中高壓富氣乙烷回收工藝的改進

肖峰，魏金芹(.天津市凈純科技有限公司，天津 3000；.中信環境技術有限公司，天津 3000)

0 引言

將天然氣液體(NGL)中的甲烷、乙烷及更重的烴類組分進行分離，可以得到制取乙烯的原料，同時有效降低了殘渣氣的烴露點，從而提高了NGL回收裝置的經濟效益。過去，我國大多數天然氣凝液回收裝置只回收丙烷和較重組分、殘渣氣中殘留乙烷等，但隨著國際原油價格的上漲，越來越多的石化企業實現了乙烷生產乙烯的工藝。目前，我國許多大型氣田正積極參與乙烷回收工程的建設。文章是基于我國積極倡導發展高效乙烷回收工藝的背景而著。

1 高壓富氣乙烷回收工藝概述

目前世界各國正在采用多種乙烷回收工藝，其中回收率較高的裂解蒸汽(RSV)工藝得到了廣泛的應用。對工業單級工藝(ISS)、氣體過冷工藝(GSP)、冷渣氣回收工藝(CRR)、RSV工藝、強化NGL回收工藝(IPSI-1)、強化NGL回收工藝(IPSI-2)6種工藝在不同原料氣條件下的技術經濟性進行了比較，結果表明：RSV工藝具有較高的壓縮機功率和年總成本，但本文僅對6種工藝進行了簡單的經濟性比較，各工藝回收率不保持一致，富氣條件下不添加外部制冷，所有工藝都按固定工藝結構進行了適應性分析，明顯不夠嚴格?？偟膩碚f，RSV工藝在較高的乙烷回收率上總是體現出其經濟優勢。目前國內外關于RSV工藝的研究文獻中，乙烷回收率較低。本文以火用分析為基礎，對幾種乙烷回收工藝(包括RSV工藝)進行了優化。但這些優化工藝的乙烷回收率僅達90%。在富氣乙烷回收工藝中，有一些乙烷回收工藝采用內部自冷循環對原料氣進行預冷。采用IPSILLC公司開發的IPSI-1工藝和IPSI-2工藝，通過從脫甲烷塔塔底抽出蒸汽形成內部混合制冷循環，降低了脫甲烷塔再沸器的負荷。IPSI-1工藝采用開式制冷循環，乙烷回收率高于IPSI-2工藝。與IPSI-1工藝相比，具有閉式制冷循環的IPSI-2工藝具有較低的能耗。本文提出了一種自制乙烷回收新工藝。該新工藝的內部制冷循環類似于IPSI-2的封閉式自制冷循環，本文將該新工藝與外部丙烷制冷系統的乙烷回收工藝進行了比較，發現該工藝具有較好的熱集成性。

與貧氣乙烷回收工藝相比，富氣乙烷回收工藝結構復雜，能耗高，工藝能耗分析更為重要。目前常用的乙烷回收過程分析方法有能量分析法、熱集成分析法。本文選取我國計劃乙烷回收工程的原料氣及其條件作為本研究的基礎數據。對丙烷制冷循環的RSV過程和內置制冷吸收器的新型強化分流換熱過程進行了數值模擬和分析，比較了兩種過程在能量、熱力學性質(包括火用分析)和經濟性能上的差異。

2 過程描述和模擬

富氣回收NGL需要的動力明顯大于貧氣回收，但富氣回收量越大，凝析油回收量越大，單位產品能耗越低，工藝經濟效益越好。一般來說，為了實現較高的富氣回收率，透平膨脹機NGL回收工藝需要制冷劑對進氣進行預冷。提出了兩種處理富氣的NGL工藝：(1)循環裂解蒸汽與丙烷制冷循環(RSVP)工藝；(2)強化裂解換熱與內部制冷和吸收工藝。

