高壓天然氣的乙烷回收

蔣 洪 湯 林 黃靖珊

1.西南石油大學石油與天然氣工程學院 2.中國石油冀東油田公司

0 引言

位于新疆維吾爾自治區的相關凝析氣田天然氣處理廠進廠天然氣壓力高（可達12 MPa），天然氣中乙烷含量超過5%，有必要對其中的乙烷及乙烷以上的凝液進行回收。建設乙烷回收工程，可以提高油氣田的開發效率和資源利用率。因此，各油氣田都十分重視乙烷回收工作[1]。乙烷回收裝置是具有高能耗的低溫生產系統，對高壓天然氣（高于7 MPa）采用常規乙烷回收流程時，其脫甲烷塔壓受到熱集成、分離效率等因素的限制不宜太高，利用膨脹機制冷所產生的冷量偏多，而外輸氣壓縮機所需的壓縮功增大，導致乙烷回收系統能耗高。因此，有必要開展高壓天然氣乙烷回收流程進行研究，降低系統能耗，提高乙烷回收裝置運行的經濟效益。

資料調研結果表明：國外Mowrey等[2]提出的高壓天然氣乙烷回收流程，其流程采用雙塔形式，在乙烷回收率要求高的條件下，流程中未設置外輸回流，需增加脫甲烷塔頂物流循環量，導致系統總壓縮功較大；Mak等[3]提出高壓天然氣乙烷回收流程，流程中僅設置脫甲烷塔，因脫甲烷塔塔壓較低，致使外輸氣壓縮功增加；Tavan等[4]采用隔壁塔的形式進行乙烷回收，提高了系統的熱集成度，但該流程工藝較為復雜且回收率不高。國內外學者對部分干氣回流乙烷回收流程（Recycle Split Vapor，RSV）進行了研究和改進[5-13]，但對于高壓天然氣乙烷回收方面的研究成果則較少見。

本文中將高于7 MPa的原料氣稱為高壓天然氣。為了降低系統能耗、提高乙烷回收裝置運行的經濟效益，針對原料氣及外輸氣壓力高的工況條件，筆者基于RSV流程，提出了適用于高壓天然氣的乙烷回收改進工藝流程 高壓吸收塔與低壓脫甲烷塔的多回流雙塔乙烷回收流程（Multistage Recycle High Pressure Absorber，MRHPA），分析了MRHPA流程的特性及適應性，以期有助于我國高壓乙烷回收工程的建設。

1 RSV流程對高壓天然氣適應性分析

RSV流程是由美國UOP Ortloあ公司開發的乙烷回收工藝，該流程在乙烷回收工程中得到廣泛應用。RSV流程如圖1所示，該流程將部分外輸氣經主冷箱及過冷箱換熱降溫后節流降壓作為塔頂物流進入脫甲烷塔頂部，構成一個以甲烷為主的制冷循環，調節其流量可控制乙烷回收率。脫甲烷塔自上往下的第二股進料為低溫分離器氣相（或低溫分離器部分氣相和部分液相的混合相）經過冷冷箱降溫降壓進入脫甲烷塔中上部，產生低溫位的冷量，同時液烴可吸收氣相中的乙烷和二氧化碳。RSV流程采用外輸氣回流、低溫分離器部分氣相兩股雙回流進料的設計，該流程具有高回收率且回收率可調的特點[14-17]。RSV流程適用于原料氣壓力為4 MPa以上的乙烷回收裝置[18-19]。

圖1 RSV乙烷回流程圖

RSV流程通過外輸氣回流為脫甲烷塔頂提供低溫位的冷量，外輸氣壓縮機的能耗較高，這一特點隨著外輸壓力的增大尤為明顯。對于壓力大于7 MPa的高壓天然氣，以膨脹機制冷為主的乙烷回收流程，降低外輸氣壓縮功的關鍵在于提高脫甲烷塔壓力。但脫甲烷塔塔壓的增大將降低塔關鍵組分的相對揮發度和增加甲烷與乙烷的分離難度，同時脫甲烷壓力過高導致重沸器溫度高，脫甲烷塔側線抽出物流與原料氣熱集成困難，需要設置額外的熱源為脫甲烷塔重沸器提供熱源，增加了乙烷回收系統能耗。

