RSV工藝干氣回流量對(duì)乙烷收率的影響探討

丁宇，榮少杰，劉青松

[中油(新疆)石油工程有限公司設(shè)計(jì)分公司，新疆克拉瑪依 834000]

乙烯作為石油化工行業(yè)中最重要的基礎(chǔ)有機(jī)化工原料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位。目前，我國(guó)乙烯生產(chǎn)路線主要以石腦油裂解為主，約占72.7%，煤/甲醇制烯烴(CTO/MTO)工藝占比約20.7%，其他生產(chǎn)路線占比6.6%[1-3]。乙烷裂解制乙烯（含混合烷烴裂解）、重油催化熱裂解制烯烴、原油直接裂解制烯烴、乙醇脫水制乙烯等技術(shù)均已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，乙烯原料呈現(xiàn)出輕質(zhì)化、多元化、一體化發(fā)展趨勢(shì)。與傳統(tǒng)石腦油裂解路線相比，乙烷裂解制乙烯具有工藝流程短、裝置投資少、乙烯收率高等優(yōu)勢(shì)[4-5]。乙烷作為乙烯裂解裝置的原料，其成本僅為石腦油裂解的30%～40%，因此，乙烷是優(yōu)質(zhì)的乙烯原料。我國(guó)乙烯工業(yè)原料大多采用石腦油，導(dǎo)致裝置投資、能耗和生產(chǎn)成本過高，乙烯工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展空間受限，迫切需要合理利用凝析氣田中的凝液資源，優(yōu)化乙烯工業(yè)原料構(gòu)成。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，回收天然氣中的乙烷作為乙烯裝置原料是提高乙烯裝置經(jīng)濟(jì)效益的有效手段之一[6]。隨著國(guó)際原油價(jià)格的逐步升高以及各大油氣田利用天然氣中的乙烷組分制備乙烯的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)多個(gè)大型油氣田均在積極進(jìn)行乙烷回收工程的建設(shè)。國(guó)外的深冷凝液回收裝置主要采用膨脹機(jī)制冷或冷劑制冷+膨脹機(jī)制冷的低溫分離工藝，針對(duì)不同氣質(zhì)工況，提出多種乙烷回收高效工藝流程，這些新工藝具有乙烷回收率高、能耗低、投資少等優(yōu)點(diǎn)，提高了裝置的穩(wěn)定性、適應(yīng)性，運(yùn)用較為廣泛的深冷凝液回收工藝有液相過冷工藝(LSP)、氣相過冷工藝(GSP)、部分干氣回流乙烷回收工藝流程(RSV)、壓縮氣補(bǔ)充精餾工藝(SRC)、回流氣補(bǔ)充精餾工藝(SRX)等，RSV工藝是目前國(guó)外應(yīng)用最廣泛的乙烷回收流程。國(guó)內(nèi)乙烷回收裝置相對(duì)較少，2000年大慶油田和中原油田建成了9套伴生氣乙烷回收裝置，采用LSP和GSP工藝，乙烷回收工藝較單一、處理量小、收率低。GSP工藝適用于4 MPa以上較貧的原料氣，乙烷收率最高可達(dá)90%；LSP工藝適用于4 MPa以上較富的原料氣，乙烷收率最高可達(dá)85%[7-8]。近年來，國(guó)內(nèi)天然氣工業(yè)發(fā)展較快，乙烷作為重要的化工原料以及乙烷制備乙烯的巨大優(yōu)勢(shì)，帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)乙烷回收產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新疆油田、長(zhǎng)慶油田、塔里木油田等相繼建成了新疆克拉美麗氣田乙烷回收裝置和瑪河氣田乙烷回收裝置、長(zhǎng)慶上古天然氣乙烷回收裝置、塔里木油田天然氣乙烷回收裝置等。國(guó)內(nèi)乙烷回收裝置主要工藝應(yīng)用情況見表1。

