冷凝分离法轻烃回收工艺影响C3+收率因素系统分析

童立志,李少军,刘洪杰,贾琴芳,朱汉兵

(中国石油吐哈油田公司,新疆鄯善 838202)

冷凝分离法轻烃回收工艺影响C3+收率因素系统分析

童立志,李少军,刘洪杰,贾琴芳,朱汉兵

(中国石油吐哈油田公司,新疆鄯善 838202)

一定组成的原料气,利用冷凝分离法进行轻烃回收时,对影响其C3+收率的因素进行了较为全面系统的分析,具体包括:冷凝、分离、工艺技术、工艺系统参数控制、设备效率等。同时,还设计了一种能提高C3+收率的三级分离工艺流程。

冷凝分离法;轻烃回收;C3+收率

冷凝分离法进行轻烃回收已被广泛应用于油气田和炼油厂,对轻烃收率影响因素进行系统分析,可在提高轻烃收率技术和方法上获得主动性和针对性 ,而避免盲目性。(文中 ,C1+C2、C3+、NoC 分别表示甲烷和乙烷、丙烷及以上组分、非烃组分)

1 冷凝分离法

1.1 原理

一定组成的原料气混合物在一定的压力下,经制冷降温部分冷凝后,将变成汽液两相状态,达相平衡时,各组分因挥发度不同,其在汽液两相中的分布会有不同,利用此原理可将不同组分进行分离。

1.2 制冷方法

冷凝分离法进行轻烃回收需要对原料气制冷降温。

按原理可分为:节流膨胀制冷(绝热、不对外做功、降压、降温、等焓)、膨胀机膨胀制冷(绝热、对外做功、降压、降温、等熵)。

按工艺可分为:冷剂制冷(如丙烷循环制冷)、节流膨胀制冷、膨胀机膨胀制冷、混合制冷(在工艺流体自身节流膨胀制冷或膨胀机膨胀制冷的基础上外加冷剂制冷)。

1.3 分离方法

包括分离器相平衡分离和精馏系统精馏分离。

1.4 工艺流程

一般包括增压(对低压原料气)、脱水、制冷和精馏。

2 冷凝

冷凝的目的是在一定的压力下,通过降温将需要从天然气中分离的轻烃组分液化。相关组分的液化率决定其收率。因受分离器分离效率和精馏塔分离程度的影响,收率总是小于液化率。

对于一定组成的原料气混合物,其一次冷凝的相平衡液化率由冷凝后相平衡分离的压力和温度2个参数决定。

吐哈油田某装置原料气组成如表1所示。

表1 装置原料气组成

根据表1组成数据进行相平衡计算,压力分别为 1、2、3、4、5 MPa 时 C3+液化率随温度变化曲线如图1所示(注:文中所有液化率数据都以摩尔分率表示)。

由图1分析知,随压力升高、温度降低,C3+液化率将增加,压力小于3 MPa时,对C3+液化率影响较大,温度在比较大的范围内都对C3+液化率有很大的影响。

为了最大限度提高C3+液化率,应根据生产实际、相平衡计算数据及相关的C3+液化率随温度变化曲线,选择合适的冷凝压力和温度。

当原料气压力较低时,为了提高轻烃液化率,及后续工艺要求,常常需要对原料气进行增压。油田伴生气压力一般不到1 MPa,如吐哈油田温米轻烃原料气压力为0.36 MPa。

图1 C3+液化率～T(K)曲线

3 分离

一定组成的原料气混合物冷凝后,经分离器相平衡分离可得汽相和液相组分,其液相组分仍为混合物,其中同时还包含不需要冷凝的轻质组分,对其按需要进行精馏分离得到不同的轻烃产品才是轻烃回收装置的最终目的。

如果精馏系统设计不合理或操作参数控制不稳定,不仅会严重影响轻烃的收率,还会严重影响轻烃产品的质量。油田浅冷装置常有的轻烃产品有液化气、戊烷、稳定轻烃和干气等。

3.1 精馏系统工艺流程设计

设计时需考虑的2个关键因素是:产品和其在原料混合物中的含量。

很多油田轻烃回收装置,先有脱乙烷塔,后有脱丁烷塔;而炼油厂有很多装置是先有脱丁烷塔,后有脱乙烷塔。

3.2 简单精馏塔系统设计

在前面分析的压力、温度对液化率的影响仅考虑了一次冷凝相平衡分离的情况。

从精馏分离的角度,当原料组成、温度、压力一定时,为了达到所要求的精馏分离效果,需要对简单精馏塔系统操作参数进行设计计算,包括塔压、回流比、回流液温度、塔底温度、理论塔板数等。

如果是填料塔,可根据理论塔板数选型填料和设计塔高,根据塔内气液流量分布情况设计塔径。

4 工艺技术

根据冷凝分离法的原理,工艺技术总体上是和冷凝、分离相关的。

应根据实际需要,在合理的条件下,在冷凝和相平衡分离阶段,最大限度地提高C3+液化率,同时,尽量降低C1+C2液化率。

这里介绍几个重要的冷凝分离法轻烃回收工艺技术。

4.1 增压和制冷

相关分析见冷凝部分。

4.2 多级分离

前面分析了一次冷凝分离时压力、温度对C3+液化率的影响。

这里,设计了一个三级分离的流程如图2所示。关键技术:将一级分离液相降温后和二级分离汽相混合,进行三级分离,以提高C3+总液化率。

二、三级分离温度可控制为相同的最低制冷温度。由图2可知,设计三级分离流程对制冷负荷的影响只和液化率有关,而没有其它额外的增加。

图2 设计三级分离流程

吐哈油田某装置低温分离器压力为2.4 MPa,温度为丙烷制冷温度235 K。

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以压力2.4 MPa、温度235 K和表1中组成进行单级分离相平衡计算,可得 C1+C2、C3+、NoC液化率分别为 0.0730、0.7778、0.0600,相平衡组成如表2所示。

