天然氣凝液回收技術(shù)-1

天然氣凝液回收技術(shù),天然氣凝液（naturalgasliquidNGL）是從天然氣中回收C2+的烴類(lèi)混合物的總稱(chēng)?？梢缘玫揭彝?、丙烷、液化石油氣和穩(wěn)定輕油。,主要內(nèi)容,天然氣凝液回收方法多元汽液平衡和精餾制冷技術(shù)低溫分離法工藝主要工藝設(shè)備,基本要求,了解天然氣凝液回收方法和工藝特點(diǎn)；掌握制冷工藝的原理和特點(diǎn)；掌握天然氣凝液回收流程及其應(yīng)用。,第一節(jié)天然氣凝液回收方法,回收天然氣凝液的必要性；天然氣凝液回收方法；天然氣凝液回收技術(shù)發(fā)展歷程。,一、回收天然氣凝液的必要性,有利于改善天然氣質(zhì)量，降低烴露點(diǎn)，防止在管輸中有液態(tài)烴凝結(jié)?；厥漳旱漠a(chǎn)品是重要的民用燃料和化工原料；提高資源的綜合利用率，有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。,二、天然氣凝液回收方法,吸附法油吸收法低溫分離法,1.吸附法,吸附法是利用具有多孔結(jié)構(gòu)的固體吸附劑（如活性氧化鋁或活性炭）對(duì)烴類(lèi)組分吸附能力強(qiáng)弱的差異而實(shí)現(xiàn)氣體中重組分與輕組分的分離。主要用于天然氣中回收重?zé)N類(lèi)，且處理規(guī)模較小(小于60104m3/d)及較貧的天然氣(液烴含量1314mL/m3)。,吸附法的特點(diǎn)和應(yīng)用情況,工藝裝置簡(jiǎn)單，投資費(fèi)用較??；但生產(chǎn)產(chǎn)品單一（液化氣和天然汽油），再生能耗高，運(yùn)行成本較高。吸附劑的吸附容量等問(wèn)題未能得到很好解決。未得到廣泛的應(yīng)用。曾在美國(guó)用過(guò)。,2.油吸收法,油吸收法是基于天然氣中各組分在吸收油中的溶解度的差異而使輕、重?zé)N組分得以分離的方法。通常采用石腦油、煤油或柴油作吸收油。按照吸收操作溫度的不同，油吸收法往往分為常溫油吸收和低溫油吸收法（冷油吸收法）兩種。,常溫油吸收法的操作溫度為常溫或略低于常溫，多用于中小型天然氣凝液回收裝置；冷油吸收法利用制冷將吸收油冷至0-40進(jìn)行操作，該法比常溫油吸收法可多回收C2+液烴，C3的回收率可達(dá)85%90%，常用于較大型的氣體加工廠。,2.油吸收法,2.油吸收法,原料氣與吸收油在一吸收塔內(nèi)逆流傳熱傳質(zhì)，離開(kāi)吸收塔的液體稱(chēng)為富油，它含有全部被吸收組分，富油經(jīng)加熱后解吸，將吸收油與已被吸收了的組分分開(kāi)，吸收油循環(huán)使用，被吸收組分送往分餾設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步分離。油吸收工藝是烴類(lèi)氣體通過(guò)油吸收法進(jìn)行分離，其實(shí)質(zhì)屬于多組分的吸收分離。,油吸收法的特點(diǎn)和應(yīng)用情況,工藝流程復(fù)雜；投資費(fèi)用和運(yùn)行成本高；直至20世紀(jì)60年代中期還是天然氣分離工藝中使作最多的方法；但隨著制冷技術(shù)的發(fā)展，自1970年以后，油吸收法在新建裝置中已很少采用。,3.低溫分離法,低溫分離法（冷凝分離法）是利用原料氣中各烴類(lèi)組分冷凝溫度的不同，通過(guò)將原料氣冷凝至一定溫度，將沸點(diǎn)較高的烴類(lèi)冷凝分離出來(lái)，并經(jīng)凝液精餾分離成合格產(chǎn)品的工藝。,提供冷量的形式,低溫分離法最根本的特點(diǎn)是需要提供較低溫位的冷量使原料氣降溫。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種形式。,低溫分離法的主要特點(diǎn),工藝流程簡(jiǎn)單，投資少，效益好；回收率高，C3的回收率可達(dá)90%以上；適應(yīng)性強(qiáng)，管理方便。