表1 國(guó)內(nèi)主要乙烷回收裝置概況

1 RSV工藝流程

RSV工藝為美國(guó)Ortloff公司于20世紀(jì)90年代末在GSP工藝的基礎(chǔ)上為提高乙烷回收率而進(jìn)行的改進(jìn)工藝，改進(jìn)的具體措施為：將壓縮后的部分干氣送入塔頂換熱器進(jìn)行冷凝后，再通過節(jié)流降溫進(jìn)入脫甲烷塔頂部作為回流，該工藝于2000年首次得到應(yīng)用。該工藝具有如下特點(diǎn)：①操作靈活、回收率高，乙烷收率可超過96%；②適應(yīng)原料氣CO2含量變化的能力較強(qiáng)；③適應(yīng)原料氣量變化范圍大；④對(duì)原料氣組分的變化適應(yīng)性較強(qiáng)。RSV工藝流程見圖1。

圖1 RSV工藝流程示意

凈化干燥后的天然氣首先通過冷箱預(yù)冷，進(jìn)入低溫分離器進(jìn)行氣、液分離，大部分氣相進(jìn)入膨脹機(jī)制冷后進(jìn)入脫甲烷塔，液相直接去脫甲烷塔，少量的氣相和液相混合后通過冷箱過冷后進(jìn)入脫甲烷塔的上部，脫甲烷頂氣相經(jīng)過冷量回收后由外輸氣壓縮機(jī)增壓，增壓后少量干氣經(jīng)過預(yù)冷、節(jié)流降壓過冷后作為脫甲烷塔頂回流，脫甲烷塔底液相直接去下游分餾裝置。

RSV工藝中，影響乙烷收率的因素很多，包括原料氣貧富情況、CO2含量、制冷溫度、膨脹比及干氣回流比等。針對(duì)某氣田RSV工藝，通過Aspen HYSYS軟件進(jìn)行了模擬，重點(diǎn)討論了低溫分離溫度、膨脹比、干氣回流比等參數(shù)的變化對(duì)乙烷收率的影響。

2 裝置物料條件

某氣田RSV工藝參數(shù)見表2。

表2 某氣田RSV工藝參數(shù)

原料天然氣組成見表3。

表3 天然氣組成

為提高物料平衡及熱量平衡計(jì)算的可靠性和準(zhǔn)確性，采用Aspen HYSYS軟件進(jìn)行建模，軟件建模流程見圖2。

圖2 Aspen HYSYS軟件模擬工藝流程

脫水凈化后的原料氣(7.0 MPa，42 ℃)進(jìn)入多股流換熱器(冷箱)預(yù)冷，溫度降至-45～-40 ℃后進(jìn)入低溫分離器進(jìn)行氣液分離，大部分氣相通過膨脹機(jī)膨脹至2.0～2.4 MPa，溫度降至-92～-89 ℃后進(jìn)入脫甲烷塔，體積分?jǐn)?shù)15%～23%的少部分氣量經(jīng)冷箱冷至-102～-96 ℃后進(jìn)入脫甲烷塔，低溫分離器分出的液相節(jié)流至2.0～2.3 MPa后進(jìn)入脫甲烷塔。脫甲烷塔頂?shù)臍庀嗤ㄟ^冷箱復(fù)熱至30～35 ℃經(jīng)膨脹機(jī)增壓端增壓至2.3～2.5 MPa，空冷至45～50℃后去外輸氣壓縮機(jī)增壓外輸。取增壓后體積分?jǐn)?shù)10%～12%的外輸氣經(jīng)冷箱冷預(yù)冷至-101～-98℃，節(jié)流至2.0～2.3 MPa，溫度降至-109～-105 ℃后進(jìn)入脫甲烷塔作為回流。為充分利用冷量，降低熱能消耗，脫甲烷塔中段設(shè)置兩股全量側(cè)線抽出，一股側(cè)抽冷液(溫度-93～-90 ℃)經(jīng)冷箱換熱至-88～-85 ℃后返回脫甲烷，另一股側(cè)線抽出冷液(溫度-67～-63 ℃)經(jīng)冷箱加熱至-35～-30 ℃后返回脫甲烷塔，塔底凝液與原料進(jìn)行換熱至18～21℃用于塔底重沸器加熱，脫除甲烷后的凝液(溫度18～21 ℃)去后續(xù)脫乙烷塔、脫丁烷塔等進(jìn)行產(chǎn)品分餾。

