朱 聰 張世堅(jiān) 蔣 洪

1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

朱 聰1張世堅(jiān)2蔣 洪2

1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

單塔塔頂循環(huán)(SCORE)工藝是國外廣泛采用的一種低溫分離流程,主要用于回收天然氣中丙烷及比丙烷更重組分,是在塔頂循環(huán)(OHR)丙烷回收流程基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)丙烷回收工藝,該工藝流程具有流程簡單、丙烷回收率高、系統(tǒng)熱集成度高、對(duì)氣質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。分析了SCORE工藝流程結(jié)構(gòu)、工藝原理及流程特征,流程中脫乙烷塔采用復(fù)合塔,由吸收段與分餾段組合而成,側(cè)線氣相抽出物流經(jīng)冷凝分別為吸收段提供回流和側(cè)線氣相抽出補(bǔ)充物料,低溫側(cè)線液相抽出物流預(yù)冷原料氣可降低重沸器負(fù)荷,提高系統(tǒng)熱集成度和丙烷回收率。重點(diǎn)通過實(shí)例分析塔頂回流、氣相及液相抽出物流等操作條件對(duì)SCORE流程的丙烷回收率及系統(tǒng)能耗的影響。并選取3組不同氣質(zhì)對(duì)SCORE流程進(jìn)行適應(yīng)性分析,結(jié)果表明,SCORE流程是一種回收率高、適應(yīng)性較寬的高效丙烷回收流程,值得在我國丙烷回收工程領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

SCORE 丙烷回收 流程特性 適應(yīng)性

天然氣丙烷回收工藝是指從天然氣中回收丙烷及丙烷以上重組分的低溫分離工藝,其產(chǎn)品為丙烷、丁烷及液化石油氣、穩(wěn)定輕烴。從天然氣中回收丙烷可改善天然氣產(chǎn)品質(zhì)量,保證天然氣管道輸送安全,生產(chǎn)的液烴產(chǎn)品(丙烷、丁烷及液化石油氣、穩(wěn)定輕烴)是重要的化工原料,可提高油氣田開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益。我國從20世紀(jì)70年代開始建設(shè)天然氣丙烷回收裝置,國內(nèi)油氣田已有幾十套丙烷回收裝置正在運(yùn)行,已取得一定的研究成果和裝置設(shè)計(jì)及建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。但國內(nèi)丙烷回收主要采用膨脹機(jī)制冷、冷劑制冷+膨脹機(jī)制冷工藝,存在回收工藝單一、單位產(chǎn)品能耗偏高、產(chǎn)品回收率不高、系統(tǒng)冷熱集成不合理等技術(shù)問題[1-4]。

單塔塔頂循環(huán)(Single Column Overhead Recycle,簡稱SCORE)工藝是一種用于回收丙烷及更重組分的低溫分離工藝,是Ortloff公司于20世紀(jì)90年代末在塔頂循環(huán)(Overhead Recycle,簡稱OHR)工藝的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來,并在2000年首次得到應(yīng)用的單塔凝液回收流程,現(xiàn)已有大量SCORE丙烷回收裝置在國外運(yùn)行,部分SCORE工藝應(yīng)用情況如表1所示[5]。為推動(dòng)SCORE丙烷回收工藝在國內(nèi)凝液回收裝置的應(yīng)用,本研究分析SCORE工藝流程組成、工藝原理及流程特征,通過實(shí)例模擬,分析流程中主要參數(shù)對(duì)丙烷回收率的影響,有利于工程設(shè)計(jì)人員掌握其流程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

