高含二氧化碳凝析氣乙烷回收工藝改進(jìn)

朱倩誼，易 馳，楊雨林，李 瑋，彭清華，張 偉，楊冬磊，李 樂,2

（1. 江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院 公用事業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 213147；2. 常州大學(xué) 材料與科學(xué)工程學(xué)院，江蘇 常州 213147；3. 中國石油塔里木油田分公司 油氣運(yùn)銷部，新疆 庫爾勒 841000；4. 成都華潤燃?xì)庠O(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610000；5. 中國石油天然氣股份有限公司天然氣銷售江西分公司，江西 南昌 330000）

由于部分氣藏CO2含量高以及應(yīng)用CO2氣驅(qū)采油技術(shù)等原因，導(dǎo)致產(chǎn)出凝析氣CO2含量較高（2.0%~3.5%，物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）[1]，國內(nèi)如迪娜、春曉、安岳等凝析氣田均存在此類問題。 而在進(jìn)行乙烷回收過程中， 高含量CO2易導(dǎo)致脫甲烷塔上部發(fā)生CO2凍堵，影響裝置安全運(yùn)行。

在80年代， 國外公司為降低投資及運(yùn)行成本、提高產(chǎn)能及收益，開發(fā)出多種乙烷回收工藝[2]，其中美國Ortloff公司開發(fā)的液體過冷工藝（LSP）、氣體過冷工藝（GSP）和部分干氣再循環(huán)工藝（RSV）應(yīng)用最為廣泛。 而針對(duì)原料氣高含CO2導(dǎo)致的處理過程CO2凍堵問題， 國外公司也開發(fā)出具有針對(duì)性的工藝。國內(nèi)乙烷回收技術(shù)研究起步較晚，目前除塔里木油田采用RSV工藝進(jìn)行乙烷回收外，大慶、遼河、中原等油田大多采用LSP工藝進(jìn)行乙烷回收。 由于氣質(zhì)及工況條件國內(nèi)外相差較大，導(dǎo)致相關(guān)工藝在應(yīng)用時(shí)存在回收率低、能耗較高、處理規(guī)模小等問題[3-6]。

乙烷回收裝置中，大多利用天然氣凝液（NGL）中重質(zhì)烴對(duì)CO2的吸收作用， 將NGL產(chǎn)品作為脫甲烷塔上部CO2凍堵位置的解凍劑[7-9]。 但對(duì)于高含CO2原料氣，采用此種方法會(huì)造成大量的重?zé)N損失。 本文以脫甲烷塔上部進(jìn)料和脫甲烷塔結(jié)構(gòu)為改進(jìn)方向，提出兩種改進(jìn)工藝，以解決高含CO2凝析氣乙烷回收中CO2凍堵、回收率低、能耗高的問題。

1 RSV乙烷回收工藝分析與改進(jìn)

1.1 RSV工藝分析

RSV工藝將部分外輸干氣作為塔頂回流， 再經(jīng)過冷冷箱中塔頂氣降溫后節(jié)流閃蒸進(jìn)入塔頂部，該股外輸干氣回流中甲烷組分含量很高，大幅提升了對(duì)塔上部氣相中乙烷及以上重組分的精餾作用，乙烷回收率可控制在90%以上。 其工藝流程見圖1。

圖1 RSV乙烷回收工藝流程

RSV工藝具有如下特點(diǎn)： 外輸干氣中的甲烷含量高，將其作為塔頂回流提升了對(duì)塔上部氣相的精餾作用，在不考慮能耗的情況下，乙烷回收率能夠超過97%； 該工藝能夠較好適應(yīng)原料氣氣質(zhì)及處理量的波動(dòng)，僅通過調(diào)節(jié)外輸氣回流比就可維持較高的乙烷回收率，但也會(huì)造成外輸干氣壓縮機(jī)軸功率的增加，引起主體裝置能耗的增加；此工藝操作靈活且易于改造，只需除去外輸干氣回流就可改造成氣相過冷工藝（GSP）。

RSV工藝存在以下不足：隨著原料氣CO2含量上升，流程僅能在一定范圍內(nèi)，通過控制參數(shù)控制CO2凍堵，并且裝置能耗迅速升高；當(dāng)原料氣CO2含量大于2%時(shí)，流程在保證乙烷回收裝置不發(fā)生CO2凍堵的情況下，很難達(dá)到90%以上的目標(biāo)回收率。

