天然气凝液回收第1节

第8章提取天然气中的液烃天然气凝液是从天然气中回收C2+的烃类混合物的总称。一般包括乙烷、液化石油气和天然汽油。NGL—naturalgasliquid，天然气凝液。LPG—LiquefiedPetroleumGas液化石油气。LNG—LiquefiedNaturalGas,液化天然气。主要内容天然气凝液回收方法低温别离法工艺多元汽液平衡和精馏制冷技术主要工艺设备根本要求了解天然气凝液回收方法和工艺特点；掌握制冷工艺的原理和特点；掌握天然气凝液回收流程及其应用。8.1概

述

回收天然气凝液的必要性；天然气凝液回收方法；一、回收天然气凝液的必要性有利于改善天然气质量，降低烃露点，防止在管输中有液态烃凝结。回收凝液的产品是重要的民用燃料和化工原料；提高资源的综合利用率，有良好的经济效益和社会效益。二、天然气凝液回收方法吸附法油吸收法低温别离法1.吸附法吸附法是利用具有多孔结构的固体吸附剂〔如活性氧化铝或活性炭〕对烃类组分吸附能力强弱的差异而实现气体中重组分与轻组分的别离。主要用于天然气中回收重烃类，且处理规模较小(小于60×104m3/d)及较贫的天然气(液烃含量13~14mL/m3)。吸附法的特点和应用情况工艺装置简单，投资费用较小；但生产产品单一〔液化气和天然汽油〕，再生能耗高，运行本钱较高。吸附剂的吸附容量等问题未能得到很好解决。未得到广泛的应用。曾在美国用过。吸附剂

工业上常用于回收天然气液烃的吸附剂有活性炭、硅胶、硅藻土等。1kg的活性炭具有106m2的有效吸附面积，其吸附能力很强。因此，活性炭就成为工业上提取液烃的重要吸附剂。

吸附法工艺流程图8-3吸附法提取液态烃的流程I—原料气；II—液体〔冷凝液+水〕；III—再生气；IV〕—脱去汽油的气体；V—在原料气流中的经过别离的再生气；1—原料气入口别离器；2—加热再生气的局部；3、4—吸收塔；5—换热器；6—再生气别离器2.油吸收法油吸收法是基于天然气中各组分在吸收油中的溶解度的差异而使轻、重烃组分得以别离的方法。通常采用石脑油、煤油或柴油作吸收油。按照吸收操作温度的不同，油吸收法往往分为常温油吸收和低温油吸收法〔冷油吸收法〕两种。常温油吸收法的操作温度为常温或略低于常温，多用于中小型天然气凝液回收装置；冷油吸收法利用制冷将吸收油冷至0～-40℃进行操作，该法比常温油吸收法可多回收C2+液烃，C3的回收率可达85%~90%，常用于较大型的气体加工厂。2.油吸收法油吸收法的特点和应用情况工艺流程复杂；投资费用和运行本钱高；直至20世纪60年代中期还是天然气别离工艺中使作最多的方法；但随着制冷技术的开展，自1970年以后，油吸收法在新建装置中已很少采用。油吸收剂常温油吸收工艺使用的吸收油，其相对分子质量可达180～200，在低温吸收条件下〔＜-18℃〕那么大都为100～130，都是大于C5组分的烷烃。常温油吸收法由于轻烃收率低、消耗指标高，已不再使用。低温油吸收法工艺流程〔补充〕3.低温别离法低温别离法〔冷凝别离法〕是利用原料气中各烃类组分冷凝温度的不同，通过将原料气冷凝至一定温度，将沸点较高的烃类冷凝别离出来，并经凝液精馏别离成合格产品的工艺。提供冷量的形式提供冷量的方式有外部制冷法、自制冷法和混合制冷法等多种形式。低温别离法的主要特点工艺流程简单，投资少，效益好；回收率高，C3的回收率可达90%以上；适应性强，管理方便。低温别离法的应用情况随着制冷技术的开展，特别是1964年，美国首次将透平膨胀机用于天然气凝液回收，使天然气回收凝液技术开始了新的开展阶段。目前，低温别离法已广泛应用于天然气凝液回收装置。8.2商用产品的技术条件及标准国标ＧＢ9052.1—88规定了丙烷、丁烷和丙丁烷混合物的质量标准

