DHX工艺丙烷收率理论计算公式推导及影响因素研究

陈 波，李 莎，沈丽军，杨俊琦，嵇 翔，黄春建，张子龙，张 康

（中国石油塔里木油田公司塔里木能源分公司，新疆 库尔勒 841000）

从天然气，尤其是凝析气及伴生气中回收丙烷以上的轻烃组分， 能够显著提高天然气的附加值，提高油气田开发的经济效益[1,2]。 目前国内从天然气中回收丙烷的工艺装置较多，其中以DHX工艺应用最为普遍。

国内相关学者从提高装置丙烷收率、 节能降耗、系统适应性等方面出发，对DHX工艺进行了深入研究。赵学波等[3-5]通过工艺模拟软件计算，对DHX塔吸收特性、原料适应性、膨胀机出口压力进行了详细的研究， 与单级膨胀机制冷法相比，DHX工艺丙烷（C3）收率的提高幅度主要取决于气体中甲烷/乙烷（C1/C2）体积分数之比,而气体中C3烃类含量对其影响甚小。 李士富等[6]在选择大量伴生气组分的基础上，用HYSYS软件进一步模拟计算,研究了DHX工艺对原料气的适应性。 刘祎飞等[7]对原料气预冷温度、膨胀机出口压力及低温分离器出口流量百分比对C3收率的影响情况进行了分析， 以指导工艺流程的设计工作。 蒋洪等[8-11]从DHX工艺换热网络出发， 在降低系统能耗、 提高装置丙烷收率方面，对DHX工艺进行了优化改进与参数优化调整。 但是，以上研究均从软件模拟入手，犹如黑箱中研究相关参数变化对丙烷收率的影响，对于已建装置的优化以及现场操作的理论指导不够具体。

本文从DHX塔作用机理入手，推导DHX工艺轻烃回收全流程的丙烷收率理论计算公式，由此确定了多个影响收率的因素；基于塔里木轻烃厂基础设计参数， 研究前述因素对装置丙烷收率的影响程度， 可为现场操作提供比较直接的参考及理论指导。

1 理论计算公式推导

1.1 某厂DHX工艺轻烃回收流程

塔里木轻烃厂为实现天然气轻烃深度回收，在传统的膨胀机制冷+ DHX轻烃回收工艺基础上，在脱乙烷塔顶增设回流罐， 强化脱乙烷塔精馏效果，进一步降低DHX塔顶吸收剂中丙烷含量，有效提高了丙烷回收率。 该厂设计处理天然气3000×104m3/d（两套装置同时运行），设计C3+液烃收率保证值96%[12]，年产液烃4.5 × 105t，为国内最大的天然气轻烃回收装置，主工艺流程见图1所示。

脱水后的干气进入冷箱预冷，冷箱预冷后低温气体进入低温分离器气液分离，液相节流降压经冷箱复热后进入脱乙烷塔中部，低温分离器气相进入膨胀机膨胀后进入DHX塔下部， 为装置提供冷量。DHX塔塔底液烃经DHX塔底增压泵增压进入冷箱复热，进入脱乙烷塔上部。 脱乙烷塔塔顶气至冷箱冷却进入脱乙烷塔回流罐进行气液分离，液相经脱乙烷塔回流泵增压作为乙烷塔顶回流，回流罐不凝气至冷箱进一步深度冷却液化后进入DHX塔顶部。DHX塔塔顶气经冷箱复热进入膨胀机压缩端压缩后，至天然气增压装置进一步增压外输。 脱乙烷塔塔底液烃至脱丁烷塔进一步分馏得到液化气与稳定轻烃产品。

1.2 丙烷收率理论计算公式推导

与普通的单制冷天然气轻烃回收工艺相比，DHX工艺轻烃回收中增设DHX塔，利用低温液烃的吸收作用[3]，进一步从天然气中将C3吸收，能够大幅提高装置丙烷收率，DHX塔简化模型如图2所示。

由于DHX塔内各塔板吸收剂流量、 气体流量、温度变化范围较小，为了进一步从理论上分析DHX工艺相关参数对丙烷收率影响情况，根据哈顿—富兰克林方程[13]，得出DHX塔中丙烷组分吸收量与吸收剂丙烷含量、吸收因子、理论塔板数等参数的关系：

