第8章-提取天然气中的液烃.ppt

1,1,第8章 提取天然气中的液烃,天然气凝液是从天然气中回收C2+的烃类混合物的总称。一般包括乙烷、液化石油气和天然汽油。NGLnatural gas liquid，天然气凝液。LPGLiquefied Petroleum Gas 液化石油气。LNGLiquefied Natural Gas,液化天然气。,2,1,主要内容,天然气凝液回收方法低温分离法工艺多元汽液平衡和精馏制冷技术主要工艺设备,3,1,基本要求,了解天然气凝液回收方法和工艺特点；掌握制冷工艺的原理和特点；掌握天然气凝液回收流程及其应用。,4,1,8.1（8.3）概 述,回收天然气凝液的必要性；天然气凝液回收方法；,5,1,一、回收天然气凝液的必要性,有利于改善天然气质量，降低烃露点，防止在管输中有液态烃凝结。回收的凝液产品是重要的民用燃料和化工原料；提高资源的综合利用率，有良好的经济效益和社会效益。,6,1,二、天然气凝液回收方法,吸附法油吸收法低温分离法,7,1,1.吸附法,吸附法是利用具有多孔结构的固体吸附剂（如活性氧化铝或活性炭）对烃类组分吸附能力强弱的差异而实现气体中重组分与轻组分的分离。主要用于天然气中回收重烃类，且处理规模较小(小于60104m3/d)及较贫的天然气(液烃含量1314mL/m3)。,8,1,吸附法的特点和应用情况,工艺装置简单，投资费用较小；生产产品单一（液化气和天然汽油），再生能耗高，运行成本较高。吸附剂的吸附容量等问题未能得到很好解决。未得到广泛的应用。曾在美国用过。,9,1,吸附剂,工业上常用于回收天然气液烃的吸附剂有:活性炭、硅胶、硅藻土。1kg的活性炭具有106m2的有效吸附面积，其吸附能力很强。工业上提取液烃的重要吸附剂为活性炭。,10,1,吸附法工艺流程,图8-3 吸附法提取液态烃的流程 I原料气；II液体（冷凝液+水）；III再生气；IV）脱去汽油的气体；V在原料气流中的经过分离的再生气；1原料气入口分离器；2加热再生气的部分；3、4吸收塔；5换热器；6再生气分离器,11,1,2.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的差异而使轻、重烃组分得以分离的方法。通常采用石脑油、煤油或柴油作吸收油。按照吸收操作温度的不同，油吸收法分为常温油吸收和低温油吸收法（冷油吸收法）两种。,12,1,常温油吸收法的操作温度为常温或略低于常温，多用于中小型天然气凝液回收装置；常温油吸收工艺使用的吸收油，其相对分子质量可达180200，在低温吸收条件下（-18）则大都为100130，都是大于C5组分的烷烃。常温油吸收法由于轻烃收率低、消耗指标高，已不再使用。冷油吸收法利用制冷将吸收油冷至0-40进行操作，该法比常温油吸收法可多回收C2+液烃，C3的回收率可达85%90%，常用于较大型的气体加工厂。,2.油吸收法,13,1,油吸收法的特点和应用情况,工艺流程复杂；投资费用和运行成本高；20世纪60年代中期还是天然气分离工艺中使作最多的方法；随着制冷技术的发展，自1970年以后，油吸收法在新建装置中已很少采用。,14,1,低温油吸收法工艺流程（补充）,15,1,3.低温分离法,低温分离法（冷凝分离法）是利用原料气中各烃类组分冷凝温度的不同，通过将原料气冷凝至一定温度，将沸点较高的烃类冷凝分离出来，并经凝液精馏分离成合格产品的工艺。提供冷量的方式有外部制冷法、自制冷法和混合制冷法等多种形式。,16,1,低温分离法的主要特点,工艺流程简单，投资少，效益好；回收率高，C3的回收率可达90%以上；适应性强，管理方便。