天然气凝液回收分解ppt课件.ppt

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1、概 述天然气凝液回收的目的和方法制冷方法天然气凝液回收工艺,第五章 天然气凝液回收,在绪论中已经讲到，天然气中除了主要组分甲烷外，还有其它烃类和非烃类的组分，各组份的大致含量如下： CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5+ N2 CO2 H20 H2S He Ar Xer (70-95%) C2+ (5-30%) 少量 微量 天然气凝液回收就是回收天然气中乙烷以上的组分，所以天然气凝液（NGL）中含有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及更重烃类；从天然气中回收凝液的过程称之为天然气凝液回收或天然气液回收(NGL回收)我国习惯上称为轻烃回收，讲课时提到的轻烃回收和天然气凝液回收都是一回事。,概 述,第

2、一节 天然气凝液回收的目的及方法,天然气类型对天然气液回收的影响天然气凝液回收的目的天然气凝液回收方法,天然气类型主要决定了可以冷凝回收的烃类的组成和数量。 气藏气：主要由甲烷组成，乙烷及更重烃类含量很少。只有当轻烃成为产品时其价值比在商品气中高时， 才考虑进行天然气凝液回收。 伴生气：通常轻烃多，为了满足商品气或管输气对烃露点和热值的要求，同时也为了获得一定数量的液烃产品，必须进行天然气凝液回收。 凝析气：轻烃含量多，应进行回收。,一、天然气类型对天然气液回收的影响,1.满足商品天然气对烃露点的要求 根据商品气的质量指标对烃露点要求，对天然气液烃进行回收。如果天然气中可以冷凝回收的烃类很少，

3、只需适当回收天然气凝液进行露点控制即可；如果可以冷凝回收的烃类成为液体产品比作为商品气中的组分具有更好的经济效益时，则应在满足商品气最低热值要求的前提下，最大程度地回收天然气凝液。因此，天然气液回收的深度不仅取决天然气的组成(乙烷和更重烃类的含量)，还取决于商品气对热值和烃露点的要求等因素。 2.满足管输气质量要求 使天然气的烃露点满足管输要求，防止天然气中较重烃类在输送过程中冷凝，增加输送阻力和能耗。,二、天然气凝液回收的目的,在下述几种情况下需要最大程度地回收天然气液： 将伴生气中回收到的液烃送回原油中时价值更高，即回收液烃的主要目的是为了尽可能地增加原油产量。 从天然气液回收过程中得到的

4、液烃产品比其作为商品气中的组分时价值更高，因而使得天然气凝液回收具有良好的经济效益。 我国习惯上根据是否回收乙烷而将天然气凝液回收装置分为两类：一类以回收丙烷及更重烃为目的，称为浅冷；另一类则以回收乙烷及更重烃为目的，称为深冷。,3. 最大限度地回收天然气凝液,回收方法基本上分为吸附法、油吸收法和冷凝分离法三种. （一）吸附法 吸附法系利用固体吸附剂(如活性炭)对各种烃类的吸附容量不同，从而使天然气中些组分得以分离的方法。缺点是需要几个吸附塔切换操作，产品的局限性大，加之能耗较大，成本较高，因而目前应用较少。 （二）油吸收法 此法系利用不同烃类在吸收油中溶解度不同，从而使天然气中各个组分得以分

5、离的方法。吸收油一般采用石脑油、煤油或柴油，是五六十年代广为使用的一种天然气液回收方法。但是，由于此法投资和操作费用较高，70年代以后已逐渐被更加经济与先进的冷凝分离法所取代。,三、天然气凝液回收方法,（三）冷凝分离法 冷凝分离法是利用在一定压力下天然气中各组分的挥发度不同，将天然气冷却至烃露点温度以下，得到一部分富含较重烃类的天然气凝液。 此法的特点是需要向气体提供足够的冷量使其降温。按照提供冷量的制冷系统不同，冷凝分离法可分为冷剂制冷法、直接膨胀制冷法和联合制冷法三种。 1.冷剂制冷法 冷剂制冷法也称为外加冷源法(外冷法)，其特点是： 是由独立设置的冷剂制冷系统向原料气提供冷量，其制冷能力

