DHX工藝丙烷收率理論計(jì)算公式推導(dǎo)及影響因素研究

陳 波，李 莎，沈麗軍，楊俊琦，嵇 翔，黃春建，張子龍，張 康

（中國石油塔里木油田公司塔里木能源分公司，新疆 庫爾勒 841000）

從天然氣，尤其是凝析氣及伴生氣中回收丙烷以上的輕烴組分， 能夠顯著提高天然氣的附加值，提高油氣田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益[1,2]。 目前國內(nèi)從天然氣中回收丙烷的工藝裝置較多，其中以DHX工藝應(yīng)用最為普遍。

國內(nèi)相關(guān)學(xué)者從提高裝置丙烷收率、 節(jié)能降耗、系統(tǒng)適應(yīng)性等方面出發(fā)，對DHX工藝進(jìn)行了深入研究。趙學(xué)波等[3-5]通過工藝模擬軟件計(jì)算，對DHX塔吸收特性、原料適應(yīng)性、膨脹機(jī)出口壓力進(jìn)行了詳細(xì)的研究， 與單級膨脹機(jī)制冷法相比，DHX工藝丙烷（C3）收率的提高幅度主要取決于氣體中甲烷/乙烷（C1/C2）體積分?jǐn)?shù)之比,而氣體中C3烴類含量對其影響甚小。 李士富等[6]在選擇大量伴生氣組分的基礎(chǔ)上，用HYSYS軟件進(jìn)一步模擬計(jì)算,研究了DHX工藝對原料氣的適應(yīng)性。 劉祎飛等[7]對原料氣預(yù)冷溫度、膨脹機(jī)出口壓力及低溫分離器出口流量百分比對C3收率的影響情況進(jìn)行了分析， 以指導(dǎo)工藝流程的設(shè)計(jì)工作。 蔣洪等[8-11]從DHX工藝換熱網(wǎng)絡(luò)出發(fā)， 在降低系統(tǒng)能耗、 提高裝置丙烷收率方面，對DHX工藝進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)與參數(shù)優(yōu)化調(diào)整。 但是，以上研究均從軟件模擬入手，猶如黑箱中研究相關(guān)參數(shù)變化對丙烷收率的影響，對于已建裝置的優(yōu)化以及現(xiàn)場操作的理論指導(dǎo)不夠具體。

本文從DHX塔作用機(jī)理入手，推導(dǎo)DHX工藝輕烴回收全流程的丙烷收率理論計(jì)算公式，由此確定了多個(gè)影響收率的因素；基于塔里木輕烴廠基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)， 研究前述因素對裝置丙烷收率的影響程度， 可為現(xiàn)場操作提供比較直接的參考及理論指導(dǎo)。

1 理論計(jì)算公式推導(dǎo)

1.1 某廠DHX工藝輕烴回收流程

塔里木輕烴廠為實(shí)現(xiàn)天然氣輕烴深度回收，在傳統(tǒng)的膨脹機(jī)制冷+ DHX輕烴回收工藝基礎(chǔ)上，在脫乙烷塔頂增設(shè)回流罐， 強(qiáng)化脫乙烷塔精餾效果，進(jìn)一步降低DHX塔頂吸收劑中丙烷含量，有效提高了丙烷回收率。 該廠設(shè)計(jì)處理天然氣3000×104m3/d（兩套裝置同時(shí)運(yùn)行），設(shè)計(jì)C3+液烴收率保證值96%[12]，年產(chǎn)液烴4.5 × 105t，為國內(nèi)最大的天然氣輕烴回收裝置，主工藝流程見圖1所示。

脫水后的干氣進(jìn)入冷箱預(yù)冷，冷箱預(yù)冷后低溫氣體進(jìn)入低溫分離器氣液分離，液相節(jié)流降壓經(jīng)冷箱復(fù)熱后進(jìn)入脫乙烷塔中部，低溫分離器氣相進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹后進(jìn)入DHX塔下部， 為裝置提供冷量。DHX塔塔底液烴經(jīng)DHX塔底增壓泵增壓進(jìn)入冷箱復(fù)熱，進(jìn)入脫乙烷塔上部。 脫乙烷塔塔頂氣至冷箱冷卻進(jìn)入脫乙烷塔回流罐進(jìn)行氣液分離，液相經(jīng)脫乙烷塔回流泵增壓作為乙烷塔頂回流，回流罐不凝氣至冷箱進(jìn)一步深度冷卻液化后進(jìn)入DHX塔頂部。DHX塔塔頂氣經(jīng)冷箱復(fù)熱進(jìn)入膨脹機(jī)壓縮端壓縮后，至天然氣增壓裝置進(jìn)一步增壓外輸。 脫乙烷塔塔底液烴至脫丁烷塔進(jìn)一步分餾得到液化氣與穩(wěn)定輕烴產(chǎn)品。

