中高壓富氣乙烷回收工藝的改進(jìn)

肖峰，魏金芹(.天津市凈純科技有限公司，天津 3000；.中信環(huán)境技術(shù)有限公司，天津 3000)

0 引言

將天然氣液體(NGL)中的甲烷、乙烷及更重的烴類(lèi)組分進(jìn)行分離，可以得到制取乙烯的原料，同時(shí)有效降低了殘?jiān)鼩獾臒N露點(diǎn)，從而提高了NGL回收裝置的經(jīng)濟(jì)效益。過(guò)去，我國(guó)大多數(shù)天然氣凝液回收裝置只回收丙烷和較重組分、殘?jiān)鼩庵袣埩粢彝榈?，但隨著國(guó)際原油價(jià)格的上漲，越來(lái)越多的石化企業(yè)實(shí)現(xiàn)了乙烷生產(chǎn)乙烯的工藝。目前，我國(guó)許多大型氣田正積極參與乙烷回收工程的建設(shè)。文章是基于我國(guó)積極倡導(dǎo)發(fā)展高效乙烷回收工藝的背景而著。

1 高壓富氣乙烷回收工藝概述

目前世界各國(guó)正在采用多種乙烷回收工藝，其中回收率較高的裂解蒸汽(RSV)工藝得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)工業(yè)單級(jí)工藝(ISS)、氣體過(guò)冷工藝(GSP)、冷渣氣回收工藝(CRR)、RSV工藝、強(qiáng)化NGL回收工藝(IPSI-1)、強(qiáng)化NGL回收工藝(IPSI-2)6種工藝在不同原料氣條件下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：RSV工藝具有較高的壓縮機(jī)功率和年總成本，但本文僅對(duì)6種工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)性比較，各工藝回收率不保持一致，富氣條件下不添加外部制冷，所有工藝都按固定工藝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適應(yīng)性分析，明顯不夠嚴(yán)格?？偟膩?lái)說(shuō)，RSV工藝在較高的乙烷回收率上總是體現(xiàn)出其經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于RSV工藝的研究文獻(xiàn)中，乙烷回收率較低。本文以火用分析為基礎(chǔ)，對(duì)幾種乙烷回收工藝(包括RSV工藝)進(jìn)行了優(yōu)化。但這些優(yōu)化工藝的乙烷回收率僅達(dá)90%。在富氣乙烷回收工藝中，有一些乙烷回收工藝采用內(nèi)部自冷循環(huán)對(duì)原料氣進(jìn)行預(yù)冷。采用IPSILLC公司開(kāi)發(fā)的IPSI-1工藝和IPSI-2工藝，通過(guò)從脫甲烷塔塔底抽出蒸汽形成內(nèi)部混合制冷循環(huán)，降低了脫甲烷塔再沸器的負(fù)荷。IPSI-1工藝采用開(kāi)式制冷循環(huán)，乙烷回收率高于IPSI-2工藝。與IPSI-1工藝相比，具有閉式制冷循環(huán)的IPSI-2工藝具有較低的能耗。本文提出了一種自制乙烷回收新工藝。該新工藝的內(nèi)部制冷循環(huán)類(lèi)似于IPSI-2的封閉式自制冷循環(huán)，本文將該新工藝與外部丙烷制冷系統(tǒng)的乙烷回收工藝進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)該工藝具有較好的熱集成性。

與貧氣乙烷回收工藝相比，富氣乙烷回收工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能耗高，工藝能耗分析更為重要。目前常用的乙烷回收過(guò)程分析方法有能量分析法、熱集成分析法。本文選取我國(guó)計(jì)劃乙烷回收工程的原料氣及其條件作為本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對(duì)丙烷制冷循環(huán)的RSV過(guò)程和內(nèi)置制冷吸收器的新型強(qiáng)化分流換熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析，比較了兩種過(guò)程在能量、熱力學(xué)性質(zhì)(包括火用分析)和經(jīng)濟(jì)性能上的差異。

2 過(guò)程描述和模擬

富氣回收NGL需要的動(dòng)力明顯大于貧氣回收，但富氣回收量越大，凝析油回收量越大，單位產(chǎn)品能耗越低，工藝經(jīng)濟(jì)效益越好。一般來(lái)說(shuō)，為了實(shí)現(xiàn)較高的富氣回收率，透平膨脹機(jī)NGL回收工藝需要制冷劑對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行預(yù)冷。提出了兩種處理富氣的NGL工藝：(1)循環(huán)裂解蒸汽與丙烷制冷循環(huán)(RSVP)工藝；(2)強(qiáng)化裂解換熱與內(nèi)部制冷和吸收工藝。

選用AspenHYSYSV10軟件和Peng-Robinson狀態(tài)方程進(jìn)行過(guò)程模擬。為了研究適用于富氣的高效工藝，兩種工藝的回收率都必須達(dá)到95%以上。為獲得更純的乙烷產(chǎn)品，乙烷產(chǎn)品中的乙烷含量也較高(＞97%)。