表1 SCORE工藝在國外的部分應(yīng)用情況Table 1 Applications of SCORE process abroad

1 SCORE丙烷回收流程及特點(diǎn)

1.1 流程描述

OHR工藝流程如圖1所示。該工藝采用典型雙塔結(jié)構(gòu)(吸收塔和脫乙烷塔),低溫分離器分離氣相經(jīng)透平膨脹機(jī)組膨脹端降溫降壓后進(jìn)入吸收塔底部,脫乙烷塔塔頂氣相出料經(jīng)與吸收塔氣相出料換熱降溫后進(jìn)入吸收塔頂部,在塔內(nèi)乙烷氣化吸收制冷。吸收塔塔底液相出料經(jīng)低溫泵增壓后進(jìn)入脫乙烷塔頂部作為脫乙烷塔回流[6]。OHR工藝的主要缺陷是吸收塔底部液相出料經(jīng)低溫泵直換進(jìn)入脫乙烷塔頂部作為脫乙烷塔回流,此股物流中含有大量丙烷及丙烷以上重組分,導(dǎo)致脫乙烷塔塔頂氣相出料丙烷含量高,吸收塔中的冷凝吸收效果差,使得丙烷回收率偏低。

OHR流程中的吸收塔和脫乙烷塔在概念上可視為一個(gè)帶有中部側(cè)線抽出氣相回流的復(fù)合塔,SCORE工藝正是基于這一復(fù)合塔的概念發(fā)展而來的[7],即將吸收塔堆疊在脫乙烷塔上部,取消了吸收塔,氣體側(cè)線抽出經(jīng)脫乙烷塔塔頂氣體冷凝后作為脫乙烷塔回流,低溫液相側(cè)線抽出為原料氣降溫提供部分冷量,有效優(yōu)化熱集成,提高丙烷回收率,降低了工程投資[8]。

SCORE工藝流程圖如圖2所示。SCORE工藝中的脫乙烷塔包含兩部分,即上部的吸收段和下部的分餾段。上部吸收段中的塔盤或填料為膨脹制冷后的進(jìn)塔物料中的氣相和脫乙烷塔塔頂流下的低溫液相提供充分接觸,使得氣相中的丙烷及更重組分冷凝吸收下來。下部分餾段中的塔盤或填料則為上升的氣相物流和流下的液相物流提供充分接觸。

SCORE流程從脫乙烷塔分餾段的上部側(cè)線抽出一股液相流進(jìn)入原料氣冷箱中為原料氣提供冷量(通常這股液體可通過熱虹吸進(jìn)行循環(huán),有時(shí)也使用泵強(qiáng)制循環(huán))后[9],被加熱部分氣化為脫乙烷塔分餾段的中部進(jìn)料。脫乙烷塔的分餾段上部側(cè)線抽出一股氣相,該氣相流被脫乙烷塔塔頂氣冷卻后的冷凝液作為塔頂回流。通常當(dāng)處理量較大時(shí),將改變回流分流比,使部分回流凝液進(jìn)入分餾段上部為側(cè)線氣相抽出提供物料。

1.2 流程特點(diǎn)分析

SCORE流程將脫乙烷塔的回流由氣相側(cè)線抽出物流冷凝產(chǎn)生,液相側(cè)線抽出物流產(chǎn)生冷量以優(yōu)化系統(tǒng)熱集成。其丙烷回收率可超過97%,甚至達(dá)到99%以上。SCORE工藝對(duì)進(jìn)氣壓力大于4 MPa的運(yùn)行工況效果較佳。較富的原料氣需增加外部制冷系統(tǒng)[10]。

SCORE流程的主要特點(diǎn)有[11]:①流程采用單塔結(jié)構(gòu),取消了傳統(tǒng)雙塔流程中的吸收塔,可以有效減少投資和占地面積;②流程側(cè)線氣相抽出經(jīng)冷凝后作脫乙烷塔回流,側(cè)線抽出氣相量及丙烷含量對(duì)裝置的丙烷回收率影響較大;③流程側(cè)線液相抽出,降低了低溫分離器溫度及重沸器負(fù)荷,提高了系統(tǒng)熱集成度。

2 SCORE流程特性分析

與常規(guī)的雙塔丙烷回收流程相比,主要區(qū)別在于SCORE流程控制合理的側(cè)線氣相抽出量、側(cè)線液相抽出量和脫乙烷塔塔頂回流的兩股分流量。為分析這些因素對(duì)于SCORE流程丙烷回收率和能耗的影響,采用HYSYS軟件對(duì)SCORE流程進(jìn)行了模擬分析。其模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下:處理規(guī)模500×104m3/d;進(jìn)料壓力6 MPa;外輸壓力9 MPa;進(jìn)料溫度30℃。原料氣組成如表2所列。