(2)商品液烃的储存温度和压力

8.4从天然气中提取液烃的主要方法——低温别离法根据提供冷量方式不同分成三大类方法

1.外加制冷循环法，亦即直接冷凝法

2.直接膨胀制冷法，即膨胀冷凝法

3.混合制冷法

图8-4低温别离法三种类型流程示意图轻烃回收工艺流程〔补充〕冷剂制冷工艺流程逆升压式膨胀机制冷工艺流程正升压膨胀机制冷工艺流程丙烷预冷与膨胀制冷结合的混合制冷工艺低温别离工艺的组成冷剂制冷工艺流程1—原料气别离器；2—压缩机；3、11、14—冷却器；4—气液别离器；5—脱水吸附器；6—冷箱；7—丙烷蒸发器；8—低温别离器；9—脱乙烷塔；10—脱丙丁烷塔；12—回流罐；13—回流泵；15、16、17、18—节流阀。逆升压式膨胀机制冷工艺流程1—原料气别离器；2—吸附器；3—换热器；4、6—气液别离器；5、8—节流阀；7—泵；9—脱乙烷塔；10、14—再沸器；11—脱丙丁烷塔；12—冷凝器；13—回流罐；15—膨胀机膨胀端；16—膨胀机增压端正升压膨胀机制冷工艺流程1—原料气别离器；2—吸附器；3—换热器；4—气液别离器；5—节流阀；6—脱乙烷塔；7、11—再沸器；8—脱丙丁烷塔；9—冷凝器；10—回流罐；12—冷却器；13—膨胀机增压端；14—膨胀机膨胀端相变制冷

图8-5蒸汽压缩制冷循环

相变制冷四个过程：1.蒸发过程

2.压缩过程

3.冷凝过程

4.膨胀过程

制冷剂

按化学成分分类，可分为四类：①无机化合物制冷剂〔表8-2〕；②氟利昂制冷剂〔表8-3〕;③碳氢化合物制冷剂〔表8-4〕；④共沸溶液制冷剂〔表8-5〕。常用制冷剂氟利昂；氨；丙烷、丙烯、乙烷、乙烯等。因环保的要求，其中氟利昂、氨将逐步限制使用。3.制冷循环的热力计算〔一〕理想制冷循环在T—S图上的表达1.等熵可逆压缩〔绝热可逆压缩〕2.等压等温可逆冷凝q2=T2(S2－S3)3.等熵可逆膨胀〔绝热可逆膨胀〕4.等压等温可逆蒸发q1=T1(S1－S4)压缩机对1公斤制冷剂所做的净功We为We=W1－W2=q2－q1=T2(S2－S3)－T1(S1－S4)(8-4)〔二〕实际制冷循环图8-7实际制冷循环在温熵图上的表示

〔二〕实际制冷循环〔1〕等熵可逆压缩制冷剂的饱和蒸汽于状态1(P1,T1)下进入压缩机进行绝热压缩，此压缩过程近于等熵，因此制冷剂的状态沿等熵线变到点2〔P2、T2〕而成为过热蒸汽。〔2〕等压冷却与冷凝，以线段2-2’-3’-3表示〔3〕节流膨胀，在图8-7上以线段3-4表示(4)等压、等温蒸发，以线段4-1表示〔二〕实际制冷循环2.实际制冷循环在lgP-H(压焓)图上的表达

图8-8实际制冷循环在压焓图上的表示

〔二〕实际制冷循环(1)压缩过程，以线段1-2表示

(2)冷却、冷凝及过冷过程，以线段2-2’-3’-3表示

(3)节流膨胀过程，以线段3—4表示

(4)蒸发过程，以线段4-1表示

〔三〕制冷过程的热与功〔三〕制冷过程的热与功(1)单位质量制冷剂的吸热量q1q1=H1－H4(8-5)q1值相当于面积1-4-d-a-1〔2〕单位质量制冷剂的放热量q2q2=H2－H3(8-6)q2值相当于面积2—2’—3’—3—e—a—2〔三〕制冷过程的热与功〔3〕净功wewe=H2－H1〔8-7〕we的大小相当于面积1-2-2’-3’-3-e-d-4-1(四)制冷循环过程的制冷系数制冷剂从被冷却物体中吸取的热量与循环过程消耗的净功之比值称为制冷系数，用代号ε表示：ε=Q1/We(8-8)式中：ε——制冷系数Q1——单位时间内制冷剂的吸热量，KJ/h；We—单位时间内压缩机对制冷剂所做的净功，KJ/h。〔三〕制冷过程的热与功2.实际制冷循环的制冷系数