,低溫分離法的應(yīng)用情況,隨著制冷技術(shù)的發(fā)展，特別是1964年，美國(guó)首次將透平膨脹機(jī)用于天然氣凝液回收，使天然氣回收凝液技術(shù)開(kāi)始了新的發(fā)展階段。目前，低溫分離法已廣泛應(yīng)用于天然氣凝液回收裝置。,三、天然氣凝液回收技術(shù)發(fā)展歷程,國(guó)外天然氣凝液回收大致經(jīng)歷了四個(gè)階段：井口汽油時(shí)代（1910年1920年）；采用壓縮、冷凝、分離等工藝。天然汽油時(shí)代（1920年1940年）；吸附法、水冷法。,液化石油氣時(shí)代（1940年1960年）；節(jié)流制冷、冷劑制冷工藝。乙烷時(shí)代（1960年至今）；油吸收法、膨脹制冷法、復(fù)合制冷法。我國(guó)天然氣凝液回收始于1960年，四川氣田在19661975年間建設(shè)兩套節(jié)流制冷的回收裝置。1980年以后，開(kāi)始引進(jìn)裝置和技術(shù)。,三、天然氣凝液回收技術(shù)發(fā)展歷程,第二節(jié)多元汽液平衡和精餾,烴類(lèi)系統(tǒng)的汽液平衡模型；平衡分離計(jì)算多組分的精餾計(jì)算,一、烴類(lèi)系統(tǒng)的汽液平衡模型,烴類(lèi)系統(tǒng)的汽液平衡模型常作閃蒸計(jì)算、露點(diǎn)、泡點(diǎn)、節(jié)流、等熵膨脹等工藝計(jì)算。烴類(lèi)系統(tǒng)的汽液平衡模型主要分兩類(lèi)模型：,1.第一種汽液平衡模型,汽相和液相的逸度采用不同方法的計(jì)算。對(duì)汽相和液相i組分的逸度可表示：,（2-1）,（2-2）,上兩式各符號(hào)的意義,P系統(tǒng)壓力；yi汽相中i組分的摩爾分?jǐn)?shù)；i汽相中i組分的逸度系數(shù)；i液相中i組分的活度系數(shù)；xi液相中i組分的摩爾分?jǐn)?shù)；fi0i組分的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)逸度。,將汽-液相平衡常數(shù)表示為:,采用這一方法時(shí)，汽相逸度系數(shù)i可按適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)方程計(jì)算，液相活度系數(shù)i則由于烴類(lèi)溶液的非理想性較小，一般按正規(guī)溶液處理。,（2-3）,1.第一種汽-液平衡模型,正規(guī)溶液的定義：當(dāng)極少量的一個(gè)組分從理想溶液遷移到具有相同組成的溶液時(shí)，其熵變化為零，且總體積不變。正規(guī)溶液和理想溶液的區(qū)別在于正規(guī)溶液的混合熱可以不等于零。常用的第一種模型有：CS，LEE,1.第一種汽-液平衡模型,2.第二種汽液平衡模型,這類(lèi)模型的特點(diǎn)是采用同一狀態(tài)方程直接計(jì)算汽相和液相的逸度，而無(wú)需通過(guò)輔助函數(shù)i、i等?？捎蔂顟B(tài)方程直接計(jì)算相平衡參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)，在實(shí)際工程中應(yīng)用較多。,2.第二種汽液平衡模型,第二種汽液平衡模型中常用的方程：SRK方程；PR方程；BWRS（或SHBWR）方程；LKP方程。,二、平衡分離計(jì)算,泡點(diǎn)計(jì)算；露點(diǎn)計(jì)算；部分汽化與冷凝計(jì)算。,四、多組分的精餾計(jì)算,物料的預(yù)分配；適宜的回流比；理論板數(shù)的計(jì)算；精餾塔的熱量衡算。,討論的精餾計(jì)算是針對(duì)無(wú)側(cè)線的常規(guī)精塔的計(jì)算，如圖7-2-1所示。,圖2-1精餾塔的計(jì)算模型,四、多組分的精餾計(jì)算,1.