高壓天然氣的乙烷回收

蔣 洪 湯 林 黃靖珊

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2.中國石油冀東油田公司

0 引言

位于新疆維吾爾自治區(qū)的相關(guān)凝析氣田天然氣處理廠進(jìn)廠天然氣壓力高（可達(dá)12 MPa），天然氣中乙烷含量超過5%，有必要對(duì)其中的乙烷及乙烷以上的凝液進(jìn)行回收。建設(shè)乙烷回收工程，可以提高油氣田的開發(fā)效率和資源利用率。因此，各油氣田都十分重視乙烷回收工作[1]。乙烷回收裝置是具有高能耗的低溫生產(chǎn)系統(tǒng)，對(duì)高壓天然氣（高于7 MPa）采用常規(guī)乙烷回收流程時(shí)，其脫甲烷塔壓受到熱集成、分離效率等因素的限制不宜太高，利用膨脹機(jī)制冷所產(chǎn)生的冷量偏多，而外輸氣壓縮機(jī)所需的壓縮功增大，導(dǎo)致乙烷回收系統(tǒng)能耗高。因此，有必要開展高壓天然氣乙烷回收流程進(jìn)行研究，降低系統(tǒng)能耗，提高乙烷回收裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。

資料調(diào)研結(jié)果表明：國外Mowrey等[2]提出的高壓天然氣乙烷回收流程，其流程采用雙塔形式，在乙烷回收率要求高的條件下，流程中未設(shè)置外輸回流，需增加脫甲烷塔頂物流循環(huán)量，導(dǎo)致系統(tǒng)總壓縮功較大；Mak等[3]提出高壓天然氣乙烷回收流程，流程中僅設(shè)置脫甲烷塔，因脫甲烷塔塔壓較低，致使外輸氣壓縮功增加；Tavan等[4]采用隔壁塔的形式進(jìn)行乙烷回收，提高了系統(tǒng)的熱集成度，但該流程工藝較為復(fù)雜且回收率不高。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)部分干氣回流乙烷回收流程（Recycle Split Vapor，RSV）進(jìn)行了研究和改進(jìn)[5-13]，但對(duì)于高壓天然氣乙烷回收方面的研究成果則較少見。

本文中將高于7 MPa的原料氣稱為高壓天然氣。為了降低系統(tǒng)能耗、提高乙烷回收裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，針對(duì)原料氣及外輸氣壓力高的工況條件，筆者基于RSV流程，提出了適用于高壓天然氣的乙烷回收改進(jìn)工藝流程 高壓吸收塔與低壓脫甲烷塔的多回流雙塔乙烷回收流程（Multistage Recycle High Pressure Absorber，MRHPA），分析了MRHPA流程的特性及適應(yīng)性，以期有助于我國高壓乙烷回收工程的建設(shè)。

1 RSV流程對(duì)高壓天然氣適應(yīng)性分析

RSV流程是由美國UOP Ortloあ公司開發(fā)的乙烷回收工藝，該流程在乙烷回收工程中得到廣泛應(yīng)用。RSV流程如圖1所示，該流程將部分外輸氣經(jīng)主冷箱及過冷箱換熱降溫后節(jié)流降壓作為塔頂物流進(jìn)入脫甲烷塔頂部，構(gòu)成一個(gè)以甲烷為主的制冷循環(huán)，調(diào)節(jié)其流量可控制乙烷回收率。脫甲烷塔自上往下的第二股進(jìn)料為低溫分離器氣相（或低溫分離器部分氣相和部分液相的混合相）經(jīng)過冷冷箱降溫降壓進(jìn)入脫甲烷塔中上部，產(chǎn)生低溫位的冷量，同時(shí)液烴可吸收氣相中的乙烷和二氧化碳。RSV流程采用外輸氣回流、低溫分離器部分氣相兩股雙回流進(jìn)料的設(shè)計(jì)，該流程具有高回收率且回收率可調(diào)的特點(diǎn)[14-17]。RSV流程適用于原料氣壓力為4 MPa以上的乙烷回收裝置[18-19]。

