天然气凝液回收分解

概述天然气凝液回收的目的和方法制冷方法天然气凝液回收工艺第五章天然气凝液回收在绪论中已经讲到，天然气中除了主要组分甲烷外，还有其它烃类和非烃类的组分，各组份的大致含量如下：CH4C2H6C3H8C4H10C5+N2CO2H20H2SHeArXer(70-95%)C2+(5-30%)少量微量天然气凝液回收就是回收天然气中乙烷以上的组分，所以天然气凝液（NGL）中含有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及更重烃类；从天然气中回收凝液的过程称之为天然气凝液回收或天然气液回收(NGL回收)．我国习惯上称为轻烃回收，讲课时提到的轻烃回收和天然气凝液回收都是一回事。概述第一节天然气凝液回收的目的及方法天然气类型对天然气液回收的影响天然气凝液回收的目的天然气凝液回收方法天然气类型主要决定了可以冷凝回收的烃类的组成和数量。气藏气：主要由甲烷组成，乙烷及更重烃类含量很少。只有当轻烃成为产品时其价值比在商品气中高时，才考虑进行天然气凝液回收。伴生气：通常轻烃多，为了满足商品气或管输气对烃露点和热值的要求，同时也为了获得一定数量的液烃产品，必须进行天然气凝液回收。凝析气：轻烃含量多，应进行回收。一、天然气类型对天然气液回收的影响1.满足商品天然气对烃露点的要求根据商品气的质量指标对烃露点要求，对天然气液烃进行回收。如果天然气中可以冷凝回收的烃类很少，只需适当回收天然气凝液进行露点控制即可；如果可以冷凝回收的烃类成为液体产品比作为商品气中的组分具有更好的经济效益时，则应在满足商品气最低热值要求的前提下，最大程度地回收天然气凝液。因此，天然气液回收的深度不仅取决天然气的组成(乙烷和更重烃类的含量)，还取决于商品气对热值和烃露点的要求等因素。2.满足管输气质量要求使天然气的烃露点满足管输要求，防止天然气中较重烃类在输送过程中冷凝，增加输送阻力和能耗。二、天然气凝液回收的目的在下述几种情况下需要最大程度地回收天然气液：①将伴生气中回收到的液烃送回原油中时价值更高，即回收液烃的主要目的是为了尽可能地增加原油产量。②从天然气液回收过程中得到的液烃产品比其作为商品气中的组分时价值更高，因而使得天然气凝液回收具有良好的经济效益。我国习惯上根据是否回收乙烷而将天然气凝液回收装置分为两类：一类以回收丙烷及更重烃为目的，称为浅冷；另一类则以回收乙烷及更重烃为目的，称为深冷。3.最大限度地回收天然气凝液回收方法基本上分为吸附法、油吸收法和冷凝分离法三种.（一）吸附法吸附法系利用固体吸附剂(如活性炭)对各种烃类的吸附容量不同，从而使天然气中—些组分得以分离的方法。缺点是需要几个吸附塔切换操作，产品的局限性大，加之能耗较大，成本较高，因而目前应用较少。（二）油吸收法此法系利用不同烃类在吸收油中溶解度不同，从而使天然气中各个组分得以分离的方法。吸收油一般采用石脑油、煤油或柴油，是五六十年代广为使用的一种天然气液回收方法。但是，由于此法投资和操作费用较高，70年代以后已逐渐被更加经济与先进的冷凝分离法所取代。三、天然气凝液回收方法（三）冷凝分离法冷凝分离法是利用在一定压力下天然气中各组分的挥发度不同，将天然气冷却至烃露点温度以下，得到一部分富含较重烃类的天然气凝液。此法的特点是需要向气体提供足够的冷量使其降温。按照提供冷量的制冷系统不同，冷凝分离法可分为冷剂制冷法、直接膨胀制冷法和联合制冷法三种。1.冷剂制冷法冷剂制冷法也称为外加冷源法(外冷法)，其特点是：①是由独立设置的冷剂制冷系统向原料气提供冷量，其制冷能力与原料气无直接关系；②根据原料气的压力、组成及要求的天然气液的回收深度，可选择不同温度级别的冷剂(制冷工质)，例如氨、丙烷及乙烷，也可以是乙烷、丙烷等烃类混合物；③制冷循环可以是单级或多级串联，也可以是阶式制冷(覆叠式制冷)循环。（1)适用范围。在下列情况下可采用冷剂制冷法①以控制外输气烃露点为主，并同时回收部分凝液的装置。通常，原料气的冷冻温度应低于外输气所要求的露点温度5℃以上。