耦合LNG冷能进行乙烷回收的新工艺系统

张天娇 ,  刘欣 ,  刘永铎 ,  张青 ,  周军 ,  邹婷

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (7) : 265 -270.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (7) : 265-270. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.07.042
工业技术

耦合LNG冷能进行乙烷回收的新工艺系统

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A new process system for ethane recovery coupled with LNG cold energy

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摘要

为解决现有的乙烷回收工艺系统中深度制冷的外部冷源供应问题,同时有效地回收利用LNG气化工程中释放的高品位冷能,设计了一种耦合LNG冷能进行乙烷回收的新工艺系统(以下简称新工艺)。利用Aspen HYSYS软件进行新工艺建模,选取3组不同气质的富气,采用单因素敏感性分析法筛选出新工艺系统的最佳LNG流量分别为8.05×104、8.53×104、9.15×104 kg/h,脱甲烷塔压力的最优值区间为2.2~2.3 MPa。并对乙烷回收新工艺和RSV工艺进行对比分析,结果表明,保证乙烷收率不低于95%,乙烷回收新工艺比常规RSV工艺的总压缩功率及综合能耗大幅度下降,且气质越富,新工艺的节能效果越明显。

Abstract

In order to address the issue of external cold source supply for deep cooling in the existing ethane recovery process system,and to effectively recover and utilize the high-quality cold energy released in LNG vaporization projects,a new process system coupling LNG cold energy with ethane recovery is designed.Aspen HYSYS software is utilized to establish model for the new process.Three groups of rich gas with different gas compositions are selected.A single factor sensitivity analysis method is employed to determine the optimal LNG flow rates for the new process system,which are 8.05×104 kg/h,8.53×104 kg/h,and 9.15×104 kg/h,respectively.The optimal pressure range for the de-methanizer is identified as 2.2-2.3 MPa.A comparative analysis is conducted on the new process and the RSV process.Study results indicate that under the premise of ensuring that the ethane yield is not less than 95%,the new ethane recovery process can significantly reduce the total compression power and comprehensive energy consumption compared to the conventional RSV process.Furthermore,the richer the gas composition,the more pronounced the energy-saving effect of the new process.

Graphical abstract

关键词

冷源 / 综合能耗 / 新工艺 / Aspen HYSYS / 乙烷回收 / LNG冷能利用

Key words

cold sources / comprehensive energy consumption / new process / Aspen HYSYS / ethane recovery / utilization of LNG cold energy

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张天娇,刘欣,刘永铎,张青,周军,邹婷. 耦合LNG冷能进行乙烷回收的新工艺系统[J]. 现代化工, 2025, 45(7): 265-270 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.07.042

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乙烷是裂解制乙烯的重要原料,我国已成为仅次于美国的全球第二大乙烯生产国和消费国,对于乙烯的需求还在继续增长[1-2]。富气天然气中含有较高含量的乙烷及以上的重烃组分,从富气天然气中分离回收乙烷、LPG及稳定轻烃产品是一种提高天然气资源经济效益的重要途经,同时又为国内裂解制乙烯提供了原料乙烷,缓解供需矛盾[3-5]
目前,我国对富气乙烷回收工艺及装置的研究正处于快速发展阶段,大庆油田、塔里木油田等国内大型油田均开展了乙烷回收的工程实践。根据工程实践经验,低温分离是天然气回收乙烷最为经济的方法[6]。目前,低温分离法的代表性工艺流程是由美国Ortloff公司研发的RSV工艺(recycle split vapor process,即部分干气再循环工艺),现阶段,RSV工艺在国内外乙烷回收工程中被广泛应用。RSV工艺由于采用部分干气再回流,提高了乙烷回收率,乙烷收率可达到95%以上,RSV工艺乙烷回收在中石油塔里木油田、长庆油田等均有工程应用[7-8]。但是,由于RSV工艺需要深度制冷系统,冷却温度通常要达到-80℃以下,因此RSV工艺对制冷冷源的要求较高、制冷能耗较高[9-10]。而LNG气化过程释放出大量的高品位冷能,在实现“双碳”目标及节能降耗的大背景下,LNG冷能回收利用一直是国内研究的热点问题[11-12]。因此,对利用LNG高品位冷能进行乙烷回收的新工艺系统的研究,对于提高LNG冷能的利用效率、降低乙烷回收装置的能耗具有重要意义。