圖1 RSV乙烷回流程圖

RSV流程通過外輸氣回流為脫甲烷塔頂提供低溫位的冷量，外輸氣壓縮機(jī)的能耗較高，這一特點(diǎn)隨著外輸壓力的增大尤為明顯。對(duì)于壓力大于7 MPa的高壓天然氣，以膨脹機(jī)制冷為主的乙烷回收流程，降低外輸氣壓縮功的關(guān)鍵在于提高脫甲烷塔壓力。但脫甲烷塔塔壓的增大將降低塔關(guān)鍵組分的相對(duì)揮發(fā)度和增加甲烷與乙烷的分離難度，同時(shí)脫甲烷壓力過高導(dǎo)致重沸器溫度高，脫甲烷塔側(cè)線抽出物流與原料氣熱集成困難，需要設(shè)置額外的熱源為脫甲烷塔重沸器提供熱源，增加了乙烷回收系統(tǒng)能耗。

筆者研究表明：對(duì)于壓力大于7 MPa的高壓天然氣，RSV乙烷回收流程存在以下問題：

1）對(duì)原料氣壓力和外輸氣壓力較高的條件下，其脫甲烷塔壓力受到熱集成的限制，脫甲烷塔壓力不宜過高；當(dāng)脫甲烷塔壓力較低時(shí)可造成冷量過剩和外輸壓縮功增大，其乙烷回收系統(tǒng)能耗高。

2）提高脫甲烷塔壓力降低外輸壓縮功，但脫甲烷塔壓力高將導(dǎo)致脫甲烷塔底重沸器溫度和熱負(fù)荷提高，脫甲烷塔重沸器和原料氣熱集成困難，需設(shè)置外加熱源，同時(shí)將增加制冷系統(tǒng)的壓縮功。

3）脫甲烷塔塔壓過高（大于3.5 MPa）將導(dǎo)致塔盤分離效率降低。

2 高壓天然氣乙烷回收流程

2.1 改進(jìn)流程

針對(duì)原料氣與外輸氣壓力均較高的工況條件，基于RSV流程提出高壓吸收塔與低壓脫甲烷塔的多回流雙塔乙烷回收流程（MRHPA），其流程如圖2所示。

圖2 MRHPA乙烷回收流程圖

MRHPA流程將常規(guī)RSV流程中脫甲烷塔的精餾段和提餾段分別設(shè)置為高壓吸收塔與脫甲烷塔，兩塔的壓力相互獨(dú)立，脫甲烷塔塔頂設(shè)置壓縮機(jī)將脫甲烷塔和高壓吸收塔相聯(lián)系，高壓吸收塔壓力與原料氣壓力、氣體組成有關(guān)。以膨脹機(jī)制冷為主的乙烷回收流程，原料氣氣質(zhì)越貧，高壓吸收塔的壓力越高。在滿足系統(tǒng)乙烷回收率和冷量需求的前提下，可盡可能提高高壓吸收塔壓力和低溫分離器溫度，有利于減少外輸壓縮功、降低高壓吸收塔塔底液烴出料的甲烷含量和制冷系統(tǒng)能耗。與RSV流程相比，MRHPA流程的脫甲烷塔在較低壓力下運(yùn)行，可利用原料氣與脫甲烷塔側(cè)線抽出物實(shí)現(xiàn)熱集成，提高系統(tǒng)的熱集成度，降低對(duì)系統(tǒng)冷量的需求。

MRHPA流程中高壓吸收塔采用多股進(jìn)料，降低了外輸回流流量與低溫分離器部分氣相進(jìn)料量，流程的調(diào)節(jié)性及適應(yīng)性增強(qiáng)。原料氣氣質(zhì)較富時(shí)，MRHPA流程需增加外部制冷為乙烷回收流程提供冷量。

