低壓氣乙烷回收工藝優選

摘 " " "要：針對低壓天然氣乙烷回收時存在能耗高及流程熱集成度低等問題，通過能耗分析和?分析方法對比不同制冷方式的RSV、SRC、SRX工藝，優選出膨脹機+丙烷制冷的SRC工藝。結果發現，在貧氣和富氣兩種條件下，SRC工藝能耗均最低，與SRX工藝相比能耗和?損最大降幅分別為15%、7.6%。3種乙烷回收工藝主要設備的?損失規律相同，以脫甲烷塔?損失最大，其次為壓縮機與主冷箱，這3類設備總?損占總損失的84%。

關 "鍵 "詞：低壓貧氣；精餾原理；能耗；?分析；乙烷回收

中圖分類號：TE89 " " 文獻標識碼： A " " 文章編號： 1004-0935（2023）04-0589-04

天然氣乙烷回收是指回收天然氣中的乙烷及更重組分，為提高油氣田開發效益，國內油氣田已重視回收天然氣中的乙烷[1-2]。

乙烷回收工藝方案與原料氣壓力高低密切相關，根據原料氣壓力的不同將壓力分為低壓、中高壓、高壓3類，低于4 MPa的原料氣稱為低壓天然氣，壓力介于4～7 MPa的原料氣稱為中高壓天然氣，壓力高于7 MPa的原料氣稱為高壓天然氣。對于低壓天然氣，由于冷凝溫度低，采用何種制冷方式、是否選擇增壓對能耗有很大的影響，但是國內外并未報道過對制冷方式以及是否增壓的研究。目前，國外的深冷凝液回收裝置主要采用膨脹機制冷、丙烷制冷與膨脹機制冷聯合制冷的低溫分離工藝，對天然氣乙烷回收技術的研究側重于天然氣氣質以及能耗方面，如YOON[3]通過模擬不同原料氣氣質（乙烷摩爾分數為5%～15%）對乙烷回收裝置能耗的影響，發現隨著天然氣中乙烷含量的增加，所需的外部冷量增加。

1 "乙烷回收工藝流程

1.1 "RSV工藝

RSV流程的主要特征是把部分外輸干氣節流閃蒸后回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[4]。RSV工藝乙烷回收流程如圖1所示。RSV流程采用外輸氣回流、多股進料的設計，乙烷回收率可達到超高的水平（大于96%）。

1.2 "SRC工藝

SRC流程在GSP流程的基礎上增加了脫甲烷塔側線氣相壓縮機，用脫甲烷塔上部側線抽出氣相取代部分外輸干氣，通過脫甲烷塔側線壓縮機增壓、與脫甲烷塔頂外輸氣換熱并節流過冷后進入脫甲烷塔塔頂提供冷凝回流。脫甲烷塔塔底低溫凝液去脫乙烷塔分餾得到乙烷產品。典型SRC乙烷流程如圖2所示。

1.3 "SRX工藝

SRX流程在RSV流程基礎上，保留部分外輸氣回流至脫甲烷塔頂的特色，將脫甲烷塔中部抽出部分氣相作為脫甲烷塔第二股進料。典型SRX乙烷流程如圖3所示。

2 "能耗分析與?分析

2.1 "?分析模型

乙烷回收系統不僅是乙烷產品的生產系統，也是多個工藝單元能量消耗系統[5-6]。為了對實際用能系統和設備進行?分析而建立分析模型和?平衡方程以及確定用?評價準則的方法稱為?分析方 " 法[7-9]。經過多年的發展與完善，目前已形成了多種?分析方法，而項新耀教授在黑箱法基礎上提出的“三箱”法在石油工程領域得到了比較廣泛的應用。其中灰箱模型將系統中所有設備均視為黑箱模型，而黑箱與黑箱之間用主?流線連接起來形成網絡，然后可以對系統整體用能狀況進行評價及對系統中薄弱環節或設備的判別。本文對乙烷回收工藝的用能以及能量損失采用灰箱法。熱力學模型中由于并未發生化學反應，因此忽略化學?，并假設熱力學模型處于穩態忽略熱力學模型中物流的動能?。對于熱力學模型中每股物流的?均可按照式（1）表示。

E_X=〖（H-T_0 S）〗_（T，p）-〖（H-T_0 S）〗_（T_0，p_0 ） 。 "（1）

其中環境溫度T0為198 K，環境壓力為 "101.325 kPa。

式中：Ex—?，kJ·h-1；Exi—輸入?，kJ·h-1；Exo—輸出?，kJ·h-1； " " " I—?損失，kJ·h-1；QR—重沸器熱負荷，kJ·h-1；Wi—輸入功，kJ·h-1；Wo—輸出功，kJ·h-1；T0—環境基準態下溫度，K；TUTY—重沸器溫度，K；m（·）—物流流量，kg·h-1；ex—比?，kJ·kg-1；h—質量焓，kJ·kg-1； " " "h0—環境基準態下質量焓，kJ·kg-1；s—質量熵，kJ·（kg·K） -1。

