中高压富气乙烷回收工艺的改进

肖峰，魏金芹(.天津市净纯科技有限公司，天津 3000；.中信环境技术有限公司，天津 3000)

0 引言

将天然气液体(NGL)中的甲烷、乙烷及更重的烃类组分进行分离，可以得到制取乙烯的原料，同时有效降低了残渣气的烃露点，从而提高了NGL回收装置的经济效益。过去，我国大多数天然气凝液回收装置只回收丙烷和较重组分、残渣气中残留乙烷等，但随着国际原油价格的上涨，越来越多的石化企业实现了乙烷生产乙烯的工艺。目前，我国许多大型气田正积极参与乙烷回收工程的建设。文章是基于我国积极倡导发展高效乙烷回收工艺的背景而著。

1 高压富气乙烷回收工艺概述

目前世界各国正在采用多种乙烷回收工艺，其中回收率较高的裂解蒸汽(RSV)工艺得到了广泛的应用。对工业单级工艺(ISS)、气体过冷工艺(GSP)、冷渣气回收工艺(CRR)、RSV工艺、强化NGL回收工艺(IPSI-1)、强化NGL回收工艺(IPSI-2)6种工艺在不同原料气条件下的技术经济性进行了比较，结果表明：RSV工艺具有较高的压缩机功率和年总成本，但本文仅对6种工艺进行了简单的经济性比较，各工艺回收率不保持一致，富气条件下不添加外部制冷，所有工艺都按固定工艺结构进行了适应性分析，明显不够严格。总的来说，RSV工艺在较高的乙烷回收率上总是体现出其经济优势。目前国内外关于RSV工艺的研究文献中，乙烷回收率较低。本文以火用分析为基础，对几种乙烷回收工艺(包括RSV工艺)进行了优化。但这些优化工艺的乙烷回收率仅达90%。在富气乙烷回收工艺中，有一些乙烷回收工艺采用内部自冷循环对原料气进行预冷。采用IPSILLC公司开发的IPSI-1工艺和IPSI-2工艺，通过从脱甲烷塔塔底抽出蒸汽形成内部混合制冷循环，降低了脱甲烷塔再沸器的负荷。IPSI-1工艺采用开式制冷循环，乙烷回收率高于IPSI-2工艺。与IPSI-1工艺相比，具有闭式制冷循环的IPSI-2工艺具有较低的能耗。本文提出了一种自制乙烷回收新工艺。该新工艺的内部制冷循环类似于IPSI-2的封闭式自制冷循环，本文将该新工艺与外部丙烷制冷系统的乙烷回收工艺进行了比较，发现该工艺具有较好的热集成性。

与贫气乙烷回收工艺相比，富气乙烷回收工艺结构复杂，能耗高，工艺能耗分析更为重要。目前常用的乙烷回收过程分析方法有能量分析法、热集成分析法。本文选取我国计划乙烷回收工程的原料气及其条件作为本研究的基础数据。对丙烷制冷循环的RSV过程和内置制冷吸收器的新型强化分流换热过程进行了数值模拟和分析，比较了两种过程在能量、热力学性质(包括火用分析)和经济性能上的差异。

2 过程描述和模拟

富气回收NGL需要的动力明显大于贫气回收，但富气回收量越大，凝析油回收量越大，单位产品能耗越低，工艺经济效益越好。一般来说，为了实现较高的富气回收率，透平膨胀机NGL回收工艺需要制冷剂对进气进行预冷。提出了两种处理富气的NGL工艺：(1)循环裂解蒸汽与丙烷制冷循环(RSVP)工艺；(2)强化裂解换热与内部制冷和吸收工艺。

选用AspenHYSYSV10软件和Peng-Robinson状态方程进行过程模拟。为了研究适用于富气的高效工艺，两种工艺的回收率都必须达到95%以上。为获得更纯的乙烷产品，乙烷产品中的乙烷含量也较高(＞97%)。

2.1 RSVP过程

适用于富气的RSVP工艺具有以下特点：

(1)RSVP工艺中脱甲烷塔顶使用部分渣油气回流，在富气条件下加入丙烷制冷系统，而丙烷是制冷剂中唯一使制冷系统简单易控制的制冷剂，同时也保证了乙烷在RSV工艺的高回收率优点。

(2)在RSVP过程中V-101低温分离器温度较高，使分离气体的体积增加。透平膨胀机的进气量增加可以产生更大的输送功率，这样残余气体压缩机的功率可以降低。

(3)丙烷制冷循环采用两个不同温度水平的两级制冷，有效地节约了压缩功率，简化了制冷过程。

(4)丙烷制冷剂在冷却过程中温度基本保持不变，导致热流与丙烷制冷剂温差较大，增加了换热过程的不可逆破坏。

(5)渣油气产生的回流流量增加渣油气流量，明显提高渣油气压缩机的功率消耗。

2.2 ESH流程

ESH工艺采用内混合制冷剂和适用于富气的异丁烷制冷循环，具有以下特点：

(1)ESH工艺结合了吸收和分流预冷的结构。在预冷后这两种原料气得到较大的温差。吸收塔的顶部进料采用较低温度的蒸汽5，吸收塔的底部进料用较低温度的蒸汽3。由于吸收塔内可以产生气提效应，可以强化甲烷和原料气中重质组分(如乙烷)的分离，有效地将原料气中的甲烷浓缩到吸收塔顶部，将较重的组分(如C2+)浓缩到吸收塔底部。精馏塔上部进料量越大，乙烷回收率越高。

