【文章內(nèi)容簡介】 國，丙烷制冷工藝應(yīng)用于輕烴回收裝置還不到 10 年時(shí)間，但山于其制冷系數(shù)較大，制冷溫度為 （ 35～ 30℃ ） ，丙烷制冷劑可由輕烴回收裝置自行生產(chǎn)，無刺激性氣味，因此近兒年來，該項(xiàng)技術(shù)迅速推廣，我國 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。 外冷法的優(yōu)點(diǎn)是制冷系統(tǒng)制冷量不受原料氣的貧富程度的限制，對原料氣的壓力無嚴(yán)格要求，可根據(jù)回收率的要求確定原料氣被冷卻后的溫度，在裝置運(yùn)轉(zhuǎn)中，可根據(jù)原料氣量和組成的變化以及季節(jié)性的氣溫變化來改變制冷量的大小。上世紀(jì) 80 年代之前，我國投產(chǎn)的輕烴回收裝置都采用單純的外制冷工藝流程。目輕烴回收裝置工藝設(shè)計(jì) 3 前該方法仍是我國各油田采用較多的工藝方法之一。 自制冷法 自制冷法主要用于回收 C3 或 C2， 它是利用原料氣進(jìn)天然氣凝液回收裝置的壓力降產(chǎn)生制冷效應(yīng)。制冷量取決于原料氣本身的壓力和組成，不設(shè)置獨(dú)立的制冷系統(tǒng)。這種效應(yīng)的產(chǎn)生，現(xiàn)階段通常采用等嫡效率最高的透平膨脹機(jī)，此外還有熱分離機(jī)、節(jié)流閥等膨脹制冷方式。 (1)節(jié)流制冷法 節(jié)流制冷法主要是依據(jù)焦耳一湯姆遜效應(yīng)，較高壓力的原料氣通過節(jié)流閥降壓膨脹，使原料氣冷卻并部分液化，以達(dá)到分離原料氣的目的。該方法具有流程簡單、設(shè)備少、投資少的特點(diǎn)，但此過程效率低，只能使少量的重?zé)N液化，故只有在氣體有壓力能可利用，處理量小，氣體重 烴含量少和收率要求不高時(shí) 才 選 用此方法。 (2)透平膨脹機(jī)制冷法 采用透平膨脹機(jī)制冷法的前提條件是有自由壓力能供利用的場合。當(dāng)具有一定壓力的天然氣通過透平膨脹機(jī)時(shí)，其膨脹過程近似于等嫡膨脹過程，獲得膨脹功的同時(shí)，氣流的溫度將急劇下降。因此，氣流中的烴組分將被冷凝下來。 膨脹機(jī)制冷法的特點(diǎn)是流程簡單，設(shè)備數(shù)量少，維護(hù)費(fèi)用低，公用工程消耗低，占地面積小，因此近年來采用的較多。但是當(dāng)處理量過小時(shí)不宜采用，因?yàn)榇藭r(shí)膨脹機(jī)效率較低，可考慮采用熱分離機(jī)。 (3)熱分離機(jī)制冷法 熱分離機(jī)裝置的流程與透平膨脹機(jī)裝 置類似，主要差別是主冷設(shè)備不同，它是利用高能動(dòng)力氣體由轉(zhuǎn)動(dòng) (或靜止 )的噴嘴分配進(jìn)入末端封閉的容器，形成壓縮、膨脹，由動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿亩嘧冞^程。壓縮時(shí)放出的熱量由周圍環(huán)境吸收掉，而膨脹時(shí)則相似于等嫡過程使氣體降溫而達(dá)到制冷的目的。 熱分離機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，省人省電，允許帶液工作的特點(diǎn)，適用于小氣量、帶液量大和氣源壓力較高的場所。但是國內(nèi)開發(fā)應(yīng)用的熱分離機(jī)制冷技術(shù)，由于熱分離效率低、適應(yīng)性差、技術(shù)性能差、質(zhì)量不過關(guān)等原因，在我國仍處于工業(yè)試驗(yàn)階段。 混合制冷法 為了最大限 度地從天然氣中回收輕烴，要求的溫度更低，單一的制冷法一般難以達(dá)到，即便有時(shí)膨脹機(jī)制冷能達(dá)到溫度，但由于出口帶液問題，對富氣仍是不適用的，這時(shí)往往采用混合制冷法，即冷凍循環(huán)的多級化和混合冷劑制冷以及西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 膨脹機(jī)加外冷的方式來實(shí)現(xiàn)。目前，輕烴回收工藝上應(yīng)用最多的是外加冷劑循環(huán)制冷作為輔助冷源，膨脹制冷作為主冷源，并采取逐級冷凍和逐級分離出凝液的工藝措施來降低冷量消耗和提高冷凍深度，以達(dá)到較高的冷凝率，回收原料氣中絕大部分丙烷組份，達(dá)到回收目的。 