CN109059420A - 一种能量集成利用的天然气乙烷回收装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能量集成利用的天然气乙烷回收装置及方法，其中冷箱依次与低温分离器、膨胀机、脱甲烷塔和脱甲烷塔重沸器连接；脱甲烷塔重沸器分别与主丙烷制冷系统和辅助丙烷制冷系统连接。本发明针对乙烷回收装置由于环境温度随季节变化较大导致制冷压缩机出口压力随之变化较大、原料气组分波动和装置操作弹性变化导致制冷压缩机运行负荷变化较大，并且系统有稳定较低品位的冷量供应的情况，通过设置一套小的辅助丙烷制冷系统，将脱甲烷塔重沸器和脱乙烷塔顶冷凝器集成为一个独立的换热系统，提升脱甲烷塔重沸器冷量品位，与脱乙烷塔顶冷凝器所需冷量品位相匹配，装置具有能耗低和操作灵活等优点。

Description

一种能量集成利用的天然气乙烷回收装置及方法
技术领域
本发明涉及乙烷回收技术领域，具体为一种能量集成利用的天然气乙烷回收装置及方法，通过设置一套小的辅助丙烷制冷系统，与脱甲烷塔重沸器和脱乙烷塔顶冷凝器集成为一个独立的换热系统，提升甲烷塔重沸器冷量的品位，可以降低外制冷系统电功率，达到提升装置操作稳定性、降低能耗的目的。
背景技术
天然气作为一种宝贵的资源，广泛的应用在人民生活和工业中。同时，有机合成产品的基础原料是乙烯，乙烯可以生产多种合成材料，是生产产量最多、最重要的化工中间体产品。乙烷总生产量绝大部分来自于天然气中回收的乙烷。商品天然气中含有大量的乙烷，而该部分天然气目前作为商品天然气直接输送至用户，而未加以利用，因此为避免上游资源的浪费，实现天然气的价值最大化，提升上下游整体经济效益，从天然气中乙烷回收成为一种趋势。
目前，天然气中乙烷回收技术都采用低温分离的方法，其中脱甲烷塔重沸器可提供约8℃的冷源。现有的乙烷回收装置，对于原料气压力较高的情况，通常采用膨胀机制冷为冷箱提供冷量，并使用一套外制冷系统来补充膨胀机制冷不足的冷量和脱乙烷塔顶气相冷凝所需的冷量，但未将因环境温度随季节变化较大导致制冷压缩机出口压力随之变化较大、原料气组分波动和装置操作弹性变化导致制冷压缩机运行负荷变化较大，以及系统可向外稳定提供较低品位冷量但缺失高品位冷量的实际情况相结合，导致装置整体能耗偏高。现有技术也考虑利用脱甲烷塔底重沸器对原料气进行预冷，但对于冬季环境温度低，原料气温度与脱甲烷塔重沸器物料温度相当或更低的情况不适用。
本发明充分利用脱甲烷塔重沸器提供的冷量，通过设置一套小的辅助丙烷制冷系统的方法来提升该部分冷量的品位，将其与脱乙烷塔顶需求的冷量相匹配，与脱乙烷塔顶冷凝器集成为独立的换热系统，可以从根本上提高主丙烷制冷系统的操作稳定性，降低装置能耗。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种能量集成利用的天然气乙烷回收装置及方法，具有能耗低和操作灵活的优点。
本发明所采用的技术方案是：一种能量集成利用的天然气乙烷回收装置，冷箱依次与低温分离器、膨胀机、脱甲烷塔和脱甲烷塔重沸器连接；脱甲烷塔顶部出口的气相依次与冷箱、膨胀机增压端和产品气压缩机相连，脱甲烷塔底部出口的液相与脱乙烷塔直接相连；脱乙烷塔依次与脱乙烷塔顶冷凝器、脱乙烷塔顶回流罐相连，脱乙烷塔顶回流罐的液相出口、脱乙烷塔顶回流泵和脱乙烷塔塔顶入口依次相连；所述脱甲烷塔重沸器分别与主丙烷制冷系统和辅助丙烷制冷系统连接，所述主丙烷制冷系统与冷箱连接，所述辅助丙烷制冷系统与脱乙烷塔顶冷凝器连接。