6、与原料气无直接关系；根据原料气的压力、组成及要求的天然气液的回收深度，可选择不同温度级别的冷剂(制冷工质)，例如氨、丙烷及乙烷，也可以是乙烷、丙烷等烃类混合物；制冷循环可以是单级或多级串联，也可以是阶式制冷(覆叠式制冷)循环。,（1)适用范围。在下列情况下可采用冷剂制冷法 以控制外输气烃露点为主，并同时回收部分凝液的装置。通常，原料气的冷冻温度应低于外输气所要求的露点温度5以上。 原料气较富，但其压力和外输气压力之间没有足够压差可供利，或为回收凝液必须将原料气适当增压，所增压力和外输气压力之间没有压差可供利用，而且采用冷剂制冷又可经济地达到所要求的凝液收率。,（2)冷剂制冷温度。冷剂制冷温度主

7、要与其性质和蒸发压力有关。如原料气的冷凝分离温度已经确定，可先根据表5-2中冷剂的常压沸点（正常沸点）、冷剂蒸发器类型及冷端温差初选一两种冷剂，再对其它因素（例如冷剂性质、安全环保、制冷负荷、装置投资、设备布置及运行成本等）进行综合比较后最终确定所需冷剂。 氨适用于原料气冷冻温度高于-25-30时的工况。 丙烷适用于原料气冷冻温度高于-35 -40时的工况。 以乙烷、丙烷为主的混合冷剂适用于原料气冻凉温度低于-35-40时的工况。,（1）节流阀制冷。在下述情况下可考虑节流阀制冷： 压力很高的气藏气（大于10MPa)，对节流后的压力无太高的要求。 气源压力较高，而气量较小不适合用膨胀机制冷时。

8、原料气与外输气有压差可供利用，且原料气较贫，采用节流阀制冷仅为控制其烃露点以满足管输要求。,2. 膨胀制冷法 直接膨胀制冷法也称自制冷法。此法特点是通过各种类型的膨胀设备使气体本身的压力能转变为冷能，气体自身温度降低，将轻烃从天然气分中离出来。常用的膨胀制冷设备有节流阀(也称焦尔一汤姆逊阀)、透平膨胀机及热分离机等。,（2）热分离机制冷 热分离机是20世纪70年代由法国Elf-Bertin公司开法的一种简易可行的气体膨胀制冷设备，有转动喷嘴式（RTS）和固定喷嘴式（STS）两种类型，见图5-3。,热分离机的膨胀比一般为35，不宜超过7，处理能力一般小于104m3/d（按进气状态计）。因凝液收率

9、低，现在已经不用。,（3)膨胀机制冷。当节流阀或热分离机制冷不能达到所要求的凝液收率时，可考虑采用膨胀机制冷。其适用情况如下：原料气压力高于外输气压力、有足够的压差可供利用；原料气为单相气体；气体较贫及凝液收率要求较高； 要求装置布置紧凑；要求公用工程费用低；要求适应较宽范围的压力及产品变化；要求投资少。 透平膨胀机的膨胀比一般为24，不宜大于7。如果膨胀比大于7，可考虑采用两级膨胀，但需进行技术经济分析及比较。 1964年美国首先将透平膨胀机制冷技术用于NGL回收过程中。由于此法具有流程简单、操作方便、对原料气组成变化适应性大、投资低及效率高等优点，因此近几十年来发展很快。在美国，新建或改建

10、的NGL回收装置有90%以上都采用了透平膨胀机制冷法。在我国，目前绝大部分NGL回收装置也都采用透平膨胀机制冷法。,(3)联合制冷法 联合制冷法又称冷剂与膨胀联合制冷法。顾名思义，此法是冷剂制冷法及膨胀制冷法二者的组合，即冷量来自两部分：高温位（-45以上）的冷量由冷剂制冷法提供；低温位（-45以下）的冷量由膨胀制冷法提供。 当NGL回收装置以回收C2+烃类为目的，或者原料气中C3+组分含量较多，或者原料气压力低于适宜的冷凝分类压力时，为了充分回收NGL而设置原料气压缩机时，应考虑采用有冷剂预冷的联合制冷法。,目前，NGL回收装置通常采用的几种主要方法的烃类收率见表5-3。表中数据仅供参考，其