2.1 RSVP過(guò)程

適用于富氣的RSVP工藝具有以下特點(diǎn)：

(1)RSVP工藝中脫甲烷塔頂使用部分渣油氣回流，在富氣條件下加入丙烷制冷系統(tǒng)，而丙烷是制冷劑中唯一使制冷系統(tǒng)簡(jiǎn)單易控制的制冷劑，同時(shí)也保證了乙烷在RSV工藝的高回收率優(yōu)點(diǎn)。

(2)在RSVP過(guò)程中V-101低溫分離器溫度較高，使分離氣體的體積增加。透平膨脹機(jī)的進(jìn)氣量增加可以產(chǎn)生更大的輸送功率，這樣殘余氣體壓縮機(jī)的功率可以降低。

(3)丙烷制冷循環(huán)采用兩個(gè)不同溫度水平的兩級(jí)制冷，有效地節(jié)約了壓縮功率，簡(jiǎn)化了制冷過(guò)程。

(4)丙烷制冷劑在冷卻過(guò)程中溫度基本保持不變，導(dǎo)致熱流與丙烷制冷劑溫差較大，增加了換熱過(guò)程的不可逆破壞。

(5)渣油氣產(chǎn)生的回流流量增加渣油氣流量，明顯提高渣油氣壓縮機(jī)的功率消耗。

2.2 ESH流程

ESH工藝采用內(nèi)混合制冷劑和適用于富氣的異丁烷制冷循環(huán)，具有以下特點(diǎn)：

(1)ESH工藝結(jié)合了吸收和分流預(yù)冷的結(jié)構(gòu)。在預(yù)冷后這兩種原料氣得到較大的溫差。吸收塔的頂部進(jìn)料采用較低溫度的蒸汽5，吸收塔的底部進(jìn)料用較低溫度的蒸汽3。由于吸收塔內(nèi)可以產(chǎn)生氣提效應(yīng)，可以強(qiáng)化甲烷和原料氣中重質(zhì)組分(如乙烷)的分離，有效地將原料氣中的甲烷濃縮到吸收塔頂部，將較重的組分(如C2+)濃縮到吸收塔底部。精餾塔上部進(jìn)料量越大，乙烷回收率越高。

(2)脫甲烷塔頂進(jìn)料采用多級(jí)分離，降低了塔頂?shù)倪M(jìn)料溫度，減少了塔頂?shù)闹責(zé)N，提高了塔上部的精餾效率，提高了乙烷的回收率。

(3)原料氣通過(guò)預(yù)冷來(lái)降低制冷溫度，冷側(cè)的制冷劑為脫甲烷塔塔底部C2+冷凝液。與單一的外置式丙烷制冷循環(huán)相比，ESH制冷壓縮機(jī)功率可以大大降低。

(4)吸收塔底進(jìn)料溫度不宜過(guò)低，LNG-101換熱后的殘?jiān)鼩鈶?yīng)盡可能保持較低的進(jìn)入K-102膨脹機(jī)壓縮端的溫度，以節(jié)省殘?jiān)鼩鈮嚎s機(jī)的功率消耗，因此，殘?jiān)鼩馀c進(jìn)料氣需要較大的溫差來(lái)?yè)Q熱，故E-101可以采用板式換熱器或管殼換熱器來(lái)降低設(shè)備成本。

3 過(guò)程熱力學(xué)分析

3.1 能源消耗分析

采用我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《綜合能耗計(jì)算通則》中的分析方法，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中主要設(shè)備的能耗進(jìn)行了評(píng)價(jià)。將各裝置的能耗乘以相應(yīng)的換算系數(shù)，轉(zhuǎn)化為等效能耗，將所有等效能耗相加，得到全過(guò)程的綜合能耗(CECEP)。由于乙烷回收率幾乎相同，以C2+冷凝物為產(chǎn)物對(duì)兩種工藝進(jìn)行比較。由于泵、空冷器的能耗相對(duì)較低，所以本文主要關(guān)注的是將所有壓縮機(jī)和再沸器改造成的CECUP。通過(guò)模擬和計(jì)算，由于ESH工藝吸收塔頂部的氣體出流溫度較低，分離出來(lái)的蒸汽比RSVP分離器的蒸汽出流溫度低，因此RSVP工藝具有較高的汽輪機(jī)膨脹功。ESH工藝的CECEP僅占RSVP工藝的84.7%，相當(dāng)于比RSVP工藝每年節(jié)能2.3×108MJ。如果這部分能源由熱值為36MJ/m3的天然氣提供，ESH工藝每年可比RSVP工藝節(jié)約天然氣約6.39×106m3。結(jié)果表明，兩種工藝的截流能力相差353MJ/t，且回收率比靜電除塵器高18.1%。這表明ESH工藝在能耗方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

