基于HYSYS的輕烴分離工藝流程模擬及性能分析

李宏武，高繼峰，耿 直，金光彬，梁 莉，孫 沖

（1.中石化新星 （北京）新能源研究院有限公司，北京 100083；2.中石化中原石油工程設計有限公司天然氣技術中心，河南 鄭州 450000）

簡 要：隨著大型LNG接收站的快速發展，LNG冷能利用的研究也日益迫切。輕烴分離就是一種較為常見的可行應用技術方案。提出了一種新型的利用LNG冷能回收輕烴的工藝流程，并采用流程模擬軟件HYSYS對各分離流程進行模擬計算，論證了主要參數及關鍵指標對與系統工藝流程的影響，為LNG冷能的實際工程化應用提供了一定參考。

根據我國能源戰略規劃，國家將加速引進國外天然氣或液化天然氣 （LNG）來優化整體的能源結構［1］。2020年前，我國將投資2200多億元人民幣建成5×104km天然氣管線和千萬噸級LNG接收站，形成年進口5000萬噸規模的LNG接收設施，使天然氣消費在我國一次能源消費結構中的比例從現在的2.97%提高到12%［2］。然而，由于液化天然氣存在普遍的氣化問題，接收站產生大量的冷能。如果對這部分冷能進行得到高效的回收便能獲取較高經濟效益，否則就會產生大量的浪費?，F如今，常見的冷能利用方式主要有冷能發電 （上海洋山LNG）、空氣分離 （江蘇如東LNG、廣東珠海LNG）、海水淡化、輕烴分離 （福建莆田LNG）和制取干冰 （河北唐山）等［3-5］。相較而言，輕烴分離尤其是C2＋分離的冷能利用效率高，技術較成熟，回收的部分烷烴類有機物可為化工行業提供必備的緊缺原料，同時可大大降低化工行業的基礎成本。

基于國內外輕烴回收利用技術，本文提出了一套完整的LNG冷能利用工藝方案，建立了各設備的數學模型，并通過借助計算機擬合軟件HYSYS，建立了完善的輕烴分離流程模型，開展了模擬計算及參數的優化，得到了輕烴分離流程的物流結果。該研究對LNG冷能接收站的實際工程化應用及運行管理具有一定的借鑒意義。

1 工藝流程系統建模

1.1 狀態方程

能廣泛應用于天然氣組分計算的狀態方程主要有Soave RK（SRK）、Peng-Robinson（PR）、Benedict-Webb-Rubin（BWR）、Starling-Han BWR（SHBWR）及Lee-Kesler-Plocker（LKP）狀態方程等，其中PR方程對烴類氣-液相平衡計算有較好的溫度函數，而且在預測稠密區的摩爾體積方面，PR方程模擬擬合良好。因此本文選取PR方程進行計算，狀態方程公式如下：

1.2 傳熱設備

1）空冷器

基于空氣與過程物流的能量平衡關系，對于一個逆流空冷器的計算可按照以下方程式計算能量平衡：

式中，Mair-空氣物流質量流量，kg／s；Mprocess-過程物流質量流量，kg／s；H-焓，J／kg。

用總傳熱系數U、有效換熱面積A和對數平均溫差ΔTLM來定義空冷器負荷Q，可得如下關系：

式中，U為總傳熱系數，W／m2·K；A為有效傳熱面積，m2；ΔTLM為溫差對數 （LMTD），K；Ft為更新因子。其中LMTD和更新因子Ft可根據空冷器的結構參數計算得出。

2）冷卻器／加熱器

冷卻器中出口的能量等于進口能量減去冷卻器的負荷值 （過程物流的能量取絕對值）；加熱器中出口的能量等于進口能量加上加熱器的負荷值，即

3）換熱器

換熱器的計算原理是基于冷熱流體的能量守恒?；趽Q熱器進行冷熱兩種流體之間的能量交換與物料平衡，管程和殼程總傳遞的熱量計算方程式如下：

式中，各符號的表達含義同空冷器。

4）液化天然氣

LNG的相關計算是基于冷熱物流的能量平衡來完成，可釆用下式計算：

式中，M為物流流量，kg／s；ρ為密度，kg／m3；H為焓，J／kg；Qintemal為從周圍層獲得的熱量，J／s；Qextemal為從外部獲得的熱量，J／s；V為持液的體積，m3。