本发明还提供了一种能量集成利用的天然气乙烷回收方法，包括如下步骤：干燥天然气（10~40℃，5~7MPa.g）经过冷箱预冷至-45~-70℃，部分冷凝后进入低温分离器进行气液分离：分离出的大部分气相经膨胀机膨胀至2~4MPa.g后直接进入脱甲烷塔，剩余部分气相继续进入冷箱冷凝并过冷至-85~-110℃、节流至2~4MPa.g后进入脱甲烷塔上部；分离出的液相节流至2~4MPa.g后直接进入脱甲烷塔；脱甲烷塔顶部出口气相进入冷箱复热至8~38℃后进入膨胀机增压至2.5~4.5MPa.g后再通过产品气压缩机增压至外输压力，然后大部分外输，少部分返回冷箱，经冷凝并过冷至-85~-110℃后，节流至2~4MPa.g后进入脱甲烷塔顶部；脱甲烷塔塔底出来的脱甲烷油直接进入脱乙烷塔，经过脱乙烷塔分馏后，塔顶出来的气相经过脱乙烷塔顶冷凝器部分冷凝至-8~14℃后，通过脱乙烷塔顶回流罐进行气液分离，分离出的液相通过脱乙烷塔顶回流泵增压后返回脱乙烷塔顶部作塔顶回流液；为脱甲烷塔底部提供热量的脱甲烷塔重沸器所需热源由辅助丙烷制冷系统提供，同时辅助丙烷制冷系统出口的液相丙烷进入脱乙烷塔顶冷凝器为脱乙烷塔顶气相冷凝提供冷量。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
针对乙烷回收装置由于环境温度随季节变化较大导致制冷压缩机出口压力随之变化较大、原料气组分波动和装置操作弹性变化导致制冷压缩机运行负荷变化较大，并且系统有稳定较低品位的冷量供应但缺失高品位冷量的实际情况，通过设置一套小的辅助丙烷制冷系统，将脱甲烷塔重沸器和脱乙烷塔顶冷凝器集成为一个独立的换热系统，提升脱甲烷塔重沸器冷量品位，与脱乙烷塔顶冷凝器匹配，装置具有能耗低和操作灵活等优点。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是实例1的工艺原理流程图；
图2是实例2的工艺原理流程图。
具体实施方式
实例1
一种能量集成利用的天然气乙烷回收装置，如图1所示，包括：主换热器1、低温分离器2、膨胀机3、1#J-T阀4、2#J-T阀5、3#J-T阀6、脱甲烷塔7、脱甲烷塔重沸器8、脱乙烷塔9、脱乙烷塔顶冷凝器10、脱乙烷塔顶回流罐11、脱乙烷塔顶回流泵12、脱乙烷塔重沸器13、产品气压缩机14、主丙烷制冷系统15、4#J-T阀16、辅助丙烷制冷系统17。其中：
冷箱1是乙烷回收装置原料气预冷和低温气过冷的主要换热场所，冷箱1依次与低温分离器2、膨胀机3、脱甲烷塔7和脱甲烷塔重沸器8连接。冷热物流热交换所需的冷量主要由膨胀机3提供，不足的冷量由主丙烷制冷系统15进行补充。
低温分离器2出口的气相分别与冷箱1和膨胀机3直接相连。
低温分离器2出口的液相通过3#J-T阀6节流后与脱甲烷塔7直接相连。
脱甲烷塔7出口的气相依次与冷箱1、膨胀机3和产品气压缩机14相连。
脱甲烷塔7出口的液相与脱乙烷塔9直接相连。
脱乙烷塔9与脱乙烷塔顶冷凝器10、脱乙烷塔顶回流罐11相连，脱乙烷塔顶回流罐11的液相出口、脱乙烷塔顶回流泵12、脱乙烷塔9塔顶入口相连。脱乙烷塔顶回流罐11的气相出口与冷箱1相连。
脱甲烷塔7底部设有脱甲烷塔重沸器8，用于为脱甲烷塔7底部提供热量；脱乙烷塔9底部设有脱乙烷塔重沸器13，用于为脱乙烷塔9底部提供热量，保证产品的质量。
本发明的能量集成利用系统包括脱甲烷塔重沸器8、脱乙烷塔顶冷凝器10、4#J-T阀16、辅助丙烷制冷系统17，其中辅助丙烷制冷系统17的结构包括螺杆式丙烷压缩机21、螺杆机吸入罐22和丙烷缓冲罐23。螺杆式丙烷压缩机21出口与脱甲烷塔重沸器8连接，脱甲烷塔重沸器8的丙烷出口与丙烷缓冲罐23的入口连接，丙烷缓冲罐23的出口与脱乙烷塔顶冷凝器10相连，脱乙烷塔顶冷凝器10顶部出口的丙烷再回到辅助丙烷制冷系统17的螺杆机吸入罐22。当辅助丙烷制冷系统17提供的热量不足时，通过主丙烷制冷系统15抽出一股丙烷补充脱甲烷塔重沸器8所需的热量。