11、中节流阀制冷法的原料气压力应大于7MPa。如果压力过低，就应对原料气进行压缩，否则由膨胀制冷提供的温度及冷量就会不够。,第二节 冷剂制冷与膨胀机制冷原理与技术,蒸汽压缩制冷透平膨胀机制冷节流膨胀制冷,蒸气压缩制冷也称做机械压缩制冷或简称压缩制冷，是天然气凝液回收过程中最常采用的制冷方法之一。蒸汽压缩制冷的基本原理是利用沸点较低的制冷介质在低于环境温度下气化而吸热，从而带走被冷物料的热量。制冷介质的沸点越低，冷剂温度越低。例如,氨气在常压下蒸发可产生-33.5的低温; 丙烷的常压沸点是-42, 最低可产生-42的低温, 甲烷在常压下蒸发,则最低可产生-161.49 的低温。蒸汽压缩制冷的基本原理

12、图见图54。,一、蒸汽压缩制冷,1. 单温级压缩制冷循环,丙烷压缩制冷的原理流程图 丙烷沸点： P=1atm Tb=-42.17; P=16atm Tb=45,这种循环是利用蒸汽的压缩、冷凝、汽化产生冷量，故称为蒸汽压缩制冷循环。 2. 双温级压缩制冷循环 当工艺要求在几个温度等级下冷冻降温，或者说需要提供几个温度等级的制冷量时，可采用分级制冷(分级蒸发)的压缩制冷系统。 图510是以丙烷为冷剂，产生两个温度级别制冷剂的例子。,采用丙烷、氨等冷剂的压缩制冷系统，制冷温度最低仅约为-30-40。如果要求更低的制冷温度(例如，低于-60-80)，必须选择像乙烷、乙烯这样的冷剂(其常压下蒸发温度分别

13、为-88.6与-103.7) 但是，由于乙烷、乙烯的临界温度较低(乙烷为32.2，乙烯为9.1)，在压缩制冷循环中其蒸气不可能在环境温度(空气或温度为3540的冷却水)下冷凝。为此，乙烷或乙烯蒸气需要采用丙烷、丙烯或氨制冷循环蒸发器中的冷剂提供冷量使其冷凝。同理，如要用甲烷可以制取-160温度等级的冷量。就需采用乙烷、乙烯制冷循环蒸发器中的冷剂供冷量使甲烷蒸汽其冷凝，这样就形成了丙烷乙稀甲烷覆叠式制冷循环。其工艺流程图见图512。,3. 阶式制冷,阶式制冷系统是能耗较低的深冷制冷系统。以天然气液化装置为例，当装置原料气压力与干气外输压力相差不大时，每液化1000m3天然气的能耗约为300一32

14、0KWh。如果采用混合冷剂制冷系统或膨胀机制冷系统，其能耗将分别增加2024和40以上。另外，由于其技术成熟故在60年代时曾广泛用于液化天然气生产中。 阶式制冷系统的缺点是流程及操作复杂，投资较大。而且，当装置原料气压力大大高于干气外输压力时，膨胀机制冷系统的能耗将显著降低，加之膨胀机制冷系统投资少，操作简单，故目前除极少数天然气液回收装置采用两级阶式制冷系统外，大多采用膨胀机制冷系统。但是，在乙烯装置中由于所需制冷温度等级多，冷剂又是乙烯装置的产品，储存设施完善，加之阶式制冷系统能耗低，故仍广泛采用之。,4.混合冷剂制冷系统 如右图所示，当用单一级位冷源来冷却天然气时，若在一端维持合适的传热

15、温差（t1), 则另一端会处于不合理的大温差传热，而这种大温差必然造成大的压缩功耗（冷剂温度越低，冷量消耗外功越大）。这就造成了经济上的极不合理。,如右图所示，如果用多级位冷剂对天然气分段冷却可以避免产生大的不合理的温差，在一定程度上减少了压缩机功耗，但过多的中间级位必然使制冷系统的附属设备增加（中间罐、控制仪表、管线等），只有很大的装置用多级位冷量才能经济。即使这样也不能从根本上解决大温差传热问题。,要使天然气的冷却曲线与冷剂受热曲线之间尽可能保持适当温差，最好是使冷剂在气化过程中保持变温汽化过程，而混合物的汽化和冷凝过程能满足这一要求。在液体冷剂汽化过程中，温度从泡点逐渐上升到露点，随着轻