3.2 熱集成分析

RSVP工藝采用恒沸制冷劑-丙烷，由于回流渣油氣溫度較高(45℃)，導(dǎo)致預(yù)冷換熱器LNG-101在丙烷換熱和熱端溫差較大。ESH工藝采用兩臺(tái)熱交換器(LNG-101，E-101)對(duì)原料氣進(jìn)行預(yù)冷，換熱器LNG-101的冷復(fù)合曲線(xiàn)更接近熱復(fù)合曲線(xiàn)。對(duì)于LNG-102型低溫?fù)Q熱器，兩種工藝的換熱效果相差不大。結(jié)果表明，原料氣的分流換熱和自制冷更有利于換熱器的溫度匹配，過(guò)程的熱集成度也更高。

3.3 制冷循環(huán)分析

RSVP工藝采用兩級(jí)丙烷制冷冷卻原料氣和脫乙烷塔頂氣。脫乙烷塔頂煤氣所需的丙烷溫度約為-12℃，相應(yīng)的蒸發(fā)壓力約為320kPa。RSVP工藝丙烷制冷循環(huán)能耗高的主要原因是：1制冷循環(huán)兩級(jí)壓力比不均勻，尤其是二級(jí)壓力比(P3→P4)較大，約為5.3；2脫乙烷塔頂氣需要大量制冷，脫乙烷塔頂用丙烷1200kmol/h制冷。V-104分離器將1886kmol/h的氣相分離到二級(jí)壓縮機(jī)中，只有1714kmol/h的丙烷進(jìn)入LNG-101進(jìn)一步冷卻。丙烷制冷循環(huán)二級(jí)壓縮機(jī)由于流量大、壓比大，造成能耗高。ESH過(guò)程的內(nèi)部自制冷循環(huán)也采用兩級(jí)壓縮過(guò)程。第一級(jí)節(jié)流至900kPa后，分離器V-103將多余的輕質(zhì)部件分離，有效地降低了主壓縮機(jī)的吞吐量。將V-103分離的飽和液體進(jìn)行節(jié)流至250kPa，提供比單丙烷制冷更低的溫度水平，更有利于提高乙烷回收率。與丙烷制冷相比，ESH混合制冷劑僅對(duì)原料氣進(jìn)行預(yù)冷，因此ESH兩級(jí)制冷壓縮機(jī)壓比更均勻，整個(gè)循環(huán)量遠(yuǎn)小于RSVP的丙烷制冷劑，ESH工藝的節(jié)能效果明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)乙烷回收裝置的原料氣條件，在大力推進(jìn)乙烷高效回收工藝發(fā)展的基礎(chǔ)上，對(duì)丙烷制冷循環(huán)RSV工藝和內(nèi)置自制冷吸收器ESH工藝進(jìn)行了比較研究。主要結(jié)論如下：首先，RSVP工藝采用兩級(jí)丙烷制冷系統(tǒng)，為原料氣和脫乙烷塔頂氣提供兩個(gè)冷卻溫度，在富氣條件下保持了RSV工藝的高回收率。新型ESH工藝在原料氣中加入了吸收劑，提高了甲烷和乙烷等重組分的預(yù)分離效果。其次，在回收率相同的情況下，RSVP工藝的渦輪膨脹功高于ESH工藝。但是，由于RSVP工藝殘?jiān)鼩饬髁枯^大，殘?jiān)鼩鈮嚎s機(jī)入口溫度較高，導(dǎo)致RSVP工藝殘?jiān)鼩夤拿黠@高于ESH工藝。由于ESH工藝采用內(nèi)部自制冷循環(huán)，因此它的循環(huán)體積比RSVP工藝小。ESH工藝的制冷壓縮機(jī)功耗遠(yuǎn)低于RSVP工藝。ESH工藝的綜合能耗僅占RSVP工藝能耗的84.7%。從能源消耗的角度來(lái)看，ESH工藝明顯優(yōu)于RSVP工藝。最后，通過(guò)比較RSVP和ESH工藝的熱力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)冷箱LNG-101在ESH工藝中的熱集成性能明顯優(yōu)于RSVP工藝。ESH工藝中E-101換熱器的溫差較大，雖然會(huì)增加換熱過(guò)程的不可逆性，但會(huì)增強(qiáng)吸收塔的氣提效果，降低渣氣壓縮機(jī)的功率。從兩種工藝制冷循環(huán)的“壓力-焓”和“溫度-熵”圖可以看出，兩級(jí)壓力比的不均勻?qū)е翿SVP工藝制冷壓縮機(jī)的功率消耗遠(yuǎn)大于ESH工藝。ESH過(guò)程的總(火用)損耗低于RSVP過(guò)程。在這兩個(gè)過(guò)程中損失最大的裝置是塔器，其次是壓縮機(jī)，再次是換熱器。冷箱LNG-101和制冷循環(huán)二級(jí)壓縮機(jī)K-105是兩種工藝的主要(火用)損失差異。