輕烴回收低溫分離單元的提量?jī)?yōu)化模擬分析

黃風(fēng)林，王一翔

（西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065）

當(dāng)前，世界能源結(jié)構(gòu)加速向低碳化、無(wú)碳化方向演變，發(fā)展新能源已成為全球的發(fā)展趨勢(shì)。在我國(guó)，民用天然氣消費(fèi)量的增速遠(yuǎn)高于天然氣的產(chǎn)量，我國(guó)天然氣需求的缺口呈逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)，因此保證天然氣的有效供應(yīng)，對(duì)國(guó)家的能源安全與民生的保障十分重要。

天然氣中的中間組分和重組分含量較多，回收天然氣中比乙烷更重的組分，可控制天然氣的烴露點(diǎn)，以達(dá)到商品氣的質(zhì)量指標(biāo)，保證天然氣的運(yùn)輸安全?；厥盏妮p烴可作為化工原料，提高資源利用率[1-5]。輕烴回收是控制天然氣的烴露點(diǎn)，生產(chǎn)合格商品氣，提高資源利用率的主要手段。中海石油有限公司湛江分公司在北部灣的原油開(kāi)采量逐年提高，原有的輕烴回收裝置已無(wú)法適應(yīng)處理量的增加，本文對(duì)這一情況展開(kāi)討論并提出優(yōu)化措施。

1 輕烴回收裝置工藝模擬

1.1 工藝流程簡(jiǎn)述

中海石油湛江分公司潿洲終端處理廠輕烴回收裝置的原料氣由兩部分組成，一部分是從原油區(qū)分離出來(lái)的穩(wěn)定氣，另一部分是管道送來(lái)的低壓、高壓天然氣。生產(chǎn)單元主要包括分子篩脫水單元、低溫分離單元、精餾單元等。低溫分離是其核心單元，此工藝的低溫分離單元為“丙烷冷劑預(yù)冷＋膨脹機(jī)制冷”。

輕烴回收冷分離單元的工藝流程如圖1所示。來(lái)自脫水裝置的3股原料氣混合后進(jìn)入一級(jí)換熱器，與待壓縮干氣換冷后，借助丙烷的蒸發(fā)冷凝，分離大部分C3及以上組分，再通過(guò)冷凝和分離，實(shí)現(xiàn)干氣與凝液的進(jìn)一步分離，以確保天然氣烴的露點(diǎn)達(dá)標(biāo)。高壓、低溫的干氣經(jīng)膨脹制冷后逐級(jí)返回?fù)Q熱器，為天然氣進(jìn)料提供冷量，增壓后作為商品氣外輸，凝液則送至精餾單元，經(jīng)脫乙烷塔、脫丁烷塔分離，得到液化氣和輕油產(chǎn)品。

圖1 輕烴回收工藝流程圖Fig. 1 process flow chart of light hydrocarbon recovery

1.2 工藝模型搭建

基于該天然氣輕烴回收裝置的工藝流程，應(yīng)用ASPENPIUS流程模擬軟件建立的工藝模型如圖2所示。

圖2 輕烴回收工藝模擬流程圖Fig. 2 Simulation flow chart of light hydrocarbon recovery process

1.3 模型驗(yàn)證

將原料氣（表1）輸入工藝模型中，裝置的運(yùn)行參數(shù)與模擬參數(shù)見(jiàn)表2，模擬干氣產(chǎn)品與實(shí)測(cè)干氣結(jié)果見(jiàn)表3。可以看出，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)非常吻合，所建立的模擬系統(tǒng)能夠正確反映此氣田天然氣輕烴回收的工藝過(guò)程，可作為工藝優(yōu)化的依據(jù)，用于指導(dǎo)生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)裝置平穩(wěn)、安全、高效地運(yùn)行。

表1 進(jìn)料氣組成Table 1 composition of feed gas

表2 裝置運(yùn)行參數(shù)與模擬參數(shù)對(duì)比Table 2 comparison of operation parameters and simulation parameters of the device