,17,1,低温分离法的应用情况,随着制冷技术的发展，特别是1964年，美国首次将透平膨胀机用于天然气凝液回收，使天然气回收凝液技术开始了新的发展阶段。目前，低温分离法已广泛应用于天然气凝液回收装置。,18,1,8.2 商用产品的技术条件及规范,国标9052.188规定了丙烷、丁烷和丙丁烷混合物的质量标准,19,1,商品液烃的储存温度和压力,20,1,8.4从天然气中提取液烃的主要方法低温分离法,根据提供冷量方式不同分成三大类方法 1.外加制冷循环法，亦即直接冷凝法 2.直接膨胀制冷法，即膨胀冷凝法 3.混合制冷法,一、概述,低温分离法三种类型流程示意图,22,1,轻烃回收工艺流程（补充）,冷剂制冷工艺流程逆升压式膨胀机制冷工艺流程正升压膨胀机制冷工艺流程丙烷预冷与膨胀制冷结合的混合制冷工艺,23,1,低温分离工艺的组成,冷剂制冷工艺流程 1原料气分离器；2压缩机；3、11、14冷却器；4气液分离器；5脱水吸附器；6冷箱；7丙烷蒸发器；8低温分离器；9脱乙烷塔；10脱丙丁烷塔；12回流罐；13回流泵；15、16、17、18节流阀。,逆升压式膨胀机制冷工艺流程1原料气分离器；2吸附器；3换热器；4、6气液分离器；5、8节流阀；7泵；9脱乙烷塔；10、14再沸器；11脱丙丁烷塔；12冷凝器；13回流罐；15膨胀机膨胀端；16膨胀机增压端,正升压膨胀机制冷工艺流程 1原料气分离器；2吸附器；3换热器；4气液分离器；5节流阀；6脱乙烷塔；7、11再沸器；8脱丙丁烷塔；9冷凝器；10回流罐；12冷却器；13膨胀机增压端；14膨胀机膨胀端,27,1,二、相变制冷（不讲）,蒸汽压缩制冷循环,四个过程：1.蒸发过程 2.压缩过程 3.冷凝过程 4.膨胀过程,28,1,制冷剂,按化学成分将制冷剂分为四类：无机化合物制冷剂（表8-2）；氟利昂制冷剂（表8-3）;碳氢化合物制冷剂（表8-4）；共沸溶液制冷剂（表8-5）。,29,1,常用制冷剂,氟利昂；氨；丙烷、丙烯、乙烷、乙烯等。,因环保的要求，氟利昂、氨将逐步限制使用。,30,1,三、制冷循环的热力计算（不讲）,（一）理想制冷循环在TS图上的表达1.等熵可逆压缩（绝热可逆压缩）2.等压等温可逆冷凝 q2=T2(S2S3)3.等熵可逆膨胀（绝热可逆膨胀）4.等压等温可逆蒸发 q1=T1(S1S4)压缩机对1公斤制冷剂所做的净功We为 We=W1W2=q2q1=T2(S2S3)T1(S1S4)(8-4),31,1,（二）实际制冷循环,（1）等熵可逆压缩 制冷剂的饱和蒸汽于状态1(P1,T1)下进入压缩机进行绝热压缩，此压缩过 程近于等熵，因此制冷剂的状态沿等熵 线变到点2（P2、T2）而成为过热蒸汽。（2）等压冷却与冷凝，以线段2-2-3-3表示（3）节流膨胀，在图8-7上以线段3-4表示（4）等压、等温蒸发，以线段4-1表示,1.实际制冷循环在温熵图上的表示,32,1,（二）实际制冷循环,2.实际制冷循环在lgP-H(压焓)图上的表达,(1)压缩过程，以线段1-2表示(2)冷却、冷凝及过冷过程，以线段2-2-3-3表示(3)节流膨胀过程，以线段34表示(4)蒸发过程，以线段4-1表示,33,1,（三）制冷过程的热与功,1.理想制冷循环过程的热与功 图8-6中的1-2-3-4-1围成的面积2.