1 乙烷回收工艺

1.1 RSV工艺

RSV工艺(部分干气回流工艺,recycle split vapor)是由Ortloff公司在气体过冷工艺流程(GSP)的基础上提出的一种乙烷回收工艺,RSV工艺流程如图1所示。RSV工艺流程将部分压力较高的外输干气顺次通过预冷冷箱和过冷冷箱冷凝,经节流阀节流后,进入脱甲烷塔顶部提供塔顶回流,在塔顶形成一个以甲烷为主要组分的制冷循环,从而提高乙烷收率。为提高乙烷收率,采用制冷工艺为“丙烷制冷+膨胀机制冷”的复合制冷流程,制冷温度可达 -100℃。
RSV工艺的优点是乙烷收率高,可达到96%以上,因此RSV是目前全世界应用最为广泛的一种乙烷回收工艺。但是,RSV工艺流程对原料气中CO2含量的波动适应性差,当CO2含量较高时脱甲烷塔塔顶易形成冻堵,该工艺以甲烷制冷为主提供冷量,且需要深冷,因此,制冷能耗较高[6-7]

1.2 一种耦合LNG冷能进行乙烷回收的新工艺系统

在RSV乙烷回收工艺基础上耦合LNG气化冷能回收工艺,张天娇等[13]提出了一种利用LNG冷能进行乙烷回收的新工艺系统(以下简称新工艺系统),流程如图2所示。新工艺将乙烷回收工艺流程与LNG气化工艺流程进行工艺耦合,利用LNG气化过程中释放的大量高品位冷能为乙烷回收提供冷量,保证乙烷回收率的同时,也提供了一种LNG冷能回收利用的新场景。另一方面,新工艺利用乙烷回收工艺中梯级制冷简化了LNG气化工艺系统。
新工艺流程主要具备以下特点。
(1)原料气预冷。原料气分为2部分,分别进入主冷箱E11和预冷冷箱E12进行预冷处理;主冷箱E11预冷处理后的原料气分为2路,一路与预冷冷箱E12处理后的原料气混合,另一路直接输送至过冷冷箱E13。
(2)低温分离。主冷箱E11预冷处理后的部分原料气与预冷冷箱E12来的原料气进行混合,之后输送至低温分离器V11进行气液分离。
(3)气体过冷。主冷箱E11预冷处理后的另一部分原料气输送至过冷冷箱E13进行过冷处理后,进入脱甲烷塔T11上部,部分回流的外输干气顺次经过主冷箱E11预冷、过冷冷箱E13过冷处理后返回脱甲烷塔T11顶部。新工艺采用LNG与脱甲烷塔塔顶气共同为过冷冷箱冷提供冷量,相比于RSV工艺中仅由脱甲烷塔塔顶气提供冷量,有利于提高乙烷收率,同时,新工艺采用部分原料气过冷进入脱甲烷塔顶部,提高了塔顶物流的重烃含量,降低了脱甲烷塔顶部CO2冻堵的风险。
(4)甲烷分离。低温分离获得的气相和液相进入脱甲烷塔T11,气体过冷中经过冷处理后的回流外输干气和部分原料气进入脱甲烷塔T11,在脱甲烷塔T11中分离获得甲烷气体和C2+凝液。甲烷气体从脱甲烷塔T11塔顶出口流出,顺次经过冷冷箱E13、主冷箱E11换热升温后,由膨胀压缩机K11的压缩端增压,进入外输压缩机增压后外输;C2+凝液从脱甲烷塔T11塔底出口流出,经塔底凝液泵增压后进入下一工序进行乙烷分离。
为合理回收利用冷能,脱甲烷塔T11中下部设置2条液相侧抽线及返回线,抽出液相进入预冷冷箱E12复热后返回脱甲烷塔T11,为进入脱甲烷塔底部重沸器进行预热,最大限度回收利用冷量。
(5)LNG气化。LNG进入冷箱E13换热升温后,进入主冷箱E11换热、气化后,获得NG外输。

