冷凝分離法輕烴回收工藝影響C3+收率因素系統分析

童立志,李少軍,劉洪杰,賈琴芳,朱漢兵

(中國石油吐哈油田公司,新疆鄯善 838202)

冷凝分離法輕烴回收工藝影響C3+收率因素系統分析

童立志,李少軍,劉洪杰,賈琴芳,朱漢兵

(中國石油吐哈油田公司,新疆鄯善 838202)

一定組成的原料氣,利用冷凝分離法進行輕烴回收時,對影響其C3+收率的因素進行了較為全面系統的分析,具體包括:冷凝、分離、工藝技術、工藝系統參數控制、設備效率等。同時,還設計了一種能提高C3+收率的三級分離工藝流程。

冷凝分離法;輕烴回收;C3+收率

冷凝分離法進行輕烴回收已被廣泛應用于油氣田和煉油廠,對輕烴收率影響因素進行系統分析,可在提高輕烴收率技術和方法上獲得主動性和針對性 ,而避免盲目性。(文中 ,C1+C2、C3+、NoC 分別表示甲烷和乙烷、丙烷及以上組分、非烴組分)

1 冷凝分離法

1.1 原理

一定組成的原料氣混合物在一定的壓力下,經制冷降溫部分冷凝后,將變成汽液兩相狀態,達相平衡時,各組分因揮發度不同,其在汽液兩相中的分布會有不同,利用此原理可將不同組分進行分離。

1.2 制冷方法

冷凝分離法進行輕烴回收需要對原料氣制冷降溫。

按原理可分為:節流膨脹制冷(絕熱、不對外做功、降壓、降溫、等焓)、膨脹機膨脹制冷(絕熱、對外做功、降壓、降溫、等熵)。

按工藝可分為:冷劑制冷(如丙烷循環制冷)、節流膨脹制冷、膨脹機膨脹制冷、混合制冷(在工藝流體自身節流膨脹制冷或膨脹機膨脹制冷的基礎上外加冷劑制冷)。

1.3 分離方法

包括分離器相平衡分離和精餾系統精餾分離。

1.4 工藝流程

一般包括增壓(對低壓原料氣)、脫水、制冷和精餾。

2 冷凝

冷凝的目的是在一定的壓力下,通過降溫將需要從天然氣中分離的輕烴組分液化。相關組分的液化率決定其收率。因受分離器分離效率和精餾塔分離程度的影響,收率總是小于液化率。

對于一定組成的原料氣混合物,其一次冷凝的相平衡液化率由冷凝后相平衡分離的壓力和溫度2個參數決定。

吐哈油田某裝置原料氣組成如表1所示。

表1 裝置原料氣組成

根據表1組成數據進行相平衡計算,壓力分別為 1、2、3、4、5 MPa 時 C3+液化率隨溫度變化曲線如圖1所示(注:文中所有液化率數據都以摩爾分率表示)。

由圖1分析知,隨壓力升高、溫度降低,C3+液化率將增加,壓力小于3 MPa時,對C3+液化率影響較大,溫度在比較大的范圍內都對C3+液化率有很大的影響。

為了最大限度提高C3+液化率,應根據生產實際、相平衡計算數據及相關的C3+液化率隨溫度變化曲線,選擇合適的冷凝壓力和溫度。

當原料氣壓力較低時,為了提高輕烴液化率,及后續工藝要求,常常需要對原料氣進行增壓。油田伴生氣壓力一般不到1 MPa,如吐哈油田溫米輕烴原料氣壓力為0.36 MPa。

圖1 C3+液化率～T(K)曲線

3 分離

一定組成的原料氣混合物冷凝后,經分離器相平衡分離可得汽相和液相組分,其液相組分仍為混合物,其中同時還包含不需要冷凝的輕質組分,對其按需要進行精餾分離得到不同的輕烴產品才是輕烴回收裝置的最終目的。