2.2 流程對(duì)比與分析

為分析MRHPA乙烷回收流程的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，采用RSV與MRHPA流程進(jìn)行對(duì)比分析，模擬流程的原料氣組成（表1）。利用Aspen HYSYS軟件對(duì)RSV和MRHPA流程進(jìn)行模擬計(jì)算，要求乙烷回收率為94%，其計(jì)算結(jié)果如表2所示，流程能耗對(duì)比如圖3所示。

圖3 RSV、MRHPA流程能耗對(duì)比圖

表1 原料氣組成表

表2 RSV和MRHPA流程對(duì)比分析表

流程模擬結(jié)果分析表明：

1）RSV流程能耗高。脫甲烷塔壓力低，導(dǎo)致外輸壓縮功高，其占比超過80%，系統(tǒng)總壓縮功高。

2）MRHPA流程中低溫分離器溫度較高（約為－30 ℃），降低了進(jìn)入脫甲烷塔進(jìn)料中的甲烷含量和塔頂壓縮機(jī)功耗。在乙烷回收率均為94%的情況下，與RSV流程相比，MRHPA流程貧氣工況和富氣工況下系統(tǒng)總壓縮功分別降低了16.21%和13.5%，其流程節(jié)能效果顯著。

3 MRHPA流程特性分析

為掌握MRHPA流程特性，筆者分析了MRHPA流程中的脫甲烷塔壓力、低溫分離器溫度、脫甲烷塔塔頂壓縮機(jī)出口壓力以及脫甲烷塔塔底分流比等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)乙烷回收率及能耗的影響。

模擬條件：原料氣組成采用表1中的貧氣，原料氣壓力溫度分別為8 MPa、37 ℃，外輸氣壓力為6.2 MPa，要求乙烷回收率為94%。

3.1 塔壓對(duì)流程的影響

MRHPA流程節(jié)能的關(guān)鍵在于提高高壓吸收塔壓力和低溫分離器溫度，降低脫甲烷塔壓力。適宜的脫甲烷塔壓力是保證乙烷回收率和系統(tǒng)熱集成的重要參數(shù)。

在給定的原料氣工況條件下，保持高壓吸收塔壓力3.8 MPa不變，低溫分離器溫度－34.0 ℃不變，高壓吸收塔塔底液烴分流比50%不變，改變脫甲烷塔壓力介于2.6～3.4 MPa，并調(diào)節(jié)MRHPA流程其他的參數(shù)（低溫分離器氣相分流比、外輸氣回流量等），控制乙烷回收率為94%，研究脫甲烷塔壓力變化對(duì)系統(tǒng)總壓縮功的影響，其模擬結(jié)果如表3所示。

表3 脫甲烷塔壓力對(duì)流程的影響表

流程模擬結(jié)果分析表明：

1）在高壓吸收塔壓力3.8 MPa不變的條件下，隨著脫甲烷塔壓力從2.6 MPa升至3.4 MPa，總壓縮功先降低后增加，在脫甲烷塔壓力為3.2 MPa時(shí)總壓縮功最低。

2）隨著脫甲烷塔壓力增加，脫甲烷塔塔板溫度升高，脫甲烷塔側(cè)線物流溫位升高，提供的冷量減少，為保證乙烷回收率，外輸氣回流量逐漸增大，且需丙烷制冷系統(tǒng)提供額外的冷量，導(dǎo)致丙烷制冷系統(tǒng)壓縮功與外輸氣系統(tǒng)壓縮功之和增加。

3）隨著脫甲烷塔塔壓增加，脫甲烷塔塔頂壓縮機(jī)壓縮功隨之降低，系統(tǒng)總壓縮功（脫甲烷塔塔頂壓縮機(jī)壓縮功、丙烷制冷系統(tǒng)壓縮功與外輸氣壓縮功之和）出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。

筆者對(duì)MRHPA流程塔壓和吸收塔塔底液烴分流比進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