实

(8-12)4.制冷效率

〔三〕制冷过程的热与功五、制冷能力制冷能力也称制冷量，一般是指在一定的操作条件下(即一定的制冷剂蒸发温度t1,冷凝温度t2，过冷温度tc),单位时间内制冷剂由被冷物体中所取出的热量Q,单位是kJ/h,它可表示为(8-14)式中:q1—制冷剂的制冷量,kJ/kg;G—制冷剂的循环量,kg/h〔三〕制冷过程的热与功对于一定规格的往复式单级压缩制冷机而言,制冷能力Q可以表示为:Q=Vnqv

(8-15)式中:Q—制冷机的制冷能力,kJ/h;qV—进入压缩机前，单位容积制冷剂蒸汽的制冷能力，KJ/m3

Vh—单位时间内压缩机活塞所扫过的容积m3/h;

λ—进入压缩机的实际容积系数,可根据经验公式确定或由图表查取。

〔三〕制冷过程的热与功(六)制冷操作所需功率(1)制冷操作中压缩机的理论功率NT

(8-17)2.实际功率NP亦称轴功率,即电机所输的实际功率。

8.4.3直接膨胀制冷

一、等焓〔节流〕膨胀二、等熵膨胀一、等焓〔节流〕膨胀节流制冷是工业上最早采用的制冷工艺，由于节流制冷设备简单，运转可靠、节流效率低，同一差压下温降较小，在天然气凝液回收中常多数作为一种辅助制冷手段。1.节流膨胀降温原理节流膨胀过程如图8-9所示，流体在流经相当于孔板的缩口或节流阀时，由于通径截面积缩小，流速增加，经过缩口或节流阀后截面积和流速恢复到原来状态。图8-9节流膨胀过程示意图如果忽略势能变化，对缩口前、缩口后应用热力学稳定流动的能量守恒方程式有：H1、H2—缩口前后两截面处流体的焓值；

C1、C2—缩口前后两截面处的流速；

g——重力加速度。(8-19)1.节流膨胀降温原理由于节流前、后两截面面积相等，故得：

因此，节流膨胀过程是等焓过程。节流时，微小压力变化所引起的温度变化称为微分节流效应。一般用αH表示微分节流效应系数：(8-20)(8-21)1.节流膨胀降温原理内能变化项—由于气体压力降低，比容增大，分子间的平均距离也增大，此时必须消耗功克服分子间的引力，分子间的位能就增加。但由于外界无能量供给气体，分子间位能的增加只能来自分子动能的减少。因此，产生使气体温度降低的效应。(8-23)1.节流膨胀降温原理而对大多数气体，其中包括天然气，流动功是随压力的降低而增加的。1.节流膨胀降温原理所以，大多数气体〔除氢、氦等外〕经过节流阀产生压降时也相应发生的温降。1.节流膨胀降温原理2.节流工艺计算(闪蒸)典型的节流工艺过程如图8-17所示。流量为F〔kmol/h〕，组成为fi〔摩尔分数〕的物料在压力PI、温度TI下经节流阀在绝热情况下减压至P2，工艺计算的任务是求节流后的温度T2，平衡汽、液相组成yi、xi，汽、液相量V、L及焓值HV，HL等。节流计算的根本方程物料平衡:

F=V+L(8-36)某一组分有:fi=vi+li(8-37)xf=fi/Fiyi=vi/Vixi=li/L(8-38)节流计算的根本方程汽液平衡

yi=KiXi

yi=

kixi=1.0L1=

li

V=

Vi

热量平衡方程：节流计算的根本方程节流根本方程各符号的意义其计算程序如下:(1)用泡点方程和露点方程校验该混合物是否同时存在汽、液两相。(2)在给定温度和压力下查图,得到系统中各组分的k值。(3)假设L、V或L/V值。(4)利用式(8-41)或式(8-43)计算液相(或汽相)中各个组分的千摩尔数。(5)用式(8-42)计算总液量;用式(8-44)计算总蒸汽量。(6)将(5)步计算出的总液量和总蒸汽量同第(3)步假定值相比较。如果两个值很接近,误差<1.0%,那么计算值为所求值,否那么,需从第(3)开始重新计算。三、等熵膨胀(膨胀机制冷)1.等熵膨胀降温的物理实质