如果精餾系統設計不合理或操作參數控制不穩定,不僅會嚴重影響輕烴的收率,還會嚴重影響輕烴產品的質量。油田淺冷裝置常有的輕烴產品有液化氣、戊烷、穩定輕烴和干氣等。

3.1 精餾系統工藝流程設計

設計時需考慮的2個關鍵因素是:產品和其在原料混合物中的含量。

很多油田輕烴回收裝置,先有脫乙烷塔,后有脫丁烷塔;而煉油廠有很多裝置是先有脫丁烷塔,后有脫乙烷塔。

3.2 簡單精餾塔系統設計

在前面分析的壓力、溫度對液化率的影響僅考慮了一次冷凝相平衡分離的情況。

從精餾分離的角度,當原料組成、溫度、壓力一定時,為了達到所要求的精餾分離效果,需要對簡單精餾塔系統操作參數進行設計計算,包括塔壓、回流比、回流液溫度、塔底溫度、理論塔板數等。

如果是填料塔,可根據理論塔板數選型填料和設計塔高,根據塔內氣液流量分布情況設計塔徑。

4 工藝技術

根據冷凝分離法的原理,工藝技術總體上是和冷凝、分離相關的。

應根據實際需要,在合理的條件下,在冷凝和相平衡分離階段,最大限度地提高C3+液化率,同時,盡量降低C1+C2液化率。

這里介紹幾個重要的冷凝分離法輕烴回收工藝技術。

4.1 增壓和制冷

相關分析見冷凝部分。

4.2 多級分離

前面分析了一次冷凝分離時壓力、溫度對C3+液化率的影響。

這里,設計了一個三級分離的流程如圖2所示。關鍵技術:將一級分離液相降溫后和二級分離汽相混合,進行三級分離,以提高C3+總液化率。

二、三級分離溫度可控制為相同的最低制冷溫度。由圖2可知,設計三級分離流程對制冷負荷的影響只和液化率有關,而沒有其它額外的增加。

圖2 設計三級分離流程

吐哈油田某裝置低溫分離器壓力為2.4 MPa,溫度為丙烷制冷溫度235 K。

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以壓力2.4 MPa、溫度235 K和表1中組成進行單級分離相平衡計算,可得 C1+C2、C3+、NoC液化率分別為 0.0730、0.7778、0.0600,相平衡組成如表2所示。

對圖2所示三級分離流程進行相平衡計算,原料氣組成取表1中數據,因三級分離壓力變化不大,壓力均取2.4 MPa。計算中,對一級分離溫度進行調整,二、三級分離溫度取235 K。

三級分離流程相平衡計算相關部分計算數據如表 3、4、5 所示。

表2、3中 ,C1+C2、C3+、NoC 分別表示相關組分總組成。

表4、5中,T1為一級分離溫度,C1+C2、C3+、NoC分別表示相關組分總液化率。表4中總液化率為兩級簡單分離流程一、二級分離器液相計算所得,表5中總液化率為設計三級分離流程二、三級分離器液相計算所得。

表2 單級分離相平衡組成

表3 T1為280 K時,三級分離器相平衡組成

表4 兩級分離總液化率/%

表5 三級分離總液化率/%

表4中數據相關的簡單兩級分離流程C1+C2、C3+總液化率隨T1變化曲線如圖3、4所示,表5中數據相關的設計三級分離流程C1+C2、C3+總液化率隨T1變化曲線如圖5、6所示。

從圖4可知,和單級相平衡分離相比,簡單兩級分離流程不能提高C3+液化率,反而會降低C3+液化率。

從圖6可知,和單級相平衡分離相比,設計的三級分離流程可提高C3+液化率。一級分離器溫度為280 K時,C3+總液化率為0.8132,提高比率為4.55%。

從表2、3中數據分析可知,和單級相平衡分離相比,三級分離器氣相組分中C1+C2總組成更大,而C3+總組成更小,表明C3+總液化率提高得更多。

4.3 輕油回流

將精餾系統脫丁烷塔塔底液相組分部分回流至原料氣中,可提高液化率。

特別注意回流組分,并非比原料氣重的組分回流就可提高液化率,如低溫分離器液相。如果需要的話應該對冷凝分離系統進行相平衡計算。

另外,輕油回流將增加制冷負荷和運行成本,應對經濟效益進行計算評估。

4.4 膨脹機制冷加重接觸塔工藝技術

吐哈油田丘東采油廠輕烴回收一號裝置采用了膨脹機制冷加重接觸塔工藝技術,設計原料氣摩爾流量為1857.3207 kmol·h-1,低溫分離器和重接觸塔塔底液相摩爾流量分別為351.7417 kmol·h-1,279.0042 kmol·h-1,原料氣總組成zi、低溫分離器液相組成zi1和重接觸塔塔底液相組成zi2設計數據如表6所示。表6中,C1+C2、C3+分別表示相關組分總組成。