1.2 丙烷收率理論計(jì)算公式推導(dǎo)

與普通的單制冷天然氣輕烴回收工藝相比，DHX工藝輕烴回收中增設(shè)DHX塔，利用低溫液烴的吸收作用[3]，進(jìn)一步從天然氣中將C3吸收，能夠大幅提高裝置丙烷收率，DHX塔簡化模型如圖2所示。

由于DHX塔內(nèi)各塔板吸收劑流量、 氣體流量、溫度變化范圍較小，為了進(jìn)一步從理論上分析DHX工藝相關(guān)參數(shù)對丙烷收率影響情況，根據(jù)哈頓—富蘭克林方程[13]，得出DHX塔中丙烷組分吸收量與吸收劑丙烷含量、吸收因子、理論塔板數(shù)等參數(shù)的關(guān)系：

式中，νN+1為進(jìn)入DHX塔底部膨脹氣中丙烷的物質(zhì)的量流量，kmol/h；ν1為離開DHX塔頂部去外輸壓縮機(jī)干氣中丙烷的物質(zhì)的量流量，kmol/h；n0為DHX塔頂部進(jìn)料丙烷組分含量；x0為DHX塔頂部進(jìn)料液相分率（主要由系統(tǒng)溫度決定）；A為平均吸收因子，反映丙烷吸收進(jìn)行的難易程度， 綜合反應(yīng)操作條件、相平衡常數(shù)K和物性對吸收效果的影響；L為DHX塔頂部進(jìn)料物流循環(huán)量，kmol/h；V為DHX塔內(nèi)被吸收的原料天然氣物質(zhì)的量流量，kmol/h；K為DHX塔內(nèi)氣相中丙烷和吸收劑溶液中液相丙烷之間的平均平衡常數(shù)；N為吸收塔理論板數(shù)（板序從上向下數(shù)）。

DHX工藝輕烴回收中，天然氣中的丙烷主要通過低溫分離器冷凝、DHX塔吸收后進(jìn)入脫乙烷塔，從而實(shí)現(xiàn)天然氣中的丙烷回收。 根據(jù)天然氣丙烷回收量定義——原料天然氣進(jìn)入裝置整體丙烷含量減去伴隨外輸天然氣從裝置逃逸的丙烷含量的差值；另外，根據(jù)流程中物料平衡原理，原料氣丙烷含量等于低溫分離器丙烷冷凝量與進(jìn)入DHX塔底部膨脹氣中丙烷含量之和，從而可得裝置整體的丙烷收率如式(3)所示。

式中，φ為整個(gè)輕烴回收裝置的丙烷收率，%；ν′為從低溫分離器底部冷凝進(jìn)入脫乙烷塔中丙烷的物質(zhì)的量流量，kmol/h；ν為進(jìn)入輕烴回收單元中，原料氣中丙烷的物質(zhì)的量流量，kmol/h。

將式(1)、(2)帶入式(3)整理可得：

1.3 丙烷收率影響因素

由式(2)和式(4)可見，影響DHX工藝裝置丙烷收率的因素有：DHX塔頂部進(jìn)料丙烷組分含量（n0）、DHX塔頂部進(jìn)料液相分率（x0）、原料氣中丙烷含量（ν），DHX塔頂部進(jìn)料物流循環(huán)量 （L）、DHX塔平均相平衡常數(shù)（K）、低溫分離器的丙烷冷凝量（ν′）、原料氣流量（V）、DHX塔塔板數(shù)（N）。 為進(jìn)一步提高裝置收率并為現(xiàn)場操作提供指導(dǎo)，對以上推導(dǎo)結(jié)果進(jìn)行分析，以確定不同因素對丙烷收率的影響程度。

2 丙烷收率影響因素分析

根據(jù)推導(dǎo)出的理論計(jì)算公式，發(fā)現(xiàn)影響裝置丙烷收率的因素較多，以塔里木輕烴廠相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ)，在各個(gè)因素合理變化范圍內(nèi)，通過數(shù)值計(jì)算，研究其對全工藝丙烷收率的影響特性，以便為DHX工藝設(shè)計(jì)以及裝置現(xiàn)場調(diào)參提供參考。