1.3 旋轉裝置

離心壓縮機用來增加入口氣體的壓力，一般要求送風量大和壓縮比低。對于離心壓縮機，壓縮過程中等熵效率是等熵 （理想）需用功率與實際需用功率之比，即：

1.4 泵

泵起到輸送液體物流或使其增壓的作用，它可以將機械能或其它外部能量傳給液體。泵的功率和效率可分別由下式計算：

式中，Pout為泵出口壓力，kPa；Pin為泵入口壓力，kPa。

1.5 分離設備

通過對出口物流進行P-H閃蒸來測定出口物流的工況和相位，達到分離器計算的要求。閃蒸壓力是最小進口壓力減去容器中的壓降。焓值是進口焓加上負荷 （加熱時，負荷為正；冷卻時，負荷為負）。在穩態模式下分離器的能量平衡方程如下：

式中，Hfeed為進料物流的熱流量，W；Hvapour為氣體出料物流的熱流量，W；Hheavy為重液出料物流的熱流量，W；Hlight為輕液出料物流的熱流量，W。

2 模擬計算及結果分析

2.1 系統方案及流程分析

在構建了上述理論模型基礎上，本節搭建了LNG輕烴分離的系統工藝，系統方案如圖1所示?；玖鞒淌牵篖NG原料首先經過泵P-100進行增壓，由0.1MPa增至1.2MPa。再由分流器TEE-100分流成大小兩股：較大的一股 （約占90%的總流量）首先在換熱器LNG-100中預熱，通過控制換熱器溫度使液相物流轉換為部分氣化的物流，部分氣化后進入閃蒸塔V-100中進行氣液分離。從閃蒸塔V-100頂部獲得的是分離出的氣態甲烷，在塔釜液體中仍然含有部分液態甲烷。富含C2＋輕烴的LNG從閃蒸塔底分出，之后進入脫甲烷塔T-100中進一步分離。經過脫甲烷塔后，物料中甲烷和C2＋組分徹底分離。從分流器中分出的另一股LNG（約占10%的總流量）作為脫甲烷塔頂回流直接進入脫甲烷塔；經脫甲烷塔的分離，剩余的甲烷全部以氣相從塔頂分出，塔底分出的液體則為C2＋輕烴產品。從閃蒸塔頂和脫甲烷塔頂分離出的兩股甲烷氣體通過混合器進行合流，然后在壓縮機K-100的壓縮機械功作用下提高壓力，之后甲烷混合氣與增壓過冷的LNG原料在換熱器中換熱使氣態甲烷全部液化，并通過高壓泵P-101將LNG增壓，外輸送入氣化裝置。上述流程中LNG通過換熱，其冷量集中在輕烴分離和閃蒸塔與脫甲烷塔分離出來的氣態甲烷的再次液化。

基于本系統的物理結構方案，在本研究中使用流程模擬軟件HYSYS進行相應的分析模擬計算。其中，計算的基礎參數如下：

①C2＋輕烴回收裝置設計規模：360 t／h；

②LNG進裝置 （見圖1中物流1）壓力：0.1 MPa；

③LNG進裝置 （見圖1中物流1）溫度：-162°C；

④LNG組分摩爾比如表1所示。

圖1 輕烴分離工藝流程圖

表1 系統計算參數設定值LNG氣源組分

2.2 工藝參數變化規律

圖2所示為LNG和甲烷的P-T相圖。由圖2可見，在壓力一定的情況下甲烷的沸點比LNG低，因此可以通過蒸餾與精餾技術對其進行分離。通過圖2看出，壓力對天然氣的沸點有明顯影響，選用低壓分離工藝時 （如壓力低于1 MPa），甲烷相變線與LNG泡點線相接近，兩者沸點相差較小，此時進行蒸餾分離，系統效率將會很低，因此閃蒸的操作壓力應調高，使LNG在進入閃蒸塔分離之前，進料壓力調至大于1 MPa。本方案僅對LNG中的甲烷進行分離與提純，系統較為簡單，需設定的參數較少，故可給定泵P-100的出口壓力為1.2MPa，將換熱器LNG-100的出口溫度 （物流5）作為變量，使用HYSYS進行流程模擬獲得壓力為1.2MPa下最優化的換熱器出口溫度值。在此基礎上，分別得到以下各指標的計算結果及變化特性。