3 主冷箱換熱特性

脫甲烷塔上部進(jìn)料包括部分干氣回流和部分低溫分離器過冷氣相進(jìn)料，這兩股物料在脫甲烷塔均起到了節(jié)流降溫的作用，因此需要較低的冷箱出口溫度以保證其進(jìn)脫甲烷塔前的冷凝率。低于-40 ℃的冷量由脫甲烷塔頂氣相、部分干氣回流、中間抽出及重沸器提供，通過合理控制膨脹機(jī)出口壓力及部分干氣回流量，可以有效減小冷箱中的換熱平均溫差，提高熱集成度，實(shí)現(xiàn)冷熱量的充分利用。

3.1 乙烷收率影響因素

對(duì)乙烷回收工藝而言，脫甲烷塔的塔頂壓力和溫度是影響乙烷收率的關(guān)鍵因素。RSV工藝要求乙烷回收率在95%以上。不同壓力下的乙烷冷凝溫度和液化率是確定制冷參數(shù)的關(guān)鍵，該工程原料氣冷凝曲線見圖3。

圖3 不同壓力下乙烷液化率隨溫度的變化曲線

由圖3可見：脫甲烷塔壓力為1.0～3.0 MPa時(shí)，其塔頂溫度應(yīng)在-125～-90 ℃?？紤]到充分利用原料氣壓力能，結(jié)合膨脹機(jī)制冷的效率，初步確定脫甲烷塔操作壓力為2.0 MPa、干氣回流溫度約-105℃(裝置最低溫度點(diǎn))。

初步確定操作點(diǎn)后，通過對(duì)RSV工藝流程進(jìn)行分析，影響工藝收率的主要因素的有低溫分離器溫度、膨脹比及干氣回流比等。

3.2 低溫分離器溫度和膨脹比

低溫分離器分離溫度與膨脹機(jī)允許持液率、膨脹比有很大的關(guān)系。膨脹機(jī)對(duì)出口持液率一般要求不大于15%，即出口物流氣相分率要大于85%。持液率過大會(huì)造成膨脹機(jī)的承受能力過高，給膨脹機(jī)的運(yùn)行帶來危險(xiǎn)。根據(jù)低溫分離器操作溫度，通過膨脹機(jī)膨脹后，在不同的膨脹比下運(yùn)行，膨脹機(jī)出口壓力也會(huì)不同，不同膨脹比下膨脹機(jī)出口物流氣相分率見圖4。

圖4 膨脹機(jī)不同出口壓力物流氣相分率變化

由圖4可見：當(dāng)?shù)蜏胤蛛x器溫度高于-55 ℃時(shí)，膨脹比越大(出口壓力越低)，氣相分率越小，即膨脹機(jī)出口物流持液率越高；當(dāng)?shù)蜏胤蛛x器溫度低于-55 ℃時(shí)，膨脹比越大，氣相分率反而增大，即膨脹機(jī)出口物流持液率越低。當(dāng)?shù)蜏胤蛛x器溫度高于-45 ℃時(shí)，各壓力下氣相分率均大于85%，可以滿足膨脹機(jī)出口對(duì)持液率的要求。

