諸 林 王東軍,2 陳泳村

1. 西南石油大學 2. 中國石油天然氣管道工程有限公司天津分公司

0 引言

目前，中國乙烷回收裝置常對油田伴生氣進行乙烷回收，隨著各油田CO2氣驅采油技術的應用[1-3]，油田伴生氣中的CO2含量大幅提高，在乙烷回收過程中，原料氣中CO2的存在將導致乙烷回收裝置中形成CO2固體，影響裝置安全平穩(wěn)運行，降低乙烷回收率[4-7]。因此，防止CO2固體形成成為乙烷回收工程中需要解決的關鍵技術[8-9]。

乙烷回收工程中CO2凍堵控制技術以防止乙烷回收流程中CO2固體形成、提高乙烷回收率、降低系統(tǒng)總能耗為目標，將乙烷回收工藝技術、CO2固體形成控制技術等相結合。Mak等[10]通過在脫甲烷塔中下部設置中間回流冷凝器，將塔底上升氣相的CO2冷凝下來，達到減少塔頂CO2含量的目的。但此舉需要特殊構造的脫甲烷塔，以及新增外部制冷源，使得操作難度變大。Mak等[11]提出了一種改進工藝，脫甲烷塔側重沸器通過為脫乙烷塔頂?shù)幕亓魈峁├淠摵啥患訜幔偎突孛摷淄?，從而升高脫甲烷溫度，避免發(fā)生CO2固體凍堵。黃思宇[12]通過研究CO2凍堵規(guī)律，提出了一種增加脫甲烷塔頂液烴量的凝液回流工藝（Liquid Hydrocarbon Reflux Process，LHR），該工藝雖然在控制CO2固體形成方面具有顯著作用，但同時能耗也顯著增加。曾祿軒等[13]分析了RSV凍堵的流程改進手段，并基于RSV提出了一種控制凝液產品中CO2含量的改進雙塔工藝（Recycle Split Vapor Control Process，RSVC），該工藝能將凝液產品中CO2的摩爾分數(shù)約降低2.4%。

國內天然氣乙烷回收主要采用RSV工藝，具有乙烷回收率高、原料氣質適應性較強的特點，在中石油塔里木油田、長慶油田等均有實際應用[14-15]。但在實際工程應用中，以RSV工藝為代表乙烷回收工藝對高含CO2原料氣（摩爾分數(shù)大于2%）的適應性不強[16-17]。因此，針對高含CO2原料氣乙烷回收提出一種能夠有效控制CO2固體形成、乙烷回收率高、能耗低的乙烷回收工藝，可為乙烷回收裝置工程設計和安全平穩(wěn)運行提供有效的技術支持。

1 高含CO2天然氣乙烷回收中存在的問題

RSV工藝是美國Ortloff公司在氣體過冷工藝（Gas Subcooled Process，GSP）基礎上進行改進的乙烷回收工藝。RSV工藝流程如圖1所示，該流程中原料氣在預冷冷箱和主冷箱冷卻后進入低溫分離器分為氣液兩相，低溫分離器氣相分為兩股，一股與低溫分離器部分液相混合經過冷卻后作為脫甲烷塔自上往下的第二股進料，產生低溫位的冷量，并通過液烴吸收氣相中的乙烷和二氧化碳[18]。另一股經膨脹機膨脹端降壓后直接進入脫甲烷塔中部，為脫甲烷塔提供部分冷量。脫甲烷塔塔頂流出的天然氣經換熱增壓后進行外輸，其中部分外輸氣經冷箱降溫后作為塔頂物流進入脫甲烷塔頂部，構成一個以甲烷為主的制冷循環(huán)，調節(jié)其流量可控制乙烷回收率[19-22]。脫甲烷塔底回收得到的乙烷以上組分的液烴去脫乙烷塔。

圖1 RSV工藝流程圖

對于高含CO2的RSV乙烷回收工藝，主要存在的問題有：

1）當原料氣中CO2含量較高（摩爾分數(shù)大于2%）時，RSV工藝控制CO2固體形成的有效措施是提高脫甲烷塔塔壓和降低低溫分離器溫度。但是隨著CO2含量的增大，為了防止流程中CO2固體的形成，需提高脫甲烷塔的壓力，造成脫甲烷塔底重沸器溫度和熱負荷升高，乙烷回收工藝流程中脫甲烷塔塔底重沸器與原料氣熱集成困難，大幅增加制冷系統(tǒng)的壓縮功。