2.1 側(cè)線液相、氣相抽出量的影響

依據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù),模擬分析SCORE流程側(cè)線液相抽出對(duì)系統(tǒng)熱集成的影響。側(cè)線液相抽出量對(duì)系統(tǒng)熱集成的影響如圖3所示。由圖3可知,側(cè)線液相抽出越多,原料氣預(yù)冷越充分,低溫分離器溫度越低,原料氣回收的冷量相應(yīng)增加。當(dāng)側(cè)線液相抽出量從500 kmol/h增加到900 kmol/h時(shí),低溫分離器溫度降低了2.6℃,入口冷箱中原料氣從側(cè)線液相抽出中回收的冷量增加了840 k W。

表2 原料氣組成Table 2 Feed gas composition

側(cè)線液相的抽出量經(jīng)原料氣加熱氣化后可補(bǔ)充吸收段下部的側(cè)線氣相抽出,一定的側(cè)線液相抽出量對(duì)應(yīng)合理的側(cè)線氣相抽出量及丙烷回收率,不同側(cè)線液相抽出量對(duì)應(yīng)的最大側(cè)線氣相抽出量及丙烷回收率如圖4所示。由圖4可知,側(cè)線液相抽出量的增加可以顯著提高側(cè)線氣相抽出量并大幅提高丙烷回收率,當(dāng)側(cè)線液相抽出量從400 kmol/h增加到1 000 kmol/h時(shí),最大側(cè)線氣相抽出量可從700 kmol/h增加到1 550 kmol/h,使得丙烷回收率從82%提高到98%。

2.2 脫乙烷塔塔頂回流比的影響

脫乙烷塔塔頂兩股分流對(duì)SCORE流程也有一定的影響,如圖5所示。由圖5可知,控制側(cè)線液相抽出量在900 kmol/h,側(cè)線氣相抽出量越多,塔頂回流比(塔頂回流量/回流罐分離液相量)對(duì)丙烷回收率的影響越大,側(cè)線氣相抽出量越多,塔頂回流比可適當(dāng)減少,在滿足脫乙烷塔上端吸收段冷凝吸收作用所需的回流量下,增大下部回流用于補(bǔ)充氣相抽出量,可進(jìn)一步提高丙烷回收率。

由前述可知,側(cè)線抽出量越大,丙烷回收率越高,但處理量不同,側(cè)線氣液相抽出量變化較大。在保證SCORE流程具有高回收率(＞98%)條件下分析SCORE流程側(cè)線抽出規(guī)律。由圖6可知,隨著原料氣處理量的增加,側(cè)線氣相抽出量和液相抽出量均近似線性增長,不同處理量下側(cè)線氣相抽出比和液相抽出比均高于0.90,且變化不大(約0.95)。由此可見,大量的側(cè)線抽出是SCORE流程的主要特征。

經(jīng)上述對(duì)SCORE流程主要特性參數(shù)的研究,在保持高回收率的條件下,對(duì)所提供氣質(zhì)工況下的主要模擬參數(shù)見表3。

表3 SCORE流程主要模擬參數(shù)Table 3 Main simulation parameters of SCORE process

3 SCORE流程對(duì)不同工況和氣質(zhì)適應(yīng)性模擬分析

為分析SCORE流程的適應(yīng)性,選擇3種不同進(jìn)料條件和氣質(zhì)組成的原料氣進(jìn)行對(duì)比分析,其進(jìn)料條件及氣質(zhì)組成如表4所示。

通過3種不同貧富氣質(zhì)對(duì)SCORE流程進(jìn)行模擬計(jì)算,控制合理的側(cè)線氣相和液相抽出量及塔頂回流比,其計(jì)算結(jié)果如表5所示,模擬結(jié)果分析如下:

(1)SCORE流程對(duì)于3種氣質(zhì)均具有較好的適應(yīng)性,丙烷回收率均高于98%。

(2)氣質(zhì)的組成對(duì)SCORE流程側(cè)線液相抽出比影響較小,均高于0.90。

表4 3種原料氣進(jìn)料條件及氣質(zhì)組成Table 4 Condition and gas composition of three kinds of feed gas