圖2 LNG與甲烷P-T相圖

2.2.1 系統功耗

圖3給出了壓力為1.2 MPa時換熱器出口溫度與系統功耗的關系。由圖3看出，當換熱器出口溫度低于-108°C時，系統功耗隨換熱器出口溫度的升高而急劇降低，在-108°C時系統功耗取得最小值，在-106°C至-98°C之間，溫度的變化對系統功耗影響不大?？紤]到換熱器出口溫度對系統熱負荷及甲烷純度等其它指標均會產生影響，因此從系統功耗方面考慮，換熱器出口溫度在-108°C至-98°C之間均屬于合理范圍。

圖3 系統功耗與換熱器出口的關系變化圖

2.2.2 系統熱負荷

圖4給出了壓力為1.2 MPa時換熱器出口溫度與系統熱負荷的關系。由圖4看出，隨著換熱器出口溫度的升高，系統熱負荷呈單調遞減的趨勢，在換熱器出口溫度為-112°C時系統熱負荷為26.11 MW，而當換熱器$口溫度升高至-98°C時系統熱負荷降低至15.5 MW，僅相當于原熱負荷的60%。因此，提高換熱器出口溫度可有效減小系統耗熱量。

圖4 系統熱負荷與換熱器出口的關系變化圖

2.2.3 甲烷摩爾質量

圖5給出了壓力為1.2 MPa時換熱器出口溫度與外輸天然氣 （物流13）甲烷摩爾分數的關系。由圖5看出，隨著換熱器出口溫度的升高，外輸天然氣甲烷純度呈下降趨勢，但是下降幅度并不大，在換熱器出口溫度為 -112°C時甲烷純度為98.42%，而當換熱器出口溫度升高至-98°C時甲烷純度為97.46%，降幅僅為1%。因此，從外輸天然氣純度角度考慮，降低換熱器出口溫度可提高外輸天然氣的純度，但是提高幅度有限，因此換熱器溫度的確定需綜合考慮其它因素的影響。

圖5 甲烷摩爾質量與換熱器出口的關系變化圖

2.2.4 C2＋輕烴回收率

下圖6給出了壓力為1.2 MPa時換熱器$口溫度與C2＋輕烴回收率的關系。由圖6看出，換熱器出口溫度為-110°C時C2＋輕烴回收率最高，為95.61%。之后隨著溫度升高，回收率呈降低趨勢，當溫度升高至-98°C時C2＋輕烴回收率降為最小值92.56%，降幅為3.2%。因此，從C2＋輕烴回收率的角度考慮，降低換熱器出口溫度可提高C2＋輕烴回收率的回收率，在工藝參數設定上需考慮這一因素的影響。

圖6 C2＋輕烴回收率與換熱器出口的關系變化圖

2.2.5 輕烴分離流程物流結果分析

通過該輕烴分離裝置的處理，LNG濕氣分成外輸天然氣 （物流13）及輕烴產品 （物流9）兩部分，其物流模擬結果見表2所示。輕烴分離流程得到的每小時流量為222.1 t天然氣，其中甲烷摩爾含量為98.40%；回收 C2＋輕烴產量為137.9 t／h，C2＋輕烴回收率為95.41%。輕烴分離裝置獲得的輕烴產品為1.15 MPa的液體，方便進行低壓儲存和運輸，也可以通過保溫管線輸送到附近的乙烯裂解裝置。

表2 物流模擬結果

3 結論

針對LNG站的冷能利用，本文提出了一套輕烴分離的可行性方案，通過HYSYS搭建了系統的工藝流程數學模型，并針對系統功耗等四項指標進行重點模擬分析，得到如下結論：

系統功耗方面，輕烴分離的較佳換熱器出口溫度主要分布在-108°C至-98°C之間；

系統熱負荷方面，適當地提高換熱器出口溫度可有效減小系統耗熱量。

甲烷的摩爾質量方面，降低換熱器出口溫度可提高外輸天然氣的純度，

C2＋輕烴回收率方面，降低換熱器出口溫度可有效提高C2＋輕烴回收率的回收率。

綜上，上述指標從不同角度為LNG的輕烴分離工藝參數的優化指明了一定方向。