2 模拟与优化

2.1 工艺模拟

2.1.1 原料气选取

乙烷回收工艺流程的特性及关键工艺参数受原料气组分的影响较大,且工程实际中原料气组分一般会随着运行时间而发生变化。因此,本研究选取3组富气作为研究对象,研究新工艺在3种不同气质条件下的工艺特性。3组原料气的组分如表1所示,原料气流量为950×104 m3/d,进气压力为3.45 MPa,进气温度为40℃。

2.1.2 工艺模拟

基于新工艺流程,利用Aspen HYSYS工程模拟软件建立新工艺模型,其中,模型计算选取Peng-Robinson状态方程以保证计算精度。模拟控制条件为乙烷回收率不低于95%,外输干气压力为4.8 MPa,外输干气温度为45℃。工艺模拟中其他主要控制参数如表2所示。

2.2 工艺参数优化

2.2.1 LNG流量

LNG流量是新工艺的核心参数之一,LNG流量直接决定新工艺流程中各个冷箱的冷量及冷却温度。因此,LNG流量过低或过高都将会导致乙烷收率偏低等问题,LNG流量过高还会导致LNG气化不充分,影响工艺流程耦合的效果。为保证较高的乙烷收率、LNG气化率及冷能的充分回收利用,采取单因素敏感性分析法,针对3种不同的富原料气的特性确定LNG流量的最优值。基于新工艺模型,通过改变LNG流量,考察LNG流量对乙烷回收率的影响,其他关键工艺参数按照表2中的数值设置,不同LNG流量工况条件下的乙烷收率曲线如图3所示。
图3可知,对于气质1的乙烷回收过程,当LNG流量从6.0×104 kg/h逐渐提高至7.5×104 kg/h时,乙烷收率随着LNG流量提高而增加;当LNG流量达到7.5×104~8.05×104 kg/h,乙烷收率保持在95%以上;之后,随着LNG流量继续增加,乙烷收率反而降低,这是因为冷量过高导致冷箱温度过低,使得乙烷过度冷却,乙烷在低温下会结成液体,造成气体相态向液体相态转变,影响了乙烷收率。综上,选取气质1乙烷回收的最佳LNG流量为8.05×104 kg/h,此时新工艺系统能够获得高乙烷收率。同理,根据图3的曲线可知,对于气质2和气质3的乙烷回收,最佳LNG流量分别为8.53×104、9.15×104 kg/h。

2.2.2 脱甲烷塔压力

在LNG流量优选之后,脱甲烷塔塔压是新工艺系统需优选的另一个核心参数。为获得C1组分呈气相、含C2+组分呈液相的理想分布状态,脱甲烷塔压力需与过冷原料气进塔温度相匹配,才能够保证较高的乙烷收率和充分的冷能利用。根据2.2.1节的优化结果,对于气质1、气质2、气质3分别选取LNG流量为8.05×104、8.53×104、9.15×104 kg/h,其他主要工艺参数按照表2中的数值设置保持不变。采用单因素敏感性分析法,改变脱甲烷塔运行压力,考察不同脱甲烷塔压力对乙烷收率和系统能耗的影响,模拟结果曲线如图4图5所示。
图4可知,当脱甲烷塔内压力从1.9 MPa提升至2.2 MPa过程中,气质1、气质2、气质3 3种原料气的乙烷回收率均随着脱甲烷塔内压力的提高而逐渐增加;当塔压达到2.2~2.3 MPa,乙烷收率达到峰值,再继续提高脱甲烷塔塔压,乙烷收率将随之下降。由此可知,考虑乙烷收率的前提下,脱甲烷塔塔顶压力的最优区间为2.2~2.3 MPa。
图5可知,气质1、气质2、气质3单位乙烷产品的能耗随着脱甲烷塔内压力的增加而降低,对于气质1工况,当脱甲烷塔塔压达到2.1 MPa时,单位产品能耗随脱甲烷塔塔压的变化趋势趋于平缓,证明塔压高于2.1 MPa后,塔压对单位产品能耗的影响变得微乎其微。气质2和气质3的脱甲烷塔压力转折点为2.12、2.18 MPa,其中单位产品能耗取值为总外部电耗与乙烷产品的比值。