②原料气较富，但其压力和外输气压力之间没有足够压差可供利，或为回收凝液必须将原料气适当增压，所增压力和外输气压力之间没有压差可供利用，而且采用冷剂制冷又可经济地达到所要求的凝液收率。（2)冷剂制冷温度。冷剂制冷温度主要与其性质和蒸发压力有关。如原料气的冷凝分离温度已经确定，可先根据表5-2中冷剂的常压沸点（正常沸点）、冷剂蒸发器类型及冷端温差初选一两种冷剂，再对其它因素（例如冷剂性质、安全环保、制冷负荷、装置投资、设备布置及运行成本等）进行综合比较后最终确定所需冷剂。①氨适用于原料气冷冻温度高于-25～-30℃时的工况。②丙烷适用于原料气冷冻温度高于-35～-40℃时的工况。③以乙烷、丙烷为主的混合冷剂适用于原料气冻凉温度低于-35～-40℃时的工况。（1）节流阀制冷。在下述情况下可考虑节流阀制冷：①压力很高的气藏气（大于10MPa)，对节流后的压力无太高的要求。②气源压力较高，而气量较小不适合用膨胀机制冷时。③原料气与外输气有压差可供利用，且原料气较贫，采用节流阀制冷仅为控制其烃露点以满足管输要求。2.膨胀制冷法直接膨胀制冷法也称自制冷法。此法特点是通过各种类型的膨胀设备使气体本身的压力能转变为冷能，气体自身温度降低，将轻烃从天然气分中离出来。常用的膨胀制冷设备有节流阀(也称焦尔一汤姆逊阀)、透平膨胀机及热分离机等。（2）热分离机制冷热分离机是20世纪70年代由法国Elf-Bertin公司开法的一种简易可行的气体膨胀制冷设备，有转动喷嘴式（RTS）和固定喷嘴式（STS）两种类型，见图5-3。热分离机的膨胀比一般为3～5，不宜超过7，处理能力一般小于104m3/d（按进气状态计）。因凝液收率低，现在已经不用。（3)膨胀机制冷。当节流阀或热分离机制冷不能达到所要求的凝液收率时，可考虑采用膨胀机制冷。其适用情况如下：①原料气压力高于外输气压力、有足够的压差可供利用；②原料气为单相气体；③气体较贫及凝液收率要求较高；④要求装置布置紧凑；⑤要求公用工程费用低；⑥要求适应较宽范围的压力及产品变化；⑦要求投资少。透平膨胀机的膨胀比一般为2～4，不宜大于7。如果膨胀比大于7，可考虑采用两级膨胀，但需进行技术经济分析及比较。1964年美国首先将透平膨胀机制冷技术用于NGL回收过程中。由于此法具有流程简单、操作方便、对原料气组成变化适应性大、投资低及效率高等优点，因此近几十年来发展很快。在美国，新建或改建的NGL回收装置有90%以上都采用了透平膨胀机制冷法。在我国，目前绝大部分NGL回收装置也都采用透平膨胀机制冷法。(3)联合制冷法联合制冷法又称冷剂与膨胀联合制冷法。顾名思义，此法是冷剂制冷法及膨胀制冷法二者的组合，即冷量来自两部分：高温位（-45℃以上）的冷量由冷剂制冷法提供；低温位（-45℃以下）的冷量由膨胀制冷法提供。当NGL回收装置以回收C2+烃类为目的，或者原料气中C3+组分含量较多，或者原料气压力低于适宜的冷凝分类压力时，为了充分回收NGL而设置原料气压缩机时，应考虑采用有冷剂预冷的联合制冷法。目前，NGL回收装置通常采用的几种主要方法的烃类收率见表5-3。表中数据仅供参考，其中节流阀制冷法的原料气压力应大于7MPa。如果压力过低，就应对原料气进行压缩，否则由膨胀制冷提供的温度及冷量就会不够。第二节冷剂制冷与膨胀机制冷原理与技术蒸汽压缩制冷透平膨胀机制冷节流膨胀制冷蒸气压缩制冷也称做机械压缩制冷或简称压缩制冷，是天然气凝液回收过程中最常采用的制冷方法之一。蒸汽压缩制冷的基本原理是利用沸点较低的制冷介质在低于环境温度下气化而吸热，从而带走被冷物料的热量。制冷介质的沸点越低，冷剂温度越低。例如,氨气在常压下蒸发可产生-33.5℃的低温;丙烷的常压沸点是-42℃,最低可产生-42℃的低温,甲烷在常压下蒸发,则最低可产生-161.49℃的低温。蒸汽压缩制冷的基本原理图见图5－4。一、蒸汽压缩制冷1.