天然气加工.ppt

气体加工,气体加工包括两方面内容①从天然气内回收较重的、高热值组分，把气体燃烧热值控制在商品气要求的范围内；②把从气体中回收的重组分，即天然气凝液（naturalgasliquids，NGL）或称“轻烃或轻油”，分馏成各种附加值高的产品，增加油气田利润。,第一节凝液回收的目的和方法第二节制冷方法第三节冷凝分离轻烃回收工艺第四节凝液的稳定切割,第一节凝液回收的目的和方法,一、凝液回收的目的二、凝液回收的方法,一、凝液回收的目的,从天然气中回收凝液的目的有三种满足管输要求；满足天然气燃烧热值要求；在某些条件下，需最大限度地追求凝液的回收量，使天然气成为贫气。1、满足管输要求气井气或油田伴生气在管输过程中，随压力和温度条件的变化将产生凝液，使管内产生两相流动，从而降低输量，增大压降。为使输气管道内不产生两相流动，气体进入干线输气管前，一般需脱除较重组分，使气体在管输压力下的烃露点低于最低管输温度。这就需要对天然气进行轻烃回收。为安全起见，有些国家和输气公司要求气体的临界凝析温度低于最低管输温度。,2、满足商品天然气的质量要求各国或气体销售合同对商品天然气的热值和重组分含量都有规定。对较富的天然气，特别是油田伴生气和凝析气，一般都需要回收轻油，否则将不能达到商品天然气的质量要求。可以用烃露点控制气体内重组分含量和热值。3、追求最大经济效益从天然气内回收的天然气凝液（NGL），经稳定后可作为产品直接外销，或将分散在各处的NGL集中至中心气体加工厂分割成各种液体产品，以追求规模效益。以NGL为原料可分馏出各种产品，如C2、C3、C4和C5。C2主要用作化工原料生产乙烯，乙烯是有机合成产品的基础原料，可生产数百种合成材料；C3主要用做燃料，其次为化工原料；C4主要用于生产乙烯和作为车用汽油的添加剂；C3C4是液化石油气的主要成分少量C5用于化工原料，多数用于生产汽油；C5称为天然汽油。,二、凝液回收的方法,凝液回收首先要把需要凝析的组分液化，然后与以C1或C1C2为主体的气体分离。其方法主要有油吸收法、固定床吸附法和冷凝分离法等。1、油吸收法油吸收法是利用烃类互溶的特点制定的。烃类互溶的特点分子量和沸点愈接近的两种烃类互溶性愈大，分离愈难；压力愈高、温度愈低，溶解度愈大。利用烃类的互溶特性，在高压、低温下用吸收油吸收天然气内的各种组分，特别是天然气凝液（NGL）组分。吸收了各种组分的富吸收油在低压、高温下与吸收质蒸馏分离，使吸收油得到再生，循环使用。油吸收法系统压降小，对原料气预处理没有严格要求，单套装置处理量较大。但是由于油吸收法的投资和操作费用较高，因而后来逐渐被更加经济有效的冷凝分离法所取代。,1一气／气换热器；2一冷剂蒸发换热器；3一吸收塔；4一富油脱乙烷塔；5一贫油泵；6一分馏塔7一贫／富油换热器；8一空冷器；9一回流罐；10一回流泵；11一重沸器,贫油,贫油,富油,C3,冷剂蒸发换热器2用制冷剂为介质提供冷量的换热器。吸收塔3通常为板式塔，贫油与富气逆流在各层塔板上接触，气体内的较重烃类溶入吸收油。富油脱乙烷塔4两股进料，中部富油进料在热烃蒸气的汽提作用下释放出C1、C2和部分C3，顶部贫油进料的作用是再次吸收解吸组分C3。贫／富油换热器7起重沸器的作用，提供塔底热量产生烃蒸气。分馏塔6塔底温度略低于吸收油的沸点，蒸出C3。,贫气,可作为燃料或进入气体干线,2、固定床吸附法固定床吸附法是利用固体吸收剂对各种烃类的吸附容量不同而制定的。