对图2所示三级分离流程进行相平衡计算,原料气组成取表1中数据,因三级分离压力变化不大,压力均取2.4 MPa。计算中,对一级分离温度进行调整,二、三级分离温度取235 K。

三级分离流程相平衡计算相关部分计算数据如表 3、4、5 所示。

表2、3中 ,C1+C2、C3+、NoC 分别表示相关组分总组成。

表4、5中,T1为一级分离温度,C1+C2、C3+、NoC分别表示相关组分总液化率。表4中总液化率为两级简单分离流程一、二级分离器液相计算所得,表5中总液化率为设计三级分离流程二、三级分离器液相计算所得。

表2 单级分离相平衡组成

表3 T1为280 K时,三级分离器相平衡组成

表4 两级分离总液化率/%

表5 三级分离总液化率/%

表4中数据相关的简单两级分离流程C1+C2、C3+总液化率随T1变化曲线如图3、4所示,表5中数据相关的设计三级分离流程C1+C2、C3+总液化率随T1变化曲线如图5、6所示。

从图4可知,和单级相平衡分离相比,简单两级分离流程不能提高C3+液化率,反而会降低C3+液化率。

从图6可知,和单级相平衡分离相比,设计的三级分离流程可提高C3+液化率。一级分离器温度为280 K时,C3+总液化率为0.8132,提高比率为4.55%。

从表2、3中数据分析可知,和单级相平衡分离相比,三级分离器气相组分中C1+C2总组成更大,而C3+总组成更小,表明C3+总液化率提高得更多。

4.3 轻油回流

将精馏系统脱丁烷塔塔底液相组分部分回流至原料气中,可提高液化率。

特别注意回流组分,并非比原料气重的组分回流就可提高液化率,如低温分离器液相。如果需要的话应该对冷凝分离系统进行相平衡计算。

另外,轻油回流将增加制冷负荷和运行成本,应对经济效益进行计算评估。

4.4 膨胀机制冷加重接触塔工艺技术

吐哈油田丘东采油厂轻烃回收一号装置采用了膨胀机制冷加重接触塔工艺技术,设计原料气摩尔流量为1857.3207 kmol·h-1,低温分离器和重接触塔塔底液相摩尔流量分别为351.7417 kmol·h-1,279.0042 kmol·h-1,原料气总组成zi、低温分离器液相组成zi1和重接触塔塔底液相组成zi2设计数据如表6所示。表6中,C1+C2、C3+分别表示相关组分总组成。

表6 设计数据

可计算得:原料气C1+C2、C3+摩尔流量分别为1728.9798 kmol·h-1,101.4097 kmol·h-1,低温分离器液相 C1+C2、C3+摩尔流量分别为284.8756 kmol·h-1,64.6150 kmol·h-1,低温分离器液相 C1+C2、C3+总液化率分别为 16.4765%、63.7168%,重接触塔塔底液相 C1+C2、C3+摩尔流量分别为181.9665 kmol·h-1,96.4518 kmol·h-1,重接触塔塔底液相C1+C2、C3+总液化率分别为10.5245%、95.1110%。

由计算结果分析可知,采用膨胀机制冷加重接触塔工艺技术,使得重接触塔塔底液相,作为脱乙烷塔进料,和低温分离器液相相比,总摩尔流量大幅减少了,而C3+摩尔流量却大幅增加了,C3+总液化率大幅增加了,减少的部分为C1+C2。

(注:有膨胀机制冷和重接触塔的轻烃回收工艺,重接触塔塔底液相为脱乙烷塔的进料,没有时,低温分离器的液相为脱乙烷塔的进料。)

5 工艺系统参数控制

冷凝分离法轻烃回收工艺C3+收率最终需要靠对工艺系统参数的稳定控制来保障。

工艺系统参数包括与冷凝、分离相关的各种参数,不同的工艺流程设计会有不同,常见的有压力、温度、液位、流量等。

6 设备效率

工艺设备主要包括换热器、分离器、精馏系统等,机械设备主要包括制冷机、膨胀机等。

用于对原料气进行冷却的换热器常见的有蒸发器、冷箱和管壳式换热器。如果这些设备的换热效果率不好,会使冷量得不到充分利用,影响制冷温度,最终影响液化率。

分离器分离效率不好,会造成冷凝液相轻烃组分被轻质汽相组分带走,也会影响液化率。

精馏系统精馏效果不好会直接影响收率和产品质量。

制冷机和膨胀机运行效率不好会影响制冷温度,相应的影响液化率。

为了保障和提高设备效率,需要根据设备使用要求和实际生产运行情况定期对设备进行检修和对设备部分件或整件的更换。

7 结语

通过对影响冷凝分离法C3+收率的因素进行全面系统的分析,对轻烃回收工艺设计和生产运行管理具有一定的指导意义;设计的多级分离流程可应用于工艺设计和技术改造。

[1] 罗光熹,周安.天然气加工过程原理与技术[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1990.

[2] 唐晓东,诸林,等.提高油气田轻烃回收率的途径探讨[J].石油与天然气化工,1999,28(4):272-276.

[3] 蒋洪,朱聪,等.提高轻烃回收装置液烃收率[J].油气田地面工程,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年毕业于西南石油学院天然气加工专业,工程师。2 0 0 3年获得1项国家发明专利,开发应用软件5个。个人主页:http://www.sjcode.com/,Email:hnt gl z@1 6 3.com

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