基于DHX工藝的LNG接收站輕烴回收流程改進(jìn)

向 輝，蒲紅宇，楊雨林，衛(wèi) 浪，田 戩

（1. 西南石油大學(xué)土木工程與測繪學(xué)院，四川 成都 610500；2. 成都華潤燃?xì)庠O(shè)計有限公司，四川 成都 610000）

進(jìn)口LNG中乙烷、 丙烷等C2+輕烴含量較多，需要對其進(jìn)行輕烴回收處理。 在LNG輕烴回收優(yōu)化研究方面， 國外起步較早， 發(fā)明了以US6941771B2[1]、US2009/0211296A1[2]等為代表的輕烴回收專利，國內(nèi)則有華賁等[3]發(fā)明的具有調(diào)峰功能的液化天然氣輕烴分離技術(shù)和王雨帆等[4]提出的利用LNG冷能回收輕烴的改進(jìn)流程等。 總的來說，這些LNG輕烴分離流程大都是以提高LNG自身冷能利用率為目標(biāo)，充分利用分離器、混合器、壓縮機(jī)、閃蒸罐等設(shè)備改變脫甲烷塔、脫乙烷塔的物料進(jìn)回流方式、改善物流換熱網(wǎng)絡(luò)等方法對流程做出優(yōu)化。 本文以青島LNG接收站輕烴回收工藝為基礎(chǔ)， 結(jié)合LNG的理化特性，應(yīng)用重接觸技術(shù)、冷量梯級利用原則、分流換熱等理論，提出了一種適用于沿海LNG接收站的輕烴回收改進(jìn)工藝流程。 該改進(jìn)流程能夠在提高產(chǎn)品收率的同時，降低系統(tǒng)能耗，對于提高LNG接收站的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 青島LNG輕烴回收流程

青島LNG接收站是中國石化首套LNG項目，也是國內(nèi)首個運行LNG輕烴回收裝置的LNG接收站[5]，該接收站主要氣源來自巴布亞新幾內(nèi)亞，處理量為114.2 t/h，其氣質(zhì)組分見表1[6]。

表1 青島LNG接收站氣質(zhì)組分表

圖1為青島LNG接收站輕烴回收工藝流程圖，富LNG經(jīng)升壓泵增壓后， 先后進(jìn)入LNG換熱器E1、E2進(jìn)行預(yù)熱處理，LNG被加熱部分氣化， 隨后進(jìn)入閃蒸罐閃蒸， 分離后的氣相大部分為甲烷氣體，然后進(jìn)入換熱器E1與LNG換熱冷凝后進(jìn)入閃蒸氣冷凝液罐，經(jīng)閃蒸氣冷凝液泵增壓后進(jìn)行分流，較少的一部分作為脫甲烷塔塔頂回流，較多的一部分則與在換熱器E2中被冷凝的脫甲烷塔頂氣混合后進(jìn)入塔頂氣冷凝液罐，經(jīng)LNG高壓泵增壓后通往高壓LNG總管。 閃蒸罐底部液相則通過脫甲烷塔底進(jìn)料泵泵入脫甲烷塔進(jìn)行精餾。 該工藝流程采用脫甲烷塔側(cè)線抽出的方式為脫乙烷塔頂氣提供冷量，側(cè)線采出液經(jīng)過泵增壓后分流，分別在換熱器E3和E4中為脫乙烷塔頂氣提供預(yù)冷冷量和過冷冷量后回流到脫甲烷塔。脫乙烷塔頂氣在換熱器E3中經(jīng)過預(yù)冷后進(jìn)入脫乙烷塔回流罐，一部分作為脫乙烷塔塔頂回流，一部分則通過換熱器E4過冷后得到液態(tài)乙烷產(chǎn)品，脫乙烷塔底得到C3+凝液產(chǎn)品，冷卻后可作為液化石油氣原料。