实际制冷循环过程的热与功（1）单位质量制冷剂的吸热量q1 q1=H1H4(8-5)q1值相当于面积1-4-d-a-1（2）单位质量制冷剂的放热量q2 q2=H2H3(8-6)q2值相当于面积2233ea2（3）净功we we=q2q1=H2-H1（8-7）we的大小相当于面积1-2-2-3-3-e-d-4-1,34,1,（四）制冷循环过程的制冷系数,制冷剂从被冷却物体中吸取的热量与循环过程消耗的净功的比值称为制冷系数，用代号表示：=Q1/We（8-8）式中 制冷系数 Q1单位时间内制冷剂的吸热量，KJ/h；We 单位时间内压缩机对制冷剂所做的净功，KJ/h。,制冷系数值越大，循环的经济性越高,35,1,（四）制冷循环过程的制冷系数,实际制冷循环的制冷系数实及制冷效率,(8-12),(8-13),36,1,（五）制冷能力,制冷能力也称制冷量，一般是指在一定的操作条件下(即一定的制冷剂蒸发温度t1,冷凝温度t2，过冷温度tc)，单位时间内制冷剂由被冷物体中所取出的热量Q，单位是kJ/h,它可表示为(8-14)式中 q1制冷剂的制冷量，kJ/kg;G制冷剂的循环量，kg/h,37,1,（五）制冷能力,对于一定规格的往复式单级压缩制冷机而言，制冷能力Q可以表示为:Q=Vnqv(8-15)式中 Q制冷机的制冷能力，kJ/h;qV进入压缩机前，单位容积制冷剂蒸汽的制冷能力，KJ/m3 Vh单位时间内压缩机活塞所扫过的容积，m3/h;进入压缩机的实际容积系数,可根据经验公式确定或由图表查取。,38,1,（六）制冷操作所需功率,（1）制冷操作中压缩机的理论功率NT,（8-17）,（2）实际功率NP亦称轴功率，即电机所输的实际功率。,（8-18）,39,1,四、直接膨胀制冷,利用天然气的压能节流膨胀产生的冷量来制冷 1、等焓（节流）膨胀 2、等熵膨胀,40,1,（一）、等焓（节流）膨胀,节流制冷是工业上最早采用的制冷工艺，由于节流制冷设备简单，运转可靠、节流效率低，同一差压下温降较小，在天然气凝液回收中常多数作为一种辅助制冷手段。,41,1,1.节流膨胀降温原理,流体在流经相当于孔板的缩口或节流阀时，由于通径截面积缩小，流速增加，经过缩口或节流阀后截面积和流速恢复到原来状态。在缩口附近发生了强烈的扰动和漩涡，造成不可逆的压力损失，1断面和2断面相比P2P1，缩口距离短，气体快速经过，和外界进行的热交换量很少，可视为绝热过程。,节流膨胀过程示意图,42,1,如果忽略势能变化，对缩口前、缩口后应用热力学稳定流动的能量守恒方程式有：,H1、H2 缩口前后两截面处流体的焓值；C1、C2 缩口前后两截面处的流速；g重力加速度。,(8-19),1.节流膨胀降温原理,43,1,由于节流前、后两截面面积相等，C1=C2，故得：,节流膨胀过程是等焓过程。节流时，微小压力变化所引起的温度变化称为微分节流效应。一般用H表示微分节流效应系数：,(8-20),(8-21),1.节流膨胀降温原理,44,1,1.节流膨胀降温原理,由于气体压力降低，比容增大，分子间的平均距离也增大，此时必须消耗功克服分子间的引力，分子间的位能就增加。但由于外界无能量供给气体，分子间位能的增加只能来自分子动能的减少。因此，产生使气体温度降低的效应。,(8-23),内能变化项,流动功变化项,45,1,1.节流膨胀降温原理,则H 0，绝对产生冷效应。当流动功 小于零时，节流效应系数H 有可能大于零、等于零、小于零，就不一定产生冷效应。但对大多数气体，其中包括天然气，流动功是随压力的降低而增加的，大多数气体经过节流阀时产生压降并产生温降。（除氢、氦等外）,流动功变化项：,46,1,2.