向 輝，蒲紅宇，楊雨林，衛(wèi) 浪，田 戩

（1. 西南石油大學(xué)土木工程與測(cè)繪學(xué)院，四川 成都 610500；2. 成都華潤(rùn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610000）

進(jìn)口LNG中乙烷、 丙烷等C2+輕烴含量較多，需要對(duì)其進(jìn)行輕烴回收處理。 在LNG輕烴回收優(yōu)化研究方面， 國(guó)外起步較早， 發(fā)明了以US6941771B2[1]、US2009/0211296A1[2]等為代表的輕烴回收專利，國(guó)內(nèi)則有華賁等[3]發(fā)明的具有調(diào)峰功能的液化天然氣輕烴分離技術(shù)和王雨帆等[4]提出的利用LNG冷能回收輕烴的改進(jìn)流程等。 總的來(lái)說(shuō)，這些LNG輕烴分離流程大都是以提高LNG自身冷能利用率為目標(biāo)，充分利用分離器、混合器、壓縮機(jī)、閃蒸罐等設(shè)備改變脫甲烷塔、脫乙烷塔的物料進(jìn)回流方式、改善物流換熱網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)流程做出優(yōu)化。 本文以青島LNG接收站輕烴回收工藝為基礎(chǔ)， 結(jié)合LNG的理化特性，應(yīng)用重接觸技術(shù)、冷量梯級(jí)利用原則、分流換熱等理論，提出了一種適用于沿海LNG接收站的輕烴回收改進(jìn)工藝流程。 該改進(jìn)流程能夠在提高產(chǎn)品收率的同時(shí)，降低系統(tǒng)能耗，對(duì)于提高LNG接收站的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 青島LNG輕烴回收流程

青島LNG接收站是中國(guó)石化首套LNG項(xiàng)目，也是國(guó)內(nèi)首個(gè)運(yùn)行LNG輕烴回收裝置的LNG接收站[5]，該接收站主要?dú)庠磥?lái)自巴布亞新幾內(nèi)亞，處理量為114.2 t/h，其氣質(zhì)組分見(jiàn)表1[6]。

表1 青島LNG接收站氣質(zhì)組分表

圖1為青島LNG接收站輕烴回收工藝流程圖，富LNG經(jīng)升壓泵增壓后， 先后進(jìn)入LNG換熱器E1、E2進(jìn)行預(yù)熱處理，LNG被加熱部分氣化， 隨后進(jìn)入閃蒸罐閃蒸， 分離后的氣相大部分為甲烷氣體，然后進(jìn)入換熱器E1與LNG換熱冷凝后進(jìn)入閃蒸氣冷凝液罐，經(jīng)閃蒸氣冷凝液泵增壓后進(jìn)行分流，較少的一部分作為脫甲烷塔塔頂回流，較多的一部分則與在換熱器E2中被冷凝的脫甲烷塔頂氣混合后進(jìn)入塔頂氣冷凝液罐，經(jīng)LNG高壓泵增壓后通往高壓LNG總管。 閃蒸罐底部液相則通過(guò)脫甲烷塔底進(jìn)料泵泵入脫甲烷塔進(jìn)行精餾。 該工藝流程采用脫甲烷塔側(cè)線抽出的方式為脫乙烷塔頂氣提供冷量，側(cè)線采出液經(jīng)過(guò)泵增壓后分流，分別在換熱器E3和E4中為脫乙烷塔頂氣提供預(yù)冷冷量和過(guò)冷冷量后回流到脫甲烷塔。脫乙烷塔頂氣在換熱器E3中經(jīng)過(guò)預(yù)冷后進(jìn)入脫乙烷塔回流罐，一部分作為脫乙烷塔塔頂回流，一部分則通過(guò)換熱器E4過(guò)冷后得到液態(tài)乙烷產(chǎn)品，脫乙烷塔底得到C3+凝液產(chǎn)品，冷卻后可作為液化石油氣原料。

2 流程參數(shù)及性能分析

Aspen Hysys是面向油氣生產(chǎn)、氣體處理和煉油工業(yè)的模擬、設(shè)計(jì)、性能檢測(cè)的過(guò)程模擬軟件。 結(jié)合圖1所示工藝流程， 建立Hysys模擬流程圖如圖2所示，其中狀態(tài)方程選用Peng-Robinson，該流程設(shè)備參數(shù)設(shè)置情況見(jiàn)表2[6]，流程模擬結(jié)果見(jiàn)表3。