(3)氣質(zhì)的組成對(duì)側(cè)線氣相抽出比影響較大,原料氣氣質(zhì)越富,側(cè)線氣相抽出比相應(yīng)減少。針對(duì)計(jì)算條件C進(jìn)行了詳細(xì)模擬分析,側(cè)線氣相抽出量對(duì)脫乙烷塔回流溫度及丙烷回收率的影響如圖7所示。由圖7可知,原料氣較富,側(cè)線氣相抽出物流隨之變富,隨著側(cè)線抽出量的增加,脫乙烷塔回流溫度升高,吸收段的冷凝吸收效果變差,導(dǎo)致丙烷回收率下降。故當(dāng)氣質(zhì)富到一定程度后,SCORE流程需要減小側(cè)線氣相抽出比以保證丙烷回收率。

(4)3種氣質(zhì)的脫乙烷塔塔頂回流比控制在0.4～0.6,脫乙烷塔塔頂回流比應(yīng)根據(jù)不同氣質(zhì)工況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

表5 不同氣質(zhì)下的SCORE流程主要模擬參數(shù)Table 5 Main simulation parameters of SCORE processwith different characteristic of natural gas

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)SCORE的流程特性分析,側(cè)線液相抽出可提高SCORE流程的熱集成度,增大側(cè)線液相抽出量可回收大量冷量,有效降低低溫分離溫度,提高丙烷回收率。側(cè)線氣相抽出量越多,可減小脫乙烷塔塔頂回流比,有助于提高回收率。隨著原料氣處理量增加,側(cè)線氣相和液相抽出量呈線性增長,而對(duì)于較貧氣質(zhì)的側(cè)線氣相和液相抽出比均高于0.90,且變化很小。

(2)采用SCORE流程對(duì)3種不同氣質(zhì)進(jìn)行適應(yīng)性分析發(fā)現(xiàn),SCORE流程對(duì)于不同氣質(zhì)均具有較好的適應(yīng)性(丙烷回收率大于98%)。氣質(zhì)的貧富對(duì)SCORE流程側(cè)線液相抽出比影響較小,而對(duì)側(cè)線氣相抽出比影響較大。

(3)經(jīng)過對(duì)SCORE流程的特性及適應(yīng)性分析認(rèn)為,SCORE流程是一種回收率高、適應(yīng)范圍較寬的高效丙烷回收流程,可在我國凝液回收工程領(lǐng)域推廣使用。

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Simulation and analysis of SCORE propane recovery process

Zhu Cong1,Zhang Shijian2,Jiang Hong2
1.School of Mechanical and Electrical Engineering of Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan,China;2.School of Oil and Natural Gas Engineering of Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan,China

SCORE(Single Column Overhead Recycle)process is a cryogenic-separation process which is widely used abroad and mainly for recovery of propane and heavier compositions in natural gas.SCORE process is improved from OHR(Overhead Recycle)process,and it has characteristics of simple flow,high propane recovery,well integrated system,strong adaptability for natural gas with different richness.The SCORE process structure,principles and characteristics are analyzed in this article.Composite column consisting of absorbing section and stripping section has been adopted in SCORE process.A with-drawn gas flow is cooled and its condensate for reflux of absorbing section and feed of with-drawn gas flow.The feed gas is cooled by cryogenic with-drawn liquid flow which results in lower reboiler energy consumption,better integration of system and higher propane recovery.Effects of operating conditions such as column overhead reflux,with-drawn gas and liquid flow on SCORE process propane recovery and system energy consumption are analyzed in this article by actual cases.Three sets of natural gases with different richness are selected to study SCORE process adaptability,and the results show that SCORE process is an efficient recovery process with high propane recovery and wide range of adaptability.And it is worthy of promotion in propane recovery engineering field in our country.

SCORE,propane recovery,process characteristic,adaptability

朱聰(1966-),女,西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授,主要從事天然氣集輸處理方面的研究。E-mail:1416977440@qq.com

TE962

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.06.007

2017-07-18;編輯:康 莉