2.2 "基礎條件

能耗分析主要對3種乙烷回收流程的能耗進行對比，能耗以壓縮機功耗為主。采用HYSYS軟件分別對3種乙烷回收流程進行模擬并參數優化。模擬計算時，通過合理控制流程的關鍵操作參數（包括外輸干氣回流比、低溫分離器溫度、物流分流比等），在保持乙烷回收率較高且相同條件下，對比這3種工藝的壓縮功。本文采用Aspen HYSYS對RSV、SRC、SRX 3種流程進行程模擬并從熱力學的角度進行分析。氣液平衡模型選用Peng-Rob1son方程，熵焓模型采用Lee-Kesler方程。模擬條件主要控制參數包括：脫甲烷塔壓降50 kPa 、壓縮機絕熱效率75% 、脫甲烷塔塔板數23塊、乙烷產品中C1質量分數lt;1.0 %、空冷器出口溫度50 ℃ 、乙烷產品中C3質量分數＜2.5%、膨脹機絕熱效率85%、乙烷回收率94%（質量分數）、冷箱夾點溫度3.5 ℃。

本文原料氣為低壓氣，并按照氣質貧富選用了貧氣與富氣兩種氣質，其組成如表2所示。其中貧氣GPM為2.31，處理規模為1.5×107 m3·d-1，壓力為3.98 MPa，溫度為28 ℃，干氣外輸壓力大于 " 4.5 MPa。富氣GPM為3.97，處理規模1.0×107 m3·d-1，壓力為2 MPa，溫度為25 ℃，干氣外輸壓力大于4.5 MPa。

2.3 "乙烷回收工藝對比

乙烷回收工藝流程選用了RSV，SRX與SRC " 3種乙烷回收工藝，在保證回收率、二氧化碳凍堵裕量以及冷箱最小夾點溫差的前提下，選擇最節能工藝流程。其中制冷方式采用膨脹機與丙烷聯合 "制冷。

表3、表4為3種乙烷回收工藝的關鍵數據及能耗。在保證回收率均為94%的前提下，貧氣乙烷回收工藝中SRC乙烷回收工藝能耗最低，與RSV以及SRX乙烷回收工藝相比能耗分別降低4.1%、15%。在富氣乙烷回收工藝中SRC乙烷回收工藝能耗最低，與RSV以及SRX乙烷回收工藝相比能耗分別降低5%、14.7%。

表5為3種乙烷回收工藝的?分析結果。3種乙烷回收工藝在?損失方面規律一致，在各項?損失比例中以脫甲烷塔所占比例最大，為總?損失的45%左右。其次為壓縮機與主冷箱，分別占總?損失的24.7%、12.41%。在貧氣與富氣的乙烷回收工藝中，以SRC?損失最小，分別為18 341.9 kW和16 875.8 kW。

3 "結 論

1）在貧氣和富氣兩種氣質條件下，SRC工藝能耗均最低，與SRX工藝相比能耗分別降低15%、14.7%。

2）以丙烷制冷與膨脹機制冷聯合制冷工藝為基礎，對SRC、SRX、RSV 3種乙烷回收工藝進行熱力學分析。以SRC?損失最小，為18 341.9 kW，與RSV與SRX乙烷回收工藝相比?損失分別降低6.1%、13.23%。3種乙烷回收工藝主要設備的?損失規律相同，以脫甲烷塔?損失最大，其次為壓縮機與主冷箱。這3類設備總?損占總損失的84%。3種乙烷回收工藝的能耗相比SRC的能耗最低，為19 853 kW。

參考文獻：

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Optimization of Low Pressure Gas Ethane Recovery Process

LI Fei

（Shaanxi National Defense Industry Vocational and Technical College， Xi'an Shaanxi 710000， China）

Abstract：" Aiming at the problems of high energy consumption and low thermal integration in ethane recovery from low-pressure natural gas， the SRC process of expander+propane refrigeration was screened out by comparing RSV， SRC and SRX processes with different refrigeration modes through energy consumption analysis and analysis methods. The results showed that the energy consumption of SRC process was the lowest under both lean and rich gas conditions， and the maximum reduction of energy consumption and exergy loss was 15% and 7.6% respectively compared with SRX process. The exergy loss law of the main equipment of the three ethane recovery processes was the same， the exergy loss of demethanizer was the biggest， followed by the compressor and the main cold box， and the total exergy loss of these three types of equipment accounted for 84% of the total loss.

Key words：" Low pressure lean gas; Rectification principle; Energy consumption; Exergy analysis; Ethane recovery