由模擬分析可知，該LNG接收站輕烴回收工藝流程的特點(diǎn)如下：

（1）使用部分閃蒸氣冷凝液為脫甲烷塔提供回流，對(duì)其進(jìn)行精餾，可以減少閃蒸帶來(lái)的乙烷揮發(fā)損失。

（2）采用脫甲烷塔側(cè)線抽出液相甲烷與脫乙烷塔頂氣換熱的方式，一方面為脫乙烷塔頂氣的冷凝提供了冷量，另一方面也起到了預(yù)熱部分液相甲烷的作用， 從而減小了脫甲烷塔底重沸器的熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了冷能的合理利用。

（3）采用了冷量梯級(jí)利用的原則，依次對(duì)閃蒸氣和脫甲烷塔頂氣進(jìn)行冷凝，提高了冷能利用效率。

（4）采用分流換熱的方式，使用脫甲烷塔側(cè)線抽出液相先后對(duì)脫乙烷塔頂氣進(jìn)行預(yù)冷和過(guò)冷， 使用預(yù)冷冷凝后的液相乙烷進(jìn)行回流， 在不影響分離效果的前提下，可有效降低脫乙烷塔底重沸器熱負(fù)荷。

表2 設(shè)備基本參數(shù)表

表3 Hysys流程模擬結(jié)果

進(jìn)一步分析流程結(jié)構(gòu)和模擬數(shù)據(jù)可知，該流程仍存在以下不足：

（1）分離得到的乙烷和C3+凝液產(chǎn)品均為高壓，不利于常壓下的保存和運(yùn)輸。

（2）乙烷產(chǎn)品的收率相對(duì)較低，是因?yàn)椴糠珠W蒸氣冷凝液分流進(jìn)入塔頂氣冷凝液罐，會(huì)帶走少量隨閃蒸罐氣相分離出來(lái)的乙烷。

（3）脫甲烷塔是該流程最耗能的設(shè)備，大量低溫液相進(jìn)入脫甲烷塔，因此精餾過(guò)程中，脫甲烷塔底重沸器熱負(fù)荷負(fù)擔(dān)較大。

3 DHX輕烴回收工藝

直接換熱流程 （Direct Heat Exchange process，簡(jiǎn)稱DHX） 由加拿大ESSO公司于1984年開(kāi)發(fā)，于Judy Creek工廠得到首次應(yīng)用，丙烷回收率由72%提高到95%[7]。DHX流程采用雙塔流程，在GSP（氣體過(guò)冷流程） 輕烴回收流程的基礎(chǔ)上增加重接觸塔，常用于天然氣丙烷回收，是為提高丙烷收率而開(kāi)發(fā)的一種高效流程，可以借鑒其優(yōu)點(diǎn)將其應(yīng)用于LNG輕烴回收，常見(jiàn)的DHX丙烷回收流程如圖3所示。

由圖3可知，DHX丙烷流程的關(guān)鍵是使用了重接觸塔，重接觸塔起到了二次分離的作用，在重接觸塔內(nèi)，乙烷冷凝液由上而下為上升的氣相提供冷量，氣相中的丙烷組分較重，隨下降液相而被冷凝，相應(yīng)乙烷在提供冷量的過(guò)程中而被氣化，從而達(dá)到分離效果，DHX流程丙烷回收率高，可達(dá)99%[8]。 因此， 可以運(yùn)用DHX丙烷回收流程的特點(diǎn)， 來(lái)提高LNG輕烴回收流程產(chǎn)品收率，同時(shí)，引入重接觸塔可大大減少進(jìn)入脫甲烷塔的液相，從而降低脫甲烷塔底重沸器負(fù)荷。

4 基于DHX工藝的LNG輕烴回收改進(jìn)流程

4.1 改進(jìn)流程的提出

針對(duì)青島LNG輕烴回收流程的不足，結(jié)合DHX丙烷回收流程的特點(diǎn)，將重接觸塔運(yùn)用于LNG的輕烴回收，改進(jìn)物流換熱網(wǎng)絡(luò)，得到基于DHX工藝的LNG輕烴回收工藝流程如圖4所示。