筆者研究表明：對于壓力大于7 MPa的高壓天然氣，RSV乙烷回收流程存在以下問題：

1）對原料氣壓力和外輸氣壓力較高的條件下，其脫甲烷塔壓力受到熱集成的限制，脫甲烷塔壓力不宜過高；當脫甲烷塔壓力較低時可造成冷量過剩和外輸壓縮功增大，其乙烷回收系統能耗高。

2）提高脫甲烷塔壓力降低外輸壓縮功，但脫甲烷塔壓力高將導致脫甲烷塔底重沸器溫度和熱負荷提高，脫甲烷塔重沸器和原料氣熱集成困難，需設置外加熱源，同時將增加制冷系統的壓縮功。

3）脫甲烷塔塔壓過高（大于3.5 MPa）將導致塔盤分離效率降低。

2 高壓天然氣乙烷回收流程

2.1 改進流程

針對原料氣與外輸氣壓力均較高的工況條件，基于RSV流程提出高壓吸收塔與低壓脫甲烷塔的多回流雙塔乙烷回收流程（MRHPA），其流程如圖2所示。

圖2 MRHPA乙烷回收流程圖

MRHPA流程將常規RSV流程中脫甲烷塔的精餾段和提餾段分別設置為高壓吸收塔與脫甲烷塔，兩塔的壓力相互獨立，脫甲烷塔塔頂設置壓縮機將脫甲烷塔和高壓吸收塔相聯系，高壓吸收塔壓力與原料氣壓力、氣體組成有關。以膨脹機制冷為主的乙烷回收流程，原料氣氣質越貧，高壓吸收塔的壓力越高。在滿足系統乙烷回收率和冷量需求的前提下，可盡可能提高高壓吸收塔壓力和低溫分離器溫度，有利于減少外輸壓縮功、降低高壓吸收塔塔底液烴出料的甲烷含量和制冷系統能耗。與RSV流程相比，MRHPA流程的脫甲烷塔在較低壓力下運行，可利用原料氣與脫甲烷塔側線抽出物實現熱集成，提高系統的熱集成度，降低對系統冷量的需求。

MRHPA流程中高壓吸收塔采用多股進料，降低了外輸回流流量與低溫分離器部分氣相進料量，流程的調節性及適應性增強。原料氣氣質較富時，MRHPA流程需增加外部制冷為乙烷回收流程提供冷量。

2.2 流程對比與分析

為分析MRHPA乙烷回收流程的節能優勢，采用RSV與MRHPA流程進行對比分析，模擬流程的原料氣組成（表1）。利用Aspen HYSYS軟件對RSV和MRHPA流程進行模擬計算，要求乙烷回收率為94%，其計算結果如表2所示，流程能耗對比如圖3所示。

圖3 RSV、MRHPA流程能耗對比圖

表1 原料氣組成表

表2 RSV和MRHPA流程對比分析表

流程模擬結果分析表明：

1）RSV流程能耗高。脫甲烷塔壓力低，導致外輸壓縮功高，其占比超過80%，系統總壓縮功高。

2）MRHPA流程中低溫分離器溫度較高（約為－30 ℃），降低了進入脫甲烷塔進料中的甲烷含量和塔頂壓縮機功耗。在乙烷回收率均為94%的情況下，與RSV流程相比，MRHPA流程貧氣工況和富氣工況下系統總壓縮功分別降低了16.21%和13.5%，其流程節能效果顯著。

3 MRHPA流程特性分析

為掌握MRHPA流程特性，筆者分析了MRHPA流程中的脫甲烷塔壓力、低溫分離器溫度、脫甲烷塔塔頂壓縮機出口壓力以及脫甲烷塔塔底分流比等關鍵參數對乙烷回收率及能耗的影響。