常用的固体吸附剂有硅土、分子筛、活性炭。固定床回收轻烃时，吸附周期常为2～3小时，称为“快循环”。吸附床笨重而且昂贵，固体吸附剂的再生能耗大，因而应用很少。,第二节制冷方法,一、蒸气压缩制冷二、膨胀机制冷,一、蒸气压缩制冷,蒸气压缩制冷是利用冷剂在汽化过程中从天然气吸收汽化潜热，使天然气获得低温。蒸气压缩制冷是天然气凝液回收中常用的一种制冷方法。1、制冷原理蒸气压缩制冷装置主要由四部分组成压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。,①制冷剂蒸气→压缩机→绝热压缩成为过热蒸气，压缩过程在温熵图上可用等熵线1-2表示；②制冷剂过热蒸气→冷凝器→等压冷凝成饱和液体，如图上的2-3-4线，2-3和3-4分别为过热蒸气区和气液两相区的等压线；③制冷剂液体→膨胀阀绝热节流，节流前后流体的焓值不变，液体的压力、温度降低，因为节流是不可逆过程，在温熵图上用虚线4-5表示；④节流膨胀后的低压低温冷剂→蒸发器，蒸发器实为换热器，冷剂走壳程，天然气走管程，冷剂在壳程内等压蒸发成为饱和蒸气线5-1，所需的汽化潜热由天然气提供。冷剂在装置内不断地进行上述循环，使天然气获得低温。,2、蒸气压缩制冷种类蒸气压缩制冷分为一级制冷、分级制冷、阶式制冷和混合冷剂制冷。1）一级制冷一级制冷的流程与蒸气压缩制冷的原理流程相似，但在压缩机进口设冷剂气罐，冷凝器出口设有储存液态冷剂的储罐。,2）分级制冷分级制冷可以是二级制冷、三级制冷或四级制冷。二级制冷的流程如图。,①二级压缩机2出口压力为P1的冷剂气体→冷凝器3→冷剂罐4；②冷剂经节流、压力降为P2后，有两种方式进入闪蒸分离器8，一种是直接进入8内进行气液闪蒸分离，另一种是在中压蒸发器6内为工艺流体提供冷量后进入8；③闪蒸得到的蒸气→二级压缩机入口；④液体经节流、压力降为P3→低压蒸发器7为工艺流体制冷→冷剂蒸气罐9。三级压缩制冷系统，是在二级制冷系统的基础上增加一套设备，包括压缩机、分离器、膨胀阀和蒸发器。分级制冷的级数愈多，制冷能耗愈低，但增加的设备费用愈高。,3）阶式制冷用不同常沸点冷剂逐级降低制冷温度的制冷循环称阶式制冷，或复叠式制冷。,①制冷剂丙烷→压缩机→冷凝器水冷成饱和液体，节流后部分冷剂→蒸发器蒸发-40℃把冷量传给天然气，部分冷剂→乙烯冷凝器，蒸发使增压后的乙烯过热蒸气冷凝为液体或过冷液体，两股丙烷释放冷量后汇合进丙烷压缩机，完成丙烷的一次制冷循环。②冷剂乙烯以与丙烷相同的方式工作，压缩机出口的乙烯过热蒸气由丙烷蒸发获取冷量而变为饱和或过冷液体，节流膨胀后在乙烯蒸发器内蒸发-100℃，使天然气进一步降温。③最后一级的冷剂甲烷也以相同方式工作，使天然气温度降至接近-160℃，天然气经节流进一步降温后进人分离器，分离出凝液和残余气。阶式制冷的特点是制冷温度低、气体液化率高、能耗低，但所需的设备多、投资大、制冷剂用量多、流程复杂。,1、2、3--丙烷、乙烯、甲烷压缩机；4、5、6--丙烷、乙烯、甲烷蒸发器；7、8、9---丙烷、乙烯、甲烷冷凝器。,4）混合冷剂制冷无论是分级制冷还是阶式制冷，冷剂的蒸发温度曲线呈台阶式，而天然气的温降为连续下降曲线，冷剂和天然气的温差时大时小，使得换热效率降低。利用常沸点不同的几种冷剂按比例混合构成混合冷剂，其有较宽的蒸发温度范围和连续的蒸发曲线，合理确定混合冷剂内各组分的比例，就可以使蒸发曲线尽量和天然气温降曲线匹配，从而提高换热效率。