由于LNG自身的理化特性，與常規(guī)DHX丙烷回收不同的是， 該流程不需要原料氣的冷凝過(guò)程，相反需要將LNG加熱以進(jìn)行分離。 如圖4所示，富LNG在經(jīng)過(guò)換熱器E1、E2預(yù)熱后， 進(jìn)入閃蒸罐進(jìn)行氣液分離， 與青島LNG接收站輕烴回收流程不同的是，該流程提高閃蒸罐進(jìn)口物流溫度，增加氣相分流比例，閃蒸罐60%的氣相直接進(jìn)入重接觸塔底部，以減少脫甲烷塔液相進(jìn)料。 為避免LNG換熱器出現(xiàn)溫度交叉，需對(duì)各冷熱物流換熱方式進(jìn)行改進(jìn)，將脫甲烷塔頂?shù)玫降呢歀NG進(jìn)行分流，80%的氣相作為熱流進(jìn)入換熱器E1，另一小部分氣相作為熱流進(jìn)入換熱器E2。 通過(guò)換熱器E1冷凝后的液相再次分流處理，20%的液相作為脫甲烷塔頂部回流，以提供冷量改善脫甲烷塔內(nèi)輕烴分離效果，20%的液相經(jīng)過(guò)節(jié)流閥降壓后進(jìn)入重接觸塔頂部，重接觸塔內(nèi)氣液相在對(duì)流條件下， 氣相中的乙烷隨下降液體而冷凝，為滿足重接觸塔內(nèi)輕烴分離效果，重接觸塔頂液相物流量可根據(jù)進(jìn)入重接觸塔底部氣相物流量的變化而調(diào)整， 其余液相則作為冷流進(jìn)入換熱器E5，為節(jié)流降壓后的乙烷產(chǎn)品和丙烷產(chǎn)品的冷凝提供冷量。 重接觸塔頂氣相經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)增壓后作為熱流依次進(jìn)入換熱器E2、E5， 冷凝后與經(jīng)過(guò)其它換熱器換熱后的相應(yīng)物流混合后進(jìn)入塔頂氣冷凝液罐，然后經(jīng)LNG高壓泵增壓后通往高壓LNG總管。 脫甲烷塔側(cè)線抽出部分和脫乙烷塔部分則與青島LNG接收站輕烴回收工藝相同。

結(jié)合圖4， 得到其Hysys模擬流程如圖5所示，調(diào)節(jié)流程參數(shù)，得到模擬數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，并將系統(tǒng)各設(shè)備功耗和產(chǎn)品的回收率等與原LNG輕烴回收流程模擬結(jié)果對(duì)比情況匯于表5。

由表5可知， 引入DHX工藝對(duì)青島LNG輕烴回收流程進(jìn)行改進(jìn)后，系統(tǒng)總功耗降低15.5%，乙烷回收率提高2.9%，丙烷收率基本不變，可達(dá)到99.6%，并且可得到常壓下的液態(tài)乙烷和丙烷產(chǎn)品，方便后續(xù)儲(chǔ)存和運(yùn)輸。

表4 基于DHX工藝的LNG輕烴回收改進(jìn)流程關(guān)鍵物流數(shù)據(jù)

表5 改進(jìn)前后流程模擬結(jié)果對(duì)比

4.2 改進(jìn)流程適應(yīng)性分析

由于進(jìn)口LNG中輕烴回收的處理主要針對(duì)乙烷和丙烷，因此研究原料LNG乙烷和丙烷含量對(duì)流程性能的影響。

4.2.1 乙烷組分含量對(duì)流程性能的影響

為探究原料LNG中乙烷組分含量對(duì)流程性能的影響，在改變乙烷組分含量時(shí)，除相應(yīng)改變甲烷組分外，其它組分含量保持不變。 通過(guò)模擬分析可知，改變?cè)蠚饨M分含量時(shí)，脫甲烷側(cè)線抽出液溫度變化，會(huì)影響換熱器E3、E4中物流換熱，此時(shí)需改變脫甲烷側(cè)線抽出液流量或分離器分流比才能滿足物流換熱，為保證單一研究乙烷組分對(duì)流程性能的影響情況，需控制流程其它參數(shù)不變，此時(shí)滿足換熱器E3、E4物流換熱的乙烷組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為5.5%～9.0%， 并得到乙烷組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)對(duì)流程功耗和收率的影響分別如圖6和圖7所示。