選用AspenHYSYSV10軟件和Peng-Robinson狀態方程進行過程模擬。為了研究適用于富氣的高效工藝，兩種工藝的回收率都必須達到95%以上。為獲得更純的乙烷產品，乙烷產品中的乙烷含量也較高(＞97%)。

2.1 RSVP過程

適用于富氣的RSVP工藝具有以下特點：

(1)RSVP工藝中脫甲烷塔頂使用部分渣油氣回流，在富氣條件下加入丙烷制冷系統，而丙烷是制冷劑中唯一使制冷系統簡單易控制的制冷劑，同時也保證了乙烷在RSV工藝的高回收率優點。

(2)在RSVP過程中V-101低溫分離器溫度較高，使分離氣體的體積增加。透平膨脹機的進氣量增加可以產生更大的輸送功率，這樣殘余氣體壓縮機的功率可以降低。

(3)丙烷制冷循環采用兩個不同溫度水平的兩級制冷，有效地節約了壓縮功率，簡化了制冷過程。

(4)丙烷制冷劑在冷卻過程中溫度基本保持不變，導致熱流與丙烷制冷劑溫差較大，增加了換熱過程的不可逆破壞。

(5)渣油氣產生的回流流量增加渣油氣流量，明顯提高渣油氣壓縮機的功率消耗。

2.2 ESH流程

ESH工藝采用內混合制冷劑和適用于富氣的異丁烷制冷循環，具有以下特點：

(1)ESH工藝結合了吸收和分流預冷的結構。在預冷后這兩種原料氣得到較大的溫差。吸收塔的頂部進料采用較低溫度的蒸汽5，吸收塔的底部進料用較低溫度的蒸汽3。由于吸收塔內可以產生氣提效應，可以強化甲烷和原料氣中重質組分(如乙烷)的分離，有效地將原料氣中的甲烷濃縮到吸收塔頂部，將較重的組分(如C2+)濃縮到吸收塔底部。精餾塔上部進料量越大，乙烷回收率越高。

(2)脫甲烷塔頂進料采用多級分離，降低了塔頂的進料溫度，減少了塔頂的重烴，提高了塔上部的精餾效率，提高了乙烷的回收率。

(3)原料氣通過預冷來降低制冷溫度，冷側的制冷劑為脫甲烷塔塔底部C2+冷凝液。與單一的外置式丙烷制冷循環相比，ESH制冷壓縮機功率可以大大降低。

(4)吸收塔底進料溫度不宜過低，LNG-101換熱后的殘渣氣應盡可能保持較低的進入K-102膨脹機壓縮端的溫度，以節省殘渣氣壓縮機的功率消耗，因此，殘渣氣與進料氣需要較大的溫差來換熱，故E-101可以采用板式換熱器或管殼換熱器來降低設備成本。

3 過程熱力學分析

3.1 能源消耗分析

采用我國國家標準《綜合能耗計算通則》中的分析方法，對生產過程中主要設備的能耗進行了評價。將各裝置的能耗乘以相應的換算系數，轉化為等效能耗，將所有等效能耗相加，得到全過程的綜合能耗(CECEP)。由于乙烷回收率幾乎相同，以C2+冷凝物為產物對兩種工藝進行比較。由于泵、空冷器的能耗相對較低，所以本文主要關注的是將所有壓縮機和再沸器改造成的CECUP。通過模擬和計算，由于ESH工藝吸收塔頂部的氣體出流溫度較低，分離出來的蒸汽比RSVP分離器的蒸汽出流溫度低，因此RSVP工藝具有較高的汽輪機膨脹功。ESH工藝的CECEP僅占RSVP工藝的84.7%，相當于比RSVP工藝每年節能2.3×108MJ。如果這部分能源由熱值為36MJ/m3的天然氣提供，ESH工藝每年可比RSVP工藝節約天然氣約6.39×106m3。結果表明，兩種工藝的截流能力相差353MJ/t，且回收率比靜電除塵器高18.1%。這表明ESH工藝在能耗方面具有顯著的優勢。