1.2 RSV工藝改進(jìn)

為解決RSV工藝對(duì)原料氣CO2波動(dòng)適應(yīng)性不強(qiáng)的問題，從脫甲烷塔第二股進(jìn)料氣質(zhì)以及脫甲烷塔結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行改進(jìn)，提出部分原料氣過冷乙烷回收工藝（Split-VaporandFeedSubcooledProcess，SVFS）、兩塔型部分原料氣過冷乙烷回收工藝（Split-Vapor and Feed Subcooled Process-2 Tower，SVFS-2T）。

1.2.1 改進(jìn)的SVFS工藝

SVFS工藝將脫甲烷第二股進(jìn)料（物流2）由低溫分離器的氣相物流替換為部分原料，如圖2所示。

圖2 帶物流點(diǎn)的SVFS乙烷回收工藝流程

SVFS工藝具有以下特點(diǎn)：將部分原料氣作為脫甲烷第二股進(jìn)料（物流7），提高了進(jìn)入脫甲烷塔頂丙烷及以上液烴含量， 有效降低了塔頂氣相中的CO2分壓，CO2凍堵裕量有所增加，同時(shí)也使得塔頂溫度可保持在較低的溫位，進(jìn)而乙烷回收率有所提高；在部分原料氣中混入低溫分離器中液相物流，進(jìn)一步增加了塔上部丙烷及以上的液烴含量，有效吸收了脫甲烷塔上部氣相中的CO2； 在原料氣預(yù)冷冷箱和過冷冷箱中將部分原料氣與部分外輸氣換熱，充分利用外輸氣冷量，提高系統(tǒng)熱集成度，降低丙烷制冷量。

1.2.2 改進(jìn)的SVFS-2T工藝

以SVFS工藝為基礎(chǔ)，將改進(jìn)重點(diǎn)放在脫甲烷塔上，將其分為吸收塔、塔頂分離器、傳統(tǒng)脫甲烷塔三部分，提出SVFS-2T工藝。 SVFS-2T工藝吸收塔取代了傳統(tǒng)脫甲烷塔的精餾段（低溫段），對(duì)脫甲烷塔自下而上氣相中CO2進(jìn)行分流，減少了進(jìn)入吸收塔中的CO2含量，不再經(jīng)過低溫段，裝置CO2適應(yīng)性有所增加。 塔頂分離器可保證脫甲烷塔在比吸收塔更高的壓力下運(yùn)行，使得較高壓力的塔頂氣可直接進(jìn)入外輸壓縮機(jī)，大幅降低了外輸壓縮機(jī)的壓縮功耗。將部分吸收塔頂液相在主冷箱中換熱升溫，優(yōu)化了整個(gè)系統(tǒng)的換熱網(wǎng)絡(luò)， 降低了制冷裝置的壓縮功。SVFS-2T工藝流程如圖3所示。 SVFS-2T流程具有以下特點(diǎn)：低溫分離器氣相全部進(jìn)入膨脹機(jī)，可增加膨脹機(jī)制冷量；對(duì)氣質(zhì)適應(yīng)性很好，通過調(diào)節(jié)側(cè)線抽出位置、 抽出量以及側(cè)線壓縮機(jī)出口壓力的方法，靈活控制乙烷收率，并且氣質(zhì)GPM（gallons per thousand standard cubic feet of gas）值越小，裝置能耗越低。

圖3 帶物流點(diǎn)的SVFS-2T乙烷回收工藝流程

1.3 改進(jìn)工藝的評(píng)價(jià)

蔣洪[10]根據(jù)相平衡原理，采用標(biāo)準(zhǔn)形式的Peng-Rabinson狀態(tài)方程建立了CH4-CO2二元體系的液-固、氣-固平衡模型，并將兩種模型的CO2固體形成溫度計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示該計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在2 °C以內(nèi)。參照相關(guān)文獻(xiàn)，本文在運(yùn)用Aspen HYSYS軟件預(yù)測(cè)CO2固體形成時(shí)，控制氣相中CO2凍堵安全裕量為5 °C，控制液相中CO2凍堵安全裕量為3 °C。 氣液平衡模型選用Peng-Robinson方程，對(duì)兩組典型的凝析氣進(jìn)行模擬分析，制冷方式采用丙烷與膨脹機(jī)制冷相結(jié)合的聯(lián)合制冷方式，氣質(zhì)組成及工況條件見表1。