3 新工艺系统综合分析

由于新工艺系统耦合了LNG冷能回收工艺以达到节能降耗的效果,因此,同时从工艺流程和综合能耗2个方面,以RSV乙烷回收工艺为参照对新工艺系统进行综合分析。

3.1 工艺流程对比分析

为分析新工艺系统流程与典型的乙烷回收工艺流程RSV的不同之处,同时考察新工艺系统耦合了LNG冷能回收工艺后的节能效果,以表1中3种气质组分的原料气为研究对象,在保证乙烷收率不低于95%的条件下,对新工艺流程及RSV流程的工艺参数及总压缩功率进行对比分析。利用Aspen HYSYS软件对新工艺流程和RSV工艺进行模拟计算,模型计算选取Peng-Robinson状态方程,主要工艺参数控制参照表2,新工艺流程的参数优化根据2.2节结果确定。在工艺模拟过程中,始终控制脱甲烷塔塔顶CO2冻堵裕量在5℃以上。以3种气质组分为研究对象的工艺流程对比结果分别如表3~表5所示。
表3~表5分析可知,对气质1进行乙烷回收,保证乙烷收率为95%的条件下,采用新工艺系统比RSV工艺总压缩功率降低17.01%,因为新工艺制冷系统采用“LNG气化梯级制冷+膨胀制冷”工艺,回收利用LNG冷能后节能效果明显;对于气质2和气质3,保证乙烷收率为95%的条件下,采用新工艺系统比RSV工艺总压缩功率分别降低21.12%和39.6%,这表明气质越富,保证乙烷收率不变的条件下,新工艺相较于RSV工艺的节能效果越好。
表3~表5中总压缩功率对比分析可知,随着原料气气质组分逐渐变富,RSV工艺的总压缩功率呈增加趋势,这是因为气质越富原料气中重烃的含量越高,为保证乙烷收率不低于95%,需要由“丙烷制冷+膨胀制冷”系统提供更多的冷能,因此总压缩机功率增加,所需外部电能增加。与RSV工艺不同,新工艺的总压缩功率随原料气气质变富而变化的幅度较低,原因是新工艺系统的制冷绝大部分由LNG气化过程中释放的冷能提供,故总压缩功率变化幅度较低,表明新工艺系统的总压缩功率受原料气气质的影响较小。

3.2 综合能耗分析

乙烷回收工艺系统中用能装置主要为再沸器、压缩机和泵,由于工艺流程中泵数量较少且能耗低,为简化计算忽略泵的能耗。由于再沸器、压缩机等工艺装置的耗能形式不同,且各类能源获取代价不同,故总能耗不能简单地进行各装置的耗能量叠加计算。因此,本研究采用综合能耗分析的方法,依据现行国家标准GB/T 2589—2020《综合耗能计算通则》和石油天然气行业标准SY/T 6331—2013《气田地面工程设计节能技术规范》对新工艺系统的综合能耗进行评估分析。
综合能耗计算公式如下:
E = i = 1 n ( e i × p i )
式中,E为综合能耗,MJ/h;n为耗能设备品种数,无量纲;ei为生产中第i种设备的能耗,MJ/h;pi为第i种能耗折算系数,无量纲,其中电消耗折算系数取11.84,导热油折算系数取1.47。
表6为新工艺系统和RSV工艺系统综合能耗的计算结果。由表6可知,在相同工况、相同原料气流量的条件下,气质1、气质2、气质3 3种气质的乙烷回收,采用新工艺系统的综合能耗均低于RSV工艺,且随着气质变富,新工艺系统及RSV工艺的综合能耗均随之增加,其中,气质1条件下新工艺系统较RSV工艺综合能耗低2.724 5×104 kW,气质2条件下新工艺系统节能3.874 6×104 kW,气质3条件下新工艺系统节能9.565 8×104 kW,由此可知,气质越富新工艺系统的节能效果越明显。