物料的預(yù)分配,關(guān)鍵組分；物料的分配方法。,（1）關(guān)鍵組分,在多組分精餾中，為簡(jiǎn)化塔兩端產(chǎn)品組成的估算，廣泛采用了關(guān)鍵組分的概念。所謂關(guān)鍵組分就是在多元物系中，對(duì)物料的分離起著關(guān)鍵性控制作用的兩組分。如脫乙烷塔中的C2H6和C3H8兩組分為關(guān)鍵組分。,輕關(guān)鍵組分,兩個(gè)關(guān)鍵組分中，揮發(fā)度大的組分稱(chēng)為輕關(guān)鍵組分。為達(dá)到分離要求，在塔釜中必須對(duì)它的濃度加以控制，要求進(jìn)料中輕關(guān)鍵組分和比它輕的組分（或揮發(fā)度比它更大的組分）絕大部分進(jìn)入塔頂餾出物中。,重關(guān)鍵組分,兩個(gè)關(guān)鍵組分中，揮發(fā)度小的組分稱(chēng)為重關(guān)鍵組分。為達(dá)到分離要求，必須控制它在塔頂產(chǎn)品中的濃度，要求進(jìn)料中重關(guān)鍵組分和比它重的組分（或揮發(fā)度比它小的組分）絕大部分進(jìn)入塔底產(chǎn)品中。,（2）物料的分配方法,清晰分割法；非清晰分割法。,清晰分割法,若兩關(guān)鍵組分的揮發(fā)度相差較大，且兩者為相鄰組分，此時(shí)可認(rèn)為比重關(guān)鍵組分還重的組分全部在塔底產(chǎn)品中，比輕關(guān)鍵組分還輕的組分全部在塔頂產(chǎn)品中。采用清晰分割時(shí)，非關(guān)鍵組分在塔頂和塔底的分配可通過(guò)物料衡算求得。,清晰分割法的平衡計(jì)算,若脫乙烷塔的進(jìn)料量和組成如表2-1所示，輕關(guān)鍵分的回收率為a，重關(guān)鍵組分的回收率為b，物料的平衡計(jì)算見(jiàn)表2-1。,表2-1清晰分割法的物料平衡,若兩關(guān)鍵組分不是相鄰組分，則塔頂和塔底產(chǎn)品中必有中間組分；或若進(jìn)料中非關(guān)鍵組分的相對(duì)揮發(fā)度與關(guān)鍵組分的相差不大，則塔頂產(chǎn)品中就含有比重關(guān)鍵組分還重的組分，塔底產(chǎn)品中就會(huì)含有比輕關(guān)鍵組分還輕的組分。這兩種情況稱(chēng)為非清晰分割。,非清晰分割法,非清晰分割時(shí)，估算各組分在塔頂和塔底產(chǎn)品中的分配情況時(shí)需作以下假設(shè)：在任何回流比下操作時(shí)，各組分在塔頂和塔底產(chǎn)品中的分配情況與全回流操作時(shí)相同；非關(guān)鍵組分在產(chǎn)品中的分配情況與關(guān)鍵組分的也相同。,非清晰分割法,根據(jù)上述假設(shè)，任何回流比下各組分在塔頂和塔底產(chǎn)品中的分配情況可由亨斯特別克（Hengstebeck）公式計(jì)算。,上式中相對(duì)揮發(fā)度可取為塔頂和塔底的或塔頂、進(jìn)料口和塔底的幾何平均值。,(2-4),非清晰分割法,式（7-2-26）各符號(hào)的意義,Dl、Dh、Di分別為塔頂產(chǎn)品中輕、重關(guān)鍵組分和i組分的流量，kmol/h；Wl、Wh、Wi分別為塔底產(chǎn)品中輕、重關(guān)鍵組分和i組分的流量，kmol/h；lh、hh、ih輕關(guān)鍵組分、重關(guān)鍵組分和i組分對(duì)重關(guān)鍵組分的相對(duì)揮發(fā)度(hh=1)。,利用式（2-4）求出i組分在塔頂及塔底的分配比(D/W)i后，可按下式求出在塔頂?shù)牧緿i及Wi。,(2-5),(2-6),非清晰分割法,上兩式各符號(hào)的意義,Fii組分在進(jìn)料中的量，kmol/h；Dii組分在塔頂中的量，kmol/h；Wii組分在塔底中的量，kmol/h。