,1一压缩机；2一冷却器；3一一级分离器；4一二级分离器；5一三级分离器；6一混合冷剂换热器；7一干燥器。,①混合冷剂蒸气→压缩机→冷却器部分冷凝→一级分离器；②分出的以重组分为主的液体冷剂→换热器吸取冷量，过冷后经节流膨胀返回换热器蒸发释放冷量；③分出的气体在换热器内吸取冷量部分冷凝→温度较低的二级分离器，产生以中间组分为主的凝液。上述过程即混合冷剂部分冷凝、过冷、节流膨胀和蒸发反复进行，冷剂内的轻组分愈来愈多，蒸发或制冷温度愈来愈低，使通过换热器的天然气温度逐步降低，析出的凝液量逐步增多。流出换热器的天然气凝液和残余气混合物进凝液分离器分离。,根据制冷温度的要求，混合冷剂可由C1～C4组成，可用于天然气凝液的深度回收；混合冷剂也可以由N2和C1～C3组成，制冷温度更低（可低于-160℃以下），主要用于天然气的液化。与阶式制冷相比，混合冷剂制冷的优点是系统的流程较为简单，设备少，投资小；但由于混合冷剂内存在挥发性极强的组分，需很高压力才能凝析，所以它的缺点是压缩能耗大。此外，混合冷剂组分的合理选择和配比较难确定。,二、膨胀机制冷,蒸气压缩制冷属外部制冷，制冷剂与天然气有各自的系统，相互间只存在热量或冷量的交换。而膨胀机和节流膨胀制冷是利用天然气本身具有的压能使天然气降温制冷。膨胀机的制冷温度和制冷量都优于节流膨胀，但由于节流阀结构简单、便于调节、适用于任何气液比的流体，因而节流膨胀仍常用于气体制冷或用于冷剂制冷、膨胀机制冷的流程中。膨胀机在为天然气制冷的同时，对外界输出机械能或热能，根据输出能量形式的不同，膨胀机分为两大类，即输出外功型透平膨胀机和输出外热型热分离机。在天然气制冷中，透平膨胀机的使用更为广泛。,,利用天然气能量推动膨胀机叶轮旋转，气体在降压、降温的同时，在叶轮轴上输出外功，这种机械称透平膨胀机。1、膨胀机-压缩机机组在膨胀机轴的另一端装有吸收膨胀机输出轴功率的压缩机，称制动压缩机，用膨胀机输出的能量带动压缩机为天然气增压，膨胀机和压缩机构成机组。,膨胀机-压缩机机组由三部分组成膨胀机、压缩机、两者间的轴承和机座。,膨胀机一压缩机典型结构1一透平膨胀机；2一止推轴承油膜压力计；3一止推轴承；4一推力平衡盘；5一压缩机；6一平衡盘压力计,密封气压力约340kPa，温度在20℃左右。其作用①具有一定的高压是为了防止天然气漏泄和润滑油进入工艺气流区；②具有一定的温度是为了防止润滑油稠化。,2、透平膨胀机的结构根据气流通过膨胀机叶轮时的流动方向，透平膨胀机可分为径流和轴流两种形式。在天然气冷凝回收凝液中，径流式使用较广。在径流式膨胀机中，气流由径向流入叶轮并由叶轮流道转变为轴向流出。膨胀机的气体流通部分由四部分组成①蜗壳将气体均匀地分配至每个喷嘴，使叶轮均匀进气。②喷嘴环喷嘴的角度一般可以调节，改变气流方向和喷嘴流道面积以适应原料气流量和压力的变化并控制膨胀机出口压力。③叶轮气体进入叶轮流道后，推动叶轮旋转，气体先向心径向流动，然后轴向流出叶轮。④扩压器为流道面积逐渐增大的圆管，将气体的动能转变为压能。,3、透平膨胀机工作原理等熵膨胀，流经膨胀机的气体压力、温度下降。由分离器来的高压、低温气体通过喷嘴环进入膨胀机。近一半的膨胀机压降消耗于喷嘴上，使气体动能增加。高速气体通过叶轮时，气体膨胀使气体动能转化为轴功，带动同轴相连的压缩机。膨胀机制冷流程中，气体状态变化表示在P-T相图上，如图。,气体经换热器换热后，温度降低，在低温分离器内分出凝液，气体相图由实线变为虚线，状态由1变为2，点2处于露点线上。