(2)脱甲烷塔顶进料采用多级分离，降低了塔顶的进料温度，减少了塔顶的重烃，提高了塔上部的精馏效率，提高了乙烷的回收率。

(3)原料气通过预冷来降低制冷温度，冷侧的制冷剂为脱甲烷塔塔底部C2+冷凝液。与单一的外置式丙烷制冷循环相比，ESH制冷压缩机功率可以大大降低。

(4)吸收塔底进料温度不宜过低，LNG-101换热后的残渣气应尽可能保持较低的进入K-102膨胀机压缩端的温度，以节省残渣气压缩机的功率消耗，因此，残渣气与进料气需要较大的温差来换热，故E-101可以采用板式换热器或管壳换热器来降低设备成本。

3 过程热力学分析

3.1 能源消耗分析

采用我国国家标准《综合能耗计算通则》中的分析方法，对生产过程中主要设备的能耗进行了评价。将各装置的能耗乘以相应的换算系数，转化为等效能耗，将所有等效能耗相加，得到全过程的综合能耗(CECEP)。由于乙烷回收率几乎相同，以C2+冷凝物为产物对两种工艺进行比较。由于泵、空冷器的能耗相对较低，所以本文主要关注的是将所有压缩机和再沸器改造成的CECUP。通过模拟和计算，由于ESH工艺吸收塔顶部的气体出流温度较低，分离出来的蒸汽比RSVP分离器的蒸汽出流温度低，因此RSVP工艺具有较高的汽轮机膨胀功。ESH工艺的CECEP仅占RSVP工艺的84.7%，相当于比RSVP工艺每年节能2.3×108MJ。如果这部分能源由热值为36MJ/m3的天然气提供，ESH工艺每年可比RSVP工艺节约天然气约6.39×106m3。结果表明，两种工艺的截流能力相差353MJ/t，且回收率比静电除尘器高18.1%。这表明ESH工艺在能耗方面具有显著的优势。

3.2 热集成分析

RSVP工艺采用恒沸制冷剂-丙烷，由于回流渣油气温度较高(45℃)，导致预冷换热器LNG-101在丙烷换热和热端温差较大。ESH工艺采用两台热交换器(LNG-101，E-101)对原料气进行预冷，换热器LNG-101的冷复合曲线更接近热复合曲线。对于LNG-102型低温换热器，两种工艺的换热效果相差不大。结果表明，原料气的分流换热和自制冷更有利于换热器的温度匹配，过程的热集成度也更高。

3.3 制冷循环分析

RSVP工艺采用两级丙烷制冷冷却原料气和脱乙烷塔顶气。脱乙烷塔顶煤气所需的丙烷温度约为-12℃，相应的蒸发压力约为320kPa。RSVP工艺丙烷制冷循环能耗高的主要原因是：1制冷循环两级压力比不均匀，尤其是二级压力比(P3→P4)较大，约为5.3；2脱乙烷塔顶气需要大量制冷，脱乙烷塔顶用丙烷1200kmol/h制冷。V-104分离器将1886kmol/h的气相分离到二级压缩机中，只有1714kmol/h的丙烷进入LNG-101进一步冷却。丙烷制冷循环二级压缩机由于流量大、压比大，造成能耗高。ESH过程的内部自制冷循环也采用两级压缩过程。第一级节流至900kPa后，分离器V-103将多余的轻质部件分离，有效地降低了主压缩机的吞吐量。将V-103分离的饱和液体进行节流至250kPa，提供比单丙烷制冷更低的温度水平，更有利于提高乙烷回收率。与丙烷制冷相比，ESH混合制冷剂仅对原料气进行预冷，因此ESH两级制冷压缩机压比更均匀，整个循环量远小于RSVP的丙烷制冷剂，ESH工艺的节能效果明显。

4 结语

针对我国乙烷回收装置的原料气条件，在大力推进乙烷高效回收工艺发展的基础上，对丙烷制冷循环RSV工艺和内置自制冷吸收器ESH工艺进行了比较研究。主要结论如下：首先，RSVP工艺采用两级丙烷制冷系统，为原料气和脱乙烷塔顶气提供两个冷却温度，在富气条件下保持了RSV工艺的高回收率。新型ESH工艺在原料气中加入了吸收剂，提高了甲烷和乙烷等重组分的预分离效果。其次，在回收率相同的情况下，RSVP工艺的涡轮膨胀功高于ESH工艺。但是，由于RSVP工艺残渣气流量较大，残渣气压缩机入口温度较高，导致RSVP工艺残渣气功耗明显高于ESH工艺。由于ESH工艺采用内部自制冷循环，因此它的循环体积比RSVP工艺小。ESH工艺的制冷压缩机功耗远低于RSVP工艺。ESH工艺的综合能耗仅占RSVP工艺能耗的84.7%。从能源消耗的角度来看，ESH工艺明显优于RSVP工艺。最后，通过比较RSVP和ESH工艺的热力学性能，发现冷箱LNG-101在ESH工艺中的热集成性能明显优于RSVP工艺。ESH工艺中E-101换热器的温差较大，虽然会增加换热过程的不可逆性，但会增强吸收塔的气提效果，降低渣气压缩机的功率。从两种工艺制冷循环的“压力-焓”和“温度-熵”图可以看出，两级压力比的不均匀导致RSVP工艺制冷压缩机的功率消耗远大于ESH工艺。ESH过程的总(火用)损耗低于RSVP过程。在这两个过程中损失最大的装置是塔器，其次是压缩机，再次是换热器。冷箱LNG-101和制冷循环二级压缩机K-105是两种工艺的主要(火用)损失差异。