【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 需一人操作。由于它具有輕便、靈活、節(jié)約等投資優(yōu)點(diǎn)，小型油、氣田回收凝液來(lái)說(shuō)是一種理想形式。上述改進(jìn)加快了美國(guó)天然氣加工工業(yè)的發(fā)展，盡管近年來(lái)美國(guó)天然氣儲(chǔ)量和產(chǎn)量一直在下降，但其天然氣凝液產(chǎn)量一直保持穩(wěn)定。 另外加拿大也是天然氣加工發(fā)展較早的國(guó)家， 近年來(lái)在氣體儲(chǔ)量，加工量和凝液加工回收方面都有很大增長(zhǎng)。蘇聯(lián)和中東地區(qū)今年來(lái)在天然氣凝液回收方面也有很大發(fā)展。 我國(guó)的天然氣液烴分離技術(shù)起步較晚，上世紀(jì) 60 年代四川氣田開(kāi)展了從天然氣中分離、回收 C3+液體產(chǎn)物的試驗(yàn)工作。到 20 世紀(jì) 70～ 80 年代，隨著北方大油田的開(kāi)發(fā)，自油田伴生氣中回收 C3+的各種工藝裝置陸續(xù)建成。天然氣加工對(duì)象也擴(kuò)大到 C2+產(chǎn)物。近年來(lái)，在引進(jìn)、吸收、消化國(guó)外先進(jìn)回收工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上國(guó)內(nèi)輕烴回收裝置無(wú)論工藝技術(shù)還是設(shè)備制造、自動(dòng)控制等水平都有了長(zhǎng)足進(jìn)步 [11]。目前 國(guó)產(chǎn)裝置采用的主要工藝方 法，歸納起來(lái)有：冷劑循環(huán)制冷、膨脹機(jī)制冷、冷劑制冷和膨脹制冷相結(jié)合的混合制冷。 吸附法 吸附法是利用固體吸附劑對(duì)各種烴類(lèi)的吸附容量不同，從而使天然氣中一些組分得以分離的方法。在北美，有時(shí)用這種方法從濕天然氣中回收較重?zé)N類(lèi)，且多用于處理量較小及較重?zé)N類(lèi)含量少的天然氣，也可用來(lái)同時(shí)從天然氣中脫水和回收丙、丁烷等烴類(lèi) (吸附劑多為分子篩 )，使天然氣水、烴露點(diǎn)都符合管輸要求 [1]。常用的吸附劑是硅膠和活性炭。 吸附法的優(yōu)點(diǎn)是裝置比較簡(jiǎn)單，不需特殊材料和設(shè)備，投資費(fèi)用較少 [12]；缺點(diǎn)是要幾個(gè)吸附塔切換操作，產(chǎn) 品局限性大，能耗與成本高，燃料氣量約為所處理天然氣量的 5％ ，吸附劑的吸附容量等問(wèn)題未能得到很好的解決，所以這種方法未得到廣泛利用，曾經(jīng)在美國(guó)使用過(guò)。 油吸收法 油吸收法是基于天然氣中各組分在吸收油中溶解度的差異而使不同烴類(lèi)氣體得以分離的方法。由于該法具有系統(tǒng)壓降小、允許使用碳鋼鋼材、對(duì)原料氣預(yù)處理沒(méi)有嚴(yán)格要求、單套處理能力大等優(yōu)點(diǎn)，在 20 世紀(jì) 60 年代中期之前一直是世界上輕烴回收的主要工藝方法，特別是對(duì)于煉油廠的石油裂解氣分離具有優(yōu)勢(shì)。 天然氣加工技術(shù)及其應(yīng)用 8 油吸收法按照吸收操作溫度的不同分為常溫、中溫和低溫吸收法。常溫油吸收法的操作溫度為 30℃ ，多用于中小型天然氣凝液回收裝置，以回收 C3+為主要目的；中溫油吸收法的操作溫度一般在 ﹣ 20℃ 以上 ， C3+回收率為 40%左右； 低溫油吸收溫度一般在 ﹣ 40℃ 左右， C3+回收率為 80~90%。后兩種油吸收法 常用于大型天然氣加工廠。 常用的吸收油有石腦油、煤油或柴油，其相對(duì)分子質(zhì)量為 100~200。吸收油相對(duì)分子質(zhì)量越小，天然氣液烴回收率越高，隨干氣揮發(fā)耗損的吸收油量越大。所以，一般只有要求 乙烷 回收率較高時(shí)，才采用相對(duì)分子質(zhì)量較小的吸收油。同時(shí)，隨干氣揮發(fā)耗損的吸收油量因溫度升高而增加， 因此，只有低溫才有利于采用較小相對(duì)分子質(zhì)量的吸收油。