节流工艺计算(闪蒸),流量为F（kmol/h）、组成为fi（摩尔分数）的物料在压力P1、温度T1下经节流阀在绝热情况下减压至P2，工艺计算的任务是求节流后的温度T2，平衡汽、液相组成yi、xi，汽、液相量V、L及焓值HV，HL等。,47,1,节流计算的基本方程,物料平衡：F=V+L(8-36)某一组分有：fi=vi+li(8-37)xf=fi/Fi yi=vi/Vi xi=li/L(8-38),48,1,节流计算的基本方程,汽液平衡 yi=KiXi yi=kixi=1.0,L=li,V=Vi,49,1,热量平衡方程：,节流计算的基本方程,以上各式中的符号意义见书,50,1,节流基本方程的计算步骤,其计算程序如下:(1)用泡点方程和露点方程校验该混合物是否同时存在汽、液两相。(2)在给定温度和压力下查图,得到系统中各组分的k值。(3)假设L、V或L/V值。(4)利用式(8-41)或式(8-43)计算液相(或汽相)中各个组分的千摩尔数。(5)用式(8-42)计算总液量;用式(8-44)计算总蒸汽量。(6)将(5)步计算出的总液量和总蒸汽量同第(3)步假定值相比较。如果两个值很接近,误差1.0%，则计算值为所求值,否则，需从第(3)开始重新计算。,51,1,（二）、等熵膨胀（膨胀机制冷）,1.等熵膨胀降温的物理实质 气体进行等熵膨胀时，由于压力变化而引起的温度变化，称为等熵膨胀效应。该效应又分为微分等熵膨胀效应和积分等熵膨胀效应。微分等熵膨胀效应是指微小压力变化所引起的温度变化。通常用as表示微分等熵膨胀效应系数表示。,(8-26),52,1,积分等熵膨胀效应,积分等熵膨胀效应是指气体实际等熵膨胀时，压力变化为一有限值所引起的温度变化，以Ts表示：,(8-28),53,1,等熵膨胀降温的物理实质,由热力学基本关系式，可导出表示微分等熵膨胀效应系数as与膨胀前气体状态参数p、T、V之间关系式为,(8-27),由于上式中,故,等熵膨胀过程总是产生冷效应，膨胀结果气体的温度总是降低的。,cp气体的定压热容,54,1,等熵膨胀温降的定性解释,等熵膨胀时，气体一方面要在绝热情况下对外作功，大量消耗内能；另一方面要克服分子间的吸引力，增加分子位能，使分子动能减少，由于这两方面原因，导致气体温度大幅度下降。而这时流动功的变化对气体温度的影响相比之下很小，因此，等熵膨胀的结果总是使气体温度降低，且同时产生冷量。,55,1,2.绝热效率和实际功,等熵膨胀的焓降HS是气体等熵膨胀开始状态p1、T1时的焓值H1与膨胀终了状态p2、T2的焓值H2之差值。,(8-29),实际上，压缩气体通过膨胀机进行绝热膨胀，在对外作功的同时存在着摩擦、泄漏和冷量损失等各种现象。因此，膨胀过程实际不是等熵的，而是熵增大的不可逆过程。,56,1,实际膨胀过程是熵增过程,实际膨胀过程的焓差H等于气体绝热膨胀开始状态的焓值H1与膨胀终了状态的焓值H2的差值，即膨胀机对外的单位功。,(8-30),膨胀机的绝热效率是衡量膨胀过程偏离等熵过程的尺度。透平膨胀机的绝热效率可达75%85%。,57,1,膨胀的对外实际作功W(kJ/h),G气体流量，kg/h；H实际膨胀过程的焓差，kJ/kg。,58,1,3.膨胀过程的热力计算（不讲）,流量为F（kmol/h），组成为zi（摩尔分数）在压力P1、温度T1下进入膨胀机，膨胀机等熵效率为，出口压力为P2，等熵出口温度为T2，实际出口温度为T2。膨胀机出口的平衡汽、液相组成为yi、xi。汽、液相量为V、L；汽、液相焓值为HV、HL及汽、液熵值为SV、SL等。