2.1 影響因素取值范圍

以塔里木輕烴廠冬季運(yùn)行工況的設(shè)計(jì)參數(shù)和日常實(shí)際運(yùn)行參數(shù)為參考，合理確定關(guān)鍵影響因素的變化范圍，如表1所示。 特別指出，正常情況下原料氣處理量基本能夠保持恒定，所以不再研究原料氣流量變化對收率的影響；同時(shí)，對于已經(jīng)建成的裝置，DHX塔理論塔板數(shù)維持不變， 所以也不研究DHX塔理論板數(shù)變化對收率的影響。

表1 影響因素取值范圍表

2.2 DHX塔頂進(jìn)料丙烷含量及液相分率的影響

以塔里木輕烴廠相關(guān)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為研究對象， 分析不同的DHX塔頂進(jìn)料液相分率、DHX塔頂進(jìn)料丙烷含量對DHX工藝丙烷收率的影響情況，結(jié)果如圖3所示。 丙烷收率與DHX塔頂物流中丙烷含量成負(fù)線性關(guān)系，DHX塔頂物流丙烷含量越低，丙烷收率越高。 塔里木輕烴廠脫乙烷塔采用兩股進(jìn)料且增設(shè)有塔頂回流，運(yùn)行壓力高達(dá)3.4 MPa，使得脫乙烷塔精餾的系統(tǒng)復(fù)雜、氣液相分離困難，精餾效果未能達(dá)到設(shè)計(jì)值。 DHX塔頂物流實(shí)際丙烷含量接近設(shè)計(jì)值的2倍， 使得丙烷收率低于理論設(shè)計(jì)值達(dá)4%，日常只能增加外輸壓縮機(jī)功耗，提高DHX塔頂進(jìn)料循環(huán)量以及間接少量降低DHX塔頂進(jìn)料溫度，才能保證一定的丙烷收率。

另外，進(jìn)入DHX塔頂物流液相分率越高（即物流溫度越低），裝置丙烷收率越高。 以塔里木輕烴廠運(yùn)行情況為例，DHX塔頂進(jìn)料物流溫度變化3 ℃，液相分率僅變化0.1左右， 故對于正常運(yùn)行的裝置，DHX塔頂物流溫度對收率影響較低。但是，隨著塔頂物流中丙烷含量的增加， 液相分率對丙烷收率的影響逐漸擴(kuò)大，此時(shí)需要關(guān)注液相分率對收率的影響問題。塔里木輕烴廠兩列完全相同的裝置， 開車初期冷箱部分流道臟堵， 使二列DHX塔頂液相物流溫度高于一列1 ℃，最終造成二列裝置丙烷收率偏低0.8%。

2.3 原料氣丙烷含量的影響

隨著天然氣田開發(fā)進(jìn)程的推進(jìn)，進(jìn)入輕烴回收裝置的原料氣中丙烷含量會(huì)相繼發(fā)生變化，為了分析原料氣丙烷含量變化對裝置丙烷收率的影響，在保持其他因素為設(shè)計(jì)值的基礎(chǔ)上，通過上文推導(dǎo)的式（4）對不同原料氣丙烷含量進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖4所示。 在保證相同的基礎(chǔ)條件下，原料氣丙烷含量越高， 丙烷收率也就越高， 說明對于相同的DHX輕烴回收裝置，油田伴生氣等富氣資源更加容易取得較高的丙烷收率。

2.4 DHX塔頂進(jìn)料循環(huán)量的影響

DHX工藝的引入能夠顯著提高ISS工藝的丙烷收率， 作為丙烷吸收塔，DHX塔頂吸收劑主要成分為甲烷、乙烷，其主要通過膨脹機(jī)的膨脹制冷作用，從原料氣中冷凝分離部分液相甲、乙烷烴類并構(gòu)成循環(huán)物流。 不同吸收劑循環(huán)量計(jì)算結(jié)果如圖5所示。吸收劑循環(huán)量越大，丙烷吸收效果越好，越有助于丙烷收率的提高。 但是，無限制地提高吸收劑循環(huán)量時(shí)，丙烷收率增加有限，同時(shí)需要消耗更大冷量以獲得足夠的甲、乙烷冷凝液烴。 另外，吸收劑循環(huán)量存在一個(gè)最小臨界值， 當(dāng)循環(huán)量低于臨界值時(shí)，丙烷收率出現(xiàn)快速下降。 為保證DHX工藝有一個(gè)合理的吸收劑循環(huán)量，當(dāng)系統(tǒng)膨脹壓差不夠時(shí)，需要引入丙烷輔助制冷系統(tǒng)，以獲得更多的甲、乙烷冷凝量來保證最小循環(huán)量要求。 但是，一般情況下裝置設(shè)計(jì)初期的設(shè)計(jì)循環(huán)量遠(yuǎn)大于吸收劑最小臨界值， 所以對于已經(jīng)建成的裝置而言，DHX塔頂吸收劑循環(huán)量不是提高收率的關(guān)鍵因素。

