的甲烷，減少傳熱過(guò)程的損。根據(jù)此方法對(duì)US6941771B2 流程作如下改進(jìn)： （ 1） 利用泵將閃蒸塔底分出的富含 C2+輕 烴的 LNG 增至高壓后再輸入脫甲烷塔中分離，使從脫甲烷塔頂分離出來(lái)的甲烷氣體壓力高于 LNG 原料，從而使甲烷的液化溫度高于 LNG 部分汽化的溫度，進(jìn)而可以利用 LNG 部分汽化的潛冷將高壓脫甲烷塔中分離出來(lái)的甲烷氣體液化。 （ 2） 通過(guò)調(diào)節(jié) P3，使增壓后 LNG 具有的顯冷量不僅能夠?qū)拈W蒸塔中分離出來(lái)的甲烷氣體液化，而且能將一部分液化的甲烷進(jìn)一步過(guò)冷至低溫 (如 146℃ 以下 )，再節(jié)流降壓使此股甲烷實(shí)現(xiàn)低壓液相儲(chǔ)存。通過(guò)將這部分甲烷液體的儲(chǔ)存和汽化來(lái)調(diào)節(jié)向下游用戶的供氣量，使之滿足不同時(shí)段下游用戶的用氣需求。 （ 3） 利用 C2+輕烴產(chǎn)品同脫甲烷塔的進(jìn)料換熱，一方面輕烴產(chǎn)品獲得冷量而過(guò)冷至低溫，再節(jié)流降壓使輕烴產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)低壓液相儲(chǔ)存，方便后續(xù)運(yùn)輸與銷售；另一方面預(yù)熱脫甲烷塔的進(jìn)料，可以降低脫甲烷塔再沸器的熱負(fù)荷。按照上述改進(jìn)方案，并利用熱集成技術(shù)對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到如圖 3 所示的 LNG 輕烴分離的優(yōu)化流程。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 我國(guó) LNG 輕烴回收工藝進(jìn)展 我國(guó)第一個(gè)液化天然氣 (LNG)項(xiàng)目深圳大鵬接收終端的投產(chǎn)供氣，標(biāo)志著我國(guó)開始從海外大量進(jìn)口 LNG。由于國(guó)際市場(chǎng)上有相當(dāng)一部分 LNG 是濕氣 (乙烷、丙烷等C2+輕烴的摩爾含量在 10%以上 )，故在我國(guó)將來(lái)進(jìn)口的 LNG 中濕氣將占一定的比例，如深圳 LNG 項(xiàng)目一期從澳大利亞進(jìn)口的 317? 106t/a LNG 就是濕氣。將 LNG 濕氣中的 C2+輕烴分離出來(lái)，可為我國(guó)的乙烯裝置提供大量?jī)?yōu)質(zhì)的裂解原料，降低乙烯的生產(chǎn)成本。熊永強(qiáng)等較好地解決了輕烴分離工藝平穩(wěn)運(yùn)行下的 LNG 汽化供氣調(diào)峰問(wèn)題，但輕烴分離過(guò)程仍需使用壓縮機(jī)，能耗高。華賁等雖對(duì)現(xiàn)有流程進(jìn)行了一定的改進(jìn)，能夠降低壓縮機(jī)的負(fù)荷，但功耗仍較大。因此開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 LNG 輕烴分離工藝對(duì)我國(guó)具有較大 的現(xiàn)實(shí)意義。 總的來(lái)說(shuō) LNG 輕烴分離技術(shù)和工藝在我國(guó)尚未成熟和充分利用，有待繼續(xù)研究和發(fā)展。 提高輕烴回收率的途徑 輕烴回收裝置的回收率是整個(gè)裝置的一個(gè)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于輕烴回收裝置的進(jìn)一步研究和開發(fā)也主要是在經(jīng)濟(jì)可行的前提下最大限度地提高輕烴收率。對(duì)于回收丙烷為主的淺冷裝置，一般情況下丙烷收率為 60%~80%?；厥找彝闉橹鞯难b置，乙烷的收率一般為 85％ 。提高輕烴回收率的途徑歸納起來(lái)為有優(yōu)化操作參數(shù)、改變制冷方法、推廣應(yīng)用新技術(shù)。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 優(yōu)化操作參數(shù) 液化天然氣組成、分離溫度和系 統(tǒng)壓力都要影響天然氣中 C C2+液化率即輕烴收率。在相同溫度、壓力條件下，氣體組分越富，液化率越高 。對(duì)同一種天然氣增壓、降溫均有利于液化率的提高。因此，可以采用平衡計(jì)算方法繪制 C2， C2+與溫度、壓力的關(guān)系曲線，適時(shí)調(diào)整、優(yōu)化操作條件，提高輕烴收率。 ⑴ 優(yōu)化原料氣組成 由于在溫度、壓力不變的條件下、原料氣組成越富，液化率越高，所以在處理貧氣時(shí)，如果條件許可，可將原油穩(wěn)定氣、大罐揮發(fā)氣引入輕烴回收裝置來(lái)改變?cè)蠚獾慕M成，使之變富。同時(shí)，利用采用 輕油回流法，利用油的吸收作用，通過(guò)增加一臺(tái)輕油回流泵將液化氣塔底的部分輕油返注入蒸發(fā)器之前，從而提高回收率。