表3 干氣產(chǎn)品模擬組成與實(shí)測(cè)組成對(duì)比Table 3 comparison between simulated composition and measured composition of dry gas products

2 問(wèn)題分析

輕烴回收裝置的模擬結(jié)果顯示，干氣產(chǎn)品烴的露點(diǎn)為-65℃，不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。二級(jí)低溫分離器的氣相組成見(jiàn)表4，C2＋的摩爾分率分別為13.75%，重組分含量較多，分離效果不佳。低溫分離器中，C1的摩爾分率隨分離器溫度的降低而增加，溫度越低，C1含量越高，烴露點(diǎn)越低。二級(jí)換熱器出口的混合氣與二級(jí)低溫分離器的溫度為-42.44℃，溫度偏高，膨脹機(jī)出口的低溫干氣為二級(jí)換熱器提供冷量，低溫干氣溫度為-77.3℃，因此降低低溫干氣的溫度，可有效提高二級(jí)換熱器效率。

表4 二級(jí)低溫分離器液相組成Table 4 liquid phase composition of two-stage cryogenic separator

膨脹機(jī)制冷是將氣體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并產(chǎn)生冷量，且膨脹始態(tài)溫度越低，膨脹機(jī)的J-T效率越高。丙烷蒸發(fā)器的出口溫度為-17.04℃，溫度偏高，降低丙烷蒸發(fā)器出口混合氣的溫度，可有效降低二級(jí)換熱器的進(jìn)口混合氣溫度，同時(shí)可有效提高膨脹劑的J-T效率，改善制冷效果，降低出口干氣溫度。

2.1 丙烷蒸發(fā)器的制冷能力不足

由于處理量增加，原料氣經(jīng)預(yù)冷后的溫度高于設(shè)計(jì)值（4℃），進(jìn)丙烷蒸發(fā)器的混合氣的溫度為16℃，流量為 2264.05kmol·h-1，經(jīng) ASPENLIUS物性分析，混合氣比熱為 56.12kJ·kmol-1·K-1。計(jì)算結(jié)果表明，要使丙烷蒸發(fā)器達(dá)到設(shè)計(jì)值-34℃所需的熱負(fù)荷為-1764.7kW，比丙烷蒸發(fā)器的額定負(fù)荷-1200kW增加了47%。

2.2 水冷器的效率低

丙烷制冷系統(tǒng)的工作流程見(jiàn)圖3。液態(tài)丙烷在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱蒸發(fā)后進(jìn)入壓縮機(jī)升壓，利用循環(huán)水，使丙烷壓縮氣的溫度低于其臨界溫度，以確保氣態(tài)丙烷冷凝成液態(tài)，通過(guò)節(jié)流閥進(jìn)一步降溫降壓后，氣態(tài)丙烷進(jìn)入丙烷蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)。考察生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)液體丙烷出水冷器時(shí)的溫度偏高，導(dǎo)致蒸發(fā)器的熱端溫度偏高，造成了丙烷蒸發(fā)器的操作溫度、吸氣壓力均偏高的后果。

圖3 丙烷蒸發(fā)系統(tǒng)流程圖Fig. 3 flow chart of propane evaporation system

3 工藝優(yōu)化

本工藝因丙烷制冷系統(tǒng)的制冷效果不佳，造成整個(gè)工藝的制冷溫度偏高，因此針對(duì)丙烷制冷系統(tǒng)提出了優(yōu)化措施。

3.1 流程優(yōu)化

按照低壓氣、高壓氣與穩(wěn)定氣的組成，利用APENPIUS軟件計(jì)算得到3股氣的熱容分別為49.24、47.91、90.89kJ·kmol-1·K-1，混合氣的比熱為56.12kJ·kmol-1·K-1。丙烷蒸發(fā)器的熱負(fù)荷不能滿足制冷要求，因此將比熱大的原油穩(wěn)定氣經(jīng)預(yù)冷后，直接送入脫乙烷塔進(jìn)行氣液分離，從而減少混合氣冷量的需求。新工藝流程模擬見(jiàn)圖4。