式中，νN+1为进入DHX塔底部膨胀气中丙烷的物质的量流量，kmol/h；ν1为离开DHX塔顶部去外输压缩机干气中丙烷的物质的量流量，kmol/h；n0为DHX塔顶部进料丙烷组分含量；x0为DHX塔顶部进料液相分率（主要由系统温度决定）；A为平均吸收因子，反映丙烷吸收进行的难易程度， 综合反应操作条件、相平衡常数K和物性对吸收效果的影响；L为DHX塔顶部进料物流循环量，kmol/h；V为DHX塔内被吸收的原料天然气物质的量流量，kmol/h；K为DHX塔内气相中丙烷和吸收剂溶液中液相丙烷之间的平均平衡常数；N为吸收塔理论板数（板序从上向下数）。

DHX工艺轻烃回收中，天然气中的丙烷主要通过低温分离器冷凝、DHX塔吸收后进入脱乙烷塔，从而实现天然气中的丙烷回收。 根据天然气丙烷回收量定义——原料天然气进入装置整体丙烷含量减去伴随外输天然气从装置逃逸的丙烷含量的差值；另外，根据流程中物料平衡原理，原料气丙烷含量等于低温分离器丙烷冷凝量与进入DHX塔底部膨胀气中丙烷含量之和，从而可得装置整体的丙烷收率如式(3)所示。

式中，φ为整个轻烃回收装置的丙烷收率，%；ν′为从低温分离器底部冷凝进入脱乙烷塔中丙烷的物质的量流量，kmol/h；ν为进入轻烃回收单元中，原料气中丙烷的物质的量流量，kmol/h。

将式(1)、(2)带入式(3)整理可得：

1.3 丙烷收率影响因素

由式(2)和式(4)可见，影响DHX工艺装置丙烷收率的因素有：DHX塔顶部进料丙烷组分含量（n0）、DHX塔顶部进料液相分率（x0）、原料气中丙烷含量（ν），DHX塔顶部进料物流循环量 （L）、DHX塔平均相平衡常数（K）、低温分离器的丙烷冷凝量（ν′）、原料气流量（V）、DHX塔塔板数（N）。 为进一步提高装置收率并为现场操作提供指导，对以上推导结果进行分析，以确定不同因素对丙烷收率的影响程度。

2 丙烷收率影响因素分析

根据推导出的理论计算公式，发现影响装置丙烷收率的因素较多，以塔里木轻烃厂相关设计参数为基础，在各个因素合理变化范围内，通过数值计算，研究其对全工艺丙烷收率的影响特性，以便为DHX工艺设计以及装置现场调参提供参考。

2.1 影响因素取值范围

以塔里木轻烃厂冬季运行工况的设计参数和日常实际运行参数为参考，合理确定关键影响因素的变化范围，如表1所示。 特别指出，正常情况下原料气处理量基本能够保持恒定，所以不再研究原料气流量变化对收率的影响；同时，对于已经建成的装置，DHX塔理论塔板数维持不变， 所以也不研究DHX塔理论板数变化对收率的影响。

表1 影响因素取值范围表

2.2 DHX塔顶进料丙烷含量及液相分率的影响

以塔里木轻烃厂相关设计基础数据为研究对象， 分析不同的DHX塔顶进料液相分率、DHX塔顶进料丙烷含量对DHX工艺丙烷收率的影响情况，结果如图3所示。 丙烷收率与DHX塔顶物流中丙烷含量成负线性关系，DHX塔顶物流丙烷含量越低，丙烷收率越高。 塔里木轻烃厂脱乙烷塔采用两股进料且增设有塔顶回流，运行压力高达3.4 MPa，使得脱乙烷塔精馏的系统复杂、气液相分离困难，精馏效果未能达到设计值。 DHX塔顶物流实际丙烷含量接近设计值的2倍， 使得丙烷收率低于理论设计值达4%，日常只能增加外输压缩机功耗，提高DHX塔顶进料循环量以及间接少量降低DHX塔顶进料温度，才能保证一定的丙烷收率。

另外，进入DHX塔顶物流液相分率越高（即物流温度越低），装置丙烷收率越高。 以塔里木轻烃厂运行情况为例，DHX塔顶进料物流温度变化3 ℃，液相分率仅变化0.1左右， 故对于正常运行的装置，DHX塔顶物流温度对收率影响较低。但是，随着塔顶物流中丙烷含量的增加， 液相分率对丙烷收率的影响逐渐扩大，此时需要关注液相分率对收率的影响问题。塔里木轻烃厂两列完全相同的装置， 开车初期冷箱部分流道脏堵， 使二列DHX塔顶液相物流温度高于一列1 ℃，最终造成二列装置丙烷收率偏低0.8%。