這種方法具有許多優(yōu)點(diǎn) ： 1)有兩個(gè)冷源，因此運(yùn)轉(zhuǎn)適應(yīng)性較大，即使外加制冷系 統(tǒng)發(fā)生故障，裝置也能在保持較低收率情況下繼續(xù)運(yùn)行。 2)混合制冷法中的外加制冷系統(tǒng)比外加冷源法要簡單、容量小 。外加冷源 解決高沸點(diǎn)較重?zé)N類冷凝問題，膨脹制取的冷量用在較低溫度位。 3)此種流程組合即可提高乙烷、丙烷收率，又可大大減少裝置的能耗。 輕烴回收工藝方法進(jìn)展 國內(nèi)輕烴回收工藝的發(fā)展及現(xiàn)狀分析 我國的天然氣分離輕烴回收技術(shù)起步較晚，四川約始于 上世紀(jì) 60 年代開展了從天然氣中分離、回收 C2 液體產(chǎn)物的試驗(yàn)工作，大約只相當(dāng)于國外 上世紀(jì) 30— 40年代的 “ 天然汽油時(shí)代 ”， 由于工藝技術(shù)的限制， 輕烴的收率很低，回收的產(chǎn)品僅作為工業(yè) 或民用燃料 ， 用途有限，發(fā)展緩慢。在 上世紀(jì) 70— 80 年代，隨著北方各大油田陸續(xù)開發(fā)，其兼產(chǎn)的油田氣也登上了加工的舞臺，天然氣加工對象擴(kuò)伸向C2 產(chǎn)物。近年來，由于我國石油化工飛速發(fā)展和世界的能源危機(jī)，使天然氣及輕烴的需求量急劇增長，促使了我國輕烴回收技術(shù)的迅速發(fā)展。我國在國外技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了適合國內(nèi)油氣田特點(diǎn)的工藝方法。目前國產(chǎn)裝置采用的主要工藝方法，歸納起來有 :外部冷劑循環(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。制冷溫度不低于 50℃ 的淺冷裝置，大部分 采用冷劑制冷或單級膨脹制冷，中深冷裝置大部分采用冷劑制冷和膨脹制冷相結(jié)合的混合制冷方法。目前，我國中深冷裝置主要用于提高 C3 收率，乙烷大部分都未回收?；旌现评渲饕獌?yōu)點(diǎn)是制冷溫度低，產(chǎn)品收率高，對原料氣的變化適應(yīng)性強(qiáng)，缺點(diǎn)是流程比較復(fù)雜，投資高，裝置的能耗也比較高。 國內(nèi)開發(fā)應(yīng)用的熱分離機(jī)制冷技術(shù)， 上世紀(jì) 70 年代中期進(jìn)入油田伴生氣的加工行業(yè)， 1984 年浙大設(shè)計(jì)承建的兩套熱分離機(jī)回 收輕烴裝置在遼河油舊投入使用。從此，國內(nèi)除節(jié)流、透平膨脹制冷外 ， 熱分離機(jī)也開始應(yīng)用于輕烴回收領(lǐng)域。 國外輕烴回收 工藝的發(fā)展及現(xiàn)狀分析 國外的分離回收技術(shù)己有近 100 年的歷史，工藝較先進(jìn)，一些國家在提高加工深度、增加收率、合理利用油氣資源上都取得了顯著的成績 在不同的歷史時(shí)期，輕烴回收裝置工藝設(shè)計(jì) 5 采用不同的回收方法。自 上世紀(jì) 70 年代以來，國外以節(jié)能降耗，提高液烴收率為目的，對輕烴回收裝置進(jìn)行了一些列改進(jìn)，出現(xiàn)了許多新工藝。這些新工藝主要是在膨脹制冷流程和冷劑制冷流程基礎(chǔ)上加以改進(jìn)而發(fā)展起來的。 氣體過冷工藝 (GSP)和液體過冷工藝 (LSP) 此工藝是對工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)單級膨脹制冷工藝 (ISS)和多級膨脹制冷工藝 (MTP)的改進(jìn)。采用 GSP 工藝可在保持較高 C2 烴類收率的情況下，使原料氣中 C2 的容許含量高于膨脹制冷工藝的容許含量，而且功耗較低。 直接換熱工藝 (DHX) DHX 工藝是埃索資源公司首先提出并在 Judy Creek 工廠實(shí)踐，叮收率由原來的 72%增加到 95%。實(shí)踐證明，在不回收乙烷的情況下 ， 利用 DHX 工藝可很容易地對現(xiàn)有的膨脹制冷流程加以改造，多數(shù)情況下所用投資較少。 混合冷劑制冷工藝 與傳統(tǒng)的單組分冷劑或階式制冷法相比，混合冷劑制冷 (MRC)法采用的冷劑可根據(jù)冷凍溫度的高低配制冷劑 的組分與組成 一般是以乙烷、丙烷為主。