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1、概 述 天然气凝液回收的目的和方法 制冷方法 天然气凝液回收工艺,第七章 天然气凝液回收,概 述,天然气凝液回收的概念 世界天然气凝液回收的工业发展 我国天然气凝液回收概况,在绪论中已经讲到，天然气中除了主要组分甲烷外，还有其它烃类和非烃类的组分，各组份的大致含量如下： CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5+ N2 CO2 H20 H2S He Ar Xer (70-95%) C2+ (5-30%) 少量 微量 天然气凝液回收就是回收天然气中乙烷以上的组分，所以天然气凝液（NGL）中含有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及更重烃类；从天然气中回收凝液的过程称之为天然气凝液回收或天然气液回收(NGL
2、回收)我国习惯上称为轻烃回收，讲课时提到的轻烃回收和天然气凝液回收都是一回事。,一、天然气凝液回收的概念,二、世界天然气凝液回收的工业发展,当前，天然气凝液的回收率和生产能力是衡量一 个国家天然气工业发展水平的重要标志之一。回顾些发达国家天然气凝液回收的发展过程大致可分为以下四个阶段： 井口汽油时代(1910一19204年)：由油井井口分离器分离出的伴生气经压缩、冷凝和分离后即可得到井口汽油。井口汽油组成不定，也不稳定。这一阶段只是对伴生气进行简单处理，以防止在输气管道中析出液烃。 天然汽油时代(19201940年)：这阶段天然气凝液回收方法有了很大发展，常温油吸收法逐步取代了初期的压缩法。主
3、要产品是经过稳定的天然汽油，同时已开始生产液化石油气。,乙烷时代(19601980年)：自50年代后期至60年代，由于对乙烯的需求剧增，从天然气中回收的乙烷、丙烷、丁烷已成为裂解制取乙烯的主要原料，因而对乙烷的需求也日益增加。60年代中期出现的透平膨胀机制冷方法，由于具有很多优点而被广泛采用。与此同时，为了扩大乙烷来源，对组成较贫的天然气也进行了加工。,液化石油气(或丙烷，丁烷)时代（19401960年)：液化石油气的生产始于30年代，到40年代以后其产量迅速增加、不仅促进了天然气化工的发展，也给城市提供了清洁方便的燃料。这一阶段天然气凝液回收入方法已从常温油吸收法逐渐转为低温油吸收法(冷冻油
4、吸收法)，丙烷、丁烷的回收率有了显著提高。,我国天然气处理与加工工业是在60年代以后才发展起来的，而大规模的建设是在70年代后期至80年代。其中，大庆、胜利、辽阿、中原等油田的伴生气主要是经过加工生产天然气凝液，或再进一步分离为乙烷、丙烷、丁烷(或液化石油气)和天然汽油；四川及陕北气藏气，主要是经过处理生产商天然气，也有一小部分用来回收天然气凝液。就天然气加工率来讲，目前我国已达到世界先进水平。,三、我国天然气凝液回收概况,第一节 天然气凝液回收的目的和方法,天然气类型对天然气液回收的影响 天然气液回收的目的 天然气凝液回收方法,天然气类型主要决定了可以冷凝回收的烃类的组成和数量。 气藏气：主
5、要由甲烷组成，乙烷及更重烃类含量很少。只有当轻烃成为产品时其价值比在商品气中高时， 才考虑进行天然气凝液回收。 伴生气：通常轻烃多，为了满足商品气或管输气对烃露点和热值的要求，同时也为了获得一定数量的液烃产品，必须进行天然气凝液回收。 凝析气：轻烃含量多，应进行回收。,一、天然气类型对天然气液回收的影响,1. 生产管输气 使天然气的烃露点满足管输要求，防止天然气中较重烃类在输送过程中冷凝，增加输送阻力和能耗。 2. 满足商品天然气对烃露点的要求 根据商品气的质量指标对烃露点要求，对天然气液烃进行回收。如果天然气中可以冷凝回收的烃类很少，只需适当回收天然气凝液进行露点控制即可；如果可以冷凝回收的