2）在原料氣中CO2含量較高（摩爾分數(shù)大于2%）的情況下，RSV乙烷回收工藝流程脫甲烷塔塔壓需控制在合理的范圍，以保證脫甲烷塔塔底重沸器與原料氣熱集成，但需降低低溫分離器溫度來控制流程中CO2固體形成，從而造成乙烷回收系統(tǒng)能耗高。

2 高含CO2乙烷回收改進工藝流程

2.1 改進工藝流程

針對原料氣中CO2較高的工況條件，為了提高乙烷回收工藝流程對原料氣CO2含量的適應性，確保較高的乙烷回收率，降低乙烷回收裝置的系統(tǒng)能耗，在研究吸收RSV工藝流程優(yōu)點的基礎上，基于乙烷回收工藝流程熱集成方法，提出一種控制含CO2天然氣的乙烷回收工藝流程RSVM。其流程如圖2所示。

圖2 RSVM工藝流程圖

該改進工藝流程中原料氣在主冷箱中冷卻后進入低溫分離器進行氣液分離，低溫分離器分離出的氣相經膨脹機組膨脹端降壓降溫后，其膨脹端的氣液混合物進入吸收塔中上部，低溫分離器分離出的液相分為兩股，第一股與經脫甲烷塔塔頂壓縮機增壓后的脫甲烷塔塔頂氣混合后進入過冷冷箱換熱降溫后過冷降壓進入吸收塔中上部，第二股經過冷降壓后進入吸收塔下部。吸收塔塔頂出來的氣相依次經過過冷冷箱和主冷箱換熱升溫后進入膨脹機組增壓端和外輸氣壓縮機增壓后再經空冷器冷卻后外輸。吸收塔塔底出來的液相分為兩股，第一股降壓之后進入脫甲烷塔頂部，第二股經過冷冷箱換熱升溫后降壓進入脫甲烷塔中上部。脫甲烷塔塔底出來的液相去向脫乙烷塔。

RSVM工藝流程將傳統(tǒng)RSV工藝流程的脫甲烷塔精餾段設置為吸收塔，將提餾段設置為脫甲烷塔，獨立設置兩塔壓力，用脫甲烷塔塔頂壓縮機增壓脫甲烷塔塔頂氣體，并與吸收塔實現(xiàn)物流聯(lián)連；吸收塔在比脫甲烷塔更高的壓力下運行，宜控制在比脫甲烷塔壓力高0.2～0.5 MPa范圍內。吸收塔在較高的塔壓下運行，提高了塔板溫度和塔板氣液相中CO2的凍堵裕量，同時降低了外輸壓縮機軸功率；降低脫甲烷塔操作壓力，其塔底重沸器溫度降低，有利于實現(xiàn)脫甲烷塔重沸器與原料氣的熱集成，從而降低原料氣預冷負荷，但脫甲烷塔全塔溫度普遍比吸收塔溫度高，塔板上氣液CO2凍堵裕量較高，不易發(fā)生CO2固體凍堵。

RSVM工藝流程的兩塔壓力獨立設置，解決吸收塔的CO2固體形成問題，降低外輸氣壓縮機軸功率和原料氣預冷量，引入外輸氣回流，保證工藝流程具有高的乙烷回收率且可調。RSVM工藝流程通過混合冷劑制冷為主冷箱提供多種溫位的冷量，可適應原料氣中不同二氧化碳含量情況下工藝流程對冷量的需求。

2.2 工藝流程對比與分析

為分析RSVM乙烷回收工藝流程控制CO2固體形成的效果與節(jié)能優(yōu)勢，采用RSV與RSVM工藝流程進行對比分析，模擬流程的原料氣組成如表1所示。利用Aspen HYSYS 軟件對 RSV 和RSVM工藝流程進行模擬計算，氣液平衡模型選用Peng-Robinson方程，熵焓模型選用Lee-Kesler方程[23-24]。膨脹機組膨脹端絕熱效率均為85%，壓縮機絕熱效率均為75%，控制乙烷回收裝置CO2凍堵安全裕量大于5 ℃，制冷方式采用混合冷劑與膨脹機制冷相結合的聯(lián)合制冷方式。

表1 原料氣組成表

兩種工藝流程模擬對比結果如表2所示，兩種工藝流程脫甲烷塔各塔板凍堵裕量如圖3所示。由表2及圖3可知，在乙烷回收率均為95%的情況下，RSV工藝流程與RSVM工藝流程在控制乙烷回收裝置CO2固體形成方面均具有一定的效果，但RSVM工藝流程因吸收塔的設置，控制CO2固體形成的效果更好，與RSV工藝流程相比最小CO2凍堵裕量增加了1.9～2.3 ℃。RSVM工藝流程氣質1工況和氣質2工況下主體裝置總壓縮功分別降低了9.86%和11.18%，這是由于RSVM工藝流程中的吸收塔比RSV工藝流程的脫甲烷塔在更高的壓力下運行，更高壓力的吸收塔塔頂氣相進入外輸壓縮機，外輸壓縮機功耗大幅降低，進而降低了流程總壓縮功率。

