CN1011438B - 烃气体混合物的部分冷凝方法 - Google Patents

烃气体混合物的部分冷凝方法

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Abstract

通过第一部分原料气与致冷剂进行间接热交换，使其部分冷凝，生成的冷凝液夹带在气流中，从而回收烃气体混合物中的重组分，从产生的部分冷凝的两相混合物中分离出冷凝液。然后，与第二部分原料气进行热交换，使分离的冷凝液中的轻组分得以热汽提，与此同时第二部分原料气也被部分冷凝。经汽提的烃冷凝液就是从原料气中回收的重组分。

Description

本发明涉及含有可凝组分的气体混合物的分凝，具体地是涉及烃气体混合物的部分冷凝，也就是通过一级或多级热交换使得原料气体冷却，从而把其中的难挥发组分冷凝并分离出来。
为了进一步加工如天然气和炼厂气那样的烃气体混合物成为液化石油气（LPG），往往进行从其中分离出C+ 3组分的处理。与本发明有关的原料气体混合物组分包括C1-C6的碳氢化合物，如果是天然气还可以包括氮气，如果炼厂气还可以包括氢气。
当不需要进行精密分离时，例如在油田气冷凝回收的情况下，或作为生产LPG的深冷装置的初级分离步骤时，部分冷凝是从这些气体物流中分离易冷凝组分的大家公认的方法。
在垂直列管式热交器中，通过部分冷凝进行分 凝是十分典型的方法，在交换器中原料气体混合物向上流动，通过冷侧壳程所使用的致冷剂使原料气体在热侧管程部分冷凝，在热管程的气体流速非常低，往往低于夹带速度。因此，相对于向上流动的被处理的气体，在管壁内侧冷凝的重组分向下逆流流动。在该方法简单的构型中，从热交换器的低部回收冷凝液，而从热交换器的顶部回收比原料气体易挥发的轻组分气体。美国专利3100147号叙述了低气体流速下的部分冷凝系统的一个特殊例子。
实际工作者已经意识到，在传热系数方面低气体流速下的部分冷凝的方法有其固有的缺点，因此，这样的系统是不经济的。最近，已有采用高气体流速下的部分冷凝的方法，所产生的气-液两相混合物被直接送到外设的气/液分离器，回收其中的冷凝液。这种冷凝方法的其中一个主要问题是，因为在冷凝器中并流的气/液混合物，以液体的夹带速度或高于液体的夹带速度流动，回收的冷凝液中会夹带一些轻组分气体，这些气体必须在另外一个汽提步骤中加以脱除。结果高气体流速部分冷凝方法，使热交换得到某种程度的改进，却由于此方法带来了在复杂性、费用和占地空间方面的问题，而被抵消了。
因此，本发明的目的是实现高气速下的部分冷凝，以改进热传递特性，同时又保持低气速下的部分冷凝的较好的分离特性。
按照本发明，第一部分原料气混合物与制冷剂进行间接热交换，使其部分冷凝成两相混合物，然后冷凝液再从两相混合物中分离出来。与第一部分原料气并行的第二部分原料气与从第一部分原料气回收得到的冷凝液进行热交换，使其部分冷凝，同时回收得到的冷凝液本身被第二部分原料气加热，从而得以热汽提。
图1说明本发明的一个实施方案，其中第一部分冷凝段是一个垂直列管式热交换器，第二部分冷凝段是一个泡罩塔，离开第一部分冷凝段的两相混合物在一外部的鼓式分离器中进行分离，在此，分别来自第一和第二部分冷凝段的轻组分气体得到混合。
图2说明本发明的另一个实施方案，其中第一部分冷凝段是一环形管式热交换器，第二部分冷凝段是一垂直的列管式热交换器，它位于环形管式热交换器内部的中央。在本实施方案中从每一个部分冷凝段回收得到的两相混合物均进一步在外部进行分离处理。
图3说明本发明的又一个实施方案，第一部分冷凝段也使用环形管式热交换器，但是第二部分冷凝段使用中央筛板塔，并在浸没条件下操作。
图4说明本发明的一个优选的多级类型的实施方案。它采用第三部分冷凝段，并与并行的第一和第二部分冷凝段相串连。在该实施方案中，第一气/液分离段是通过用撞击分离器实现的。该分离器位于串联的冷凝级之间。同样，第二气/液分离段也是通过另一个内部撞击分离器实现的。该分离器位于上部管式热交换器之上。第三部分冷凝段就是通过该热交换器实现的。
因此，在本发明的一个实施方案中，通过与从第一部分气体混合物中回收的冷凝液进行直接热交换，使第二部分原料气体混合物部分冷凝，也就是说用直接热交换的方式。
在本发明的另一个实施方案中，通过与从第一部分原料气体混合物中回收的冷凝液进行间接热交换，使第二部分原料气体混合物部分冷凝。
在本发明的优选实施方案中，第一和第二部分原料气体混合物经部分冷凝后的轻组分气体合并在一起，并在第三部分冷凝段中，通过间接热交换，使之进一步部分冷凝。最好是利用由合并的第一和第二部分的轻组分气体经部分冷凝后回收的轻组分气体，作为使第一部分原料气体混合物部分冷凝的第一致冷剂。在该实施方案中，当原料气体混合物主要包括C1-C3的烃时，温度在-45～-85℃范围内，第三部分冷凝段最好使用含有C1-5烃的混合物作为第二致冷剂。