表1 兩組原料氣組分及含量

模擬結(jié)果如表2所示。兩組原料氣條件下，RSV、SVFS及SVFS-2T工藝中，脫甲烷塔板上CO2含量見圖4。由表2及圖4可知，在原料氣、乙烷回收率及主體裝置總壓縮功等條件相同的情況下，與RSV流程相比，兩種改進(jìn)工藝脫甲烷塔最小CO2凍堵裕量均有增加，SVFS-2T增幅最大為1.5~2.6 °C。 因?yàn)閮煞N改進(jìn)工藝降低了脫甲烷塔板上部氣相中的CO2含量，SVFS工藝塔板氣相中CO2含量降低0.08%~0.32%；SVFS-2T工藝由于吸收塔的設(shè)置， 將傳統(tǒng)脫甲烷塔的精餾吸收段（低溫段）轉(zhuǎn)移至吸收塔，使脫甲烷塔自下而上氣相中大量的CO2實(shí)現(xiàn)分流， 不再經(jīng)過低溫區(qū)，減少吸收塔中的CO2含量，塔板氣相中CO2含量降低幅度達(dá)0.2%~1.3%。

表2 兩組原料氣下各工藝模擬結(jié)果

表2 兩組原料氣下各工藝模擬結(jié)果（續(xù)表）

圖4 兩組原料氣下各工藝脫甲烷塔板上CO2含量

通過以上分析可知，SVFS-2T工藝控制CO2凍堵效果最好，能最大程度地減少傳統(tǒng)脫甲烷塔上部低溫區(qū)的CO2含量， 可在對(duì)乙烷回收率及能耗影響最小的情況下，提高乙烷回收裝置的CO2凍堵裕量。 因此，下文對(duì)SVFS-2T工藝開展進(jìn)一步分析。

2 SVFS-2T工藝參數(shù)及適應(yīng)性分析

2.1 工藝參數(shù)分析

為掌握SVFS-2T工藝的特性，選用表1中兩組原料氣，運(yùn)用HYSYS軟件進(jìn)行模擬，通過改變?cè)蠚膺^冷分流比、低溫分離器液相分流比、脫甲烷塔頂分離器溫度三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，來研究其對(duì)CO2凍堵裕量、乙烷回收率和裝置總軸功率的影響。 工藝參數(shù)見表3。

表3 SVFS-2T工藝參數(shù)

2.1.1 原料氣過冷分流比

原料氣過冷分流比是指作為吸收塔第二股進(jìn)料的部分原料氣（物流2）與總原料氣（物流1）之比。 與低溫分離器氣相相比， 原料氣中含有更多的丙烷及以上液烴， 能增加脫甲烷塔上部的丙烷及以上液烴含量，吸收脫甲烷塔上部氣相中的CO2，控制凍堵，但該股進(jìn)料也會(huì)影響脫甲烷塔上部氣、液相組成，從而影響乙烷回收率及系統(tǒng)能耗，模擬結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 原料氣過冷分流比對(duì)運(yùn)行參數(shù)的影響（第一組原料氣下）

圖6 原料氣過冷分流比對(duì)運(yùn)行參數(shù)的影響（第二組原料氣下）

由圖5、圖6分析可知：脫甲烷塔板上氣液相CO2凍堵裕量均隨原料氣過冷分流比的增加而增加，原料氣過冷分流比每增加2%，氣相CO2凍堵裕量增加0.2~0.8 °C。 這是由于脫甲烷塔上部丙烷及以上烴類隨原料氣過冷分流比的增加而增加，引起脫甲烷塔板上氣相中的CO2含量減少所造成的。 乙烷回收率隨原料氣過冷分流比的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，在模擬的兩組工況下，原料氣過冷分流比在16%~20%之間，乙烷回收率達(dá)最高點(diǎn)。 這是由于過冷原料氣作為脫甲烷精餾吸收塔第二股進(jìn)料，對(duì)脫甲烷塔上部起到精餾作用， 但當(dāng)過冷原料氣逐漸增加時(shí)，導(dǎo)致塔上部氣相逐漸變富，造成原料氣中的乙烷直接隨脫甲烷塔頂氣相逸出。 系統(tǒng)能耗隨原料氣過冷分流比的增加呈現(xiàn)單調(diào)遞增。 原料氣過冷分流比每增加1%， 主體裝置總壓縮功增加0.3%~0.5%。這是由于過冷原料氣的增加， 過冷冷箱的負(fù)荷增大， 作為主冷箱冷源的脫甲烷塔頂氣相溫度升高，導(dǎo)致外部制冷劑的增加。