主丙烷制冷系统15包括：丙烷收集罐24，离心式丙烷压缩机25，丙烷冷凝器26，丙烷接收罐27，丙烷经济器28，丙烷吸入罐29，5#J-T阀30，6#J-T阀31，7#J-T阀32。主丙烷制冷系统15主要为冷箱1提供冷量，离心式丙烷压缩机25出口依次与丙烷冷凝器26、丙烷接收罐27相连，6#J-T阀31和丙烷经济器28相连，丙烷经济器28气相出口与离心式丙烷压缩机25的中压吸入口相连，丙烷经济器28液相出口依次与7#J-T阀、冷箱1、丙烷吸入罐29和离心式丙烷压缩机25的低压吸入口相连。当辅助丙烷制冷系统17为脱甲烷塔重沸器8提供的热量不足时，从主丙烷制冷系统15离心式丙烷压缩机25出口抽出一股未冷凝的丙烷为重沸器8提供热量，然后该股丙烷依次与丙烷收集罐24，5#J-T阀30和丙烷经济器28相连。
上述主制冷系统和辅助系统使用丙烷作为制冷剂，也可以采用乙烯做制冷剂。
本发明还提供了一种能量集成利用的天然气乙烷回收方法，包括如下步骤：
从脱水脱汞装置来的干燥天然气（10~40℃，5~7MPa.g）与冷箱1相连，经过冷箱1预冷至-45~-70℃，部分冷凝后进入低温分离器2，分离出的气相一部分（约60~85%）通过膨胀机3，膨胀至2~4MPa.g后直接进入脱甲烷塔7，剩余部分气相（约15~40%）继续进入冷箱1冷凝并过冷至-85~-110℃后，通过2#J-T阀5节流至2~4MPa.g后进入脱甲烷塔7上部。
低温分离器2分离出的液相通过3#J-T阀6节流至2~4MPa.g后直接进入脱甲烷塔7。
从产品气压缩机14来的部分（占产品气5~15%）高压干气与冷箱1相连，冷凝并过冷至-85~-110℃后，通过1#J-T阀4节流2~4MPa.g后进入脱甲烷塔7顶部。
脱甲烷塔7顶部出口气相进入冷箱1，通过冷箱1回收冷量，复热后（约8~38℃）进入膨胀机3增压端增压（约2.5~4.5MPa.g），然后再通过产品气压缩机14增压至外输压力后，大部分（85~95%）直接外输，剩余部分（5~15%）返回冷箱1。
脱甲烷塔7塔底出来的脱甲烷油直接进入脱乙烷塔9，经过脱乙烷塔9分馏后，塔顶出来的气相（-5~16℃，1.6~3.8Mpa.g）经过脱乙烷塔顶冷凝器10部分冷凝（-8~14℃）后，通过脱乙烷塔顶回流罐11气液分离，分离出的液相通过脱乙烷塔顶回流泵12增压后返回脱乙烷塔9顶部作塔顶回流液；脱乙烷塔顶回流罐分离出的气相为乙烷产品，可以根据工厂乙烷外运方式的不同，决定乙烷产品是否继续冷凝为液相或者复热回收冷量后气相外输。
上述乙烷回收装置中脱甲烷塔定冷凝器10需要-13~9℃的高品位冷量，脱甲烷塔底重沸器8可提供13~25℃的低品位冷量，系统需要的冷量和可提供的冷量品味不匹配，可以通过设置一台辅助丙烷制冷系统来提升脱甲烷塔底重沸器8的冷量品味，使其与脱乙烷塔顶气冷凝器10需要的冷量品味相匹配。能量集成系统利用过程描述如下：
辅助丙烷制冷系统17中经螺杆式丙烷压缩机21出口丙烷（25~50℃，0.75~1.0MPa.g）为脱甲烷塔重沸器8提供热源，同时增压后的气相丙烷被冷凝为液相( 15~30℃)，冷凝后的液相丙烷进入丙烷缓冲罐23，再经过4#J-T阀16节流至-13~9℃后进入脱乙烷塔顶冷凝器10为脱乙烷塔顶气相冷凝提供冷量，复热气化后的丙烷（-13~9℃）进入螺杆机吸入罐22分离可能未气化的丙烷液滴后，出口气相丙烷进入螺杆式丙烷压缩机21增压，形成一个冷热交换循环，有效的将冷热能量集成利用。
