天然气处理厂深冷回收乙烷工艺研究

涂金华

摘要：本文对比分析LSP、GSP、RSV、DHX四中不同工艺回收乙烷的适用情况及乙烷的回收率，提出RSV工艺+膨胀机制冷的深冷工艺，实现乙烷收率95%，同时重点分析干气回流比、低温分离器过冷气相比、低温分离器入口温度对装置能耗及投资的影响。

关键词：深冷 RSV工艺 乙烷 回收率

1 概况

乙烯，作为衡量一个国家工业发展水平的重要指标，我国近年来大力发展乙烯，并坚持乙烯原料轻质化和优质化，合理利用国内凝析气田原料气中丰富的乙烷资源，裂解原料优化对实现乙烯工业快速发展具有重要的意义【1】。回收天然气中的乙烷作为乙烯的生产原料在欧美等发达国家早已实行，乙烷具有比液化气、稳定轻烃和稳定凝析油等原料更高的乙烯转换率，乙烷是更优质的乙烯原料。

新疆某气田，积极响应绿色清洁能源、提高气田产品附加值和经济效益，满足气田提质增效的总体要求，对现有的浅冷的工艺进行改造优化，深冷回收乙烷。

气田来气经上游分离、分子筛深度脱水、脱汞，进深冷凝液回收装置。深冷凝液回收装置相关组分及进料参数如下：

表1原料气组分

组分	H2O	CO2	N2	H2S	CH4
摩尔分数	0.00	0.00	2.88	0.00	89.40
组分	C2H6	C3H8	i-C4	n-C4	i-C5
摩尔分数	4.75	1.52	0.45	0.44	0.16
组分	n-C5	i-C6	C7	C8	C9+
摩尔分数	0.12	0.12	0.04	0.01	0.11

表2 深冷进料天然气和产品天然气的条件

操作条件	进料气	产品气
温度/℃	30~40	35
压力/MPa	7.0	4.0
流量/万m3/d	250
其他	水含量＜1ppm，汞含量＜0.01ug/m3
指标	C2回收率≥95%；C3回收率≥99%。

2 工艺路线选择

国内外常用的深冷凝液回收工艺可大致分为单塔工艺或双塔工艺：单塔工艺即膨胀制冷后的工艺气体直接进入脱甲烷塔，运用较为广泛的工艺为液相过冷工艺（LSP）、气相过冷工艺（GSP）、干气回流工艺（RSV）等；双塔工艺是在脱甲烷塔的基础之上增加DHX塔，主要的工艺是直接换热工艺（DHX）。

图1  LSP工艺流程图                图2  GSP工艺流程图

图3  RSV工艺流程图               图4  DHX工艺流程图

结合气田压力7.0MPa来气、不含CO2的气质状况，常用的LSP、GSP、RSV以及DHX工艺均可以采用，4种工艺的对比如下:

表3 不同工艺回收乙烷对比表

工艺	LSP	GSP	DHX	RSV
入口压力（MPa）	7	7	7	7
膨胀机出口压力（MPa）	2	2	2	2
脱甲烷塔压力（MPa）	1.9	1.9	2.6	1.9
外输压力（MPa）	4	4	4	4
制冷温度（℃）	-104.3	-105.8	-107.9	-108.8
乙烷收率（%）	88.5	88.7	91.9	95
丙烷收率（%）	97.7	98.4	99	99
外输压缩机功率（KW）	3455	3442	3457	3477
处理站工程投资（万）	33356.2	33487.6	35776.52	34742.31
处理站财务内部收益率（%）	28.21	29.76	34.25	35.29

注：以上数据按250×104Nm3/d计算，总投资包含上游分离、脱水、脱汞、外输增压及系统配套的全部投资。

工艺技术方面：在均采用膨胀机制冷，且膨胀比相同条件下，当外输气压缩机能耗相近时，RSV工艺由于采用部分干气液化后作为脱甲烷塔顶回流液，不仅回流液组成较贫，且降压后甲烷发生闪蒸，形成了更低的塔顶温度，故乙烷收率最高，达到了95%；DHX工艺采用脱甲烷塔顶气液化后与膨胀后的原料气在重接触塔中进行乙烷的吸收和换热，乙烷的收率相对较低，达到了91.9%，LSP工艺和GSP工艺的乙烷收率最低，只有88%左右，其中，LSP工艺的脱甲烷塔顶完全采用低温分离器液相作为回流，造成丙烷的收率较低，GSP工艺采用部分低温分离器气相液化后作为脱甲烷塔顶回流，但回流液中的乙烷组成相对较高，造成不能达到较高的乙烷收率。

3工艺流程

图5  天然气深冷回收乙烷工艺（RSV）流程图

4 关键参数确定

4.1 低温分离器入口温度

低温分离器的入口温度，将直接影响原料气中的甲烷、乙烷、丙烷的液化率。温度越低，原料气的液化率越高，将导致进入膨胀机的气量减少，从而导致膨胀机做功下降，外输气压缩机的能耗增加，但膨胀机制冷后的温度降低，乙烷的收率升高。当低温分离器入口温度为-45℃时，进一步降低温度，乙烷的收率开始增长缓慢，但外输气压缩机的能耗增长速率增加。从财务内部收益率最大化的角度考虑，确定低温分离器的入口温度为-45℃。

图6 低温分离器入口温度与投资、效益曲线图  图7 低温分离器入口温度与压缩机功率

4.2干气回流比选择

干气回流比直接影响到乙烷的收率以及外输气压缩机的能耗。随着干气回流比的增加，乙烷的收率增加，当干气回流比增大到0.1时，进一步提高干气回流比，乙烷的收率增长缓慢，而外输气压缩机的能耗几乎呈线性增长趋势，且此时项目的财务内部收益率最大。

图8 干气回流比与乙烷收率曲线图       图9干气回流比与投资、效益曲线图

5结论分析

1. 当原料气有压力可以利用且CO2含量不高情况下，采用RSV+膨胀机制冷回收乙烷，可以实现95%的乙烷回收率。

2. RSV干气回流比及低温分离器过冷气相比，对整个装置的能耗水平影响较大，进行综合分析，优化干气回流及低温分离器过冷，可以有效节能能耗。

3. 脱甲烷塔设置侧线抽出，有利于脱甲烷塔冷量的合理利用，可以实现换热网络的优化。脱甲烷塔侧线抽出，采用热虹吸式换热，优化侧线抽出泵，有利于简化工艺流程及工程投资。

6参考文献

1.王莹光，辽河油田100万m3/d天然气轻烃回收装置的方案优化 石油工程建设 2010年4月.

2. 陈小榆 蒋洪 蔡棋成 RSV乙烷回收工艺技术研究，现代化工，2018年2月，第38卷2期.

3. 刘棋 徐克琪 宋光红等 川渝安岳区块油气处理厂轻烃回收工艺选择，石 油规划设计 2015年3月.

4.丁玲 TLM气田天然气深度凝液回收工艺技术研究 西南石油大学硕士论文 2016.6.