联产轻烃回收与LNG提氦工艺设计与模拟

肖荣鸽 ,  李雨泽 ,  刘亚龙 ,  刘鸿嘉

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (1) : 239 -244.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (1) : 239-244. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.01.041
工业技术

联产轻烃回收与LNG提氦工艺设计与模拟

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Simulation and analysis of light hydrocarbon recovery combined with LNG helium extraction process

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摘要

为了降低单一工艺中提氦的能量消耗及设备成本、使氮气循环膨胀制冷提供的冷量得到更加充分的利用,将自产冷剂制冷+膨胀制冷+冷箱集成换热的直接换热(DHX)轻烃回收工艺与天然气低温提氦工艺相结合,设计出一种可以同时生产C3+、粗氦以及LNG的联产工艺。通过对关键参数影响因素分析,确定了膨胀机出口的压力为1.2 MPa、DHX塔顶回流温度为-70℃、一级提氦塔进料温度为-50℃、压缩泵出口压力为5 MPa、低温分离器进料温度为35℃、制冷剂流量为4 000 kmol/h。模拟计算得出,联产工艺C3+回收率为78.95%、粗氦回收率为93.77%、粗氦浓度为60.43%、LNG产量为663.84 kmol/h。联产工艺与单一工艺相比总压缩机能耗降低了12.95%、单位综合能耗降低14.10%。研究表明,联产轻烃回收与LNG提氦工艺在能耗和投资成本方面具有较大优势,具有一定的经济价值。

Abstract

In order to reduce the energy consumption and equipment cost of helium extraction in a single process and make full use of the cooling energy provided by nitrogen cycle expansion refrigeration,the direct heat transfer (DHX) process for light hydrocarbon recovery,with self-produced refrigerant refrigeration + expansion refrigeration + cooling box integrated heat transfer,is combined with the low temperature natural gas helium extraction process to design a co-production process for producing C3+,crude helium and LNG simultaneously.Through analyzing the influencing factor of key parameters,it is determined that the pressure at the outlet of the expander is 1.2 MPa,the reflux temperature at the top of DHX tower is -70℃,the feed temperature for the first-stage helium-extracting tower is -50℃,the pressure at the outlet of the compression pump is 5 MPa,the feed temperature for the cryogenic separator is 35℃,and the refrigerant flow rate is 4 000 kmol·h-1.Simulation results show that the recovery rate of C3+ is 78.95%,the recovery rate of crude helium is 93.77%,the concentration of crude helium is 60.43%,and the output of LNG is 663.84 kmol·h-1.In addition,total compressor energy consumption of the co-production process is 12.95% lower than that of the single process,and the unit comprehensive energy consumption is 14.10% lower.Study shows that the light hydrocarbon recovery combined with LNG natural gas helium extraction process has great advantages in energy consumption and investment cost,presenting a certain investment value.

Graphical abstract

关键词

轻烃回收 / 能耗 / 氮气膨胀 / HYSYS / 提氦

Key words

light hydrocarbon recovery / energy consumption / nitrogen expansion / HYSYS / helium extraction

Author summay

肖荣鸽(1978-),女,博士,教授,研究方向为天然气处理与加工、油气田地面工程与多相管流技术等,

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肖荣鸽,李雨泽,刘亚龙,刘鸿嘉. 联产轻烃回收与LNG提氦工艺设计与模拟[J]. 现代化工, 2025, 45(1): 239-244 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.01.041

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氦气在医疗、电子、半导体、气象、科研等领域有广泛应用,在我国存在较大的需求。然而,氦气的全球供应相对有限,主要由少数国家生产,因此全球氦气市场一直备受关注。我国的氦气生产主要依靠深冷法从天然气里提炼[1],国内氦气资源量约 11×108 m3,仅占全世界的2.1%[2],有95%的氦气需要依赖进口,自给自足仍然面临巨大挑战[3]
由于单一提氦方法存在耗能大、提氦效率低以及生产成本高等问题,因此通常将各提氦技术联合,利用各技术特点,以提高氦气生产的经济性。肖荣鸽等[4]建立了联产LNG天然气低温提氦工艺,该工艺有效提高氦气回收率和纯度,降低了能耗和投资成本。荣杨佳等[5]研究了天然气轻烃回收与提氦联产工艺,提出了自产冷剂制冷+膨胀制冷+冷箱集成换热的直接换热-闪蒸提氦联产工艺。张亮亮等[6]提出了一种与液化天然气产业联产氦气的新方法,该方法有望使国内不具备工业提取价值的氦资源重新得到利用。周军等[7]将乙烷回收工艺与深冷-膜分离提氦工艺相结合,得到联产乙烷的天然气深冷-膜分离提氦技术。由于多技术组合方法更适合我国国情,因此将各种提氦方法联合,并尽可能地考虑多产品的联产,可在很大程度上降低能耗和设备投资费用[8]
本研究将DHX轻烃回收工艺与天然气低温提氦工艺相结合,建立了联产轻烃回收与LNG提氦工艺,使用Aspen HYSYS软件,对上述工艺进行模拟,通过经济性分析验证设计的可行性。