由圖6可知，原料LNG中C2組分含量對(duì)脫甲烷塔和脫乙烷塔功耗影響顯著， 隨著原料LNG中C2組分的增加，脫甲烷塔功耗降低，脫乙烷塔功耗增加，且脫甲烷塔功耗降低量要高于脫乙烷塔功耗增加量，系統(tǒng)總功耗降低。 因此，對(duì)于該LNG輕烴回收改進(jìn)流程，C2組分含量越多，引入重接觸塔達(dá)到的節(jié)能效果越明顯，脫甲烷塔底重沸器降耗越顯著。 由圖7可知，隨著原料LNG中C2組分含量的增加，乙烷組分回收率變化不大， 但丙烷組分的回收率逐漸下降，是因?yàn)镃2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)的增加升高了脫甲烷塔側(cè)線抽出溫度，脫乙烷塔中冷量不足，分離效果下降，丙烷回收率降低。

4.2.2 丙烷組分含量對(duì)流程性能的影響

用同樣的控制變量方法研究原料LNG中丙烷組分含量對(duì)流程性能的影響，保持流程其它參數(shù)不變，此時(shí)滿足流程的丙烷組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為1.0%～4.0%，得到其對(duì)流程性能的影響如圖8和圖9所示。

由圖8可知， 隨著原料LNG中C3組分含量的增加，脫甲烷塔、脫乙烷塔功耗以及系統(tǒng)總功耗變化趨勢(shì)與C2組分含量變化時(shí)相似，但對(duì)功耗的影響程度遠(yuǎn)不及C2組分對(duì)流程功耗的影響。 由圖9可知，原料LNG中C3組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)在1.0%～3.0%變化時(shí)，對(duì)丙烷回收率的影響不大，但當(dāng)繼續(xù)增加C3組分含量時(shí)，受到回流冷量的限制，丙烷回收率下降明顯。隨著原料LNG中C3組分含量的增加，乙烷回收率逐漸下降。

通過(guò)分析原料LNG組分含量對(duì)改進(jìn)流程功耗和收率的影響情況， 并參考我國(guó)進(jìn)口LNG氣質(zhì)組分， 該基于DHX工藝的LNG輕烴回收改進(jìn)流程，能夠適用于大多數(shù)進(jìn)口LNG的輕烴回收處理，在滿足組分一定的回收率時(shí)， 原料氣乙烷組分含量越高，引入重接觸節(jié)能降耗效果越顯著，原料氣乙烷組分含量也不宜過(guò)高， 過(guò)高會(huì)降低流程丙烷回收率，此時(shí)需要對(duì)流程其它設(shè)備參數(shù)做出調(diào)節(jié)。 隨著丙烷組分含量的增加， 節(jié)能降耗改變的效果并不明顯，并且乙烷和丙烷的回收率均會(huì)逐漸降低。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)青島現(xiàn)有LNG輕烴回收流程的模擬，分析流程特點(diǎn)并發(fā)現(xiàn)流程的不足之處，根據(jù)天然氣輕烴回收中DHX工藝的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合LNG自身理化特性，將DHX工藝運(yùn)用于LNG輕烴回收流程，引入重接觸塔，以冷量梯級(jí)利用為原則，采用分流換熱的方式，改善換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，得到了一種基于DHX工

藝的LNG輕烴回收改進(jìn)流程。

（2）通過(guò)運(yùn)用Aspen Hysys化工模擬軟件分析表

明，改進(jìn)流程可得到常壓下的液態(tài)輕烴產(chǎn)品，降低

了系統(tǒng)15.5%的功耗，并將乙烷回收率提高2.9%，流程乙烷回收率達(dá)98.8%，丙烷回收率達(dá)99.6%。

（3）對(duì)改進(jìn)流程進(jìn)行適應(yīng)性分析表明，原料氣乙烷組分含量越高，該改進(jìn)流程節(jié)能降耗的效果越顯著，并且乙烷組分含量變化對(duì)流程的影響要大于丙烷組分含量變化對(duì)流程的影響。