油吸收過(guò)程屬物理吸收，吸收時(shí)采用高壓低溫有利，解吸時(shí)采用高溫低壓有利，但一般油吸收操作溫度不宜低于塔操作壓力下的烴露點(diǎn) [7]。 油吸收法主要設(shè)備有吸收塔 、 富油穩(wěn)定塔 、 富油蒸餾塔 ， 如為低溫油吸收法，還需增加制冷系統(tǒng) 。 圖 21 為采用低溫油吸收法的回收 NGL 原理流程圖， 圖中原料氣先與離開(kāi)吸收塔的冷干氣換熱，再經(jīng)冷劑制冷后進(jìn)入吸收塔與冷吸收油逆流接觸，使氣體中大部分丙、丁烷及戊烷以上的烴類(lèi)被吸收下來(lái)。從吸收塔頂流出的冷干氣與原料氣換熱后外輸。由吸收塔底部流出的富 吸收油（富油）進(jìn)入富油穩(wěn)定塔中，由塔頂脫除甲烷等作為燃料，然后進(jìn)入富油蒸餾塔蒸出 NGL 并去 NGL蒸餾塔分離為液化石油氣（ LPG）和穩(wěn)定天然汽油。從富油蒸餾塔底流出的貧吸收油（貧油）經(jīng)冷劑制冷后返回吸收塔循環(huán)使用。如果采用裝置自己得到的穩(wěn)定天然汽油作為吸收油，則可取消富油吸收塔，將富油穩(wěn)定塔塔底的 NGL 直接進(jìn)入NGL 蒸餾塔即可 。 圖 21 低溫油吸收法回收 NGL 原理流 程 圖 油吸收法的 優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)壓降小，允許使用碳鋼，對(duì)原料氣的處理沒(méi)有嚴(yán)格要求，單套裝置處理能力大等； 缺點(diǎn)是工藝流程復(fù)雜，投資費(fèi)用和運(yùn)行成本高。直至 20 世紀(jì) 60 年代中期還是天然氣分離中使用最多的方法，但隨著制冷技術(shù)的發(fā)展，自 1970 年以后，油吸收法在新建裝置中已經(jīng)很少采用。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 冷凝分離法 冷凝分離法是利用天然氣中各烴類(lèi)組分冷凝溫度不同的特點(diǎn)，通過(guò)制冷將天然氣冷 凝 至一定溫度，從而將沸點(diǎn)較高的烴類(lèi)冷凝分離出來(lái)，并將凝液精餾分離成合格產(chǎn)品的方法。此法的特點(diǎn)是需要向氣體提供足夠的冷量使其降溫。按照提供冷量的制冷系統(tǒng)不同，冷凝分離法可分為冷劑制冷法、直接膨脹制冷法和聯(lián)合制冷法三種。冷凝分離法具有較高的輕烴回收率，在輕烴回收工藝中占有重要地位。 冷劑制冷法 冷劑制冷法稱(chēng)為外加冷源法 (外冷法 )， 或蒸氣壓縮制冷，或機(jī)械制冷，該工藝是利用制冷劑汽化時(shí)吸收汽化潛熱的性質(zhì)，使之與天然氣換熱，使天然氣獲得低溫的原理。 制冷劑可以分別是氨、 氟利昂、 丙烷及乙烷，也可以是乙烷、丙烷等烴類(lèi)混合物，而后者又稱(chēng)為混合冷劑 (混合制冷劑 )。制冷循環(huán)可以是單級(jí)或多級(jí)串聯(lián)，也可以是階式制冷 (覆疊式制冷 )循環(huán) [1]。 冷劑的制冷過(guò)程如圖 22 所示，采用的主要設(shè)備有換熱器、冷劑蒸發(fā)器和低溫分離器。原料氣與來(lái)自低溫分離器的銷(xiāo)售氣換熱，使原料氣降溫之后，原料氣進(jìn)入冷劑蒸發(fā)換熱器，在殼程 內(nèi)制冷劑汽化過(guò)程中吸收管程內(nèi)天然氣的熱量，使氣體獲得低溫。低溫天然氣進(jìn)入分離器分出 NGL，流出分離器的冷貧氣經(jīng)換熱器與原料氣換熱，提高貧氣溫度后進(jìn)入銷(xiāo)售管網(wǎng)。為防止生成水合物，在原料氣降溫前注入乙二醇，吸收水分的乙二醇富液進(jìn)入再生設(shè)備提濃 [13]。 1—?dú)猕M 氣換熱器； 2—冷劑蒸發(fā)器； 3—分離器 圖 22 冷劑制冷流程圖 天然氣加工技術(shù)及其應(yīng)用 10 冷劑制冷法的優(yōu)點(diǎn)是 它是由獨(dú)立設(shè)置的冷劑制冷系統(tǒng)向原料氣提供冷量，其制冷能力與原料氣無(wú)直接關(guān)系，穩(wěn)定性能較好。缺點(diǎn)是工藝流程比較復(fù)雜，投資較高。 