气体进入膨胀机等熵膨胀，状态由2变为3。（若节流膨胀制冷则2-4）,第三节冷凝分离轻烃回收工艺,一、浅冷法二、中冷和深冷法,根据凝液回收目的的不同，冷凝温度不同，所采用的方法分为浅冷法（-45℃以上）、中冷法（-45-100℃）和深冷法（-100℃以下）。浅冷法主要用于控制天然气烃露点，防止输送管线内产生气液两相；或以回收天然气内的C3为目的，降低天然气热值，增加油气田利润。浅冷法只能使天然气内C3的回收率达到中等至较大比例。欲进一步提高C3收率并回收C2，必须进一步降低天然气温度，采用中冷或深冷法。用于描述回收装置从天然气中脱出凝液能力大小的指标凝液回收率，指回收装置单位时间内凝液的摩尔量与原料气摩尔量之比。有时也常说某烷烃的回收率，如丙烷回收率，指得到的液体丙烷摩尔数与原料气内丙烷摩尔数之比。,一、浅冷法,1、影响凝液回收率的因素凝液回收率与气体组成、压力和制冷温度有关。,压力为4.1MPa温度为-23℃气体组成、温度与气体组成和压力对凝液凝液回收率的关系收率和制冷功率的影响,可见，温度愈低、气体内含可液化组分愈多、压力愈高，凝液回收率愈高。,2、节流低温分离工艺井口压力高、气流有富余压力可利用时，常用节流膨胀制冷，使天然气获得冷量，分出液态水和凝析烃，控制气体的水露点和烃露点，使之符合管输要求并降低天然气热值。3、冷剂制冷分离工艺在浅冷法中，常用的制冷剂为氨（常压沸点为-33.3℃）和丙烷（常压沸点为-42.1℃）。冷剂制冷流程有各种设计，有四种从原料气内分出天然气凝液（NGL）的常见流程。其主要区别①换热方式不同；②塔顶气排出方式不同（或掺入原料气或掺入残余气）；③稳定塔类型不同（分馏塔或提馏塔）。塔顶产品为C1和C2，塔底产品为C3。,1一气／气换热器；2一气／液换热器；3一冷剂蒸发器；4一低温分离器；5一稳定塔或分馏塔；6一重沸器；7一再压缩机；8一冷却器；,C3,C1C2,1）冷剂制冷典型流程一原料气与低温分离器来的气、液进行二级换热降温，使冷剂蒸发器的负荷降低。分离器分出的液体为原料气提供冷量后进入稳定塔上部，由于塔顶温度较高，塔顶气内仍含有一定量应回收的凝液组分，需经再压缩后进人原料气。残余气的露点由低温分离器的温度控制。适用于分离压力低于4.0MPa，原料气较贫的情况。,1一气／气换热器；3一冷剂蒸发器；4一低温分离器；5一稳定塔或分馏塔；6一重沸器；7一再压缩机；8一冷却器；9一气／制冷剂换热器,C3,C1C2,2）冷剂制冷典型流程二分离器分出的液相直接进入稳定塔上部，因而塔顶温度低于流程一，塔顶气内凝液组分较少，故利用塔顶气的冷量使制冷剂降温、再压缩后掺人残余气。稳定塔顶的温度总高于分离器温度，因而塔顶气掺入残余气后会使残余气露点升高。为保证残余气露点，流程二的分离器温度应低于流程一。适用于分离器压力较高、温度较低、原料气较富的情况。,1一气／气换热器；2一气／液换热器；3一冷剂蒸发器；4一低温分离器；5一稳定塔或分馏塔；6一重沸器；7一再压缩机；8一冷却器；9一气／制冷剂换热器；10一塔顶冷凝器；11一回流罐,C3,C1C2,3）冷剂制冷典型流程三用分馏塔使凝液稳定，塔顶有外部液相回流，组分分割效果好，因而凝液回收率高，塔顶气的露点低，可直接掺入残余气，但建设和操作成本相应提高。适用于气体处理量较大、分离器压力较高、原料气较富的情况。,1一气／气换热器；2一气／液换热器；3一冷剂蒸发器；4一低温分离器；5一稳定塔或分馏塔；6一重沸器；12一进料泵。