2 流程參數(shù)及性能分析

Aspen Hysys是面向油氣生產(chǎn)、氣體處理和煉油工業(yè)的模擬、設(shè)計、性能檢測的過程模擬軟件。 結(jié)合圖1所示工藝流程， 建立Hysys模擬流程圖如圖2所示，其中狀態(tài)方程選用Peng-Robinson，該流程設(shè)備參數(shù)設(shè)置情況見表2[6]，流程模擬結(jié)果見表3。

由模擬分析可知，該LNG接收站輕烴回收工藝流程的特點如下：

（1）使用部分閃蒸氣冷凝液為脫甲烷塔提供回流，對其進(jìn)行精餾，可以減少閃蒸帶來的乙烷揮發(fā)損失。

（2）采用脫甲烷塔側(cè)線抽出液相甲烷與脫乙烷塔頂氣換熱的方式，一方面為脫乙烷塔頂氣的冷凝提供了冷量，另一方面也起到了預(yù)熱部分液相甲烷的作用， 從而減小了脫甲烷塔底重沸器的熱負(fù)荷，實現(xiàn)了冷能的合理利用。

（3）采用了冷量梯級利用的原則，依次對閃蒸氣和脫甲烷塔頂氣進(jìn)行冷凝，提高了冷能利用效率。

（4）采用分流換熱的方式，使用脫甲烷塔側(cè)線抽出液相先后對脫乙烷塔頂氣進(jìn)行預(yù)冷和過冷， 使用預(yù)冷冷凝后的液相乙烷進(jìn)行回流， 在不影響分離效果的前提下，可有效降低脫乙烷塔底重沸器熱負(fù)荷。

表2 設(shè)備基本參數(shù)表

表3 Hysys流程模擬結(jié)果

進(jìn)一步分析流程結(jié)構(gòu)和模擬數(shù)據(jù)可知，該流程仍存在以下不足：

（1）分離得到的乙烷和C3+凝液產(chǎn)品均為高壓，不利于常壓下的保存和運輸。

（2）乙烷產(chǎn)品的收率相對較低，是因為部分閃蒸氣冷凝液分流進(jìn)入塔頂氣冷凝液罐，會帶走少量隨閃蒸罐氣相分離出來的乙烷。

（3）脫甲烷塔是該流程最耗能的設(shè)備，大量低溫液相進(jìn)入脫甲烷塔，因此精餾過程中，脫甲烷塔底重沸器熱負(fù)荷負(fù)擔(dān)較大。

3 DHX輕烴回收工藝

直接換熱流程 （Direct Heat Exchange process，簡稱DHX） 由加拿大ESSO公司于1984年開發(fā)，于Judy Creek工廠得到首次應(yīng)用，丙烷回收率由72%提高到95%[7]。DHX流程采用雙塔流程，在GSP（氣體過冷流程） 輕烴回收流程的基礎(chǔ)上增加重接觸塔，常用于天然氣丙烷回收，是為提高丙烷收率而開發(fā)的一種高效流程，可以借鑒其優(yōu)點將其應(yīng)用于LNG輕烴回收，常見的DHX丙烷回收流程如圖3所示。

由圖3可知，DHX丙烷流程的關(guān)鍵是使用了重接觸塔，重接觸塔起到了二次分離的作用，在重接觸塔內(nèi)，乙烷冷凝液由上而下為上升的氣相提供冷量，氣相中的丙烷組分較重，隨下降液相而被冷凝，相應(yīng)乙烷在提供冷量的過程中而被氣化，從而達(dá)到分離效果，DHX流程丙烷回收率高，可達(dá)99%[8]。 因此， 可以運用DHX丙烷回收流程的特點， 來提高LNG輕烴回收流程產(chǎn)品收率，同時，引入重接觸塔可大大減少進(jìn)入脫甲烷塔的液相，從而降低脫甲烷塔底重沸器負(fù)荷。

4 基于DHX工藝的LNG輕烴回收改進(jìn)流程

4.1 改進(jìn)流程的提出

針對青島LNG輕烴回收流程的不足，結(jié)合DHX丙烷回收流程的特點，將重接觸塔運用于LNG的輕烴回收，改進(jìn)物流換熱網(wǎng)絡(luò)，得到基于DHX工藝的LNG輕烴回收工藝流程如圖4所示。

