輕烴回收工藝技術及其進展

王玉芝

[摘要]復合制冷法所組合的流程不僅以提高丙烷的收率，還能為回收乙烷的裝置提高乙烷的收率，同時還可大大減少裝置的整體能耗。因此，人們普遍認為在處理油田氣時，設計冷劑循環制冷作為輔助冷源是一種很好的技術方案。

[關鍵詞]天然氣 輕烴回收 吸收 低溫分離法

1輕烴回收工藝技術及其進展

1.1吸附法

吸附法是利用固體吸附劑對烴類組分吸附能力強弱的差異而實現組分相分離的，由于吸附劑的吸附容量、操作運行的間歇性等問題未能很好解決，該方法未能得到廣泛的應用。油吸收法是基于天然氣中各組分在吸收油中的溶解度的差異而使輕、重烴組分相分離的，油吸收法工藝系統復雜，生產成本高，隨著科學技術及裝備的進步以及人們對輕烴收率的高期望值，油吸收法已經被更為合理的低溫分離法（也稱為低溫冷凝法）所取代。

1.2油吸收法

油吸收法是基于天然氣中各組分在吸收油中的溶解度差異而使輕、重烴組分得以分離的方法。吸收油一般采用石腦油、煤油或柴油，其相對分子量為100-2000按照吸收溫度的不同，油吸收法可分為常溫、中溫和低溫油吸收法。常溫與中溫油吸收法多用于中小型裝置，回收率也較低，故低溫油吸收法一直占主導地位。低溫油吸收法的溫度在-40℃左右，壓降小，允許采用碳鋼，對原料氣預處理沒有嚴格要求，單套裝置處理量較大，但由于其工藝流程復雜，投資和操作成本都較高，在20世紀70年代以后，低溫油吸收法己逐漸被更為合理的冷凝分離法所取代。20世紀80年代以后，我國新建的輕烴回收裝置己很少采用油吸收法。

1.3低溫分離法

冷凝分離法又稱低溫分離法，是利用在一定壓力下原料氣中各烴類組分冷凝溫度不同的特點，在逐步降溫的過程中依次將較高沸點的烴類組分冷凝分離出來。其最根本的特點是需要提供較低溫位的冷量使原料氣降溫，具有工藝流程簡單、運行成本低、回收率高的特點，目前在輕烴回收技術中得到廣泛應用。按冷量提供方式的不同可分為冷劑制冷、膨脹機制冷、熱分離機制冷及復合制冷法。外加冷源制冷法、直接膨脹制冷法和混合制冷法。

2制冷方法

2.1冷劑制冷法

冷劑制冷法分為吸收式制冷和壓縮式制冷兩種。吸收式制冷的特點是直接利用熱能制冷，目前在輕烴回收中應用很少：壓縮式制冷是一種相變制冷，即利用液體冷劑汽化成氣體時的吸熱效應制冷。通常根據被分離氣體的壓力、組分及分離要求，所選擇的制冷介質有氨、氟里昂、丙烷或乙烷，也可以采用多種制冷介質配合使用。由于環保因素，氟里昂已經被逐漸淘汰，氨也只在一批老輕烴裝置中使用。由于制冷劑丙烷可以由輕烴裝置自行生產，且其制冷系數大，制冷溫度一般可以達到-35℃～-30℃，在新建設的裝置中基本都采用丙烷制冷法。

2.2膨脹制冷法

膨脹制冷法應用的前提條件是原料氣與外輸干氣是否有一個較高的壓力差可以利用，其核心是通過膨脹機將氣體的壓力能轉化為機械能并產生冷量。膨脹機的膨脹過程熱力學上近似于等熵膨脹過程。

膨脹制冷法的特點是流程簡單、設備數量少、維護費用低，占用地少，適合于原料氣很貧的氣體。我國采用單純的膨脹制冷工藝（ISS）輕烴回收裝置，規模一般較小，且都采用中低壓膨脹機，膨脹比較小，制冷溫度一般僅能達到-20℃～-600℃，也有部分裝置制冷溫度達到-70℃～-86℃。為了獲得更大的輕烴收率，或者有更高的原料氣壓力資源利用時，可采用從多級膨脹工藝（MTP）以滿足更低的制冷溫度要求。