6、烃类成为液体产品比作为商品气中的组分具有更好的经济效益时，则应在满足商品气最低热值要求的前提下，最大程度地回收天然气凝液。因此，天然气液回收的深度不仅取决天然气的组成(乙烷和更重烃类的含量)，还取决于商品气对热值和烃露点的要求等因素。,二、天然气液回收的目的,在下述几种情况下需要最大程度地回收天然气液： 在从伴生气中回收液烃的同时，需要尽可能地增加原油产量。换句话说，将伴生气中回收到的液烃送回原油中时价值更高。 加工凝析气的目的是回收液烃而回收液烃后的残余气则需回注到储层中以保持储层压力。 从天然气液回收过程中得到的液烃产品比其作为商品气中的组分时价值更高，因而使得天然气凝液回收具有良好的经济
7、效益。 我国习惯上根据是否回收乙烷而将天然气凝液回收装置分为两类：一类以回收丙烷及更重烃为目的，称为浅冷；另一类则以回收乙烷及更重烃为目的，称为深冷。,3. 最大限度地回收天然气凝液,回收方法基本上分为吸附法、油吸收法和冷凝分离法三种. 1. 吸附法 吸附法系利用固体吸附剂(如活性炭)对各种烃类的吸附容量不同，从而使天然气中些组分得以分离的方法。缺点是需要几个吸附塔切换操作，产品的局限性大，加之能耗较大，成本较高，因而目前应用较少。 2. 油吸收法 此法系利用不同烃类在吸收油中溶解度不同，从而使天然气中各个组分得以分离的方法。吸收油一般采用石脑油、煤油或柴油，是五六十年代广为使用的一种天然气液
8、回收方法。但是，由于此法投资和操作费用较高，70年代以后已逐渐被更加经济与先进的冷凝分离法所取代。,三、天然气凝液回收方法,冷凝分离法是利用在一定压力下天然气中各组分的挥发度不同，将天然气冷却至烃露点温度以下，得到一部分富含较重烃类的天然气凝液。 此法的特点是需要向气体提供足够的冷量使其降温。按照提供冷量的制冷系统不同，冷凝分离法可分为冷剂制冷法、直接膨胀制冷法和联合制冷法三种。 （1）冷剂制冷法 冷剂制冷法也称为外加冷源法(外冷法)，其特点是： 是由独立设置的冷剂制冷系统向原料气提供冷量，其制冷能力与原料气无直接关系；根据原料气的压力、组成及要求的天然气液的回收深度，可选择不同温度级别的冷剂
9、(制冷工质)，例如氨、丙烷及乙烷，也可以是乙烷、丙烷等烃类混合物；制冷循环可以是单级或多级串联，也可以是阶式制冷(覆叠式制冷)循环。,3. 冷凝分离法,采用丙烷制冷的冷凝分离法天然气凝液回收原理流程图见图62,以控制外输气烃露点为主，并同时回收部分凝液的装置。通常，原料气的冷冻温度应低于外输气所要求的露点温度5以上。 原料气较富，但其压力和外输气压力之间没有足够压差可供利，或为回收凝液必须将原料气适当增压，所增压力和外输气压力之间没有压差可供利用，而且采用冷剂制冷又可经济地达到所要求的凝液收率。,1)适用范围。在下列情况下可采用冷剂制冷法,氨适用于原料气冷冻温度高于-25-30时的工况。 丙烷
10、适用于原料气冷冻温度高于-35 -40时的工况。 以乙烷、丙烷为主的混合冷剂适用于原料气冷凉温度低于-35-40时的工况。 能使用凝液作冷剂的场合应优先使用凝液。,2)冷剂选用的依据。冷剂选用的主要依据是原料气的冷冻温度和制冷系统单位制冷量所耗的功率，并应考虑以下因素：,1）节流阀制冷。在下述情况下可考虑节流阀制冷： 压力很高的气藏气（大于10MPa)，对节流后的压力无太高的要求。 气源压力较高，而气量较小不适合用膨胀机制冷时。 原料气与外输气有压差可供利用，且原料气较贫，采用节流阀制冷仅为控制其烃露点以满足管输要求。,(2)直接膨胀制冷法 直接膨胀制冷法也称膨胀制冷法或自制冷法。此法特点是通
11、过各种类型的膨胀设备使气体本身的压力能转变为冷能，气体自身温度降低，将轻烃从天然气分中离出来。常用的膨胀制冷设备有节流阀(也称焦尔一汤姆逊阀)、透平膨胀机及热分离机等。,原料气量不大旦其压力高于外输压力，有足够压差可供利用，但靠节流阀制冷达不到所需要的温度时，可采用热分离机制冷。 热分离机的气体出口压力应能满足外输要求，不应再设增压压缩机。热分离机的最佳膨胀比约为5，且不宜超过7。 适用于气量较小或气量不稳定的场合，而简单可靠的静止式热分离机特别适用于单井或边远井气藏气的天然气液回收。,2)热分离机制冷 热分离机是70年代由法国ELFIknm公司研制的一种简易有效的气体膨胀制冷设备，由喷嘴及接