由于LNG自身的理化特性，與常規(guī)DHX丙烷回收不同的是， 該流程不需要原料氣的冷凝過程，相反需要將LNG加熱以進(jìn)行分離。 如圖4所示，富LNG在經(jīng)過換熱器E1、E2預(yù)熱后， 進(jìn)入閃蒸罐進(jìn)行氣液分離， 與青島LNG接收站輕烴回收流程不同的是，該流程提高閃蒸罐進(jìn)口物流溫度，增加氣相分流比例，閃蒸罐60%的氣相直接進(jìn)入重接觸塔底部，以減少脫甲烷塔液相進(jìn)料。 為避免LNG換熱器出現(xiàn)溫度交叉，需對各冷熱物流換熱方式進(jìn)行改進(jìn)，將脫甲烷塔頂?shù)玫降呢歀NG進(jìn)行分流，80%的氣相作為熱流進(jìn)入換熱器E1，另一小部分氣相作為熱流進(jìn)入換熱器E2。 通過換熱器E1冷凝后的液相再次分流處理，20%的液相作為脫甲烷塔頂部回流，以提供冷量改善脫甲烷塔內(nèi)輕烴分離效果，20%的液相經(jīng)過節(jié)流閥降壓后進(jìn)入重接觸塔頂部，重接觸塔內(nèi)氣液相在對流條件下， 氣相中的乙烷隨下降液體而冷凝，為滿足重接觸塔內(nèi)輕烴分離效果，重接觸塔頂液相物流量可根據(jù)進(jìn)入重接觸塔底部氣相物流量的變化而調(diào)整， 其余液相則作為冷流進(jìn)入換熱器E5，為節(jié)流降壓后的乙烷產(chǎn)品和丙烷產(chǎn)品的冷凝提供冷量。 重接觸塔頂氣相經(jīng)過壓縮機(jī)增壓后作為熱流依次進(jìn)入換熱器E2、E5， 冷凝后與經(jīng)過其它換熱器換熱后的相應(yīng)物流混合后進(jìn)入塔頂氣冷凝液罐，然后經(jīng)LNG高壓泵增壓后通往高壓LNG總管。 脫甲烷塔側(cè)線抽出部分和脫乙烷塔部分則與青島LNG接收站輕烴回收工藝相同。

結(jié)合圖4， 得到其Hysys模擬流程如圖5所示，調(diào)節(jié)流程參數(shù)，得到模擬數(shù)據(jù)見表4，并將系統(tǒng)各設(shè)備功耗和產(chǎn)品的回收率等與原LNG輕烴回收流程模擬結(jié)果對比情況匯于表5。

由表5可知， 引入DHX工藝對青島LNG輕烴回收流程進(jìn)行改進(jìn)后，系統(tǒng)總功耗降低15.5%，乙烷回收率提高2.9%，丙烷收率基本不變，可達(dá)到99.6%，并且可得到常壓下的液態(tài)乙烷和丙烷產(chǎn)品，方便后續(xù)儲存和運輸。

表4 基于DHX工藝的LNG輕烴回收改進(jìn)流程關(guān)鍵物流數(shù)據(jù)

表5 改進(jìn)前后流程模擬結(jié)果對比

4.2 改進(jìn)流程適應(yīng)性分析

由于進(jìn)口LNG中輕烴回收的處理主要針對乙烷和丙烷，因此研究原料LNG乙烷和丙烷含量對流程性能的影響。

4.2.1 乙烷組分含量對流程性能的影響

為探究原料LNG中乙烷組分含量對流程性能的影響，在改變乙烷組分含量時，除相應(yīng)改變甲烷組分外，其它組分含量保持不變。 通過模擬分析可知，改變原料氣組分含量時，脫甲烷側(cè)線抽出液溫度變化，會影響換熱器E3、E4中物流換熱，此時需改變脫甲烷側(cè)線抽出液流量或分離器分流比才能滿足物流換熱，為保證單一研究乙烷組分對流程性能的影響情況，需控制流程其它參數(shù)不變，此時滿足換熱器E3、E4物流換熱的乙烷組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為5.5%～9.0%， 并得到乙烷組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)對流程功耗和收率的影響分別如圖6和圖7所示。