2.5 DHX塔平均相平衡常數(shù)的影響

對于組成一定的DHX塔系統(tǒng)，丙烷的相平衡常數(shù)隨DHX塔溫度和壓力的變化而變化；而相平衡常數(shù)越小，越有利于丙烷等重組分溶解于甲、乙烷等液烴中，從而實(shí)現(xiàn)丙烷液烴的有效回收，提高丙烷收率。 不同相平衡常數(shù)下丙烷收率的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。 相平衡常數(shù)對丙烷收率的影響為負(fù)相關(guān)性，即使相平衡常數(shù)范圍變化很寬，對丙烷收率影響依然較小。 對于已建正在運(yùn)行的裝置，DHX塔系統(tǒng)的壓力、溫度變化范圍更小，塔里木輕烴廠DHX塔壓力在3.1～3.5 MPa，溫度在-76～-69 ℃變化時(shí)，丙烷相平衡常數(shù)變化范圍為0.030～0.042，使得丙烷收率在設(shè)計(jì)值基礎(chǔ)上，上下浮動(dòng)0.5%，故優(yōu)化運(yùn)行時(shí)，在其余影響因素不變的情況下，可不考慮相平衡常數(shù)變化（即DHX塔溫度、壓力變化）對丙烷收率的影響。

2.6 低溫分離器丙烷冷凝量的影響

對于輕烴深冷回收工藝， 常需要將原料氣通過板翅式換熱預(yù)冷至較低溫度并分離出天然氣的重?zé)N， 低溫分離器頂部氣相進(jìn)入膨脹機(jī)制冷以獲得更低的制冷溫度， 此時(shí)原料氣中部分丙烷會(huì)從低溫分離器中冷凝回收，并進(jìn)入脫乙烷塔。 從表面上看，低溫分離器丙烷冷凝越多，則丙烷收率越高，不同的低溫分離器丙烷冷凝量對丙烷收率的影響結(jié)果如圖7所示，低溫分離器丙烷冷凝量對裝置收率影響極小。

綜上分析，在DHX工藝中，低溫分離器主要目的在于通過對預(yù)冷氣有效分離，為膨脹機(jī)運(yùn)行提供安全環(huán)境，并進(jìn)一步降低裝置整體的制冷溫度[14]，為膨脹機(jī)后端甲烷、乙烷的大量冷凝提供條件，進(jìn)而為DHX塔提供足夠的吸收劑循環(huán)量。

3 結(jié)論

依據(jù)吸收塔的作用機(jī)理，根據(jù)哈頓—富蘭克林方程， 推導(dǎo)出了DHX工藝丙烷收率的理論計(jì)算公式， 由此確定了影響在運(yùn)裝置丙烷收率的6個(gè)關(guān)鍵因素， 有助于提高操作人員對DHX工藝的理論認(rèn)識。 以塔里木輕烴廠DHX輕烴回收裝置設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究發(fā)現(xiàn)，對于已經(jīng)建成且運(yùn)行制冷量充足的裝置， 相關(guān)因素對丙烷收率影響程度大小依次為：DHX塔頂吸收劑丙烷含量 （反映了脫乙烷塔系統(tǒng)的精餾效果）、DHX塔頂進(jìn)料液相分率（反映了進(jìn)料溫度）、原料氣丙烷含量、吸收劑循環(huán)量、相平衡常數(shù)、低溫分離器丙烷冷凝量。 結(jié)合裝置的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對于在運(yùn)裝置，系統(tǒng)制冷量可以通過外部參數(shù)調(diào)整， 容易維持較高的DHX塔頂吸收劑循環(huán)量； 而由于脫乙烷塔進(jìn)料以及回流系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得脫乙烷塔系統(tǒng)的精餾效果成為裝置收率穩(wěn)定高效的關(guān)鍵所在。