轻烃回收工艺技术发展现状

张东华;贺瑞萱

【摘 要】利用轻烃回收将天然气中相对甲烷或乙烷更重的组分以液态形式回收,既满足了外输天然气的烃露点要求,又回收了高价值的液态烃作为燃料和化工原料,保障了安全生产且提高了经济效益.本文对各个轻烃回收方法的特点以及国外先进轻烃回收技术进行了介绍,并阐述了我国轻烃回收工艺存在的问题,在此基础上提出了提高轻烃回收率的方法,为实际生产提供参考. 【期刊名称】《广州化工》 【年(卷),期】2014(042)008 【总页数】4页(P22-25)

【关键词】轻烃回收;方法;现状;回收率 【作 者】张东华;贺瑞萱

【作者单位】西安石油大学化学化工学院,陕西 西安710065;长庆油田分公司第四采气厂,陕西 西安710000 【正文语种】中 文 【中图分类】TE5

在油气田开发过程中，为了满足天然气质量标准相关的烃露点要求，必须从天然气尤其是含重烃较多的油田气中脱除重烃组分。轻烃回收装置就是用于回收原油伴生气或天然气中丙烷(或乙烷)及以上重烃组分，并将这些重烃组分分离成液化石油气、

稳定轻烃、净化天然气及其他有机化工原料的装置［1］。轻烃回收的主要产品是干气、液化气和轻油。干气具有很好的热值;液化气供应民用，也可作为生产乙烯的原料;轻油可用于生产汽油、溶剂油和化工原料。从天然气中分离出来的乙烷可用于代替石脑油作为生产乙烯的原料。美国、加拿大、墨西哥、法国等利用天然气分离得到的丙烷、丁烷生产丙烯、丁二烯以及合成醋酸、甲酸等基础产品，进一步加工成用途广泛的有机化工产品［2］。

进行轻烃回收可以改善天然气的质量，降低天然气的露点，防止天然气在输送过程中液体烃的凝结，阻塞管道，减少油气损耗，还能减少大气污染，对提高天然气的整体经济和社会效益，具有重要的现实意义［3］。 1 轻烃回收方法

轻烃回收工艺方法概括起来主要包括:吸附法、油吸收法和低温分离法。 1.1 吸附法

吸附法是利用固体吸附剂 (如活性氧化铝和活性炭)对各种烃类吸附容量不同，而使天然气中各组分得以分离的方法。该法一般用于重烃含量不高的天然气和伴生气的加工过程，一般只限于小气量的天然气。在吸附过程中一直要进行到吸附剂被重烃所饱和，然后停止吸附;而通过少量的热气流，将吸附床上的烃类脱附，经冷凝分离出所需的产品。吸附法具有工艺流程简单、投资少的优点，但它不能连续操作，且运行成本高，产品范围局限性大，并且吸附剂的吸附容量等问题未能得到很好的解决，因此无论过去还是现在该法在世界范围内都没得到广泛的应用［4］。 1.2 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差异，而使不同的烃类得以分离。根据操作温度的不同，油吸收法可分为常温吸收和低温吸收。常温吸收多用于中小型装置，而低温吸收是在较高压力下，通过外部冷冻装置冷却的吸收油与原料气直接接触，将天然气中的轻烃洗涤下来，然后在较低压力下将轻烃解吸出来，解

吸后的贫油可循环使用，该法常用于大型天然气加工厂。采用低温油吸收法(图1)C+3收率可达到85%～90%，C2收率可达到20%～60%。油吸收法广泛应用于20世纪60年代中期，但由于其工艺流程复杂，投资和操作成本都较高，20世纪70年代后，已逐步被更合理的冷凝分离法所取代［5］。 图1 低温油吸收法原理流程图 1.3 低温分离法

低温分离法是利用原料气中各烃类组分冷凝温度的不同，通过将原料气冷却至一定温度从而将沸点高的烃类冷凝分离并经过凝液精馏分离成合格产品的方法。该方法最根本的特点是需要提供较低温位的冷量使原料气降低温度，该方法具有工艺流程简单、运行成本低、轻烃回收率高等优点，目前在轻烃回收技术中处于主流地位［6］。低温冷凝分离法包括:冷剂制冷、膨胀机制冷、热分离机制冷及复合制冷法。由于目前开发的热分离机效率低、适应性和技术性能差等原因，利用较少。 (1)冷剂制冷法