气体进行等熵膨胀时，由于压力变化而引起的温度变化，称为等熵膨胀效应。该效应又分为微分等熵膨胀效应和积分等熵膨胀效应。微分等熵膨胀效应微分等熵膨胀效应是指微小压力变化所引起的温度变化。通常用as表示微分等熵膨胀效应系数表示。(8-26)积分等熵膨胀效应

积分等熵膨胀效应是指气体实际等熵膨胀时，压力变化为一有限值所引起的温度变化，以ΔTs表示：(8-28)等熵膨胀降温的物理实质由热力学根本关系式，可导出表示微分等熵膨胀效应系数as与膨胀前气体状态参数p、T、V之间关系式为(8-27)

cp—气体的定压热容。由于式(8-27)中故

等熵膨胀过程总是产生冷效应，膨胀结果气体的温度总是降低的。等熵膨胀降温的物理实质等熵膨胀温降的定性解释等熵膨胀时，气体一方面要在绝热情况下对外作功，大量消耗内能；另一方面要克服分子间的吸引力，增加分子位能，使分子动能减少，由于这两方面原因，导致气体温度大幅度下降。而这时流动功的变化对气体温度的影响相比之下很小，因此，等熵膨胀的结果总是使气体温度降低，且同时产生冷量。2.绝热效率和实际功等熵膨胀的焓降ΔHS是气体等熵膨胀开始状态p1、T1时的焓值H1与膨胀终了状态p2、T2的焓值H2之差值。(8-29)实际膨胀过程是熵增过程

实际上，压缩气体通过膨胀机进行绝热膨胀，在对外作功的同时存在着摩擦、泄漏和冷量损失等各种现象。因此，膨胀过程实际不是等熵的，而是熵增大的不可逆过程。

实际膨胀过程的焓差ΔH等于气体绝热膨胀开始状态的焓值H1与膨胀终了状态的焓值H2’的差值，即膨胀机对外的单位功。(8-30)实际膨胀过程是熵增过程膨胀机的绝热效率ηs

膨胀机的绝热效率是衡量膨胀过程偏离等熵过程的尺度。透平膨胀机的绝热效率可达75%～85%。(8-31)膨胀的对外实际作功W(kJ/h)G—气体流量，kg/h；ΔH—实际膨胀过程的焓差，kJ/kg。3.膨胀过程的热力计算流量为F〔kmol/h〕，组成为zi〔摩尔分数〕在压力P1、温度T1下进入膨胀机，膨胀机等熵效率为η，出口压力为P2，等熵出口温度为T2，实际出口温度为T2′。膨胀机出口的平衡汽、液相组成为yi、xi。汽、液相量为V、L；汽、液相焓值为HV、HL及汽、液熵值为SV、SL等。膨胀计算的根本方程相平衡方程物料平衡方程：热量平衡方程

：膨胀机出口的实际焓值：膨胀计算的根本方程膨胀机根本方程各符号的意义

H1—进口状态下气体的焓值，kJ/kmol；

S1––进口状态下气体的熵值，kJ/(kmol·K)；

SV––等熵膨胀后汽相的熵值，kJ/(kmol·K)；

SL—等熵膨胀后液相的熵值，kJ/kmol；

H2—等熵膨胀后出口混合物的焓值，kJ/kmol；

H2’––膨胀机实际出口混合物的焓值，kJ/kmol；

η—膨胀机的绝热效率。膨胀机的热力计算框图4.膨胀机的类型膨胀机输出功类输出热类活塞式膨胀机(容积型)透平式膨胀机(速度型)热别离机气波制冷机`〔2〕结构和工作原理透平膨胀机是由通流局部、制动器及机体三大局部组成。透平膨胀机的结构示意图如下图。透平膨胀机的结构图通流局部该局部是获得低温的主要部件。压力较高的工作介质从管道进入膨胀机的涡壳，把气流均匀地分配给喷嘴，气体在喷嘴中第一次膨胀，推开工作轮输出外功，同时气流在工作轮中继续膨胀而转换成外功，因此，气体的流速就降低了，膨胀后的低温工质经过扩压器排出到低温管道中。制动器

透平膨胀机有机械功输出，需要有一定的负载。负载主要是起刹车即制动作用，一般称负载为制动器。制动器可以是鼓风机、机泵、压缩机、发电机等。在天然气处理中，制动器大多为天然气的增压机。