這一方法雖增加了制冷系統(tǒng)的冷負(fù)荷，但與提高分離壓力相比所需的能耗較低，對(duì)外冷法工藝不失為一種簡(jiǎn)單有效的方法。 ⑵ 優(yōu)化系統(tǒng)壓力 在進(jìn)行輕烴回收工藝設(shè)計(jì)與運(yùn)行操作時(shí)，根據(jù)原料氣的液化率與溫度壓力關(guān)系曲線來(lái)確定最佳系統(tǒng)壓力是非常重要的。一般而言，采用三級(jí)或三級(jí)以上壓縮是不適宜的，但若原料氣壓力較低時(shí)，采用增壓方法以提高 C2， C2+的液化率是非常 經(jīng)濟(jì)可行的。 ⑶ 優(yōu)化系統(tǒng)冷凝溫度 在原料氣組成和分離壓力一定時(shí)，冷凝溫度越低， C2, C2+， C3 和 C3+液化率越高，降低溫度是提高液化率的有效手段，但過(guò)低的溫度一方面會(huì)造成甲烷或乙烷的液化率上升幅度增加，增加能耗和操作成本，另一方面會(huì)造成設(shè)備投資大大增加。因此，在進(jìn)行輕烴回收工藝設(shè)計(jì)與運(yùn)行操作對(duì)，根據(jù)原料氣的液化率與溫度壓力關(guān)系曲線來(lái)確定最佳系統(tǒng)冷凝溫度也是至關(guān)重要的。為達(dá)到較低的冷凝溫度，常采用將外冷法和內(nèi)冷法相結(jié)合的混合制冷工藝，同時(shí)通過(guò) 合理的工藝流程設(shè)計(jì)，盡可能地回收利用輕烴回收裝置內(nèi)的冷量，以謀求達(dá)到更低的冷凝溫度。其典型例子是丙烷制冷加膨脹機(jī)制冷工藝，冷凝溫度可達(dá) 80℃ ~100℃ ，甚至更低，使輕烴回收率達(dá)到較高水平。 開發(fā)利用新技術(shù) 近幾年國(guó)外開發(fā)利用多種輕烴回收新技術(shù)，在節(jié)能降耗，提高輕烴收率方起著重要的作用，引進(jìn)、吸收、再次開發(fā)利用這些新技術(shù)是提高我國(guó)輕烴回收技術(shù)水平的一條很有發(fā)展前景的新路子。可以針對(duì)原料氣的組成，壓力和處理量等條件，選擇適宜的新工藝技術(shù)，如輕油回流技術(shù)，馬拉 (Mehra)法油吸收技術(shù)，氣體過(guò) 冷工藝 (GSP)技術(shù)、液體過(guò)冷工藝 (LSP)技術(shù)、直接換熱 (DHX)工藝技術(shù)、渦流管技術(shù)及膜分離技術(shù)等。 另外還可通過(guò)工藝改進(jìn)，盡可能地回收利用輕烴回收裝置內(nèi)的冷量，如低溫干氣將原料氣先預(yù)冷后再外輸，也可從脫甲烷塔或脫乙烷塔下部引出低溫液體將原料氣進(jìn)西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 行預(yù)冷等方法。一方面可以降低裝置能耗，同時(shí)也可達(dá)到提高所要回收輕烴的液化率，從而達(dá)到節(jié)能降耗、提高收率的目的。 此外，選用高效的分離器，精餾塔和冷換設(shè)備以及效率高，運(yùn)行周期長(zhǎng)，安全可靠的膨脹制冷設(shè)備，也會(huì)對(duì)提高輕烴回收率有很大好處。 結(jié)合我國(guó)輕烴裝置存在的問(wèn)題， 許多學(xué)者應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)在對(duì)輕烴裝置進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了不同的技術(shù)改造措施。如在單一冷劑制冷的基礎(chǔ)上增加膨脹機(jī)制冷工藝、輕油回流富化原料氣組分、引進(jìn)新的過(guò)冷工藝技術(shù)、 DHX 工藝技術(shù)等等 [1~5]，在提高輕烴收率方面起到了一定的作用。同時(shí)也加快了輕烴回收工藝向深冷方向的發(fā)展，以回收乙烷，滿足日益發(fā)展的乙烯裂解原料的需要。老裝置的技術(shù)改造或者新裝置的設(shè)計(jì)，都必須建立在輕烴工藝過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬的基礎(chǔ)上，因此有必要探討流程模擬的有關(guān)內(nèi)容。 HYSYS 模擬計(jì)算系統(tǒng) 化工生產(chǎn)中，各種化工單元是連續(xù)操作的，設(shè)計(jì) 與操作一定要進(jìn)行模擬計(jì)算，以提高化工生產(chǎn)中的產(chǎn)品質(zhì)量及安全保障。這就需要功能強(qiáng)大的模擬計(jì)算軟件的支持，這種軟件必須有強(qiáng)大的物性混合功能，并且有著各種單元操作。 HYSYS 模擬系統(tǒng)就具備了這些功能。 