圖4 優(yōu)化后輕烴回收工藝模擬流程圖Fig. 4 Simulation flow chart of optimized light hydrocarbon recovery process

經(jīng)模擬優(yōu)化后，工藝混合氣的比熱降為42.20kJ·kmol-1·K-1，丙烷蒸發(fā)器出口溫度由-17.04℃降至-34℃，熱負(fù)荷由1166kW降為935.7kW，二級(jí)換熱器的出口溫度由-42.89℃降至-61℃，二級(jí)分離器氣相C1的摩爾分率為90.62%，節(jié)流降溫后干氣溫度由-82.2℃降至-95℃。優(yōu)化后的工藝大大降低了低溫分離系統(tǒng)的整體溫度。模擬的原工藝干氣產(chǎn)品與優(yōu)化工藝的干氣產(chǎn)品組成見(jiàn)表5。優(yōu)化工藝提高了干氣組成中C1的摩爾分率，增壓至0.553MPa(A)時(shí)，對(duì)應(yīng)露點(diǎn)為-80℃，露點(diǎn)合格。顯然，對(duì)于本工藝，控制丙烷蒸發(fā)器的溫度對(duì)干氣露點(diǎn)十分重要。

表5 干氣組成對(duì)比Table 5 comparison of dry gas composition

3.2 改善水質(zhì)

模擬丙烷制冷系統(tǒng)中，丙烷蒸發(fā)器的吸氣絕壓為0.3MPa，對(duì)應(yīng)的氣化溫度為-14℃。模擬的丙烷溫度與飽和蒸氣壓的關(guān)系曲線見(jiàn)圖5?？梢钥闯觯瑝毫υ降?，丙烷的氣化溫度越低。優(yōu)化后的水冷器可確保氣態(tài)丙烷冷凝成液態(tài)，并降低出水冷器的液態(tài)丙烷的溫度，從而降低丙烷蒸發(fā)器的熱端溫度、吸氣壓力和丙烷的氣化溫度，達(dá)到降低混合氣溫度的目的。水冷器中的冷卻水在循環(huán)系統(tǒng)中循環(huán)使用，外界環(huán)境中的雜物、各種無(wú)機(jī)離子和有機(jī)物質(zhì)的濃縮等多種因素綜合作用，使得循環(huán)水的水質(zhì)惡化，導(dǎo)致水冷器腐蝕、結(jié)垢和黏泥滋生，降低換熱器的傳熱系數(shù)，最終造成水冷器的效率降低[6]。提高循環(huán)水的濃縮倍數(shù)可有效改善水質(zhì)，但濃縮倍數(shù)過(guò)高，會(huì)使循環(huán)冷卻水的硬度、堿度和濃度升高，水的結(jié)垢傾向增大。濃縮倍數(shù)控制在2～3倍并添加緩蝕阻垢劑，可有效改善改善水質(zhì)，確保水冷器的正常工作。

圖5 丙烷P-T圖Fig. 5 propane P-T Diagram

4 結(jié)論

1）輕烴回收工藝處理量的增加導(dǎo)致干氣產(chǎn)品的露點(diǎn)高；

2）本輕烴回收工藝中，丙烷制冷系統(tǒng)的制冷效果影響整個(gè)流程的分離效果；

3）針對(duì)丙烷制冷系統(tǒng)中丙烷蒸發(fā)器的處理量過(guò)大、水冷器效率低的問(wèn)題，提出以下措施：將比熱值高的原油穩(wěn)定氣預(yù)冷后直接送入脫乙烷塔，以減少丙烷蒸發(fā)器的負(fù)荷；改善循環(huán)水水質(zhì)，確保丙烷制冷系統(tǒng)水冷器高效工作；

4）經(jīng)優(yōu)化，干氣產(chǎn)品露點(diǎn)為-80℃，露點(diǎn)合格。