表6 設計數據

可計算得:原料氣C1+C2、C3+摩爾流量分別為1728.9798 kmol·h-1,101.4097 kmol·h-1,低溫分離器液相 C1+C2、C3+摩爾流量分別為284.8756 kmol·h-1,64.6150 kmol·h-1,低溫分離器液相 C1+C2、C3+總液化率分別為 16.4765%、63.7168%,重接觸塔塔底液相 C1+C2、C3+摩爾流量分別為181.9665 kmol·h-1,96.4518 kmol·h-1,重接觸塔塔底液相C1+C2、C3+總液化率分別為10.5245%、95.1110%。

由計算結果分析可知,采用膨脹機制冷加重接觸塔工藝技術,使得重接觸塔塔底液相,作為脫乙烷塔進料,和低溫分離器液相相比,總摩爾流量大幅減少了,而C3+摩爾流量卻大幅增加了,C3+總液化率大幅增加了,減少的部分為C1+C2。

(注:有膨脹機制冷和重接觸塔的輕烴回收工藝,重接觸塔塔底液相為脫乙烷塔的進料,沒有時,低溫分離器的液相為脫乙烷塔的進料。)

5 工藝系統參數控制

冷凝分離法輕烴回收工藝C3+收率最終需要靠對工藝系統參數的穩定控制來保障。

工藝系統參數包括與冷凝、分離相關的各種參數,不同的工藝流程設計會有不同,常見的有壓力、溫度、液位、流量等。

6 設備效率

工藝設備主要包括換熱器、分離器、精餾系統等,機械設備主要包括制冷機、膨脹機等。

用于對原料氣進行冷卻的換熱器常見的有蒸發器、冷箱和管殼式換熱器。如果這些設備的換熱效果率不好,會使冷量得不到充分利用,影響制冷溫度,最終影響液化率。

分離器分離效率不好,會造成冷凝液相輕烴組分被輕質汽相組分帶走,也會影響液化率。

精餾系統精餾效果不好會直接影響收率和產品質量。

制冷機和膨脹機運行效率不好會影響制冷溫度,相應的影響液化率。

為了保障和提高設備效率,需要根據設備使用要求和實際生產運行情況定期對設備進行檢修和對設備部分件或整件的更換。

7 結語

通過對影響冷凝分離法C3+收率的因素進行全面系統的分析,對輕烴回收工藝設計和生產運行管理具有一定的指導意義;設計的多級分離流程可應用于工藝設計和技術改造。

[1] 羅光熹,周安.天然氣加工過程原理與技術[M].哈爾濱:黑龍江科學技術出版社,1990.

[2] 唐曉東,諸林,等.提高油氣田輕烴回收率的途徑探討[J].石油與天然氣化工,1999,28(4):272-276.

[3] 蔣洪,朱聰,等.提高輕烴回收裝置液烴收率[J].油氣田地面工程,2001,(2):26-27.

Influence Factors Analysis of C3+Recovery Rate in Light Hydrocarbon Recovery Process

TONG Li-zhi,LI Shao-jun,LIU Hong-jie,JIA Qing-f ang,ZHU Han-bing
(Tuha Oilfield Company,PetroChina,Shanshan 838202,China)

The light hydrocarbon was recovered from raw material gas with certain component by condensing separation method.A complete systematic analysis of the influence factors affected C3+recovery rate was gave:(1)condensing;(2)separation;(3)processing technique;(4)parameter control for processing system;(5)equipment efficiency,etc.Meantime,a sort of three stage separation process which could increase C3+recovery rate was designed.

condensing separation method;light hydrocarbon recovery;C3+recovery rate

TE 34

A

1671-9905(2010)01-0045-04

童立志,男,1 9 9 2年畢業于西南石油學院天然氣加工專業,工程師。2 0 0 3年獲得1項國家發明專利,開發應用軟件5個。個人主頁:http://www.sjcode.com/,Email:hnt gl z@1 6 3.com

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