当处理的气体混合物由C1-C6的烃组成时，本发明的部分冷凝方法一般在32-60Kg/Cm2（绝压）的压力范围内操作。第一、第二、第三（如果使用的话）部分冷凝段，以及气体和液体分离段基本上在相同的压力上操作。也就是说，从第一部分冷凝段回收的并用作第二部分冷凝段致冷剂的第一部分冷凝液不减压。因此，从第二部分冷凝段回收的经过汽提的烃冷凝液，基本上与进入第一和第二部分冷凝段的原料气体混合物处于相同的压力下。在这样的压力一致的条件下，当第二部分冷凝段低温一侧处于浸没条件下操作（这一点将在下面叙述）时，相对于第一和第二部分原料气体混合 物，将在流体静压头为3-14米之间的条件下从第二部分冷凝段回收经汽提的烃冷凝液。当第二部分冷凝段低温一侧不在浸没条件下操作时，如图一所示，前述的压力条件将基本相同。
因为引入第一部分冷凝段低温一侧的第一致冷剂的温度，必须低于用作第二部分冷凝段的致冷剂的、回收的第一冷凝液的温度，因此，第一部分冷凝段比第二部分冷凝段有更高的致冷能力。这样，第一部分原料气体混合物将占70%-90%（摩尔）的原料气体混合物，其余部分进入第二部分冷凝段。可以在并行的更多的部分冷凝段中处理并行的更多股的部分原料气。但是，通常这是不必要的或不希望的。
如前所述，原料气体混合物主要是油田气和炼厂气，从中分离出来的气液体直接出售或进一步加工，因此原料气体混合物是单一的物流。但是，应该指出两股独立的工艺物流具有基本上相同的组成，并且处于基本上相同的操作条件，如上所述，它们相当于原料气体混合物被分割成两部分。这种两股基本相同的工艺物流的特殊情形并不是经常发生的。
现在参见附图，注意到三位参照数字中的第一位数相应于附图的号，而第二和第三位数表示在所有附图中相应的部件。
图1说明本发明的一般方法，经管线100加入原料烃气体混合物并通过比例控制阀103和104将其分成并行的第一和第二两部分，分别经管线101和102加入到第一部分冷凝段105和第二部分冷凝段106。第一部分冷凝段（x）05都是一个间接热交换段，这里使用热交换器来表示，它具有热管程105a和低温壳程105b，还包括加入第一致冷剂的管线107。
第一部分原料气体以一定的速度向上通过管程105a，该速度要高于生成的冷凝液的夹带质量速度（最好为25-500kg/Sec·m2）。这样从第一部分冷凝段回收得到的，是由第一轻组分气体中夹带第一冷凝液而形成的气/液两相混合物，被引进气/液分离段，如图中所示为鼓式分离器108（不按比例）。鼓式分离器提供自由的空间。通常在热交换器中是不会有这样的空间的。
经管线109从分离段回收至少含有第一轻组分气体的次级烃气体混合物，而经管线110从第一分离段回收至少来自第一部分原料气体的冷凝液。
第二部分原料气体通过第二部分冷凝段106向上流动，在图1中表示为泡罩和塔盘式气/液接触器。从第二部分冷凝段的顶部，经管线110加入回收的第一冷凝液。该冷凝液向下流动，并与第二部分原料气体以直接接触的方式进行热交换。在此实施方案中，由第二部分气体中形成的第二冷凝液与向下流动的回收的第一冷凝液合并，因而与向上流动的热气体有相对长的接触时间，使回收的第一冷凝液和第二冷凝液实现热汽提。生成的经汽提后的烃冷凝液收集于第二部分冷凝段106的底部，经管线111回收，直接销售或进一步加工。在鼓式分离器108分离出来的剩余的轻组分气体经管线109回收作为次级烃气体混合物，直接销售或进一部加工。
第一冷凝液与第一轻组分气体分离，用作第二部分冷凝段的致冷剂是必需的。但是，如图1所示，从第二部分冷凝段回收的第二轻组分气体加入第一气/液分离段，或与第一轻组分气体混合并非是必要的。况且，当第二部分冷凝段使用直接接触的冷凝器时，使第二冷凝液在冷凝器中与第一冷凝液合并，在这种情况下，更不必把第二轻组分气体引入任何分离段中去。
在图2，经管线200加入的原料烃气体混合物，由各自的比例控制阀分别经管线201和202分成并行的第一和第二两部分，然后分别加入至第一部分冷凝段205和第二部分冷凝段206。第一部分冷凝段也是间接热交换段，具有热管程205a和冷壳程205b。操作图2中所示的第一部分冷凝段类似于操作图1中所示的第一部分冷凝段。其中，来自第一部分冷凝段的两相混合物被加入到第一分离段，图中表示为鼓式分离器208。从鼓式分离器经管线209回收次级烃气体混合物和经管线210回收第一冷凝液。