1 单一流程描述及模拟

将某天然气处理厂净化后的天然气作为联产工艺的原料气,处理后的天然气组成如表1所示,原料气压力为6.0 MPa,温度为20℃,处理规模为 5×105 m3/d,其中氦气体积分数为0.21%。

1.1 DHX轻烃回收流程及模拟

现有LNG轻烃回收工艺的相关研究主要是针对如何分离天然气当中的甲烷和乙烷,以及从㶲分析角度研究系统的能量问题[9]。考虑到DHX工艺具有较高的轻烃回收率且工艺装置灵活适应性更强[10],本文中采用DHX轻烃回收工艺并对其模拟,如图1所示,模拟结果如表2表3所示。
原料天然气经换热器冷却至-10℃。进入低温分离器进行气液分离后,一股从顶部排出,另外一股从低温分离器底部排出,与重接触塔底部排出的液体共同进入脱乙烷塔;塔顶排出的气体与脱乙烷塔塔顶气体共同进入重接触塔,重接触塔塔顶排出的气体经2次换热后外输;从液化气塔塔底部排出液体,经过稳定处理后得到轻烃,从顶部排出的气体精馏后得到液化石油气外输。

1.2 天然气低温提氦流程及模拟

天然气低温提氦流程将传统天然气液化工艺[11]和天然气提氦工艺[12]集成,使得氮气循环膨胀提供的冷能可以得到充分利用,减少了设备投资和资源浪费,并且大幅提高了氦气浓度,有利于降低后续生产精氦所需要的能耗[13]
采用混合冷剂制冷和氮气循环制冷工艺为流程提供冷量,通过换热器、一级提氦塔和二级提氦塔对原料天然气中的氦气进行浓缩,使得气相物料中氦气浓度升高,并且通过低温分离器生产LNG,工艺模拟如图2所示,模拟结果如表4表5所示。

2 联产轻烃回收与LNG提氦工艺流程设计及模拟

2.1 联产轻烃回收与LNG提氦工艺流程设计

联产轻烃回收与LNG提氦工艺流程包括轻烃回收、天然气提氦、天然气液化以及氮气循环膨胀制冷4个模块。工艺流程如图3所示,原料气经过换热后在分离器中分为气液两相,液相在冷箱中升温后直接进入脱乙烷塔T-102参与分离C1、C2,气相经过DHX塔T-101与脱乙烷塔T-102塔顶回流罐V-102分离的气体一同换热后脱出部分C1、C2,脱乙烷塔T-102塔底液相通入脱丁烷塔T-103进一步分离,得到稳定的轻烃和液化气。DHX塔T-101塔顶气体经过换热器LNG-102后进入一级提氦塔T-104,塔顶的富氦气体流入二级提氦塔T-105进一步提高氦气浓度,并通过多级换热得到粗氦产品,塔底液相通过换热器LNG-102利用低温分离器得到LNG产品。

2.2 联产轻烃回收与LNG提氦工艺流程模拟

使用Aspen HYSYS对联产工艺进行模拟,PR方程在气液两相流计算当中拥有较高精度,因此采用PR方程作为物性计算方法。联产轻烃回收与LNG提氦工艺参数如表6所示,工艺模拟如图4所示。

2.3 模拟结果

关键流股数据如表7所示,主要设备能耗如表8所示。

2.4 联产轻烃回收与LNG提氦工艺与单一工艺的比较

与单一流程相比,联产轻烃回收与LNG提氦工艺具有以下优势:①将工艺流程整合,实现多种产品的回收,在提取C3+和粗氦的同时,一级提氦塔塔底液相还可以进一步液化生成LNG。②换热一体化,将氮气循环膨胀制冷的预冷换热器与流程中的独立冷箱合理组合,形成多股换热器,使生产出的氦气冷量得到充分回收利用,达到了节约能量的目的,一定程度上降低了设备的热负荷。
将上述联产工艺的模拟结果与单一工艺进行对比,如表9所示,在总压缩机能耗以及综合能耗方面,联产轻烃回收与LNG提氦工艺较单一工艺总压缩机能耗下降12.95%,综合能耗降低14.10%,节能效果明显。