,C3,C1C2,4）冷剂制冷典型流程四将分离器液相增压后进入稳定塔上部，由于塔压高于原料气压力，塔顶气无需压缩可直接掺入原料气内。适用于分离压力低于2.7～3.0MPa的情况。,二、中冷和深冷法,节流膨胀制冷、冷剂制冷和透平膨胀机制冷均可达到中冷和深冷温度。其中透平膨胀机制冷在天然气凝液回收领域内的使用占有主导地位。介绍两种流程常规流程和双膨胀机流程。,1一冷箱；2一低温分离器；3一膨胀机；4一脱甲烷塔,1、常规流程脱甲烷塔，没有外部塔顶冷凝器和回流，膨胀机出口的低温液体起塔顶内回流作用。从塔底附近的塔侧引出液体为原料气提供冷量，返回的气液混合物同时为塔底提供热量并产生塔底气相回流，这种在塔侧对塔内物流进行加热或冷却的分馏塔称为非常规或复杂分馏塔。,将多个换热器及其汇管、冷剂蒸发器、过冷器等集中于一个长方形或筒形外壳内，实现多股流体间换热和换冷的设备称冷箱。在冷箱内对原料气降温的冷源有多股脱乙烷塔塔顶低温气体、塔底低温液体，还有冷剂。常规流程的乙烷收率一般低于80％。,1一原料气压缩机；2、6--冷却器；3一分水器；4、5--膨胀机制动压缩机；7一凝液分离器a；8一分子筛脱水器；9一粉尘过滤器；10一冷箱a；1l一凝液分离器b；12一冷箱b；13一凝液分离器c；14一膨胀机a；15一脱甲烷塔；16一膨胀机b；17一凝液泵,双膨胀机流程乙烷收率约85％。,2、双膨胀机流程,第四节凝液的稳定切割,一、凝液稳定二、凝液切割,一、凝液稳定,减少天然气凝液（NGL）中轻组分含量，增加中间组分和重组分含量的工艺，称凝液稳定。稳定处理后天然气凝液（NGL）的蒸气压降低。根据凝液回收目的的不同，分离的轻组分不同。工业上，常用提馏塔或分馏塔对天然气凝液进行稳定处理。,1、提馏稳定天然气凝液（NGL）常用的稳定塔是冷进料提馏塔，可以是泡罩塔、筛板塔或填料塔，使用规整填料塔的较多。天然气凝液经冷却后，由塔上部进入塔，稳定后的NGL由塔底排出，部分塔底NGL经重沸器加热后产生塔底回流。塔顶气可用做燃料或增压后进入销售气管网。,1一凝液冷却器；2一捕雾器；3一降液管；4一重沸器；5一泡罩,2、分馏稳定凝液稳定也常用分馏塔进行。凝液与塔底产品换热后由塔的中部进塔；塔顶气经冷凝器冷却后进入回流罐内冷凝、分离，冷凝液用泵送回塔内作为塔顶回流；稳定后的NGL由塔底排出，部分塔底NGL经重沸器加热后产生塔底回流。,1一换热器；2一稳定塔；3一冷凝器；4一回流罐；5一回流泵；6一重沸器,与提馏稳定塔相比，分馏稳定塔能够回收较多的中间组分，所得稳定凝析油数量和质量都优于提馏稳定塔，但其相应的设备投资、操作费用和能耗也大。进料凝液内含有饱和水蒸汽，而稳定塔塔底温度高于水沸点，塔顶温度低于水沸点，水总在塔内循环、积累。因而，需在塔压下、塔温为水沸点处将水引出，以免干扰塔的正常工作，增大塔的能耗。,二、凝液切割,所谓凝液切割，是指对稳定后的天然气凝液（NGL）用分馏的方法得到纯度较高的产品。根据所要求的产品数量设置分馏塔数，流程中最后一座分馏塔的塔顶和塔底出两种产品，其他分馏塔的塔顶出一种产品。无论是浅冷法得到的C3凝液，或由中冷、深冷法得到的C2凝液，他们都是多组分混合烃液，应根据市场需求和产品设计方案，分割成各种可供使用的合格商品。凝液切割是气体加工的最后工序。,如图所示，生产丙烷、丁烷和天然汽油的流程例子，按各种烃的挥发度递减顺序排列各塔，这是最常见的一种塔的排列方法顺序流程。,C3,C4,C5,