4 结论

(1)在保证高乙烷回收率的前提条件下,相同工况、相同气质的乙烷回收,采用新工艺系统较采用RSV工艺节能效果明显。新工艺采用“LNG冷能制冷+膨胀制冷”的制冷方式,大量回收利用LNG气化释放的高品位冷能进行深度制冷,新工艺系统的主要耗能装置为压缩机和脱甲烷塔的再沸器,因此,相比于RSV工艺采用“丙烷制冷+膨胀制冷”制冷方式,新工艺能耗大幅度下降。
(2)在保证乙烷收率不低于95%的条件下,对乙烷回收新工艺与RSV工艺进行工艺流程对比及综合能耗对比。结果表明,对于气质1、气质2和气质3,新工艺较RSV工艺总压缩功率分别降低17.01%、21.12%和39.6%,综合能耗分别降低 2.724 5×104、3.874 6×104、9.565 8×104 kW,这证明气质越富,新工艺相较于RSV工艺的节能效果越好。

参考文献

[1]

董雁春. 我国乙烯产业链发展现状及对策建议[J]. 现代化工, 2025, 45(1):7-12.

[2]

陆浩. 我国乙烯工业及下游产业链发展现状与展望[J]. 当代石油石化, 2022, 30(4):26-31.

[3]

饶何隆, 马国光. 天然气乙烷回收关键参数分析研究[J]. 北京化工大学学报:自然科学版, 2022, 49(1):35-43.

[4]

钟荣强, 李鹏, 杨思远, . 油田伴生气乙烷回收工艺改进[J]. 现代化工, 2020, 40(10):230-234.

[5]

杨冬磊, 熊林, 张伟, . 中高压富气乙烷回收工艺改进及优化[J]. 石油与天然气化工, 2021, 50(3):57-65.

[6]

王宇, 陈小榆, 蒋洪, . RSV乙烷回收工艺技术研究[J]. 现代化工, 2018, 38(2):181-184.

[7]

雷利, 刘清松, 陈泳村, . 低压富气乙烷回收工艺改进[J]. 石油与天然气化工, 2024, 53(3):47-52.

[8]

李斐, 杨冬磊. 富气乙烷回收工艺改进[J]. 能源化工, 2023, 44(3):35-39.

[9]

张红星, 马亚欣, 解静, . 基于回归正交试验设计的RSV乙烷回收工艺能耗优化[J]. 石油石化节能与计量, 2023, 13(10):42-46.

[10]

蒋洪, 李浩玉. 富气乙烷回收工艺改进及综合对比分析[J]. 天然气工业, 2022, 42(5):106-115.

[11]

尹奎, 蒲黎明, 肖乐. 150×104 m3/d天然气乙烷回收工艺研究[J]. 天然气与石油, 2022, 40(1):21-27.

[12]

丁乙, 朱建鲁, 王雨帆. LNG冷能利用工艺技术研究[J]. 天然气与石油, 2016, 34(5):25-34.

[13]

张天娇, 田鑫, 逯国英, . 天然气乙烷回收与LNG汽化的集成化处理系统及方法:CN 202310320917.9[P]. 2024-09-13.

基金资助

中国石油工程建设有限公司青年科技专项(CPECC2025QK09)

国家自然科学基金项目(51704253)

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