在天然氣輕烴回收裝置中 ， 利用丙烷作為制冷 工質(zhì)比氨等其它工質(zhì)降低了對(duì)環(huán)境的污染和生產(chǎn)成本，節(jié)省了投資，方便了生產(chǎn)管理，因此丙烷制冷技術(shù)得到了廣泛推廣 ， 并成為天然氣輕烴回收裝置外冷工藝中的首選工藝。 丙烷 制 冷工 藝屬新開(kāi)發(fā)應(yīng)用的制冷工藝，自八十年代末以來(lái)在我國(guó)廣泛使用， 近年來(lái) ， 我國(guó)新建的 外冷 工 藝天然 氣 輕烴 回 收裝 置基 本 都 采用丙 烷制 冷工藝 ， 一些原設(shè) 計(jì) 為氨 制冷工 藝的 老 裝置也 在改 造 成丙 烷制 冷工 藝 。 采用丙烷作冷劑的冷凝分離法天然氣液回收原理流程如圖 23，制冷溫度為﹣35 ~﹣ 30℃ ， 制冷系數(shù)較大 ， 丙烷冷劑可由輕烴回收裝置自行生產(chǎn) ， 無(wú)刺激性氣味 ，流程短，耗能低 ，操作簡(jiǎn)單 。 圖 23 采用丙烷作冷劑的冷凝分離方法 NGL 回收原理流程圖 直接膨脹制冷法 隨著膨脹機(jī)制冷技術(shù)的發(fā)展 ， 進(jìn)人 80年代以后 ， 我國(guó)各油氣田輕烴回收裝置開(kāi)始采用膨脹制冷回收工藝 ， 并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。 直接膨脹制冷法也稱(chēng)膨脹制冷法或自制冷法（自冷法）。 根據(jù)制冷元件的不同 ， 膨脹制冷可分為節(jié)流制冷 (也稱(chēng)焦耳 —湯姆遜法 )、膨脹機(jī)制冷和熱分離機(jī)制冷 ， 而節(jié)流制冷很少單獨(dú)在輕烴回收中使用。 原料氣降溫所需的冷量由氣體直接經(jīng)過(guò)串接在該系統(tǒng)中的各種類(lèi)型膨脹制冷設(shè)備來(lái)提供 ， 冷量取決于原料氣本身的壓差 、 氣體組成 、 膨脹元件的效率。常用的膨脹制冷設(shè)備有節(jié)流閥、透平膨脹機(jī)及熱分離機(jī)等 。 由于透平膨脹機(jī)制冷有制冷溫度低 ， 流程簡(jiǎn)單 ， 操作方便 ， 對(duì)原料氣組成變化的適應(yīng)性大 ， 等熵效率高等優(yōu)點(diǎn) ， 已成為目前輕烴回收的主要制冷方法。但從國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)的膨脹制冷輕烴回收裝置來(lái)看 ， 仍然存在產(chǎn)品收率低 ， 裝置能耗高的缺點(diǎn) [14]。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 1. 焦耳 —湯姆遜法（節(jié)流閥制冷） 焦耳 —湯姆遜效應(yīng)多年來(lái)已用于礦場(chǎng)油氣分離，并已成為氣體加工過(guò)程的一個(gè) 組成部分，但由于在常溫下焦耳 —湯姆遜節(jié)流效應(yīng)未能充分發(fā)揮，因而分離效果較差，只能回收部分凝液。 1976 年美國(guó)利用焦耳 —湯姆遜效應(yīng)使氣體在低溫高壓下膨脹獲得良好的降溫效果。如在 ﹣ ℃ 、 ／ cm178。壓力下利用焦耳 —湯姆遜效應(yīng)膨脹到 14 kg／ cm178。，溫度可降至 ﹣ ℃ ， 并利用此效應(yīng)在德克薩州建立了一套處理量為 萬(wàn) m179。／ d 的工業(yè)裝置，乙烷效率為 80%。此法被稱(chēng)為深冷焦耳 —湯姆遜法，它在膨脹前溫度越低效果越好。 湯姆 — 焦耳遜法的顯著優(yōu)點(diǎn)是對(duì)處理量變化的適應(yīng)性較大，并容許氣體中存在大量 CO2，因此此法如果應(yīng)用適當(dāng)，對(duì)中小型油氣田回收凝液來(lái)說(shuō)是一種理想的方法。 2. 熱分離機(jī)制冷 熱分離機(jī)是 70 年代由法國(guó)門(mén) ELF—Bert in 公司研制的一種簡(jiǎn)易有效的氣體膨脹制冷設(shè)備，由噴嘴及接受管組成，按結(jié)構(gòu)可分為靜止式和轉(zhuǎn)動(dòng)式兩種。自 80 年代末期以來(lái)，熱分離機(jī)已在我國(guó)一些天然氣液回收裝置中得到應(yīng)用。其原理是利用具有一定壓力的氣體驟然膨脹使 其 溫度大幅度下降而致冷來(lái)回收氣體中的凝液。