表2 乙烷回收率為95%時兩種工藝流程模擬對比結果表

圖3 兩種氣質條件下各工藝脫甲烷塔凍堵裕量分布圖

3 改進工藝流程適應性分析

為了研究RSV、RSVM工藝流程的適應性，選取表1中兩組不同氣質原料氣進行模擬，模擬過程中，在乙烷回收率達95%且滿足系統(tǒng)冷量需求的條件下，通過改變原料氣中CO2含量變化范圍為2.0%～3.5%、原料氣壓力變化范圍為5.4～6.9 MPa，對兩種流程適應性進行分析，模擬結果如表3、4所示。

表3 乙烷回收率為95%時兩種工藝流程貧氣氣質適應性模擬結果表

表4 乙烷回收率為95%時兩種工藝流程富氣氣質適應性模擬結果表

由表3可知，在乙烷回收率均為95%的情況下，原料氣中CO2含量從2.0%提高到3.5%時，兩種工藝總壓縮功均有所上升，其中RSV工藝流程總壓縮功最大增幅介于12.32%～17.07%，RSVM工藝流程總壓縮功最大增幅介于6.04%～10.10%，明顯小于RSV工藝流程。對于RSV工藝流程，需要大幅增加低溫分離器液相過冷比，即增加進入脫甲烷塔上部丙烷及丙烷以上重組分的含量，吸收積聚于脫甲烷塔內上部幾塊塔板上的CO2，但會造成壓縮機功率的大幅增加。相較于RSV工藝流程，RSVM工藝流程的外輸氣回流比與低溫分離器液相過冷比均較小，可有效控制外輸壓縮機及總壓縮機功率； RSVM工藝流程最小凍堵裕量在貧氣條件下提高0.6～5.9 ℃，在富氣條件下提高1.1～8.6 ℃，CO2固體控制效果有顯著提升，原料氣CO2波動適應性強。

圖4為貧富兩種氣質條件下各工藝總壓縮功與最小CO2凍堵裕量示意圖，由圖4可以看出，與RSV工藝流程相比，當原料氣壓力從5.4 MPa升至6.9 MPa時，RSVM工藝流程貧氣氣質條件下系統(tǒng)總壓縮功降低6.2%～15.0%，富氣氣質條件下系統(tǒng)總壓縮功降低7.1%～16.3%，RSVM工藝流程節(jié)能效果顯著；當原料氣壓力從5.4 MPa升至6.9 MPa時時，RSVM工藝流程最小CO2凍堵裕量逐漸升高，且均大于5 ℃，無形成CO2固體的風險，操作彈性大，這表明RSVM工藝流程對不同原料氣壓力的工況條件適應性強。

圖4 兩種氣質條件下各工藝總壓縮功與最小CO2凍堵裕量圖

4 結論

1）對原料氣CO2含量大于2%的工況條件，RSV工藝流程主要存在系統(tǒng)熱集成困難、能耗高等問題，改進的RSVM工藝流程設置了吸收塔和脫甲烷塔，兩塔壓力相互獨立，吸收塔壓力比脫甲烷塔塔壓高，提高了塔板上CO2凍堵裕量，降低了外輸壓縮功率。RSVM工藝流程具有乙烷回收率高且易調、能耗低、流程適應性強等特點。

2）流程模擬對比分析表明，在原料氣CO2含量為3.0%、乙烷回收率達到95%的情況下，RSVM工藝流程沒有形成CO2固體的風險；與RSV工藝流程相比，貧富氣兩種氣質條件下RSVM工藝流程的主體裝置總壓縮功分別降低了9.86%和11.18%。

3）流程適應性分析表明，原料氣中CO2含量從2.0%提高到3.5%且乙烷回收率為95%的情況下，RSVM工藝流程控制CO2固體形成的效果更好，該流程能在對乙烷回收率及能耗影響最小的情況下，提高乙烷回收裝置的CO2凍堵裕量，當原料氣中CO2含量介于2.0%～3.5%時，對貧富氣兩種氣質RSVM工藝流程的最小凍堵裕量提高了0.6～8.6 ℃，同時RSVM工藝流程具有較強的原料氣CO2含量波動適應性，能夠適應不同氣質壓力工況條件下的原料氣，適合應用于高含CO2的乙烷回收。