16、组分的汽化，汽化温度逐渐升高，利用这一特性发展了混合冷剂制冷循环。调整混合冷剂的组成可以得到不同温度范围的混合冷剂。,图513为采用混合冷剂制冷系统的天然气液回收工艺流程示意图，混合冷剂的组成(x)为：CH4 30 C2H6 25 C3H8 35 C4 H10 10；天然气的冷却曲线和冷剂受热曲线见图514,透平膨胀机是一种使高压气体膨胀对外做功，因而使气体压力和能量减少的原动机。从广义讲，透平膨胀机应包括： 蒸汽轮机：只输出功率且压缩气体为水蒸汽。 燃气轮机：只输出功率但压缩气体为燃气。涡轮膨胀机：高压空气或天然气膨胀对外作功，而使气体温度降低，以实现制冷为目。 一般情况下，如果没有特别说明

17、，人们所指的透平膨胀机就是涡轮膨胀机，本课所指透平膨胀机也是涡轮膨胀机。,二、透平膨胀机制冷,1. 透平膨胀机结构 透平膨胀机由三个主要部分组成：通流部分、制动器部分和机体部分。这里主要介绍与制冷过程有关的通流部分，其它部分原理可参照有关专著。 2.制冷原理 流通部分是制冷的核心部分，主要包括：蜗壳、喷嘴环(导流器)、工作轮(叶轮)和扩压器。 蜗壳 作用是把透平膨胀机进气管道中的气体引导并均匀地分配到喷嘴环上。从结构上分，蜗壳又可分为单蜗室蜗壳、半蜗室蜗壳、双蜗室蜗壳。见下页结构图。,（一） 透平膨胀机简介,单蜗室蜗壳特点：具有良好的气体流动和气体分配性能，我国大部分透平膨胀机采用了这种形式的

18、蜗壳。 半蜗室蜗壳：流动损失大，但它可以减小蜗壳尺寸。 双蜗室蜗壳：具有良好的气体流动性，但由于有两个进口管，使低温管道复杂化。,喷嘴环 喷嘴环的作用： (a)将气体的压力能和焓降转换为动能，为在工作轮中将气体的能量转化为机械功输出创造条件。气体膨胀比的一部分（反作用式）或全部（冲动式）在喷嘴环中完成。 (b)喷嘴环的喷嘴流道中的喉部截面起着控制透平膨胀机气体流量的作用。,喷嘴环的分类：,作用：把气体的部分动能有效地转换为机械功输出。它是透平膨胀机流通部分中能使气体能量减少的唯一转动部件。 分类：,工作轮,按照轮盘结构形式可分为： 开式 半开式 闭式,1.等熵效率 当气体在膨胀机内膨胀时，由于

19、没有热交换（绝热过程）,若膨胀过程可逆，则这一过程一定是等熵过程（绝热可逆过程即为等熵过程）。绝热可逆过程对外作最大功且其值就等于焓降。即：,而实际过程为不可逆，其不可逆损失均转化为热能加入体系使含升高，产生的实际焓变ha小于等熵焓变hs。则膨胀机的等熵效率（s)为：,（二） 透平膨胀机的等熵效率,气体等熵膨胀时，压力的微小改变所引起的温度变化称为微分等熵效应，以s表示，即,所以，气体等熵膨胀时，温度总是降低的。,2.等熵膨胀效应,用热力学函数之间的关系可推导,已知条件：膨胀机进口压力(P1)、温度(T1)、气体进口的摩尔流量和组成，以及膨胀机出口压力(P2)。 计算目的：实际出口温度（T2）

20、，具体计算步骤如下： 由P1、 T1及组成计算膨胀机入口物流的焓（h1）和熵(S1)。 假设一个等熵膨胀时的理论出口温度T2。 根据P2 及假设的T2对出口物流进行平衡气化(平衡闪蒸)计算,以确定此处有无凝液析出。 计算膨胀机出口物流的焓(h2)和熵(S2),如果出口物流为两相流,则h2和 S2为气液混合物的焓和熵。,（三）透平膨胀机出口状态计算,当S1S2时为等熵膨脂胀过程此时理论焓降为(h2-h1)=hs。 巳知膨胀机的等熵效率s，计算实际焓降hact=shs = h2-h1, 计算出h2 。 由P2、 h2利用T-S图或h-S图查出膨胀机的实际出口温度T2或通过试算确定膨胀机的实际出口温