12、受管组成，按结构可分为静止式和转动式两种；自80年代末期以来，热分离机已在我国一些天然气液回收装置中得到应用。在下述情况下可考虑采用热分离机制冷：,原料气量及压力比较稳定。 原料气压力高于外输气压力、有足够的压差可供利用。 气体较贫及凝液收率要求较高 1964年美国首先将透平膨胀机制冷技术用于天然气液回收过程中。由于此法具有流程简单、操作方便、对原料气组成的变化适应性大、投资低及效率高等优点，因此近二三十年来发展很快，美国新建或改建的天然气油回收装置有90以上采用了透平膨胀机制冷法。 天然气采用膨胀机制冷回收液烃时的原理流程图见图64所示。,3)膨胀机制冷。当节流阀或热分离机制冷不能达到所要求
13、的凝液收率时，可考虑采用膨胀机制冷。其适用情况如下：,(3)联合制冷法 联合制冷法又称为冷剂与其接膨胀联合制冷法。此法冷量来自两部分：一部分由膨胀制冷法提供；一部分则由冷剂制冷法提供。当原料气组成较富，或其压力低于适宜的冷凝分离压力，为了充分、经济地回收天然气液而设置原料气压缩机时，应采用有冷剂预冷的联合制冷法。 由于我国的伴生气大多具有组成较富、压力较低的特点，所以自80年代以来新建或改建的天然气液回收装置普遍采用膨胀制冷法及有冷剂预冷的联合制冷法，而其中的膨胀制冷设备又以透平膨胀机为主。 冷凝分离法根据其冷凝温度范围可分为： 浅冷分离：冷冻温度一般在-2035，以回收丙烷为目的。 深冷分离
14、：冷冻温度一般在-45100，以回收乙烷为目的。,第二节 制 冷 方 法,蒸汽压缩制冷 透平膨胀机制冷 节流膨胀制冷,蒸气压缩制冷也称做机械压缩制冷或简称压缩制冷，是天然气凝液回收过程中最常采用的制冷方法之一。蒸汽压缩制冷的基本原理是利用沸点较低的制冷介质在低于环境温度下气化而吸热，从而带走被冷物料的热量。制冷介质的沸点越低，冷剂温度越低。例如,氨气在常压下蒸发可产生-33.5的低温; 丙烷的常压沸点是-42, 最低可产生-42的低温, 甲烷在常压下蒸发,则最低可产生-161.49 的低温。蒸汽压缩制冷的基本原理图见图65。,一、蒸汽压缩制冷,1. 单温级压缩制冷循环,丙烷压缩制冷的原理流程图
15、 丙烷沸点： P=1atm Tb=-42.17; P=16atm Tb=45,这种循环是利用蒸汽的压缩、冷凝、汽化产生冷量，故称为蒸汽压缩制冷循环。 2. 双温级压缩制冷循环 当工艺要求在几个温度等级下冷冻降温，或者说需要提供几个温度等级的制冷量时，可采用分级制冷(分级蒸发)的压缩制冷系统。 图610是以丙烷为冷剂，产生两个温度级别制冷剂的例子。,循环制冷剂被水冷凝成液体后，先节流到0.426MPa，产生-10.72的冷剂，这部分制冷剂在0.426MPa蒸发返回压缩机，因而节省了制冷循环压缩机功耗（这部分只需从0.42MPa1.67MPa）；而经二次节流后产生的-45.56 冷剂，被加热蒸发后
16、蒸汽需要从0.103MPa经两级加压到1.67Mpa，所需要压缩功相对较大。由此可以看出，温度越低的冷剂，消耗的压缩功越大，价格也就越高。因此我们把冷量分成不同的级位，温度越低，则温度级位愈高，价格越贵。所以我们选择制冷剂时，要根据被冷物料最终温度，选择合适温度级别的冷剂，并不是温度越低越好。,采用丙烷、氨等冷剂的压缩制冷系统，共制冷温度最低仅约为-30-40。如果要求更低的制冷温度(例如，低于-60-80)，必须选择像乙烷、乙烯这样的冷剂(其常压下蒸发温度分别为-88.6与-103.7) 但是，由于乙烷、乙烯的临界温度较低(乙烷为32.2，乙烯为9.1)，在压缩制冷循环中其蒸气不可能在环境温度(空气或温度为3540的冷却水)下冷凝。为此，乙烷或乙烯蒸气需要采用丙烷、丙烯或氨制冷循环蒸发器中的冷剂提供冷量使其冷凝。同理，如要用甲烷可以制取-160温度等级的冷量。就需采用乙烷、乙烯制冷循环蒸发器中的冷剂供冷量