模擬條件：原料氣組成采用表1中的貧氣，原料氣壓力溫度分別為8 MPa、37 ℃，外輸氣壓力為6.2 MPa，要求乙烷回收率為94%。

3.1 塔壓對流程的影響

MRHPA流程節能的關鍵在于提高高壓吸收塔壓力和低溫分離器溫度，降低脫甲烷塔壓力。適宜的脫甲烷塔壓力是保證乙烷回收率和系統熱集成的重要參數。

在給定的原料氣工況條件下，保持高壓吸收塔壓力3.8 MPa不變，低溫分離器溫度－34.0 ℃不變，高壓吸收塔塔底液烴分流比50%不變，改變脫甲烷塔壓力介于2.6～3.4 MPa，并調節MRHPA流程其他的參數（低溫分離器氣相分流比、外輸氣回流量等），控制乙烷回收率為94%，研究脫甲烷塔壓力變化對系統總壓縮功的影響，其模擬結果如表3所示。

表3 脫甲烷塔壓力對流程的影響表

流程模擬結果分析表明：

1）在高壓吸收塔壓力3.8 MPa不變的條件下，隨著脫甲烷塔壓力從2.6 MPa升至3.4 MPa，總壓縮功先降低后增加，在脫甲烷塔壓力為3.2 MPa時總壓縮功最低。

2）隨著脫甲烷塔壓力增加，脫甲烷塔塔板溫度升高，脫甲烷塔側線物流溫位升高，提供的冷量減少，為保證乙烷回收率，外輸氣回流量逐漸增大，且需丙烷制冷系統提供額外的冷量，導致丙烷制冷系統壓縮功與外輸氣系統壓縮功之和增加。

3）隨著脫甲烷塔塔壓增加，脫甲烷塔塔頂壓縮機壓縮功隨之降低，系統總壓縮功（脫甲烷塔塔頂壓縮機壓縮功、丙烷制冷系統壓縮功與外輸氣壓縮功之和）出現先增加后降低的趨勢。

筆者對MRHPA流程塔壓和吸收塔塔底液烴分流比進行研究，主要結論如下：

1）高壓吸收塔和脫甲烷塔壓差宜控制在0.6～1.0 MPa之間。高壓吸收塔壓力與原料氣壓力及氣體組成有關，原料氣質越貧，高壓吸收塔的壓力越高。

2）當原料氣壓力介于7.0～9.0 MPa時，高壓吸收塔的操作壓力多數宜控制介于3.5～4.0 MPa，高壓吸收塔塔底液烴分流比宜控制在0.5以內。

3.2 低溫分離器溫度對流程的影響

MRHPA流程中低溫分離器溫度對流程乙烷回收率與系統總壓縮功有關。在給定的原料氣工況條件下，高壓吸收塔壓力與脫甲烷塔壓力分別為3.8 MPa、3.2 MPa，高壓吸收塔塔底液烴分流比（每股液烴流量與吸收塔塔底液烴出料總量的比）50%不變。改變低溫分離器溫度從－34.0～－42.0 ℃，并調節MRHPA流程其他合理的參數控制乙烷回收率為94%。研究低溫分離器溫度對系統總壓縮功的影響。其模擬結果如表4所示。

表4 低溫分離器溫度對流程的影響表

模擬結果分析表明：

1）在兩塔壓力一定的條件下，隨著低溫分離器溫度從－34.0～－42.0 ℃，系統總壓縮功先降低后升高，在低溫分離器溫度為－34.0 ℃時，系統總壓縮功最低。

2）隨著低溫分離器溫度升高（由－42.0～－34.0℃），系統所需冷量降低，丙烷制冷系統壓縮功降低了25.8%。其原因是低溫分離器溫度升高，脫甲烷塔進料中甲烷含量降低，導致脫甲烷塔重沸器負荷降低和塔頂出料量減少，脫甲烷塔塔頂壓縮機壓縮功降低25%，同時，膨脹機組輸出功增加，但為保持回收率保持94%，需增加外輸氣回流比，外輸氣壓縮功增加8.6%，但系統總壓縮功降低（1.2%）。

3）當高壓吸收塔壓力與脫甲烷塔壓力分別為3.8 MPa、3.2 MPa，高壓吸收塔底液烴分流比為50%時，低溫分離器溫度對能耗的影響較小，但提高低溫分離器溫度有利于提高制冷系統的溫位和簡化流程。