由圖6可知，原料LNG中C2組分含量對脫甲烷塔和脫乙烷塔功耗影響顯著， 隨著原料LNG中C2組分的增加，脫甲烷塔功耗降低，脫乙烷塔功耗增加，且脫甲烷塔功耗降低量要高于脫乙烷塔功耗增加量，系統(tǒng)總功耗降低。 因此，對于該LNG輕烴回收改進(jìn)流程，C2組分含量越多，引入重接觸塔達(dá)到的節(jié)能效果越明顯，脫甲烷塔底重沸器降耗越顯著。 由圖7可知，隨著原料LNG中C2組分含量的增加，乙烷組分回收率變化不大， 但丙烷組分的回收率逐漸下降，是因為C2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)的增加升高了脫甲烷塔側(cè)線抽出溫度，脫乙烷塔中冷量不足，分離效果下降，丙烷回收率降低。

4.2.2 丙烷組分含量對流程性能的影響

用同樣的控制變量方法研究原料LNG中丙烷組分含量對流程性能的影響，保持流程其它參數(shù)不變，此時滿足流程的丙烷組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為1.0%～4.0%，得到其對流程性能的影響如圖8和圖9所示。

由圖8可知， 隨著原料LNG中C3組分含量的增加，脫甲烷塔、脫乙烷塔功耗以及系統(tǒng)總功耗變化趨勢與C2組分含量變化時相似，但對功耗的影響程度遠(yuǎn)不及C2組分對流程功耗的影響。 由圖9可知，原料LNG中C3組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)在1.0%～3.0%變化時，對丙烷回收率的影響不大，但當(dāng)繼續(xù)增加C3組分含量時，受到回流冷量的限制，丙烷回收率下降明顯。隨著原料LNG中C3組分含量的增加，乙烷回收率逐漸下降。

通過分析原料LNG組分含量對改進(jìn)流程功耗和收率的影響情況， 并參考我國進(jìn)口LNG氣質(zhì)組分， 該基于DHX工藝的LNG輕烴回收改進(jìn)流程，能夠適用于大多數(shù)進(jìn)口LNG的輕烴回收處理，在滿足組分一定的回收率時， 原料氣乙烷組分含量越高，引入重接觸節(jié)能降耗效果越顯著，原料氣乙烷組分含量也不宜過高， 過高會降低流程丙烷回收率，此時需要對流程其它設(shè)備參數(shù)做出調(diào)節(jié)。 隨著丙烷組分含量的增加， 節(jié)能降耗改變的效果并不明顯，并且乙烷和丙烷的回收率均會逐漸降低。

5 結(jié)論

（1）通過對青島現(xiàn)有LNG輕烴回收流程的模擬，分析流程特點并發(fā)現(xiàn)流程的不足之處，根據(jù)天然氣輕烴回收中DHX工藝的優(yōu)點，結(jié)合LNG自身理化特性，將DHX工藝運用于LNG輕烴回收流程，引入重接觸塔，以冷量梯級利用為原則，采用分流換熱的方式，改善換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，得到了一種基于DHX工

藝的LNG輕烴回收改進(jìn)流程。

（2）通過運用Aspen Hysys化工模擬軟件分析表

明，改進(jìn)流程可得到常壓下的液態(tài)輕烴產(chǎn)品，降低

了系統(tǒng)15.5%的功耗，并將乙烷回收率提高2.9%，流程乙烷回收率達(dá)98.8%，丙烷回收率達(dá)99.6%。

（3）對改進(jìn)流程進(jìn)行適應(yīng)性分析表明，原料氣乙烷組分含量越高，該改進(jìn)流程節(jié)能降耗的效果越顯著，并且乙烷組分含量變化對流程的影響要大于丙烷組分含量變化對流程的影響。