为提高能量集成利用换热过程的操作稳定性，特别是因为原料气组成变化或乙烷回收装置操作负荷有较大变化，导致辅助丙烷制冷系统17中螺杆式丙烷压缩机21出口丙烷提供给的热量不足时，可从主丙烷制冷系统15中离心式丙烷压缩机25出口（1.8~2.1MPa.g，85~95℃）取一小股丙烷来补充脱甲烷塔重沸器8所需要的热量，该股丙烷经过脱甲烷塔重沸器8冷凝后（15~30℃），至丙烷收集罐24，经5#J-T阀30节流至-15~5℃进入丙烷经济器28进行气液分离。主丙烷制冷系统15 中离心式丙烷压缩机25出口丙烷（1.8~2.1MPa.g，85~95℃）主要通过丙烷冷凝器26换热至15~30℃后全部冷凝，再经过6#J-T阀31节流至-15~5℃后进入丙烷经济器28；丙烷经济器28气相进入离心式丙烷压缩机25的中压吸入口，液相经7#J-T阀32节流至-45~-30℃进入冷箱1复热至气相后，进入丙烷吸入罐29后再进入离心式丙烷压缩机25的低压吸入口，完成主丙烷制冷系统15的制冷循环。从离心式压缩机25出口抽出一股丙烷为脱甲烷塔重沸器8补充热量，同时可以降低主丙烷制冷系统15中丙烷冷凝器27的冷凝负荷，进一步降低装置能耗。
将脱甲烷塔重沸器8和脱乙烷顶冷凝器10集成为单独的换热系统，除了本系统操作稳定外，主丙烷制冷系统15中丙烷的温度、压力可根据工况变化进行调节，装置能耗更低，操作更灵活。
实例2
本实例2乙烷回收装置工艺结构与实例1乙烷回收装置工艺结构存在如下区别，其它结构均相同：如图2所示，实例2的乙烷回收装置相对于实例1的乙烷回收装置取消主丙烷制冷系统15中离心式丙烷压缩机25出口连接至脱甲烷塔重沸器8的丙烷管线，取消丙烷收集罐24，取消脱甲烷塔重沸器8与丙烷收集罐24之间的连接管线，取消丙烷收集罐24与丙烷经济器28之间的连接管线，其他结构均相同。
本实例第2种回收方法与第1种回收方法存在如下区别，其它工艺方法均相同：辅助丙烷制冷系统17螺杆式丙烷压缩机21出口丙烷能够满足脱甲烷塔重沸器8的热量需求，不需要从主丙烷制冷系统15中离心式丙烷压缩机25出口抽出一股丙烷为脱甲烷塔重沸器8补充热量。
本发明中，针对乙烷回收装置系统中有稳定较低品位的冷量供应但缺失高品位冷量的情况，通过设置一套小的辅助丙烷制冷系统17，将脱甲烷塔重沸器8和脱乙烷塔顶冷凝器10集成为一个独立的换热系统，提升脱甲烷塔重沸器8冷量品位，与脱乙烷塔顶冷凝器10所需冷量品位相匹配，同时有利于主丙烷制冷系统15优化设计，装置总能耗更低。实例1可通过主丙烷制冷系统15为脱甲烷塔重沸器8补充热量，实例2不需要通过主丙烷制冷系统15为脱甲烷塔重沸器8补充热量。在环境温度随季节变化较大、原料气组成波动和装置操作弹性变化较大的情况下也可以使乙烷回收装置平稳运行。因此，该方法具有能耗低，操作灵活等优点。

Claims (10)

1.一种能量集成利用的天然气乙烷回收装置，其特征在于：冷箱依次与低温分离器、膨胀机、脱甲烷塔和脱甲烷塔重沸器连接；脱甲烷塔顶部出口的气相依次与冷箱、膨胀机增压端和产品气压缩机相连，脱甲烷塔底部出口的液相与脱乙烷塔直接相连；脱乙烷塔依次与脱乙烷塔顶冷凝器、脱乙烷塔顶回流罐相连，脱乙烷塔顶回流罐的液相出口、脱乙烷塔顶回流泵和脱乙烷塔塔顶入口依次相连；所述脱甲烷塔重沸器分别与主丙烷制冷系统和辅助丙烷制冷系统连接，所述主丙烷制冷系统与冷箱连接，所述辅助丙烷制冷系统与脱乙烷塔顶冷凝器连接。