1）高壓吸收塔和脫甲烷塔壓差宜控制在0.6～1.0 MPa之間。高壓吸收塔壓力與原料氣壓力及氣體組成有關(guān)，原料氣質(zhì)越貧，高壓吸收塔的壓力越高。

2）當(dāng)原料氣壓力介于7.0～9.0 MPa時(shí)，高壓吸收塔的操作壓力多數(shù)宜控制介于3.5～4.0 MPa，高壓吸收塔塔底液烴分流比宜控制在0.5以內(nèi)。

3.2 低溫分離器溫度對(duì)流程的影響

MRHPA流程中低溫分離器溫度對(duì)流程乙烷回收率與系統(tǒng)總壓縮功有關(guān)。在給定的原料氣工況條件下，高壓吸收塔壓力與脫甲烷塔壓力分別為3.8 MPa、3.2 MPa，高壓吸收塔塔底液烴分流比（每股液烴流量與吸收塔塔底液烴出料總量的比）50%不變。改變低溫分離器溫度從－34.0～－42.0 ℃，并調(diào)節(jié)MRHPA流程其他合理的參數(shù)控制乙烷回收率為94%。研究低溫分離器溫度對(duì)系統(tǒng)總壓縮功的影響。其模擬結(jié)果如表4所示。

表4 低溫分離器溫度對(duì)流程的影響表

模擬結(jié)果分析表明：

1）在兩塔壓力一定的條件下，隨著低溫分離器溫度從－34.0～－42.0 ℃，系統(tǒng)總壓縮功先降低后升高，在低溫分離器溫度為－34.0 ℃時(shí)，系統(tǒng)總壓縮功最低。

2）隨著低溫分離器溫度升高（由－42.0～－34.0℃），系統(tǒng)所需冷量降低，丙烷制冷系統(tǒng)壓縮功降低了25.8%。其原因是低溫分離器溫度升高，脫甲烷塔進(jìn)料中甲烷含量降低，導(dǎo)致脫甲烷塔重沸器負(fù)荷降低和塔頂出料量減少，脫甲烷塔塔頂壓縮機(jī)壓縮功降低25%，同時(shí)，膨脹機(jī)組輸出功增加，但為保持回收率保持94%，需增加外輸氣回流比，外輸氣壓縮功增加8.6%，但系統(tǒng)總壓縮功降低（1.2%）。

3）當(dāng)高壓吸收塔壓力與脫甲烷塔壓力分別為3.8 MPa、3.2 MPa，高壓吸收塔底液烴分流比為50%時(shí)，低溫分離器溫度對(duì)能耗的影響較小，但提高低溫分離器溫度有利于提高制冷系統(tǒng)的溫位和簡化流程。

3.3 脫甲烷塔塔頂壓縮機(jī)出口壓力對(duì)流程的影響

脫甲烷塔頂壓縮機(jī)壓力是控制過冷冷箱夾點(diǎn)的重要參數(shù)。流程模擬條件為：原料氣組成為表1中的貧氣，原料氣壓力和溫度分別為8 MPa、37.0 ℃，外輸氣壓力為6.2 MPa，高壓吸收塔壓力和脫甲烷塔壓力分別為3.8 MPa、3.2 MPa，低溫分離器溫度為－34.0 ℃。

改變脫甲烷塔頂壓縮機(jī)出口壓力，其壓力范圍介于4.2～5.4 MPa，模擬分析了脫甲烷塔頂壓縮機(jī)出口壓力對(duì)乙烷回收率和過冷冷箱夾點(diǎn)的影響，其模擬結(jié)果如圖4所示。模擬結(jié)果分析表明，當(dāng)高壓吸收塔壓力與脫甲烷塔壓力不變時(shí)，隨著脫甲烷塔塔頂壓縮機(jī)出口壓力由4.2 MPa升至5.4 MPa，乙烷回收率與夾點(diǎn)溫差均升高。對(duì)于大多數(shù)氣質(zhì)的工況條件，為有效控制過冷冷箱的夾點(diǎn)，其脫甲烷塔塔頂壓縮機(jī)出口壓力宜控制在4 MPa以上。