熱分離機(jī)是冷卻發(fā)生器，它是使氣體通過(guò)一個(gè)獨(dú)特的制冷頭膨脹而制冷的。制冷頭是由許多接收管和一個(gè)旋轉(zhuǎn)氣體分配器（ 1000~1500 轉(zhuǎn) /分 ）所組成。高壓入口氣體向接受管?chē)娚鋾r(shí)由于等熵膨脹而降溫，在接收管內(nèi)的氣體吸收沖擊波的能量而升溫，移走熱量后，管內(nèi)氣體恢復(fù)到原來(lái)的壓力。冷氣由排氣管排出，與入口氣換冷。整個(gè)過(guò)程無(wú)需外界供能。熱分離機(jī)一般能達(dá)到的溫度為 ﹣ 30℃ 。 此法一般用于從伴生氣中回收汽油。 采用熱分離機(jī)制冷的天然氣凝液回收原理流程圖見(jiàn) 24。 24 熱分離機(jī)制冷工藝流程示意圖 熱分離機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：①操作靈活性大；②適用于各種處理量；③投資和維修費(fèi)用低。缺點(diǎn)是效率低，適用性差，技術(shù)性能差，在我國(guó)仍處于試驗(yàn)階段。 3. 膨脹機(jī)制冷法 天然氣加工技術(shù)及其應(yīng)用 12 當(dāng)節(jié)流閥或熱分離機(jī)制冷不能達(dá)到所要求的凝液收率時(shí)可考慮采用膨脹機(jī)制冷。 1964 年美國(guó)首先將透平膨脹機(jī)制冷技術(shù)用于天然氣凝液回收過(guò)程中，透平膨脹機(jī)法的基礎(chǔ)是一定壓力的氣體通過(guò)一個(gè)透平膨脹機(jī)，膨脹的同時(shí)產(chǎn)生有用功。在膨脹過(guò)程中氣流被冷卻至非常低的溫度，于是大量重組分冷凝下來(lái) 。由于此法具有流程簡(jiǎn)單、操作方便、 投資低及效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此近二三十年來(lái)發(fā)展很快，美國(guó)新建或改建是我天然氣凝液回收裝置有 90%以上采用了透平膨脹機(jī)制冷法。 天然氣采用膨脹機(jī)制冷回收液烴時(shí)的原理流程見(jiàn)圖 25，該技術(shù)的主要設(shè)備有換燃器、增壓機(jī) 、壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、去分餾塔、脫甲烷塔等。 圖 25 采用膨脹機(jī)制冷的 NGL 回收原理流程 膨脹機(jī)制冷法的優(yōu)點(diǎn)是： ① 效率高，對(duì)比于等熵膨脹效率為 ~； ② 允許達(dá) 20%（重）的液體在機(jī)內(nèi)冷凝； ③ 氣體膨脹時(shí)得到的能量可以用作發(fā)電機(jī)或壓縮機(jī)的動(dòng)力； ④ 可靠性高。缺點(diǎn)是處理能力的靈活性較差，限定為 20%，超過(guò)此范圍時(shí)，效率下降到設(shè)計(jì)處理量時(shí)的 60%。 透平膨脹機(jī)法由于設(shè)備比較簡(jiǎn)單，投資小，凝液回收效率高，已被日益廣泛地用于天然氣深冷加工中，并成為天然氣加工工業(yè)中發(fā)展最快的一種方法。國(guó)外認(rèn)為對(duì)于處理量為中等至大規(guī) 模（ 84~700 萬(wàn) m179。／ d）和原料其中凝液含量為~／ m179。情況下的天然氣凝液回收選用此法比較經(jīng)濟(jì)。 聯(lián)合制冷法 聯(lián)合制冷法又稱(chēng)為冷劑與直接膨脹聯(lián)合制冷法。此法是冷劑制冷法與直接膨脹制冷法二者的復(fù)合，冷量一部分 由膨脹制冷法提供，另一部分由冷劑制冷法提供。當(dāng)原料氣組成較富， 其壓力低于適宜的冷凝分離壓力，為了充分、經(jīng)濟(jì)地回收天然氣液而設(shè)置原料氣壓縮機(jī)時(shí)，應(yīng)采用有冷劑預(yù)冷的聯(lián)合制冷法。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 由于我國(guó)的伴生氣大多具有組成較富、壓力較低的特點(diǎn)，所以自 80 年代以來(lái)新建或改建的天然氣液回收裝置普遍采用膨 脹制冷法及有冷劑頂冷的聯(lián)合制冷法，而其中的膨