3.2 熱集成分析

RSVP工藝采用恒沸制冷劑-丙烷，由于回流渣油氣溫度較高(45℃)，導致預冷換熱器LNG-101在丙烷換熱和熱端溫差較大。ESH工藝采用兩臺熱交換器(LNG-101，E-101)對原料氣進行預冷，換熱器LNG-101的冷復合曲線更接近熱復合曲線。對于LNG-102型低溫換熱器，兩種工藝的換熱效果相差不大。結果表明，原料氣的分流換熱和自制冷更有利于換熱器的溫度匹配，過程的熱集成度也更高。

3.3 制冷循環分析

RSVP工藝采用兩級丙烷制冷冷卻原料氣和脫乙烷塔頂氣。脫乙烷塔頂煤氣所需的丙烷溫度約為-12℃，相應的蒸發壓力約為320kPa。RSVP工藝丙烷制冷循環能耗高的主要原因是：1制冷循環兩級壓力比不均勻，尤其是二級壓力比(P3→P4)較大，約為5.3；2脫乙烷塔頂氣需要大量制冷，脫乙烷塔頂用丙烷1200kmol/h制冷。V-104分離器將1886kmol/h的氣相分離到二級壓縮機中，只有1714kmol/h的丙烷進入LNG-101進一步冷卻。丙烷制冷循環二級壓縮機由于流量大、壓比大，造成能耗高。ESH過程的內部自制冷循環也采用兩級壓縮過程。第一級節流至900kPa后，分離器V-103將多余的輕質部件分離，有效地降低了主壓縮機的吞吐量。將V-103分離的飽和液體進行節流至250kPa，提供比單丙烷制冷更低的溫度水平，更有利于提高乙烷回收率。與丙烷制冷相比，ESH混合制冷劑僅對原料氣進行預冷，因此ESH兩級制冷壓縮機壓比更均勻，整個循環量遠小于RSVP的丙烷制冷劑，ESH工藝的節能效果明顯。

4 結語

針對我國乙烷回收裝置的原料氣條件，在大力推進乙烷高效回收工藝發展的基礎上，對丙烷制冷循環RSV工藝和內置自制冷吸收器ESH工藝進行了比較研究。主要結論如下：首先，RSVP工藝采用兩級丙烷制冷系統，為原料氣和脫乙烷塔頂氣提供兩個冷卻溫度，在富氣條件下保持了RSV工藝的高回收率。新型ESH工藝在原料氣中加入了吸收劑，提高了甲烷和乙烷等重組分的預分離效果。其次，在回收率相同的情況下，RSVP工藝的渦輪膨脹功高于ESH工藝。但是，由于RSVP工藝殘渣氣流量較大，殘渣氣壓縮機入口溫度較高，導致RSVP工藝殘渣氣功耗明顯高于ESH工藝。由于ESH工藝采用內部自制冷循環，因此它的循環體積比RSVP工藝小。ESH工藝的制冷壓縮機功耗遠低于RSVP工藝。ESH工藝的綜合能耗僅占RSVP工藝能耗的84.7%。從能源消耗的角度來看，ESH工藝明顯優于RSVP工藝。最后，通過比較RSVP和ESH工藝的熱力學性能，發現冷箱LNG-101在ESH工藝中的熱集成性能明顯優于RSVP工藝。ESH工藝中E-101換熱器的溫差較大，雖然會增加換熱過程的不可逆性，但會增強吸收塔的氣提效果，降低渣氣壓縮機的功率。從兩種工藝制冷循環的“壓力-焓”和“溫度-熵”圖可以看出，兩級壓力比的不均勻導致RSVP工藝制冷壓縮機的功率消耗遠大于ESH工藝。ESH過程的總(火用)損耗低于RSVP過程。在這兩個過程中損失最大的裝置是塔器，其次是壓縮機，再次是換熱器。冷箱LNG-101和制冷循環二級壓縮機K-105是兩種工藝的主要(火用)損失差異。