HYSYS 模擬計(jì)算系統(tǒng)簡(jiǎn)介 化工流程模擬軟件是由化學(xué)工程、化工熱力學(xué)、系統(tǒng)工程、計(jì)算方法及計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科理論在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的綜合模擬系統(tǒng)。人們?yōu)榱朔治鰧?shí)際工況，找出最佳的操作條件，不得不冒極大的風(fēng)險(xiǎn)用實(shí)際裝置做試驗(yàn)，而得到的只是某些特定條件下的回歸公式。動(dòng)態(tài)軟件將時(shí)間變量引入系統(tǒng)，即系統(tǒng)內(nèi)部的性質(zhì) 隨時(shí)間而變。它將穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)、控制理論、動(dòng)態(tài)化工、熱力學(xué)模型及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)求解巨型常微分方程組進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。這種軟件要求計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的計(jì)算功能及多任務(wù)操作系統(tǒng)，過(guò)去只能在大型機(jī)上運(yùn)行，且因操作復(fù)雜，只能少數(shù)人享用。 HYSYS 以具有十幾年世界各地化工、石油領(lǐng)域應(yīng)用歷史的 HYSIM 為堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。 HYSYS 包含更多、更復(fù)雜的物性計(jì)算包及單元操作。為了能更快速、準(zhǔn)確地得到計(jì)算結(jié)果，增加了強(qiáng)大的初始化及快速迭代計(jì)算工具。同時(shí)還增加了系統(tǒng)優(yōu)化、反應(yīng)蒸餾、先進(jìn)的變量計(jì)算表、用于控制研究的控制器和傳遞函 數(shù)發(fā)生器。 化工裝置控制方案的選擇及掌握裝置實(shí)際生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)特性 (即運(yùn)行規(guī)律 )對(duì)裝置的設(shè)計(jì)、操作要求都有著十分重要的意義。在沒(méi)有模擬軟件的情況下，人們只得參考現(xiàn)有的生產(chǎn)裝置選擇控制方案。這種千篇一律的照搬照抄可能會(huì)導(dǎo)致控制方案發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤而使裝置不能正常運(yùn)行，從而造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。長(zhǎng)期以來(lái)，裝置的動(dòng)態(tài)特性只能從裝置的長(zhǎng)期實(shí)踐中獲得，設(shè)計(jì)者不能在設(shè)計(jì)階段及時(shí)掌握所設(shè)計(jì)裝置的操作規(guī)律，提出正確的操作方法，分析可能出現(xiàn)的操作故障及解決措施?；つM系統(tǒng)西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 HYSYS 通過(guò)對(duì)裝置的動(dòng)態(tài)分析則可解決上述問(wèn)題 [6]。 HYSYS 模擬計(jì)算系統(tǒng)的主要物性計(jì)算方法 正確選取物性計(jì)算方法，對(duì)流程模擬的準(zhǔn)確性和可靠性起著至關(guān)重要的作用。在實(shí)際工廠流程模擬中，對(duì)于不同的物系應(yīng)選用與之相對(duì)應(yīng)的物性計(jì)算方法，才能得到與實(shí)際工況比較接近的計(jì)算結(jié)果，這樣建立起的模擬平臺(tái)才是可靠和有意義的。HYSYS 可提供的物性計(jì)算方法有很多，鑒于石化工廠分離組分繁雜，氣液平衡數(shù)據(jù)匾乏的情況， HYSYS 提供了靈活可預(yù)測(cè)性的狀態(tài)方程集。 HYSYS 模擬系統(tǒng)的熱力學(xué)方程有 :PengRobinson 方程、 PRSV 方程和 Sour PR 方程等 20 余種熱力嘗方程。 該集主要針對(duì)于極性和非極性及輕氣相的混合物。這些方法對(duì)高溫、高壓，混合物接近臨界點(diǎn)，和液一液高壓分離的情況均能適用。 HYSYS 中物性包的應(yīng)用可以預(yù)側(cè)理想和非理想狀態(tài)下各種混合物的物性。HYSYS 提供的方程 (PR 和 PRSV)應(yīng)用于嚴(yán)格的烴類處理系統(tǒng)、重?zé)N系統(tǒng)的蒸汽壓力模型，蒸汽相關(guān)性用于預(yù)測(cè)實(shí)際蒸汽物性等實(shí)際化工系統(tǒng)中的模型。所有這些方程有他們固有的限制條件，用戶可以