2.3復合制冷法

復合制冷法采用兩種或兩種以上的制冷方式進行輕烴回收，其目的是最大限度地天然氣中回收輕烴。目前，輕烴回收工藝上應用最多的是外加冷劑循環制冷作為輔助冷源，膨脹制冷作為主要冷源，并采用逐級凍和逐級分離冷凝液體的措施來降低泠量消耗和提高冷凍深度，以達到較高的冷凝率，最大限度的回收天然氣中的輕烴。復合制冷法具有許多優點：首先，冷源有兩個或兩個以上，因此裝置的運轉適應性較大，即使在外加冷源系統發生故障時，裝置也能保持在一定的收率下繼續運行;其次，復合制冷法中外加制冷系統比冷劑制冷法要簡單、容量小，加制冷系統僅僅須解決高沸點烴類的冷凝問題;復合制冷法所組合的流程不僅以提高丙烷的收率，還能為回收乙烷的裝置提高乙烷的收率，同時還可大大減少裝置的整體能耗。因此，人們普遍認為在處理油田氣時，設計冷劑循環制冷作為輔助冷源是一種很好的技術方案。

2.4外加冷源制冷法

天然氣冷凝分離所需要的冷量由獨立設置的冷凍系統提供。系統所提供冷量的大小與被分離的原料氣組成并無直接關系，故又可稱為直接冷凝法。根據被分離氣體的壓力、組分及分離的要求，選擇不同的冷凍介質。制冷循環可以是單級，也可以是多級串聯。常用的制冷介質有氨、氟里昂、丙烷或乙烷等，也可以多種冷凍介質配合使用來獲得更低的溫度。由于環保因素，氨和氟里昂已逐漸被淘汰，在我國，丙烷制冷工藝應用在輕烴回收裝置中還不到20年時間，但由于其制冷系數較大，制冷溫度為-30℃～-400℃，丙烷制冷劑可由輕烴回收裝置自行生產，無刺激性氣味，因此近幾年來，該項技術迅速推廣，我國新建的外冷工藝天然氣輕烴回收裝置基本都采用丙烷制冷工藝，一些原設計為氨制冷工藝的老裝置也在改造成丙烷制冷工藝。外加冷源制冷法的優點是制冷系統所提供的制冷量不受原料氣的貧富程度的限制，對原料氣的壓力無嚴格要求，用戶可根據回收率的要求確定原料氣需要被冷卻的溫度，在裝置運轉過程中，還可根據原料氣量和組成的變化以及季節性的氣溫變化來改變制冷量的大小。20世紀80年代之前，我國投產的輕烴回收裝置都采用單純的外加冷源制冷工藝流程。目前該方法仍是我國各油田采用較多的工藝方法之一。

2.5渦流管技術的應用

渦流管上世紀80年代開始用于回收天然氣中的輕烴。由于渦流管具有結構緊湊、體積小、重量輕、易加工、無運動部件、不需要吸收劑、無需定期檢修、成本低、安全可靠、可迅速開停車和易于調節等優點，故國外已在制冷、空調、恒溫、干燥和組分分離等多方面開拓其應用場合。將其用于天然氣液烴回收，特別是油氣田邊遠地區，具有其它方法難以取代的使用價值。天然氣通過渦流管時，利用天然氣開采時本身具有的壓力，被分為冷、熱流股，構成一個封閉的能量循環系統，可有效回收天然氣中的液烴，脫除天然氣中水分，從而獲得干燥的天然氣。若原料氣與產品氣之間的壓差較大，可采用多種不同連接方式的兩級或多級串聯渦流管，與焦耳一湯姆遜閥、渦輪膨脹機相比較，渦流管的丙烷以上組分收率最高。