冷剂制冷法分为吸收式制冷和压缩式制冷两种。吸收式制冷的特点是直接利用热能制冷，目前在轻烃回收中应用很少;压缩式制冷是一种相变制冷，即利用液体冷剂汽化成气体时的吸热效应制冷。冷剂有氨、丙烷或乙烷，由于丙烷可以由轻烃装置自行生产，且其制冷系数大，制冷温度一般可以达到－35～－30℃，故在轻烃回收中广泛应用［8］。

冷剂制冷法的优点是天然气冷凝分离所需要的冷量由的外部制冷系统提供，该法制冷量不受原料气程度的，对原料气的压力无严格要求，装置运行中可改变制冷量的大小以适应原料气量、原料组成的变化以及季节性气候温度的变化。在我国，大多数浅冷装置都采用丙烷制冷法。 图2 冷凝分离回收工艺原理流程图 (2)膨胀制冷法

膨胀制冷法应用的前提条件是原料气与外输干气是否有一个较高的压力差可以利轻烃回收系统的模拟研究与应用，其原理是通过膨胀机将气体的压力能转化为机械能并产生冷量。膨胀制冷法的特点是流程简单、设备数量少、维护费用低，占用地少，适合于较贫原料气。我国采用单纯的膨胀制冷工艺(ISS)轻烃回收装置，规模一般较小，且都采用中低压膨胀机，膨胀比较小，制冷温度一般仅能达到－20～－60℃，也有部分装置制冷温度达到－70～86℃。为了获得更大的轻烃收率，或者有更高的原料气压力资源利用时，可采用多级膨胀工艺(MTP)［9］，以满足更低的制冷温度要求。 (3)复合制冷法

复合制冷法采用两种或两种以上的制冷方式进行轻烃回收，其目的是最大限度地从天然气中回收轻烃。若要求更低的温度，用单一的制冷方法很难达到，用膨胀机制冷能达到温度要求，但是由于膨胀机的带液温度，对富含重烃的天然气仍不适宜。这时往往采用复合制冷法，即冷冻循环的多级化和混合冷剂制冷以及膨胀机加外冷的方式来实现［10］。目前，轻烃回收工艺上应用最多的是外加冷剂循环制冷作为辅助冷源，膨胀制冷作为主要冷源，并采用逐级冷冻和逐级分离冷凝液体的措施来降低冷量消耗和提高冷冻深度，以达到较高的冷凝率，最大限度地回收天然气中的轻烃。

复合制冷法具有许多优点:首先，冷源有两个或两个以上，因此装置的运转适应性较大，即使在外加冷源系统发生故障时，装置也能保持在一定的收率下继续运行;其次，复合制冷法中外加制冷系统比冷剂制冷法要简单，外加制冷系统仅仅须解决高沸点烃类的冷凝问题;复合制冷法不仅可以提高丙烷的收率，还能达到较高的乙烷收率，同时还可大大减少装置的整体能耗。因此在处理油田气时，设计冷剂循环制冷作为辅助冷源是一种很好的技术方案［11］。 2 国内外轻烃回收工艺发展现状

2.1 国外轻烃回收工艺发展现状

国外的轻烃回收工艺技术始于美国在1904年建立的第一座轻油回收工厂，到目前己有近一百多年的历史。国外轻烃回收工艺技术较先进，一些国家在提高加工深度、增加轻烃收率、合理利用油气资源上都取得了显著的成就。自20世纪70年代以来，国外轻烃回收技术以节能降耗、提高轻烃收率为目的，以低温分离法为主，向投资少、深分离、高效率、低能耗、撬装化、自动化等方向发展。在此基础上对轻烃回收装置进行一系列改进，出现了许多新工艺。这些新工艺主要是在膨胀制冷法流程和冷剂制冷法流程的基础上加以改进而发展起来的。 (1)混合冷剂制冷工艺

混合冷剂制冷 (MRC)工艺使用的冷剂可根据冷冻温度的高低要求来配置冷剂的组分与组成，混合冷剂一般以乙烷、丙烷为主［12］。压力一定时，混合冷剂在一个温度范围内随着温度逐渐升高而逐步汽化，因而在换热器中与被冷却的天然气的传热温差很小，故其效率高。若原料气与外输干气压差小，或原料气较富的情况下，采用混合冷剂制冷工艺更为有利。 (2)轻油回流