如前所述，第二部分冷凝段206是间接热交换段，具有热管程206a和冷壳程206b。它位于由-部分冷凝段构成的环形管式热交换器之内。在该实施方案中，并行的第一和第二部分原料气体混合物，以足够高的速度通过它们各自并行的部分冷凝段，此速度足以夹带生成的冷凝液。且从每个冷凝段回收的两相混合物合并在一起。在图2，合并后的混合物在外部分离器进行气-液相分离。但是， 也许最好在列管的上方气相空间内使用撞击分离器。这一点将在下面结合图4进行讨论。
在图2中，从管线210回收的第一和第二冷凝液，返回作为第二部分冷凝段冷壳程206b的致冷剂。这里，第二部分冷凝段的壳程是在浸没条件下操作，它提供了有利的流体静压头，便于回收汽提后的烃冷凝液，这样通常不需要使用泵。应该注意到，与热交换器列管面积相比，使第一和第二部分冷凝段隔开的内壁的传热表面积幸好可以忽略。因此，在第一部分冷凝段壳程的低温第一致冷剂不会显著地影响在第二部分冷凝段内的热汽提步骤。如果需要的话，当然可以对内壁采取绝热措施。
图3说明的实施方案基本上与图2说明的实施方案相同，只是前者的第二部分冷凝段采用直接热交换并在浸没条件下操作。这里，第二部分原料气体混合物通过气体喷射装置312，从浸没的第二部分冷凝段底部加入，然后鼓泡向上通过筛板。这些板完全浸没于向下流的回收的冷凝液中。在该实施方案中，由于向上流动气体的作用，使回收冷凝液的热汽提过程得到增强。
图4是本发明优选的实施方案，并将在液化天然气装置的全部叙述中加以说明。其中LPG也是从采出的油田气中的C3-C4组分制取的。在典型的设备中，通过上游的气/液分离，已把包括C+ 5组分的在正常条件下为液体的烃分离出来。因此，原料烃气体混合物主要包括C1-3的烃，并有较少量的C+ 4组分。在该示范性的实例中，要求从原料气体混合物中除去最大量的C3组分。
温度为-37℃、压力为42Kg/cm2的原料气体混合物，经管线400加入到系统的两个并行的第一（405）和第二（406）部分冷凝段。管线400进入使两个部分冷凝段热管程流体相通的装置底部封头。通过每一部分冷凝段管程压降的平衡，可固定进入这两段原料气的分配比例。这样，第一部分原料气约占70%（摩尔）的原料气体混合物。
将在下面叙述的第一致冷剂在-62℃经管线407加入到第一部分冷凝段的低温壳程405b，并经管线413采出之前，把冷量传给第一部分原料气体混合物，而自己被加热至-40℃。
第一和第二部分原料气体以质量流速140Kg/SeC·m2的速度向上，分别通过第一和第二部分冷凝段的管程405a和406a。它使C3和C4冷凝液夹带在剩余的第一和第二轻组分气体中，并使这两股两相混合物流出列管，在列管的上方高压空间414合并。温度为-51℃的合并后的两相混合物，然后通过第一气/液分离段。这里此分离段是采用轮叶状的撞击分离器408，分离出第一和第二冷凝液，并通过管线410加入到第二部分冷凝段的低温壳程406b。如图所示，低温壳程406b在浸没的条件下操作，因此借助于在管内的温度较高的第二部分原料气体，使回收的第一和第二冷凝液以及在下面讲到的第三冷凝液实现热汽提，脱除轻组分气体。产生的汽提后的烃冷凝液包括原料气体混合物中的几乎全部的C3和C4组分，在-40℃从第二部分冷凝段底部回收得到411。
从轮叶状分离器408的下游回收的次级烃气体混合物，比原料气体混合物的组分轻，包括第一和第二轻组分气体。接着它被引入第三部分冷凝段415，它是由该系统的第二串连级构成的，位于该系统的第一级之上。这第一级由并行的第一和第二部分冷凝段构成。
第三部分冷凝段由加入的第二致冷剂冷却。该致冷剂包括C1-C5的烃，为混合致冷剂，经管线416加入，温度为-84℃。
次级烃混合物通过第三部分冷凝段，并与第二致冷剂进行间接的热交换，生成的第三冷凝液被第三轻组分气体夹带。在热管程415b中，气体质量流速也为140Kg/Sec·m2，因此，从第三部分冷凝段管程回收两相混合物，然后被引入由轮叶状分离器417构成的气/液分离段。主要由C1和C2烃混合物组成的第三冷凝液，从该分离器回收得到，并经管线418引入第二部分冷凝段。在这里它与第一和第二冷凝液合并，并提供冷量。在图中第三冷凝液流过环形热交换器上部管板，而流入第二部分冷凝段的中央井。
最后，从温度为-62℃的分离器417下游回收的第三级烃气体混合物比次级烃气体混合物的组分烃，是由第三轻组分气体组成的，然后，经管线407加入到第一部分冷凝段作为第一致冷剂。经加热后的第一冷致剂从管线413采出，其中主要包括甲烷，以及由原料气体所带入的氮气和少量的C2和C3。这些C2和C3组分是在第一、第二和第三部分冷凝段中没有被冷凝的。为了达到更完全的使这些组分有更高的分离程度，显然，可采用与第三 部分冷凝段串连的第四乃至更多的冷凝段，其中每一个串联级均在比前一级更低的温度下操作。