在油气处理和加工装置中，制动器采用压缩机，即由膨胀机驱动离心式压缩机，由膨胀机输入到驱动端的净功率，通常要减去约2%的轴和轴承的损失。同轴离心式压缩机的效率可取65%～80％。制动器〔3〕膨胀和升压的顺序

根据气流流入压气端和透平膨胀端的先后次序不同，可分为正升压透平膨胀机和逆升压透平膨胀机两种型式。正升压透平膨胀机组，气体先压缩后膨胀。逆升压透平膨胀机组，气体先膨胀再压缩。正升压透平膨胀机组C—压气机；T—涡轮；H1－冷却器；H2—冷箱；S1—一级别离器；S2—二级别离器逆升压透平膨胀机组C—压气机；T—涡轮；H2—冷箱；S1——一级别离器；S2—二级别离器〔4〕透平膨胀机的特点绝热效率一般为80%~85%；膨胀比为2~5；出口带液量大〔理论不限制，但小于20%〕；转速达20000r/min以上，功率从几kW至几千kW；处理量可达106m3/d以上；流量可调〔因装有可调喷嘴〕，约有20%的可调范围。6.热别离机〔1〕制冷原理热别离机的制冷装置由气体分配器〔喷嘴〕和接收管组成。具有高能量的气体喷入接收管中，对末端容器中的残留气体迅速地压缩和加热。入口气体的动能传递给残留气体，由于压缩产生的热量通过管壁向四周散失，使入口气体的温度降低，就能实现制冷。工作原理如图8-25所示。8-25热别离机的工作原理热别离机的制冷过程热别离机的制冷过程分为三个阶段：进气阶段；压缩阶段；流出阶段。〔2〕热别离机的结构热别离机的根本结构有两种类型：静止式热别离机〔staticthermalseparator简称STS〕，喷嘴和接收管都是固定的热别离机。旋转式热别离机〔rotarythermalseparator简称RTS〕，喷嘴及其相关部件都可旋转的热别离机。静止式热别离机气体从固定的喷嘴喷入接收管，在喷嘴两侧设置有谐振器，其振动频率在100～700Hz之间，使喷嘴喷出的高速气流发生振动产生脉冲压力，调节着喷流方向分配进入各列接收管中。是一种简单耐用的制冷装置，其最大效率可达等熵膨胀的40%。静止式热别离机的结构静止式热别离机又分单管、双管和多管三种型式，多管式的结构示意图如图8-26。由于静止式热别离机效率低，最高只能到达等熵膨胀的40％，已根本不用了，目前，旋转式热别离机较多。图8-26多管式热别离机结构示意图l—喷嘴；2—共鸣箱；3—接收管；4—小室旋转式热别离机〔RTS〕带压气流进入旋转式气体分配器中，经过喷嘴变成高速气流喷射到膨胀管中，同时由于气流在气道中的方向发生变化，使旋转分配器产生自转，实现对膨胀管依次喷射循环。其结构示意图如图8-27所示。图8-27旋转式热别离机结构示意图〔3〕热别离机的特点绝热效率为70％左右；膨胀比宜为3～5，不宜超过7。转速低，通常为1000～3000r/min。转速太，造成轴向推力大，轴承能耗增大。轴承润滑可以使用润滑脂，比透平膨胀机的润滑系统简单。弹性大，适应性强。进口气体流量和压力波动对机组的稳定运行影响不大。适用于原料气气量小、压力不高的场所。〔3〕热别离机的特点图8-19膨胀机过程的原理流程图

图8-20500低温别离工艺原理流程图图8-21杏九联20万Nm3/d油田气深冷别离试验装置流程图图8-22温米装置优化工艺流程图

8.5提取天然气液烃加工方法的选择

〔一)当进气压力与干气输出压力之间有剩余压差可利用时,透平膨胀工艺是最好的选择。(二)对于有剩余压差可利用的很贫的天然气而言,回收液烃价值不大,但仍可采用节流制冷法或热别离机法利用此剩余压差,使之降低水及烃的露点,以满足气体长输要求。如果温度还不够低,可再加浅度冷冻。(三)对于要求回收乙烷,而又没有多余压力差可利用者,须要根据具体条件,对膨胀机法、外加冷源法、冷油吸收法等作周密比较后决定取舍。(四)对于井场小型气体加工装置,可