3.3 脫甲烷塔塔頂壓縮機出口壓力對流程的影響

脫甲烷塔頂壓縮機壓力是控制過冷冷箱夾點的重要參數。流程模擬條件為：原料氣組成為表1中的貧氣，原料氣壓力和溫度分別為8 MPa、37.0 ℃，外輸氣壓力為6.2 MPa，高壓吸收塔壓力和脫甲烷塔壓力分別為3.8 MPa、3.2 MPa，低溫分離器溫度為－34.0 ℃。

改變脫甲烷塔頂壓縮機出口壓力，其壓力范圍介于4.2～5.4 MPa，模擬分析了脫甲烷塔頂壓縮機出口壓力對乙烷回收率和過冷冷箱夾點的影響，其模擬結果如圖4所示。模擬結果分析表明，當高壓吸收塔壓力與脫甲烷塔壓力不變時，隨著脫甲烷塔塔頂壓縮機出口壓力由4.2 MPa升至5.4 MPa，乙烷回收率與夾點溫差均升高。對于大多數氣質的工況條件，為有效控制過冷冷箱的夾點，其脫甲烷塔塔頂壓縮機出口壓力宜控制在4 MPa以上。

圖4 脫甲烷塔塔頂壓縮機出口壓力對過冷冷箱夾點及回收率的影響圖

4 MRHPA流程適應性分析

為了研究MRHPA流程對原料氣壓力和氣質的適應性，模擬分析了MRHPA流程的節能效果，其模擬結果如表5、6所示。模擬計算條件：原料氣組成采用表1中兩組氣質組成，原料氣壓力分別為7 MPa、8 MPa和9 MPa，外輸氣壓力為6.2 MPa，要求乙烷回收率為94%。

表5 不同壓力、溫度下兩種流程模擬結果（貧氣）表

表6 不同壓力、溫度下兩種流程模擬結果（富氣）表

模擬結果分析表明：

1）對高壓貧氣的工況條件，與RSV流程相比，當原料氣壓力分別為7 MPa、8 MPa、9 MPa，其系統總壓縮功分別降低了12.3%、16.2%、20.2%。

2）對高壓富氣的工況條件，與RSV流程相比，當原料氣壓力分別為7 MPa、8 MPa、9 MPa，其系統總壓縮功分別降低了9.7%、13.5%、16.5%。

3）與RSV流程相比，MRHPA流程高壓吸收塔壓力高和塔板上溫度高，脫甲烷塔溫度高，針對表1中兩種氣質，研究表明，二氧化碳含量升高至3%時，兩塔各塔板和流程中關鍵物流點的二氧化碳凍堵裕量均大于5 ℃，不會出現凍堵現象。

4）對于原料氣壓力高于7 MPa的工況條件，采用MRHPA流程較RSV流程節能效果顯著。

5 結論

1）對原料氣壓力高于7 MPa、外輸氣壓力高于4 MPa的工況條件，常規RSV流程主要存在熱集成困難、系統能耗高等問題，筆者提出的改進流程MRHPA具有高回收率、能耗低、可調性、適應性強等特點。

2）MRHPA流程特點是高壓吸收塔采用高壓設計、多股進料。高壓吸收塔多股進料，提高了流程的可調性，高壓吸收塔壓力和脫甲烷塔壓力分別獨立設置，采用塔頂壓縮機將脫甲烷塔和高壓吸收塔相聯系，高壓吸收塔壓力與脫甲烷塔壓差在0.6 MPa以上。當原料氣壓力大于9.0 MPa時，高壓吸收塔的壓力大多宜控制在3.5～4.0 MPa范圍內，設置合理的脫甲烷塔壓力有利于系統熱集成和提高塔盤分離效率。脫甲烷塔頂壓縮機壓力出口壓力宜控制在4.0 MPa以上，有利于控制過冷冷箱夾點。

3）對MRHPA流程的特性和適應性分析表明，在滿足乙烷回收率要求的前提下，盡可能提高高壓吸收塔的壓力和低溫分離器溫度，有利于減少外輸壓縮功和降低制冷系統能耗。

4）實例模擬表明，原料氣壓力介于7～9 MPa時，與RSV流程相比，MRHPA流程的系統總壓縮功分別降低12.3%～20.2%和9.7%～16.5%。MRHPA流程適合于原料氣壓力高于7 MPa的乙烷回收，其節能效果顯著。