2.1.2 低溫分離器液相分流比

低溫分離器液相分流比是指進(jìn)入吸收塔頂部的低溫分離器液相（物流5）與低溫分離器總液相（物流4）之比。 此設(shè)計(jì)不僅能提高過冷冷箱的熱集成度，還能通過液相的升溫，降低脫甲烷塔底液相的CO2含量，進(jìn)而減少乙烷產(chǎn)品中的CO2含量，減小乙烷脫碳裝置能耗，提高處理廠的經(jīng)濟(jì)效益。

圖7 低溫分離器液相分流比對(duì)運(yùn)行參數(shù)的影響（第一組原料氣下）

圖8 低溫分離器液相分流比對(duì)運(yùn)行參數(shù)的影響（第二組原料氣下）

由圖7、圖8分析可知：分流比每增加10%，塔底液相CO2含量減少2.4~2.8 kmol/h， 這是由于分流比增加， 更多低溫分離器底部液相經(jīng)過冷冷箱加熱，使得液相中的CO2揮發(fā)進(jìn)入脫甲烷塔上部氣相。 同時(shí)， 分流比的變化對(duì)吸收塔CO2凍堵裕量無明顯影響；分流比由10%增加至80%的過程中，乙烷回收率上升0.38%~0.7%，這是由于分流比的增加，使得脫甲烷塔溫度間接增加，塔頂氣相變富，露點(diǎn)溫度升高，當(dāng)塔頂氣相進(jìn)入塔頂分離器分離時(shí)，更多的乙烷被冷凝，導(dǎo)致乙烷回收率增加；液相分流比每增加10%，主體裝置總壓縮功降低0.05%~0.4%；這是由于分流比增加，過冷冷箱獲得的冷量增加，減小了外部制冷劑的壓縮功，導(dǎo)致主體裝置總壓縮功降低。

2.1.3 脫甲烷塔頂分離器溫度

SVFS-2T工藝塔頂分離器溫度決定了脫甲烷塔頂?shù)幕亓髁?，塔頂分離器溫度越低，脫甲烷塔頂回流量越大，乙烷回收率也就越高。 由于塔頂分離器氣、液相均不進(jìn)入吸收塔，該溫度對(duì)吸收塔CO2凍堵的影響很小。 因此重點(diǎn)研究塔頂分離器溫度對(duì)乙烷回收率、能耗及過冷冷箱的影響。

由圖9、圖10分析可知：塔頂分離器溫度由-88 °C降低至-96 °C的過程中， 乙烷回收率升高2.8%~4.9%，主體裝置總壓縮功增加145~252 kW，這是由于塔頂分離器溫度的降低，使得脫甲烷汽提塔氣相中更多的乙烷在塔頂分離器中被冷凝下來。 同時(shí)，由于其溫度的降低，過冷冷箱的負(fù)荷增加，外部制冷壓縮功增加，主體裝置總壓縮功增加；隨塔頂分離器溫度的降低， 過冷冷箱冷熱負(fù)荷曲線逐漸靠近，夾點(diǎn)逐漸降低，過冷冷箱冷熱負(fù)荷曲線的夾點(diǎn)出現(xiàn)在-93~-89 °C左右， 塔頂分離器溫度正好處于該區(qū)間，分離器溫度的變化直接決定冷箱夾點(diǎn)的變化；在保證乙烷回收率的情況下，合理提高塔頂分離器溫度，有利于減小外部冷劑制冷功耗，進(jìn)而減小主體裝置總壓縮功。

圖9 脫甲烷塔頂分離器溫度對(duì)運(yùn)行參數(shù)的影響（第一組原料氣下）

圖10 脫甲烷塔頂分離器溫度對(duì)運(yùn)行參數(shù)的影響（第二組原料氣下）

2.2 工藝適應(yīng)性分析

為進(jìn)一步了解SVFS-2T工藝的應(yīng)用前景， 現(xiàn)選用表1兩組原料氣， 通過改變氣質(zhì)的CO2組分含量，對(duì)其進(jìn)行CO2波動(dòng)適應(yīng)性分析。 在乙烷回收裝置不發(fā)生CO2凍堵以及相同乙烷回收率條件下，從兩個(gè)方面研究SVFS-2T工藝的適應(yīng)性： 工藝適應(yīng)的最高原料氣CO2含量；以及隨著CO2含量增加，工藝總壓縮功的變化。