,59,1,膨胀计算的基本方程,相平衡方程,60,1,物料平衡方程：,热量平衡方程：,膨胀机出口的实际焓值：,膨胀计算的基本方程,61,1,膨胀机基本方程各符号的意义,H1进口状态下气体的焓值，kJ/kmol；S1进口状态下气体的熵值，kJ/(kmolK)；SV等熵膨胀后汽相的熵值，kJ/(kmolK)；SL等熵膨胀后液相的熵值，kJ/kmol；H2等熵膨胀后出口混合物的焓值，kJ/kmol；H2 膨胀机实际出口混合物的焓值，kJ/kmol；膨胀机的绝热效率。,膨胀机的热力计算框图,63,1,4.膨胀机的类型,膨胀机,输出功类,输出热类,活塞式膨胀机(容积型)透平式膨胀机(速度型),热分离机气波制冷机,结构和工作原理,透平膨胀机是由通流部分、制动器及机体三大部分组成。,5.,65,1,通流部分,该部分是获得低温的主要部件。压力较高的工作介质从管道进入膨胀机的涡壳，把气流均匀地分配给喷嘴，气体在喷嘴中第一次膨胀，推动工作轮输出外功，同时气流在工作轮中继续膨胀而转换成外功，因此，气体的流速就降低了，膨胀后的低温工质经过扩压器排出到低温管道中。,66,1,制动器,透平膨胀机有机械功输出，需要有一定的负载。负载主要是起刹车即制动作用，一般称负载为制动器。制动器可以是鼓风机、机泵、压缩机、发电机等。在天然气处理中，制动器大多为天然气的增压机。,67,1,在油气处理和加工装置中，制动器采用压缩机，即由膨胀机驱动离心式压缩机，由膨胀机输入到驱动端的净功率，通常要减去约2%的轴和轴承的损失。同轴离心式压缩机的效率可取65%80。,制动器,68,1,膨胀和升压的顺序,根据气流流入压气端和透平膨胀端的先后次序不同，可分为正升压透平膨胀机和逆升压透平膨胀机两种型式。正升压透平膨胀机组，气体先压缩后膨胀。逆升压透平膨胀机组，气体先膨胀再压缩。,正升压透平膨胀机组 C压气机；T涡轮；H1冷却器；H2冷箱；S1一级分离器；S2二级分离器,逆升压透平膨胀机组C压气机；T涡轮；H2冷箱；S1一级分离器；S2二级分离器,71,1,透平膨胀机的特点,绝热效率一般为80%85%；膨胀比为25；出口带液量大（理论不限制，但小于20%）；转速达20000r/min以上，功率从几kW至几千kW；处理量可达106m3/d以上；流量可调（因装有可调喷嘴），约有20%的可调范围。,72,1,6.热分离机（不讲）,（1）制冷原理热分离机的制冷装置由气体分配器（喷嘴）和接收管组成。具有高能量的气体喷入接收管中，对末端容器中的残留气体迅速地压缩和加热。入口气体的动能传递给残留气体，由于压缩产生的热量通过管壁向四周散失，使入口气体的温度降低，就能实现制冷。工作原理如图8-25所示。,8-25热分离机的工作原理,74,1,热分离机的制冷过程,热分离机的制冷过程分为三个阶段：进气阶段；压缩阶段；流出阶段。,75,1,（2）热分离机的结构,热分离机的基本结构有两种类型：静止式热分离机（static thermal separator 简称STS），喷嘴和接收管都是固定的热分离机。旋转式热分离机（rotary thermal separator 简称RTS），喷嘴及其相关部件都可旋转的热分离机。,76,1,静止式热分离机,气体从固定的喷嘴喷入接收管，在喷嘴两侧设置有谐振器，其振动频率在100700Hz之间，使喷嘴喷出的高速气流发生振动产生脉冲压力，调节着喷流方向分配进入各列接收管中。是一种简单耐用的制冷装置，其最大效率可达等熵膨胀的40%。,77,1,静止式热分离机的结构,静止式热分离机又分单管、双管和多管三种型式，多管式的结构示意图如图8-26。由于静止式热分离机效率低，最高只能达到等熵膨胀的40，已基本不用了，目前，旋转式热分离机较多。