2.3 原料气丙烷含量的影响

随着天然气田开发进程的推进，进入轻烃回收装置的原料气中丙烷含量会相继发生变化，为了分析原料气丙烷含量变化对装置丙烷收率的影响，在保持其他因素为设计值的基础上，通过上文推导的式（4）对不同原料气丙烷含量进行计算分析，结果如图4所示。 在保证相同的基础条件下，原料气丙烷含量越高， 丙烷收率也就越高， 说明对于相同的DHX轻烃回收装置，油田伴生气等富气资源更加容易取得较高的丙烷收率。

2.4 DHX塔顶进料循环量的影响

DHX工艺的引入能够显著提高ISS工艺的丙烷收率， 作为丙烷吸收塔，DHX塔顶吸收剂主要成分为甲烷、乙烷，其主要通过膨胀机的膨胀制冷作用，从原料气中冷凝分离部分液相甲、乙烷烃类并构成循环物流。 不同吸收剂循环量计算结果如图5所示。吸收剂循环量越大，丙烷吸收效果越好，越有助于丙烷收率的提高。 但是，无限制地提高吸收剂循环量时，丙烷收率增加有限，同时需要消耗更大冷量以获得足够的甲、乙烷冷凝液烃。 另外，吸收剂循环量存在一个最小临界值， 当循环量低于临界值时，丙烷收率出现快速下降。 为保证DHX工艺有一个合理的吸收剂循环量，当系统膨胀压差不够时，需要引入丙烷辅助制冷系统，以获得更多的甲、乙烷冷凝量来保证最小循环量要求。 但是，一般情况下装置设计初期的设计循环量远大于吸收剂最小临界值， 所以对于已经建成的装置而言，DHX塔顶吸收剂循环量不是提高收率的关键因素。

2.5 DHX塔平均相平衡常数的影响

对于组成一定的DHX塔系统，丙烷的相平衡常数随DHX塔温度和压力的变化而变化；而相平衡常数越小，越有利于丙烷等重组分溶解于甲、乙烷等液烃中，从而实现丙烷液烃的有效回收，提高丙烷收率。 不同相平衡常数下丙烷收率的计算结果如图6所示。 相平衡常数对丙烷收率的影响为负相关性，即使相平衡常数范围变化很宽，对丙烷收率影响依然较小。 对于已建正在运行的装置，DHX塔系统的压力、温度变化范围更小，塔里木轻烃厂DHX塔压力在3.1～3.5 MPa，温度在-76～-69 ℃变化时，丙烷相平衡常数变化范围为0.030～0.042，使得丙烷收率在设计值基础上，上下浮动0.5%，故优化运行时，在其余影响因素不变的情况下，可不考虑相平衡常数变化（即DHX塔温度、压力变化）对丙烷收率的影响。

2.6 低温分离器丙烷冷凝量的影响

对于轻烃深冷回收工艺， 常需要将原料气通过板翅式换热预冷至较低温度并分离出天然气的重烃， 低温分离器顶部气相进入膨胀机制冷以获得更低的制冷温度， 此时原料气中部分丙烷会从低温分离器中冷凝回收，并进入脱乙烷塔。 从表面上看，低温分离器丙烷冷凝越多，则丙烷收率越高，不同的低温分离器丙烷冷凝量对丙烷收率的影响结果如图7所示，低温分离器丙烷冷凝量对装置收率影响极小。

综上分析，在DHX工艺中，低温分离器主要目的在于通过对预冷气有效分离，为膨胀机运行提供安全环境，并进一步降低装置整体的制冷温度[14]，为膨胀机后端甲烷、乙烷的大量冷凝提供条件，进而为DHX塔提供足够的吸收剂循环量。

3 结论

依据吸收塔的作用机理，根据哈顿—富兰克林方程， 推导出了DHX工艺丙烷收率的理论计算公式， 由此确定了影响在运装置丙烷收率的6个关键因素， 有助于提高操作人员对DHX工艺的理论认识。 以塔里木轻烃厂DHX轻烃回收装置设计数据为基础，研究发现，对于已经建成且运行制冷量充足的装置， 相关因素对丙烷收率影响程度大小依次为：DHX塔顶吸收剂丙烷含量 （反映了脱乙烷塔系统的精馏效果）、DHX塔顶进料液相分率（反映了进料温度）、原料气丙烷含量、吸收剂循环量、相平衡常数、低温分离器丙烷冷凝量。 结合装置的实际运行经验，对于在运装置，系统制冷量可以通过外部参数调整， 容易维持较高的DHX塔顶吸收剂循环量； 而由于脱乙烷塔进料以及回流系统的复杂性，使得脱乙烷塔系统的精馏效果成为装置收率稳定高效的关键所在。