,非清晰分割的計(jì)算步驟,各組分的初值可按清晰分割法計(jì)算；求出塔頂?shù)穆饵c(diǎn)溫度和塔底的泡點(diǎn)溫度、各組分的平衡常數(shù)K、相對(duì)揮發(fā)度；按亨斯特別克公式計(jì)算各組分在塔頂和塔底的量和組成；按新分配的組成求塔頂、塔底的溫度，并上次計(jì)算結(jié)果相比較。,溫度比較控制式:,如果滿(mǎn)足式(7-2-29)要求，計(jì)算結(jié)束；否則重復(fù)計(jì)算。,(2-7),非清晰分割的計(jì)算步驟,2.回流比,最小回流比的計(jì)算；實(shí)際回流比的選用。,（1）最小回流比的計(jì)算,由精餾原理可知，回流量越大，所需的塔板數(shù)越少。反之，就必須增加塔板數(shù)。回流量的最大極限是塔頂蒸氣經(jīng)冷凝后全部回入塔中，稱(chēng)全回流，回流比（回流量與塔頂產(chǎn)品量的比）為無(wú)限大。,最小回流比的概念,當(dāng)回流比由無(wú)限大逐漸減小，則達(dá)到同樣的分離效果所需的理論板數(shù)逐漸增多?；亓鞅鹊臏p小有一個(gè)最低下限，這就是最小回流比。理論上講，這是需要無(wú)限多塔板才能達(dá)到分離要求的回流比。如果小于此值，不管用多少塊塔板，也不能將混合物分離到所希望的產(chǎn)品要求。,最小回流比的計(jì)算,最小回流比的計(jì)算方法較多，由于恩德伍德（Underwood）法的計(jì)算過(guò)程較簡(jiǎn)單，且能滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的要求，因此一般多用此法計(jì)算最小回流比。,(2-8),(2-9),最小回流比的計(jì)算,上兩式各符號(hào)的意義,n組分?jǐn)?shù)；ij組分i對(duì)基準(zhǔn)組分j的相對(duì)揮發(fā)度；方程的一個(gè)根；xFi進(jìn)料中i組分的摩爾分?jǐn)?shù)；xDi塔頂產(chǎn)品中i組分的液相摩爾分?jǐn)?shù)。塔頂產(chǎn)品為氣相出料時(shí)，xDi改用i組分的氣相摩爾分?jǐn)?shù)yDi；q進(jìn)料的液相分率；Rmin最小回流比。,實(shí)際回流比,在確定了最小回流比，可根據(jù)經(jīng)濟(jì)合理性選用實(shí)際回流比。一般情況下，實(shí)際回流比R在（1.12.0）Rmin之間。,3.塔理論板數(shù)的計(jì)算,簡(jiǎn)捷法：對(duì)簡(jiǎn)單塔，作初步設(shè)計(jì)，方案研究；嚴(yán)格計(jì)算法：對(duì)復(fù)雜塔的操作型模擬計(jì)算。,簡(jiǎn)捷法計(jì)算理論板數(shù),最小理論板數(shù)；實(shí)際理論板數(shù)。,最少理論數(shù),在全回流的條件下，一定的塔板數(shù)具有最大的分離能力。在規(guī)定的塔頂和塔底物料組成條件下，有一個(gè)與之相適應(yīng)的最少理論板數(shù)。全回流下的最少理論板數(shù)，是精餾計(jì)算中常用的一個(gè)重要參數(shù)。,最少理論板數(shù)可按芬斯克方程計(jì)算:,(2-10),最少理論數(shù),若使用全凝器時(shí)，第N板是代表塔頂最上一塊塔板，若使用分凝器時(shí)，則分凝器是第N板理論板。最少理論板數(shù)Nmin包括再沸器在內(nèi)，為第一級(jí)板。,式(7-2-32)符號(hào)的意義,Nmin一最少理論板數(shù)；xlD，xhD輕、重關(guān)鍵組分在塔頂?shù)哪柗謹(jǐn)?shù)；xlw，xhw輕、重關(guān)鍵組分在塔底的摩爾分?jǐn)?shù)；lh輕關(guān)鍵組分對(duì)重關(guān)鍵組分的相對(duì)揮發(fā)度。,用吉利蘭關(guān)聯(lián)式求取理論板板：,實(shí)際理論板數(shù),N1，Nmin1精餾段理論板數(shù)、最小理論板數(shù)N2，Nmin2提餾段理論板數(shù)、最小理論板數(shù),進(jìn)料位置,4.精餾塔的熱量衡算