,多管式热分离机结构示意图 l喷嘴；2共鸣箱；3接收管；4小室,78,1,旋转式热分离机（RTS）,带压气流进入旋转式气体分配器中，经过喷嘴变成高速气流喷射到膨胀管中，同时由于气流在气道中的方向发生变化，使旋转分配器产生自转，实现对膨胀管依次喷射循环。其结构示意图如图8-27所示。,旋转式热分离机结构示意图,79,1,（3）热分离机的特点,绝热效率为70左右；膨胀比宜为35，不宜超过7。转速低，通常为10003000 r/min。转速太，造成轴向推力大，轴承能耗增大。轴承润滑可以使用润滑脂，比透平膨胀机的润滑系统简单。弹性大，适应性强。进口气体流量和压力波动对机组的稳定运行影响不大。适用于原料气气量小、压力不高的场所。,图8-19 膨胀机过程的原理流程图,图8-20 500低温分离工艺原理流程图,图8-21 杏九联20万Nm3/d油田气深冷分离试验装置流程图,图8-22 温米装置优化工艺流程图,84,1,8.5提取天然气液烃加工方法的选择,当进气压力与干气输出压力之间有剩余压差可利用时,透平膨胀工艺是最好的选择。对于有剩余压差可利用的很贫的天然气而言,回收液烃价值不大,但仍可采用节流制冷法或热分离机法利用此剩余压差,使之降低水及烃的露点,以满足气体长输要求。如果温度还不够低,可再加浅度冷冻。对于要求回收乙烷,而又没有多余压力差可利用者,须要根据具体条件,对膨胀机法、外加冷源法、冷油吸收法等作周密比较后决定取舍。对于井场小型气体加工装置,可采用浅冷法或常温吸附法；如果是较贫气体以用吸附法同时脱水及脱液烃更为经济合理。,85,1,8.6凝析油的稳定及算例,可以把无回流的稳定塔看作“闪蒸分离器”,式中 di 某个被分离组分之流量，kmol/h；ke烃类的假平衡常数，可由图830查得，它是 烃类沸点的函数；,图829凝析油稳定塔示意图,87,1,8.7 天然气液化简介（不讲）,液化天然气的必要性 一、便于贮运 二、是理想的峰值调节气 三、便于气体的分离,天然气液化后的体积只有原来的1/625左右,88,1,8.7.2 天然气液化技术,图8-31 装置方块流程图,89,1,天然气液化方法,目前天然气液化工艺主要有三种类型：重叠式制冷液化循环（或称“逐级式”、“阶式”循环）混合制冷剂液化循环带膨胀机的液化循环。,90,1,复叠式制冷液化循环,这是一种常规的循环，它由若干个在不同低温操作的蒸汽制冷循环复叠组成。对于天然气的液化，一般是由丙烷、乙烯和甲烷为制冷剂循环复叠而成，来提供天然气液化所需的冷量。它们的制冷温度分别为-45、-100、及-160。该循环的原理流程如图8-32所示。,图8-32 复叠式制冷液化循环原理流程,92,1,用混合制冷剂制冷的液化循环,这种混合制冷剂的组成一般主要为C1C5的碳氢化合物，其一般的含量范围见表8-18，工作时利用多组分混合物中重组分先冷凝，轻组分后冷凝的特性，将它们依次冷凝、节流、蒸发得到不同温阶的冷量，使天然气中对应的组分冷凝并最终全部液化。根据混合制冷剂是否与原料气相混合，液化循环又分为闭式和开式两类。,93,1,天然气液化及分离技术中所使用的混合制冷剂的大致组成,94,1,闭式循环、开式循环,闭式循环的特点是制冷剂的循环与天然气液化过程分开，而自成一个独立的制冷系统。开式循环的特点是混合制冷剂与原料气混合在一起。,95,1,图8-33 闭式混合制冷剂液化循环流程图 TC-温度控制 PC-压力控制 LC-液面控制 HC-手动控制,96,1,开式混合制冷剂液化循环流程图TC-温度控制 PC-压力控制 LC-液面控制,