3 关键参数分析

联产轻烃回收与LNG提氦工艺涉及诸多设备。因此,利用膨胀机出口压力、DHX塔顶液相回流温度、一级提氦塔进料温度、氮气制冷剂高压以及流量等关键参数,对C3+回收率、粗氦回收率、LNG回收率及总能耗的影响进行分析[14]

3.1 膨胀机出口压力的影响

重接触塔(DHX塔)在实际生产过程中塔板数和物料进口位置不能实时更改,重接触塔压力与膨胀机膨胀端出口压力持平,所以在生产过程中往往通过调整膨胀端出口压力来对重接触塔压力进行调整[15]
膨胀端K-100出口压力由1 150 kPa升至 1 300 kPa的过程中,C3+的回收率从79.12%降到了78.64%,总能耗从37 120 kPa降到了36 810 kPa,粗氦和LNG的回收率基本不变,如图5所示。虽然压力增加会对产品液化产生有利影响,但因膨胀机膨胀端出口压力增加而导致的重接触塔温度升高对产品液化的有利影响要远远小于压力增加的不利影响,因此C3+回收率与重接触塔压力会呈现负相关[16],根据图5确定膨胀机出口压力1.2 MPa。

3.2 DHX塔顶液相回流温度的影响

DHX塔是轻烃回收的关键设备,塔顶的回流液烃直接与原料气换热,回流温度会直接影响DHX塔的吸收效果,从而影响C3+回收率[17]。回流温度从-70℃升至-30℃的过程中,C3+的回收率从79.17%缓慢降至78.71%,总能耗从37 103.6 kPa降至 36 889.8 kPa,如图6所示。过高的温度会减少DHX塔底液相中轻烃组分,从而使得C3+的回收率及DHX塔底再沸器功率降低,根据图6确定DHX塔顶回流温度为-70℃。

3.3 一级提氦塔进料温度的影响

控制一级提氦塔T-104进料温度范围-70~-25℃,粗氦的回收率从94.73%降至93.52%,同时总能耗也从38 483.2 kW下降到36 701.2 kW,LNG和C3+的回收率基本保持不变,如图7所示。当进料温度升高时,一级提氦塔塔底再沸器为了使多余气体回流,塔内所提供的热量减少,导致塔底再沸器的能耗随之下降。根据图7确定一级提氦塔进料温度为-50℃。

3.4 压缩泵出口压力的影响

图8所示,随着泵P-100出口压力的升高,C3+的回收率略微增加,LNG和粗氦的回收率基本保持不变,而总能耗仅增长70 kW,并且在压力到达 5 000 kPa时增速变缓。根据图8确定泵对总流程影响甚微,确定其压力为5.0 MPa。

3.5 低温分离器进料温度的影响

控制低温分离器V-102进料温度范围-30~70℃,3种产品的回收率呈现增长趋势,C3+的回收率从78.83%增至85.47%,流程总能耗先减后增,并在35℃时出现转折点,如图9所示。为了达到产品回收率更高及节能目的,确定低温分离器进料温度为35℃。

3.6 氮气制冷剂流量对能耗的影响

本流程的冷量主要由氮气循环膨胀提供,氮气流量大小和压力会直接影响工艺流程的总能耗。设置氮气制冷剂流量由3 500 kmol/h升高到6 000 kmol/h,随着流量增大,膨胀机和压缩机需要更大的输出功率,因而流程总能耗与制冷剂流量呈现正比例线性关系增长,如图10所示。在满足制冷要求的前提下确定制冷剂流量为4 000 kmol/h。

4 结论

将DHX轻烃回收工艺和天然气低温提氦工艺集成,设计出同时生产C3+、粗氦以及LNG的联产工艺,即联产轻烃回收与LNG提氦工艺。利用Aspen HYSYS软件对上述工艺模拟后得出如下结论。
(1)与单一工艺相比,联产轻烃回收与LNG提氦工艺具有更加明显的节能优势,总压缩能耗较单一工艺下降12.95%,综合能耗降低14.10%。产品中C3+的回收率达到78.95%,粗氦的回收率和浓度分别达到93.77%、60.43%,LNG产量663.84 kmol/h。具有一定应用价值。
(2)通过对关键参数的影响分析,提出了设备参数的相对优化值。为了保证较高的产品回收率,以最低能耗为目标确定膨胀机出口的压力1.2 MPa,DHX塔顶回流温度-70℃,一级提氦塔进料温度-50℃,压缩泵出口压力5 MPa,低温分离器进料温度35℃,制冷剂流量4 000 kmol/h。

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