當(dāng)壓力一定時(shí)，混合冷劑在一個(gè)溫度范圍內(nèi)隨著溫度逐漸升高而逐步汽化，因而在換熱器中與待冷凍的天然氣的傳熱溫差很小，故其用效率很高。當(dāng)原料氣與外輸干氣壓差甚小，或在原料氣較富的情況下，采用混合冷劑制冷法的工藝更為有利。 國內(nèi)外輕烴回收技術(shù)的發(fā)展趨勢 國內(nèi)外輕烴回收技術(shù)將以低溫分離法為主，向投資少、深分離、高效率、低能耗、橇裝化、自動(dòng)化的方向發(fā)展。 國內(nèi)外輕烴回收工藝差距 近年來，輕烴回收作為油氣田新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，越來越受到重視，我國輕烴回收技術(shù)水平取得 了較大的進(jìn)步，但從國內(nèi)外輕烴回收技術(shù)的現(xiàn)狀可以看出，我國輕烴回收技術(shù)與國外先進(jìn)技術(shù)還有一定的距離。國內(nèi)天然氣資源豐富，發(fā)展輕烴回收技術(shù)具有重要的意義。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 2 設(shè)計(jì)說明書 設(shè)計(jì)概述 設(shè)計(jì)依據(jù) SY/T0076－ 2020《天然氣脫水設(shè)計(jì)規(guī)范》 SY/T0077－ 2020《天然氣凝液回收設(shè)計(jì)規(guī)范》 HG20652－ 1998《塔設(shè)備》 GB/T9019— 2020《壓力容器公稱直徑》 設(shè)計(jì)原則 本設(shè)計(jì)遵循降低能耗、提高回收率為原則，力求以最小的能耗得到最高的回收率為目的設(shè)計(jì)。根據(jù)原料氣中 C3+含量及自身可利用的壓力降大小等因素選擇合適的制冷工藝。根據(jù)原料氣預(yù)冷溫度要求的脫水深度及原料氣組成等多方面選擇合適的脫水工藝流程。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 本設(shè)計(jì)主要根據(jù)已知天然氣氣源工況進(jìn)行凝液回收裝置工藝設(shè)計(jì)。其中包括分離器工藝設(shè)計(jì)、吸附塔工藝設(shè)計(jì)、冷箱及預(yù)冷分離器工藝設(shè)計(jì)、膨脹機(jī)工藝設(shè)計(jì)、脫乙烷和丙丁烷塔工藝設(shè)計(jì)六大部分。 參考資料 化學(xué)工程手冊編輯委員會 .化學(xué)工程手冊 （上、下） [M].化 學(xué)工業(yè)出版社 ， 1989.余國骔 .化工機(jī)械工程手冊 [M].化學(xué)工業(yè)出版社 ， 2020. 劉巍 .冷換設(shè)備 工藝計(jì)算手冊 [M].中國石化出版社 ， 2020. 錢頌文 .換熱器設(shè)計(jì)手冊 [M].化工出版社 ， 2020. 中國石化上海工程有限公司 .化 工工藝設(shè)計(jì)手冊 [M].化學(xué)工業(yè)出版社 ， 2020. 鍋爐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范匯編 [M].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社 ， 2020. 匯編技術(shù)委員會 編 .壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)匯 編 [M].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社 ， 2020. 輕烴回收裝置工藝設(shè)計(jì) 7 主要設(shè)計(jì)參數(shù)說明 原料氣處理量為 100104Nm3/d； 進(jìn)氣壓力為 ； 進(jìn)氣溫度為 38℃ ； 出站壓力 Mpa； LPG 質(zhì)量指標(biāo)： C2＜ 3﹪ 、 C5＜ 3﹪ 。 