由圖11可知， 在乙烷回收率為90%的情況下，RSV工藝在丙烷制冷與膨脹機(jī)制冷相結(jié)合的聯(lián)合制冷形式下，為避免乙烷回收裝置發(fā)生CO2凍堵，所能適應(yīng)的最大原料氣CO2含量在2.2%~2.4%左右；由于吸收塔及脫甲烷塔頂分離器的設(shè)置，脫甲烷塔自下而上氣相中的CO2分流去外輸氣，SVFS-2T工藝所能適應(yīng)的最大原料氣CO2含量在3.0%~3.2%， 原料氣CO2含量適應(yīng)性較典型RSV乙烷回收工藝高0.6%~0.8%，原料氣CO2波動(dòng)適應(yīng)性增強(qiáng)效果明顯。

圖11 不同工藝乙烷回收率隨原料氣CO2含量波動(dòng)的變化

由表4可知，在保證93%的乙烷回收率下，隨著原料氣CO2含量由1.0%增加至3.0%，兩工藝壓縮功均逐漸增加，RSV工藝最大增幅達(dá)9.6%~11.7%，SVFS-2T工藝最大增幅明顯小于RSV工藝，僅在5.8%~9.7%之間。 因?yàn)镾VFS-2T工藝脫甲烷塔壓力較吸收塔壓力高0.5 MPa， 壓力更高的脫甲烷塔頂氣相直接進(jìn)入外輸氣壓縮機(jī)，使膨脹機(jī)增壓端出口壓力升高，外輸壓縮機(jī)壓縮功有所降低，與RSV工藝相比，SVFS-2T工藝外輸壓縮機(jī)壓縮功低10.5%~20.4%； 可見SVFS-2T工藝節(jié)能比例在2.8%~5.2%之間，且隨著原料氣CO2含量的增加，SVFS-2T工藝節(jié)能優(yōu)勢(shì)越明顯。這說明改進(jìn)工藝具有更強(qiáng)的原料氣CO2波動(dòng)適應(yīng)性。經(jīng)模擬分析，證明了SVFS-2T工藝具有較強(qiáng)的原料氣CO2含量波動(dòng)適應(yīng)性，適合應(yīng)用于含CO2中高壓凝析氣田氣的乙烷回收。

表4 不同工藝模擬結(jié)果

3 結(jié)論

（1）為解決RSV工藝對(duì)原料氣CO2波動(dòng)適應(yīng)性不強(qiáng)的問題，從改變脫甲烷塔第二股進(jìn)料氣質(zhì)以及改變傳統(tǒng)脫甲烷塔結(jié)構(gòu)兩方面，分別提出SVFS、SVFS-2T兩種乙烷回收工藝。 在原料氣GPM為2.3165和3.7246的條件下， 與RSV工藝相比，SVFS工藝最小CO2凍堵裕量提高0.7~1.5 °C，SVFS-2T工藝提高1.5~2.6 °C，可見SVFS-2T工藝控制CO2凍堵效果最好，因?yàn)镾VFS-2T工藝用吸收塔取代了傳統(tǒng)脫甲烷塔的精餾段（低溫段），對(duì)脫甲烷塔自下而上氣相中CO2進(jìn)行分流，減少了進(jìn)入吸收塔中的CO2含量，裝置CO2適應(yīng)性有所增加。

（2）通過對(duì)SVFS-2T工藝參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)脫甲烷塔板上氣液相CO2凍堵裕量及主體裝置總壓縮功受原料氣過冷分流比影響最大，且呈正相關(guān)關(guān)系， 原料氣過冷分流比每增加1%，吸收塔氣相CO2凍堵裕量增加0.1~0.4 °C，主體裝置總壓縮功增加0.3%~0.5%； 低溫分離器液相分流比對(duì)脫甲烷塔板上氣液相CO2凍堵裕量幾乎沒有影響，主體裝置總壓縮功受液相分流比影響較小且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，低溫分離器液相分流比每增加10%，主體裝置總壓縮功減少0.05%~0.4%；脫甲烷塔頂分離器溫度對(duì)乙烷回收率及過冷冷箱的影響最大，塔頂分離器每降低1 °C，乙烷回收率增加0.35%~0.61%，冷箱夾點(diǎn)不斷降低。

（3）SVFS-2T工藝對(duì)原料氣CO2波動(dòng)有很好的適應(yīng)性，主要表現(xiàn)在兩方面，一是在乙烷回收率為90%的情況下，SVFS-2T工藝所能適應(yīng)的最大原料氣CO2含量在3.0%~3.2%， 比RSV工藝提高了0.6%~0.8%；二是在兩組氣質(zhì)條件下，隨著CO2含量增加SVFS-2T工藝能耗大小及增幅明顯小于RSV工藝， 節(jié)能比例達(dá)2.8%~5.2%。