2.根据权利要求1所述的一种能量集成利用的天然气乙烷回收装置，其特征在于：所述辅助丙烷制冷系统包括螺杆式丙烷压缩机、螺杆机吸入罐和丙烷缓冲罐，其中：所述螺杆式丙烷压缩机的出口与脱甲烷塔重沸器连接，脱甲烷塔重沸器的丙烷出口与丙烷缓冲罐的入口连接，丙烷缓冲罐的出口与脱乙烷塔顶冷凝器相连，脱乙烷塔顶冷凝器顶部的丙烷出口与螺杆机吸入罐的入口连接，螺杆机吸入罐的出口与螺杆式丙烷压缩机的入口连接。
3.根据权利要求2所述的一种能量集成利用的天然气乙烷回收装置，其特征在于：所述主丙烷制冷系统包括依次连接的离心式丙烷压缩机、丙烷冷凝器、丙烷接收罐和丙烷经济器，在丙烷接收罐和丙烷经济器之间设置J-T阀，所述丙烷经济器液相出口依次与冷箱、丙烷吸入罐和离心式丙烷压缩机的低压吸入口相连，在丙烷经济器的液相出口和冷箱之间设置J-T阀；所述丙烷经济器气相出口与离心式丙烷压缩机的中压吸入口相连。
4.根据权利要求3所述的一种能量集成利用的天然气乙烷回收装置，其特征在于：所述离心式丙烷压缩机的丙烷出口依次与脱甲烷塔重沸器、丙烷收集罐和丙烷经济器相连；在丙烷收集罐和丙烷经济器之间设置J-T阀。
5.根据权利要求1所述的一种能量集成利用的天然气乙烷回收装置，其特征在于：低温分离器出口的气相分别与冷箱和膨胀机的膨胀端相连。
6.根据权利要求5所述的一种能量集成利用的天然气乙烷回收装置，其特征在于：脱甲烷塔出口的气相依次与冷箱、膨胀机的压缩端和产品气压缩机相连。
7.根据权利要求6所述的一种能量集成利用的天然气乙烷回收装置，其特征在于：产品气压缩机依次与冷箱和脱甲烷塔相连，在冷箱和脱甲烷塔之间设置J-T阀。
8.一种能量集成利用的天然气乙烷回收方法，其特征在于：包括如下步骤：干燥天然气经过冷箱预冷至-45～-70℃，部分冷凝后进入低温分离器进行气液分离，分离出的大部分气相经膨胀机膨胀至2～4MPa.g后直接进入脱甲烷塔，剩余部分气相继续进入冷箱冷凝并过冷至-85～-110℃、节流至2～4MPa.g后进入脱甲烷塔上部；分离出的液相节流至2～4MPa.g后直接进入脱甲烷塔；脱甲烷塔顶部出口气相进入冷箱复热至8～38℃后进入膨胀机增压端增压至2.5～4.5MPa.g后再通过产品气压缩机增压至外输压力，然后大部分外输，少部分返回冷箱，经冷凝并过冷至-85～-110℃后，节流至2～4MPa.g后进入脱甲烷塔顶部；脱甲烷塔塔底出来的脱甲烷油直接进入脱乙烷塔，经过脱乙烷塔分馏后，塔顶出来的气相经过脱乙烷塔顶冷凝器部分冷凝至-8～14℃后，通过脱乙烷塔顶回流罐进行气液分离，分离出的液相通过脱乙烷塔顶回流泵增压后返回脱乙烷塔顶部作塔顶回流液；为脱甲烷塔底部提供热量的脱甲烷塔重沸器所需热源由辅助丙烷制冷系统提供，同时辅助丙烷制冷系统出口的液相丙烷进入脱乙烷塔顶冷凝器为脱乙烷塔顶气相冷凝提供冷量。
9.根据权利要求8所述的一种能量集成利用的天然气乙烷回收方法，其特征在于：将脱甲烷塔重沸器、辅助丙烷制冷系统和脱乙烷塔顶冷凝器进行能量集成利用，其方法为：经辅助丙烷制冷系统的螺杆式丙烷压缩机增压后的25～50℃、0.75～1.0MPa.g气相丙烷进入脱甲烷塔重沸器提供热量后被冷凝为15～30℃的液相丙烷，然后进入辅助丙烷制冷系统的丙烷缓冲罐，再经过节流阀节流至-13～9℃后进入脱乙烷塔顶冷凝器提供冷量后被复热气化，然后经辅助丙烷制冷系统的螺杆机吸入罐分离出未被气化的丙烷液滴，再经过辅助丙烷制冷系统的螺杆式丙烷压缩机增压，形成一个冷热交换循环。
10.根据权利要求8所述的一种能量集成利用的天然气乙烷回收方法，其特征在于：当辅助丙烷制冷系统提供给脱甲烷塔重沸器的热量不足时，由主丙烷制冷系统予以补充。
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