原料氣氣體組成 ： 表 原料氣組成 氣體組分 C1 C2 C3 nC4 iC4 nC5 iC5 N2 莫爾分?jǐn)?shù) 表 物流參數(shù)表 1 2 3 4 5 6 7 8 流量 (kmol/h) 壓力 (MPa) 溫度 (K) 311 223 223 密 度 (kmol/m3) 分子量 組成 C1 0 0 0 C2 0 C3 0 nC4 iC4 0 0 nC5 0 0 iC5 0 N2 0 0 0 工藝流程設(shè)計(jì)說明 工藝流程設(shè)計(jì)：初始原料氣在進(jìn)入流程之前，夾帶有油、游離水和泥沙等雜物，所以在原料氣的進(jìn)口處設(shè)置一個(gè)原料氣的預(yù)分離器，由于臥式分離器在處理氣體流量很大的情況下，分離效果要優(yōu)于立式分離器，所以選用臥式分離器；由于原料氣中含水量較少，而且需要深度脫水，所以選用分子篩脫水，考慮到實(shí)際中是進(jìn)行 24 小時(shí)生產(chǎn)，所以采用雙塔分子篩脫水裝置；為了減少生產(chǎn)中的能耗，西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 提高效益，設(shè)置一個(gè)換熱器，并采用現(xiàn)在技術(shù)較先進(jìn)的板翅式換熱器；氣體預(yù)冷后，可以分離出一部分的重組分，由于分離的流量不大，所以采用立式分離器 ；對 于本設(shè)計(jì)由于原料氣氣質(zhì)條件較貧，來料氣壓力較高，與外輸干氣之間 有 相當(dāng)?shù)膲翰羁梢岳茫瑒t選用膨脹機(jī)制冷?，F(xiàn)有的膨脹機(jī)中透平膨脹機(jī)在各種場合運(yùn)用最廣，所以本設(shè)計(jì)里液采用透平膨脹機(jī)；在最后的分離階段，采用現(xiàn)有技術(shù)較先進(jìn)的填料塔，而填料中規(guī)整填料效果比散裝填料好，所以采用規(guī)整填料中運(yùn)用較廣的金屬波紋板 250Y 型規(guī)整填料；凝液在脫乙烷塔內(nèi)脫除 C2 后，進(jìn)入脫丙丁烷塔精餾，塔頂產(chǎn)生的氣體經(jīng)過冷凝即得到產(chǎn)品液化石油氣（ LPG），塔底產(chǎn)生的液體即是輕油產(chǎn)品。 最后的產(chǎn)品列于下表： 表 產(chǎn)品說明表 壓力 MPa 溫度 ℃ 回收率 ﹪ 產(chǎn)量 kg/h 干氣 34 液化氣 輕油 39 圖 輕烴回收工藝流程圖 輕烴回收裝置工藝設(shè)計(jì) 9 3 輕烴回收工藝計(jì)算 分子篩 吸附器設(shè)計(jì)計(jì)算 分子篩是一種人工合成的無機(jī)吸附劑，它是具有骨架結(jié)構(gòu)的堿金屬或堿土金屬的硅鋁酸鹽晶體。分子篩通常分為 X 型和 A 型兩類。它們的吸附機(jī)理是相同的，區(qū)別在于晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部特征。 A 型分子篩具有與沸石結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)，所有吸附均發(fā)生在晶體內(nèi)部 孔 腔內(nèi)。 X 型分子篩能吸附所有能被 A 型分子篩吸附的分子，并且具有稍高的容量。分子篩表面具有較強(qiáng)的局部電荷，因而對極性分子和不飽和分子有很高的親和力。 在脫水過程中，分子篩作為吸附劑的顯著特點(diǎn)是： 1． 具有很好的選擇吸附性。分子篩能按照物質(zhì)的分子大小進(jìn)行選擇吸附。由于一定型號的分子篩其孔徑大小一樣，所以 一般說來只有比分子篩孔徑小的分子才能被分子篩吸附在晶體內(nèi)部的孔腔內(nèi)，大于孔徑的分子就被篩去。通過選用適當(dāng)型號的分子篩，可以達(dá)到選擇性的吸附水，減少甚至消除 其他氣體成分的共吸附作用，因而更加提高了吸附水的能力。經(jīng)分子篩干燥后的氣體，一般含水量可達(dá)到 （ ～ 10） ppm，冷凝分離法輕烴回收裝置中多用 4A， 5A 等分子篩做吸附劑，可以將天然氣干燥至低露點(diǎn)。 2． 具有高效吸附特性。分子篩在低 水汽分壓、高溫、高氣體線速度等苛刻的條件下仍然保持較高的濕容量 。 這是因?yàn)榉肿雍Y的表面積大于一般的吸附劑，達(dá)（ 700～ 900） m2/g。隨著相對濕度進(jìn)一步降低，分子篩的濕容量與其他干燥劑相比相對地提高，因而分子篩用于天然氣深度脫水時(shí)較其他吸附劑優(yōu)越。 設(shè)計(jì)計(jì)算中涉及的主 要計(jì)算公式 1）分子篩的允許氣體質(zhì)量流量： ()b g pG C D??? () 式中 G —— 允許的氣