21、度T2。 进行试差运算时可用下式估算初值T2,如果由步骤算出的S1S2 ，则假设的T2是正确的，否则，就要重复步骤，直至S1S2。,三、节流膨胀制冷,当气体有可供利用的压力差，而且不需要很低的冷冻温度时，采用节流阀(也称焦耳姆逊阀)膨胀制冷是一种比较简单的制冷方法。当进入节流阀的气流温度很低时节流效应尤为显著。 （一）节流膨胀制冷原理 1.节流膨胀的主要特征: 压缩流体通过孔口或阀门时，由于局部阻力使流体压力显著下降；节流过程为一绝热过程；节流前后流体焓不变。节流过程不对外作功，是高度不可逆过程； 天然气流经节流阀膨胀过程可近似按等焓节流处理。,2. 节流效应,由此可以看出，气体节流膨胀后温度

22、并不总是降低的，其温度决定于气体的性质和所处的状态。要实现节流制冷目的，要选择合适的节流前温度,（二）节流膨胀（等焓膨胀）与等熵膨胀的比较,即气体的等熵膨胀效应总是大于节流膨胀效应。因此，对于同样的初始状态和膨胀比，等熵膨胀的温降比节流膨胀要大，但它们的差值与温度和压力有关。当压力较低而温度较高时，差值就大。随压力增加，温度降低，差逐渐减小，直至临界点时为零。节流与等熵膨胀的特点如下： 节流过程用节流阀，结构简单，操作方便；等墒膨胀过程用膨胀机，结构复杂。 膨胀机中实际上为多变过程，因而所得到的温度效应及制冷量比等熵过程的理论值小。 节流阀可以气液两相区内工作，即节流阀出口可以允许有很大的带液

23、量，而膨胀机出口允许的带液量有一定限度。,计算流体在进口压力P1和温度T1时的焓h1，如为两相流，此焓即应为气液混合物的焓。 假定一个流体出口温度T2。 按P2和T2条件进行闪蒸计算，求出气、液各相组成及相对量。 根据上述闪蒸计算及假定的T2,求出口流体的焓h2。如为两相流此焓亦应为气液混合物的焓。 如果h1=h2,则假定的温度是对的。否则，重复部骤，直到h1=h2 为止。 目前，上述计算过程也多采用有关软件由计算机完成。,3气体节流膨胀出口温度的确定,第三节 天然气凝液回收工艺,工艺方法与设备以回收 C3烃类为目的天然气凝液回收工艺流程以回收 C2烃类为目的天然气凝液回收工艺流程,一、工艺方

24、法与设备,一般，天然气凝液回收主要由原料气预处理、压缩、净化、冷凝分离、凝液分馏、干气再压缩以及制冷等部分组成。 1. 原料气的预处理 原料气预处理的目的是脱除原料气中携带的油、游离水和泥砂等杂质。一般用分离、过滤单元设备实现，以保证冷凝正常进行。 2. 原料气的压缩 原料气压缩的目的：为使更多的轻烃冷凝下来；保证膨胀机的入口压力，以产生足够的冷量；伴生气压力仅为分离器压力（3.5atm)，要使回收轻烃后的尾气压力达到管输压力也需增压。因此，对于伴生气轻烃回收装置都需增压，气井气则可利用井口压力，不一定增压。,3. 原料气的净化 脱掉原料气中的水份，以防止在低温下生成固体水合物物； 脱酸性气体

25、，以防腐蚀设备。当采用浅冷分离工艺时，只要原料气中二氧化碳含量不影响商品天然气的质量要求，可不必脱除二氧化碳.。 4. 制冷系统 用蒸汽压缩制冷系统对原料气预冷，提供补充冷量； 用膨胀机制冷使原料气冷却到规定温度，回收轻烃。 5. 冷凝分离系统 (1)多级冷凝与分离 当原料气采用压缩机增压，或者采用透平膨胀机制冷时，这种冷凝分离过程通常是在不同压力与温度等级下分几次进行的。其原因是：,可以合理利用制冷系统不同温度等级的冷量。 可以使原料气初步分离。 工艺流程组织的需要。 (2)适宜的冷凝温度与压力 当原料气组成及进装置压力已知时，应在冷凝计算的基础上，根据工艺流程、干气外输压力、凝液或产品收率