圖4 脫甲烷塔塔頂壓縮機(jī)出口壓力對(duì)過冷冷箱夾點(diǎn)及回收率的影響圖

4 MRHPA流程適應(yīng)性分析

為了研究MRHPA流程對(duì)原料氣壓力和氣質(zhì)的適應(yīng)性，模擬分析了MRHPA流程的節(jié)能效果，其模擬結(jié)果如表5、6所示。模擬計(jì)算條件：原料氣組成采用表1中兩組氣質(zhì)組成，原料氣壓力分別為7 MPa、8 MPa和9 MPa，外輸氣壓力為6.2 MPa，要求乙烷回收率為94%。

表5 不同壓力、溫度下兩種流程模擬結(jié)果（貧氣）表

表6 不同壓力、溫度下兩種流程模擬結(jié)果（富氣）表

模擬結(jié)果分析表明：

1）對(duì)高壓貧氣的工況條件，與RSV流程相比，當(dāng)原料氣壓力分別為7 MPa、8 MPa、9 MPa，其系統(tǒng)總壓縮功分別降低了12.3%、16.2%、20.2%。

2）對(duì)高壓富氣的工況條件，與RSV流程相比，當(dāng)原料氣壓力分別為7 MPa、8 MPa、9 MPa，其系統(tǒng)總壓縮功分別降低了9.7%、13.5%、16.5%。

3）與RSV流程相比，MRHPA流程高壓吸收塔壓力高和塔板上溫度高，脫甲烷塔溫度高，針對(duì)表1中兩種氣質(zhì)，研究表明，二氧化碳含量升高至3%時(shí)，兩塔各塔板和流程中關(guān)鍵物流點(diǎn)的二氧化碳凍堵裕量均大于5 ℃，不會(huì)出現(xiàn)凍堵現(xiàn)象。

4）對(duì)于原料氣壓力高于7 MPa的工況條件，采用MRHPA流程較RSV流程節(jié)能效果顯著。

5 結(jié)論

1）對(duì)原料氣壓力高于7 MPa、外輸氣壓力高于4 MPa的工況條件，常規(guī)RSV流程主要存在熱集成困難、系統(tǒng)能耗高等問題，筆者提出的改進(jìn)流程MRHPA具有高回收率、能耗低、可調(diào)性、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2）MRHPA流程特點(diǎn)是高壓吸收塔采用高壓設(shè)計(jì)、多股進(jìn)料。高壓吸收塔多股進(jìn)料，提高了流程的可調(diào)性，高壓吸收塔壓力和脫甲烷塔壓力分別獨(dú)立設(shè)置，采用塔頂壓縮機(jī)將脫甲烷塔和高壓吸收塔相聯(lián)系，高壓吸收塔壓力與脫甲烷塔壓差在0.6 MPa以上。當(dāng)原料氣壓力大于9.0 MPa時(shí)，高壓吸收塔的壓力大多宜控制在3.5～4.0 MPa范圍內(nèi)，設(shè)置合理的脫甲烷塔壓力有利于系統(tǒng)熱集成和提高塔盤分離效率。脫甲烷塔頂壓縮機(jī)壓力出口壓力宜控制在4.0 MPa以上，有利于控制過冷冷箱夾點(diǎn)。

3）對(duì)MRHPA流程的特性和適應(yīng)性分析表明，在滿足乙烷回收率要求的前提下，盡可能提高高壓吸收塔的壓力和低溫分離器溫度，有利于減少外輸壓縮功和降低制冷系統(tǒng)能耗。

4）實(shí)例模擬表明，原料氣壓力介于7～9 MPa時(shí)，與RSV流程相比，MRHPA流程的系統(tǒng)總壓縮功分別降低12.3%～20.2%和9.7%～16.5%。MRHPA流程適合于原料氣壓力高于7 MPa的乙烷回收，其節(jié)能效果顯著。