单温级压缩制冷循环丙烷压缩制冷的原理流程图丙烷沸点：P=1atmTb=-42.17℃;P=16atmTb=45℃这种循环是利用蒸汽的压缩、冷凝、汽化产生冷量，故称为蒸汽压缩制冷循环。2.双温级压缩制冷循环当工艺要求在几个温度等级下冷冻降温，或者说需要提供几个温度等级的制冷量时，可采用分级制冷(分级蒸发)的压缩制冷系统。图5－10是以丙烷为冷剂，产生两个温度级别制冷剂的例子。采用丙烷、氨等冷剂的压缩制冷系统，制冷温度最低仅约为-30～-40℃。如果要求更低的制冷温度(例如，低于-60～-80℃)，必须选择像乙烷、乙烯这样的冷剂(其常压下蒸发温度分别为-88.6℃与-103.7℃)但是，由于乙烷、乙烯的临界温度较低(乙烷为32.2℃，乙烯为9.1℃)，在压缩制冷循环中其蒸气不可能在环境温度(空气或温度为35～40℃的冷却水)下冷凝。为此，乙烷或乙烯蒸气需要采用丙烷、丙烯或氨制冷循环蒸发器中的冷剂提供冷量使其冷凝。同理，如要用甲烷可以制取-160℃温度等级的冷量。就需采用乙烷、乙烯制冷循环蒸发器中的冷剂供冷量使甲烷蒸汽其冷凝，这样就形成了丙烷—乙稀—甲烷覆叠式制冷循环。其工艺流程图见图5－12。3.阶式制冷阶式制冷系统是能耗较低的深冷制冷系统。以天然气液化装置为例，当装置原料气压力与干气外输压力相差不大时，每液化1000m3天然气的能耗约为300一320KW·h。如果采用混合冷剂制冷系统或膨胀机制冷系统，其能耗将分别增加20％～24％和40％以上。另外，由于其技术成熟．故在60年代时曾广泛用于液化天然气生产中。阶式制冷系统的缺点是流程及操作复杂，投资较大。而且，当装置原料气压力大大高于干气外输压力时，膨胀机制冷系统的能耗将显著降低，加之膨胀机制冷系统投资少，操作简单，故目前除极少数天然气液回收装置采用两级阶式制冷系统外，大多采用膨胀机制冷系统。但是，在乙烯装置中由于所需制冷温度等级多，冷剂又是乙烯装置的产品，储存设施完善，加之阶式制冷系统能耗低，故仍广泛采用之。4.混合冷剂制冷系统如右图所示，当用单一级位冷源来冷却天然气时，若在一端维持合适的传热温差（△t1),则另一端会处于不合理的大温差传热，而这种大温差必然造成大的压缩功耗（冷剂温度越低，冷量消耗外功越大）。这就造成了经济上的极不合理。如右图所示，如果用多级位冷剂对天然气分段冷却可以避免产生大的不合理的温差，在一定程度上减少了压缩机功耗，但过多的中间级位必然使制冷系统的附属设备增加（中间罐、控制仪表、管线等），只有很大的装置用多级位冷量才能经济。即使这样也不能从根本上解决大温差传热问题。要使天然气的冷却曲线与冷剂受热曲线之间尽可能保持适当温差，最好是使冷剂在气化过程中保持变温汽化过程，而混合物的汽化和冷凝过程能满足这一要求。在液体冷剂汽化过程中，温度从泡点逐渐上升到露点，随着轻组分的汽化，汽化温度逐渐升高，利用这一特性发展了混合冷剂制冷循环。调整混合冷剂的组成可以得到不同温度范围的混合冷剂。图5—13为采用混合冷剂制冷系统的天然气液回收工艺流程示意图，混合冷剂的组成％(x)为：CH430C2H625C3H835C4H1010；天然气的冷却曲线和冷剂受热曲线见图5－14透平膨胀机是一种使高压气体膨胀对外做功，因而使气体压力和能量减少的原动机。从广义讲，透平膨胀机应包括：①蒸汽轮机：只输出功率且压缩气体为水蒸汽。②燃气轮机：只输出功率但压缩气体为燃气。③涡轮膨胀机：高压空气或天然气膨胀对外作功，而使气体温度降低，以实现制冷为目。一般情况下，如果没有特别说明，人们所指的透平膨胀机就是涡轮膨胀机，本课所指透平膨胀机也是涡轮膨胀机。二、透平膨胀机制冷1.透平膨胀机结构透平膨胀机由三个主要部分组成：通流部分、制动器部分和机体部分。这里主要介绍与制冷过程有关的通流部分，其它部分原理可参照有关专著。2.制冷原理流通部分是制冷的核心部分，主要包括：蜗壳、喷嘴环(导流器)、工作轮(叶轮)和扩压器。①蜗壳作用是把透平膨胀机进气管道中的气体引导并均匀地分配到喷嘴环上。从结构上分，蜗壳又可分为单蜗室蜗壳、半蜗室蜗壳、双蜗室蜗壳。见下页结构图。（一）透平膨胀机简介单蜗室