26、和要求，以及装置的投资和运行费用等因素确定适宜的冷凝分离压力与温度。 1) 适宜冷凝压力的确定 根据气液平衡原理，压力升高，轻烃回收率增大，但压力又不能过高。下图为在生产LPG时，压力对丙烷及乙烷收率的影响关系图。,压力超过4MPa后，丙烷收率增长较慢，而乙烷收率迅速增长，增加了脱乙烷塔塔顶气量，因而丙烷收率下降。 压力提高，乙、丙烷相对挥发度减少，不利于分离。 同样，对于生产NGL过程，在适宜的温度范围内，甲烷与乙烷之间也有类似的关系，压力增加到某个值后，乙烷收率增加较小，而甲烷冷凝率增加较快。一般而言，对于生产LPG，P4MPa 对于生产NGL，P=5Mpa,由右图可知：,2) 适宜冷凝温

27、度的确定 压力确定后，就可确定冷凝温度。由右图可知，随着冷凝温度降低(60），乙烷的冷凝率增加较快，而丙烷冷凝率的增加迅速变慢，这样，不仅增加了冷量而且增加了脱乙烷稳定塔的负荷，反而使关键组份收率下降。 因此，应根据关键组份的回收率确定适宜的冷凝分离温度。,需要增加膨胀机的级数(即增加膨胀比）以获得更低的温度等级，因而就要相应提高原料气的压力,增加原料气压缩机。会使投资及操作费用增加。 原料气压力提高后，使装置设备、管线等压力等级也提高，投资也随之增加。 由于制冷温度降低，用于低温部位的钢材等用量及投资也相应增加。 因此，对于回收LPG，有预冷： C30 7780；无预冷：C3050 对于回收

28、NGL，有预冷： C2086% 丙烷或乙烷的经济回收率将随着轻烃价格的提高和轻烃回收技术的提高而提高。,3) 回收率的确定 回收率的确定原则应是使轻烃回收装置具有更好的经济效益，在原料组成一定的情况下，其经济回收率与回收技术密切相关。过高的回收率会由于以下几部分能耗的增加而使装置变的不经济甚至亏损：,二、以回收 C3烃类为目的天然气凝液回收工艺流程,1. 采用冷剂制冷法的浅冷分离工艺流程 冷冻温度：一般在-1535；冷凝压力：1.62.4MPa 目的：回收丙烷及以上组分（C3+)，丙烷回收率20 40 ； 适应范围：（a）当原料气中出烃类含量较多，对丙烷的收率要求不高时；（b) 只是为了控制天

29、然气的烃露点(生产管输气)，而对烃类收率没有特殊要求的“露点控制”装置； 进装置的原料气为低压伴生气，压力一般为0.10.3MPa。,2采用透平膨胀机制冷法的工艺流程,对于丙烷收率要求较高、原料气较富或其压力低于适宜冷凝分离压力而需设置压缩机的天然气液回收装置，大多采用冷剂预冷与膨胀机联合制冷法，冷剂为丙烷或氨。图531为胜利油田某装置采用的冷剂预冷与透平膨胀机制冷相结合的工艺流程，该流程的设计条件为：处理量为50104m3/d, 最低冷冻温度为-85-89, 丙烷收率为80% 85%, 液烃产量为110 130t/d。 原料气中C3+含量约为250g/m3, 其中丙、丁烷含量为6.86。经过计算，仅用膨胀机制冷所得冷量尚不能满足要求，故还须采用外加冷源的联合制冷工艺。,3. 采用预冷与透平膨胀机联合制冷的工艺流程,三、以回收 C2烃类为目的天然气凝液回收工艺流程,采用两级透平膨胀机制冷法的工艺流程 我国大庆油田在80年代中期从Linde公司引进的两套60 xl04m3/d的天然气凝液回收装置均采用两级透平膨胀机制冷法，原料气为伴生气，进装置压力为0.1270.147MPa，制冷温度一般为-90-100，乙烷收率为85，每套装置混合液烃产量为5xl04t/a。,