Claims (12)

1、烃气体混合物的部分冷凝方法，此方法包括：
a)至少把原料烃气体混合物分成第一和第二两部分；
b)把第一致冷剂加入到第一部分冷凝段；
c)使第一部分原料气体通过第一部分冷凝段，并与第一致冷剂进行间接热交换，生成被第一轻组分气体夹带的第一冷凝液；
d)从第一部分冷凝段回收含有第一冷凝液和第一轻组分气体的两相混合物，并把它加入第一气/液分离段；
e)从第一气/液分离段回收第一冷凝液；
f)把回收的第一冷凝液加入第二冷凝段；
g)使第二部分原料气体通过第二部分冷凝段，并与回收的第一冷凝液进行热交换，生成第二轻组分气体和第二冷凝液，并使回收的第一冷凝液和第二冷凝液实现热汽提；
h)从第二部分冷凝段回收第二轻组分气体；
i)在与分流后的烃气体混合物的压力基本上相同的压力下，从第二部分冷凝段回收汽提后的烃冷凝液；以及
j)从第一气/液分离段回收次级烃气体混合物。
2、根据权利要求1的方法，此方法还包括把回收的第二轻组分气体加入第一气/液分离段。
3、根据权利要求2的方法，此方法还包括：
a）把第二致冷剂加入第三部分冷凝段;
b）使次级烃气体混合物通过第三部分冷凝段，并与第二致冷剂进行间接热交换，生成被第三轻组分气体夹带的第三冷凝液;
c）从第三部分冷凝段回收包括第三冷凝液和第三轻组分气体的两相混合物，并把它加入第二气/液分离段;
d）从第二气/液分离段回收第三冷凝液;以及
e）从第二气/液分离段回收第三级烃气体混合物。
4、根据权利要求3的方法，此方法还包括把回收的第三冷凝液加入第二部分冷凝段，并与回收的第一冷凝液混合。
5、根据权利要求3的方法，其中，加入第一部分冷凝段的第一致冷剂包括第三级烃气体混合物。
6、根据权利要求1的方法，其中，第二部分原料烃气体混合物，通过第二部分冷凝段，并与回收的第一冷凝液进行直接热交换。
7、根据权利要求1的方法，其中，第二部分原料烃气体混合物，通过第二部分冷凝段，并与回收的第一冷凝液进行间接热交换。
8、根据权利要求1的方法，其中，通过第一部分冷凝段的第一轻组分气体的质量速率为25-500Kg/Sec·m2。
9、根据权利要求1的方法，其中，第一部分原料烃气体混合物占原料烃气体混合物的70-95%摩尔。
10、根据权利要求1的方法，其中，对于分流后的烃气体混合物在3-14米流体静压头下，从第二部分冷凝段回收汽提后的烃冷凝液。
11、根据权利要求1的方法，其中，原料烃气体混合物包括的组分在C1至C6烃的范围之内，和第一气/液分离段在32至60Kg/Cm2（绝压）的压力范围内操作。
12、根据权利要求5的方法，其中，原料烃气体混合物主要包括C1至C3的烃，和加入到第三部分冷凝段的第二致冷剂的温度在-45℃至-85℃之间。
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