3.3 干氣回流比

RSV工藝最大的特點(diǎn)就是利用高壓產(chǎn)品干氣通過預(yù)冷和節(jié)流產(chǎn)生一股新的冷源，作為脫甲烷塔頂回流液，由于產(chǎn)品氣氣質(zhì)較貧，回流液在甲烷塔頂降壓后發(fā)生閃蒸，形成更低的塔頂溫度，提高精餾效果和乙烷收率，干氣回流量的大小直接影響乙烷收率，隨著干氣回流比的增加，乙烷的收率增加，但外輸氣壓縮機(jī)的功率和投資也相應(yīng)會(huì)增加。因此，確定合理的干氣回流比是實(shí)現(xiàn)效益最大化的關(guān)鍵。不同干氣回流比對(duì)乙烷收率和外輸氣壓縮機(jī)功率的影響見圖5。

圖5 干氣回流比對(duì)乙烷收率和壓縮機(jī)功率的影響

由圖5可見：當(dāng)干氣回流比低于12%時(shí)，乙烷回收率基本隨干氣回流比的增加而線性增長(zhǎng)；當(dāng)干氣回流比高于12%后，乙烷回收率隨隨干氣回流比的增加變化不大。當(dāng)干氣回流比為9%時(shí)，乙烷回收率達(dá)到了95%，即達(dá)到了乙烷回收率95%以上的工藝指標(biāo)。由圖5還可見：壓縮機(jī)功率隨干氣回流比的增加而一直呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。不同的干氣回流比對(duì)外輸氣壓縮機(jī)的功率影響較大，壓縮機(jī)功率的增大將直接影響到裝置投資，相應(yīng)地也會(huì)影響投資收益率。干氣回流比與投資收益率的關(guān)系見圖6。

圖6 干氣回流比與投資收益率的關(guān)系

由圖6可見：隨著干氣回流比的增加，投資收益率呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)，投資收益率存在一個(gè)最高點(diǎn)。當(dāng)干氣回流比為10%時(shí)，乙烷回收率達(dá)到96%，滿足工藝指標(biāo)要求，此時(shí)投資收益率達(dá)到最高。

3.4 RSV工藝適應(yīng)性

RSV乙烷回收工藝適應(yīng)原料氣組成的范圍較寬(包括貧氣、富氣)，當(dāng)采用膨脹機(jī)制冷工藝，原料氣壓力需大于4.0 MPa，按照上述初步優(yōu)選的工藝參數(shù)，在保證較高收率(大于90%)的情況下，利用Aspen HYSYS軟件模擬，能夠適應(yīng)原料氣中CO2的體積分?jǐn)?shù)為0.5%～2.5%，可通過提高脫甲烷塔壓力、增加脫甲烷塔第二股進(jìn)料的液量等方式防止CO2凍堵問題。

4 結(jié)論

1)合理確定脫甲烷塔的操作壓力和操作溫度是RSV乙烷回收工藝中提高乙烷回收率的關(guān)鍵。該RSV乙烷回收工藝中，脫甲烷塔操作壓力為2.0 MPa、干氣回流溫度約-105 ℃。

2)低溫分離器分離溫度、膨脹比直接影響膨脹機(jī)選型和設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行，同時(shí)也會(huì)對(duì)膨脹機(jī)制冷效率產(chǎn)生影響，需要結(jié)合膨脹機(jī)性能進(jìn)行分析確定。該RSV乙烷回收工藝中，當(dāng)?shù)蜏胤蛛x器溫度高于-45 ℃時(shí)，各壓力下氣相分率均大于85%，滿足膨脹機(jī)出口對(duì)持液率的要求。

3)干氣回流比是RSV乙烷回收工藝的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)裝置收率和增壓能耗影響較大，直接關(guān)系到裝置的投資效益，需要綜合考慮，多工況模擬優(yōu)化，確定最佳回流比。該RSV乙烷回收工藝中，當(dāng)干氣回流比為10%時(shí)，乙烷回收率達(dá)到96%，滿足工藝指標(biāo)要求，此時(shí)投資收益率達(dá)到最高。