轻油回流是利用油的吸收作用，通过增加1台轻油回流泵将液化气塔后的部分轻油返注入蒸发器之前，提高液化率。这一方法增加了制冷系统的冷负荷，但与提高分离压力相比所需的能耗较低，对外冷法工艺不失为一种简单有效的方法。研究表明，轻油回流主要用于外冷浅冷工艺，且在较低压力下的经济效益比在较高压力下显著。

(3)过冷工艺(GSP，LSP)

过冷工艺包括气体过冷工艺(GSP)和液体过冷工艺(LSP)，是对工业标准单级膨胀制冷工艺(ISS)和多级膨胀制冷工艺(MTP)的改进。

GSP工艺是针对较贫气体(＜100 mL/m3)处理装置而改进的工艺，采用GSP工艺

可以在保持较高C2收率的情况下，使原料气中CO2的容许含量高于膨胀制冷工艺的容许含量，而且所消耗的功耗较低。

LSP工艺是针对较富气体(＞400 mL/m3)处理装置而改进的工艺，Ortloff公司对LSP工艺作过论证，证明采用LSP技术可以减少常规流程的高压和低温，从而节省功率，该工艺还能处理含CO2较多的天然气，而不用专门设置脱除CO2的设施［13］。

图3 气体过冷工艺(GSP)流程图 图4 液体过冷工艺(LSP)流程图 (4)DHX工艺

DHX工艺又称为直接换热工艺，是加拿大埃索资源公司(Esso Resources Canada Ltd.)于1984年首先提出并在 Judy Creek装置上得以实践，并获得成功的新工艺［14］。国内也将DHX工艺称为重接触塔技术。一套常规的ISS膨胀制冷装置改造采用DHX工艺，在相同条件下可使C3收率由72%提高到95%。该工艺的实质是脱乙烷塔回流罐的液烃经换热、节流降温后进入DHX塔，吸收膨胀机出口低温分离器出来的气相中的组分，从而提高C3收率。

实践证明，若不回收乙烷，利用DHX工艺可以很容易地对现有的膨胀制冷流程加以改造，多数情况下其改造所用投资较少。 图5 直接换热法工艺(DHX)流程图 (5)膜分离技术

近年在国外膜分离技术应于气体分离有较大发展。用于气体分离的膜材料按材质分为多孔质膜和非多孔质膜。它们的渗透机理完全不同:多孔质膜分离是依靠各种气体分子渗透速度的不同达到分离日的;而非多孔质膜分离属溶解扩散机理。气体渗透过程分为二个阶段:气体分子溶解于膜表面;溶解的气体分子在膜内扩散、移动;气体分子从膜的另一侧解吸。目前轻烃回收包括其它气体分离上常用的是非多孔质膜。

美国GRACE公司在德克萨斯州用膜分离装置处理1～3次采油的高含重烃，压力为3.45 MPa，处理量为3.48×104m3/d的装置，轻烃收率≥97%［15］。膜分离技术在轻烃回收方面的应用具有很好的发展前景。据国外预测:气体分离膜将是21世纪产业的基础技术之一。 2.2 我国轻烃回收工艺的进展

我国的天然气轻烃分离分离技术起步较晚，四川约在20世纪60年代开展了从天然气中分离、回收C+3液体产物的试验工作，仅相当于国外20世纪30～40年代“天然气汽油”时代。由于工艺技术的，轻烃回收率很低，回收的产品仅仅作为工业或民用燃料，发展缓慢。到20世纪70～80年代，随着北方各大油田的陆续开发，油田伴生气也登上了加工的舞台，天然气加工对象扩大到C+2产物。近年来，随着我国石油工业的飞速发展和世界的石油能源危机，使天然气及轻烃的需求量急剧增长，促进了我国轻烃回收技术的发展［16］。在引进、吸收、消化国外先进回收工艺技术的基础上，设计出了适合我国油气田特点的轻烃回收工艺技术方法。

尽管我国的轻烃回收技术水平取得了较大的进步，但是与国外先进技术还有一定的差距。国内设计的轻烃回收装置，特别是一些早期建成的装置仍然存在许多问题。具体表现在几个方面:

(1)回收工艺方法选择不当，主要工艺参数设计不合理，造成装置液烃回收率较低，工程投资大，生产成本高，整套装置的经济效益差;

(2)压缩机、制冷机组运行参数未能达到设计要求，造成冷凝压力偏低、冷量不足，使冷凝分离出来的液烃量减少。同时脱乙烷塔塔顶冷量提供不足，造成塔顶温度偏高，使冷凝下来的液烃被损失，产品收率低;

(3)国内轻烃回收装置是以回收丙烷以上组分的烃类为主，由于深冷工艺的装置少和制冷工艺的单一，装置对原料气组分、压力及气候条件等变化的适应性差;

(4)过程控制方案没有从整体优化，先进的集散控制系统未能得到遍应用。目前，轻烃装置主要以满足工艺过程为主，对降低生产成本、节能降耗、生产操作管理考虑不够;设备维护和管理水平不高，装置开工率较低。 3 提高轻烃回收率的主要途径

提高轻烃回收率的途径归纳起来为有优化操作参数、改变制冷方法、推广应用新技术［17］。 3.1 优化操作参数

天然气组成、分离温度和系统压力都要影响天然气中C3、液化率即轻烃收率。在相同温度、压力条件下，气体组分越富，液化率越高;对同一种天然气，增压、降温均有利于液化率的提高。因此，可以采用平衡计算方法绘制C3，C3+与温度、压力的关系曲线，适时调整、优化操作条件，提高轻烃收率。 (1)优化原料气组成

由于在温度、压力不变的条件下、原料气组成越富，液化率越高，所以在处理贫气时，如果条件许可，可将原油稳定气、大罐挥发气引入轻烃回收装置来改变原料气的组成，使之变富。同时，利用采用轻油回流法，利用油的吸收作用，通过增加一台轻油回流泵将液化气塔底的部分轻油返注入蒸发器之前，从而提高回收率。这一方法虽增加了制冷系统的冷负荷，但与提高分离压力相比所需的能耗较低，对外冷法工艺不失为一种简单有效的方法。 (2)优化系统压力

在进行轻烃回收工艺设计与运行操作时，根据原料气的液化率与温度压力关系曲线来确定最佳系统压力是非常重要的。一般而言，采用三级或三级以上压缩是不适宜的，但若原料气压力较低时，采用增压方法以提高的液化率是非常经济可行的。 (3)优化系统冷凝温度

在原料气组成和分离压力一定时，冷凝温度越低，C2、、C3和C3+液化率越高，

降低温度是提高液化率的有效手段，但过低的温度一方面会造成甲烷或乙烷的液化率上升幅度增加，增加能耗和操作成本，另一方面会造成设备投资大大增加。因此，在进行轻烃回收工艺设计与运行操作时，根据原料气的液化率与温度压力关系曲线来确定最佳系统冷凝温度也是至关重要的。 3.2 改变制冷方法

从发展角度看，采用复合制冷法是提高轻烃收率的很好途径。其典型例子是丙烷制冷加膨胀机制冷，冷凝温度可达－80～－100℃，使轻烃收率达到较高水平。近两年新建的中深冷装置大部分采用了复合制冷方式，C2收率可达75% ～85%。 3.3 开发利用新技术

近几年国外开发利用多种轻烃回收新技术，在节能降耗，提高轻烃收率方起着重要的作用，引进、吸收、再次开发利用这些新技术是提高我国轻烃回收技术水平的一条很有发展前景的新路子。可以针对原料气的组成，压力和处理量等条件，选择适宜的新工艺技术，如轻油回流技术，马拉 (Mehra)法油吸收技术，气体过冷工艺(GSP)技术、液体过冷工艺 (LSP)技术、直接换热 (DHX)工艺技术、涡流管技术及膜分离技术等［18］。

另外还可通过工艺改进，尽可能地回收利用轻烃回收装置内的冷量，如低温干气将原料气先预冷后再外输，也可从脱甲烷塔或脱乙烷塔下部引出低温液体将原料气进行预冷等方法。一方面可以降低装置能耗，同时也可达到提高所要回收轻烃的液化率。此外，选用高效的分离器，精馏塔和冷换设备以及效率高，运行周期长，安全可靠的膨胀制冷设备，也会对提高轻烃回收率有很大好处。 参考文献

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