CN202039031U

CN202039031U - 采用涡流管二次制冷的撬装式中小型轻烃提取系统

Info

Publication number: CN202039031U
Application number: CN2011201459416U
Authority: CN
Inventors: 林明峰; 徐立俊; 颜月强
Original assignee: HANGZHOU YUEQIANG LOW TEMPERATURE MACHINE EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: HANGZHOU YUEQIANG LOW TEMPERATURE MACHINE EQUIPMENT CO Ltd
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2021-05-10

Abstract

本实用新型公开了一种采用涡流管二次制冷的撬装式中小型轻烃提取系统，其特征在于：所述系统由轻烃提取模块、蒸汽制冷循环模块以及涡流管制冷模块采用软连接组合而成；所述轻烃提取模块的进口离心分离器通过管道依次连接原料气压缩机一级压缩段、第一冷却器、分液罐、干燥塔、原料气压缩机二级压缩段、稳定器、第二冷却器、第一换热器、蒸发器、第二换热器、低温分离器以及稳定器；所述蒸汽制冷循环模块的制冷压缩机通过管道依次连接冷凝器、节流阀和蒸发器，然后返回制冷压缩机，组成一个循环；所述涡流管制冷模块由涡流管和热阀组成。本实用新型采用一级压缩蒸汽制冷+涡流管制冷（二次制冷）在不增加能耗的前提下，使装置获得更高的轻烃提取率。

Description

采用涡流管二次制冷的撬装式中小型轻烃提取系统

技术领域

本实用新型属于制冷与低温技术领域，特别是利用涡流管制冷提取轻烃的系统。

背景技术

轻烃产品是一种用途广泛的化工原料，将其进一步加工可生产多种标号溶剂油、发泡剂、气雾剂及脱附剂等产品，目前在市场上供不应求；同时轻烃产品也是污染非常小的清洁燃料，广泛用作工业燃料、民用燃料和LPG汽车燃料等，是国家大力推广使用的清洁燃料，呈逐年递增态势，需求量会越来越大。

采用制冷的方法从天然气（石油伴生气）中提取轻烃产品是其中最主要的方法之一。目前最常用的制冷技术是透平膨胀机膨胀制冷和蒸气制冷两种方式。对于处理气量大于10×10⁴Nm³/d的大型轻烃提取装置，一般采用绝热效率较高的透平膨胀机，但对于处理气量小于5×10⁴Nm³/d的中小型轻烃提取装置，由于工艺原因采用透平膨胀机其技术上尚不成熟，此类装置大部分采用蒸气制冷方式。如中国专利申请1515651公开了一种用于石油天然气集输工艺的小型撬装天然气轻烃回收方法，该方法采用撬装方式，利用安装在可以灵活搬迁的拖撬上的天然气压缩机、制冷机、辅助制冷系统生产液化气、轻油、混合烃和干气产品,利用脱水装置采用分子筛吸附脱水或甲醇滴注方法防止低温条件下水化物的生成，利用分馏装置生产液化气、轻油、混合烃产品，干气产品则可进入天然气集输系统外输或作为燃料气。制冷温度与轻烃提取率成反比，一级压缩的蒸气制冷系统其制冷温度可达到-35℃左右，如要求得到更低的温度则必须采用二级压缩，但这会带来设备投资和运行成本的增加。

发明内容

本实用新型主要是解决现有技术所存在的不足，从而开发一种设备投资和运行成本相对较低，轻烃提取率较高的采用涡流管二次制冷的撬装式中小型轻烃提取系统。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种采用涡流管二次制冷的撬装式中小型轻烃提取系统，其特征在于：所述系统由轻烃提取模块、蒸汽制冷循环模块以及涡流管制冷模块连接组合而成；

所述轻烃提取模块由进口离心分离器、原料气压缩机、第一冷却器、第二冷却器、分液罐、干燥塔、第一换热器、第二换热器以及低温分离器和稳定器组成；所述进口离心分离器通过管道依次连接原料气压缩机一级压缩段、第一冷却器、分液罐、干燥塔、原料气压缩机二级压缩段、稳定器、第二冷却器、第一换热器、蒸发器、第二换热器、低温分离器以及稳定器；

所述蒸汽制冷循环模块由制冷压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器组成；所述制冷压缩机通过管道依次连接冷凝器、节流阀和蒸发器，然后返回制冷压缩机，组成一个循环；

所述涡流管制冷模块由涡流管和热阀组成；所述涡流管包括冷端、热端和喷嘴，所述的热端（管）连接一热阀。

本实用新型的技术方案还可以进一步完善:

作为优选,轻烃提取模块、蒸汽制冷循环模块以及涡流管制冷模块之间的连接关系是：从轻烃提取模块第一换热器出来的原料气，通过管道与蒸汽制冷循环模块的蒸发器原料气进口连接，蒸发器原料气出口与第二换热器连接；涡流管制冷模块的涡流管进气管，连接到低温分离器的干气出口，涡流管冷端排气管，连接到第二换热器冷气流进口，涡流管热端排气管，经热阀与第二换热器冷气流出口管接通后，连接到第一换热器的冷气流进口。

作为优选,所述轻烃提取模块、蒸汽制冷循环模块和涡流管制冷模块通过软连接组合。所述软连接是指各模块之间的连接采用金属软管和法兰，便于安装拆卸。

作为优选, 当原料气含有硫组分时，进口离心分离器前设有干式脱硫器，原料气先进入干式脱硫器脱硫，然后进入进口离心分离器。

作为优选,当原料气气源不稳定时，进口离心分离器(101)前加一原料气稳压储气罐；原料气先进入稳压储气罐稳压，然后进入进口离心分离器。

作为优选,所述喷嘴采用切向收缩型喷嘴结构，即亚音速喷嘴。

作为优选,所述喷嘴采用切向缩放型喷嘴结构，即超音速喷嘴。

作为优选,所述热阀包括阀体和安装在阀体内的调节杆。

因此，本实用新型有益效果是：

1、针对天然气（石油伴生气）处理气量小于5×10⁴Nm³/d的中小型轻烃提取系统，采用一级压缩蒸汽制冷+涡流管制冷（二次制冷）在低温状态下进行气液分离，在不增加能耗的前提下，使装置获得更高的轻烃提取率。解决了由于工艺原因不能使用透平膨胀机，而使装置的轻烃提取率难以提高的问题。

2、涡流管是一种结构极为简单、制造成本低廉的制冷设备。没有运动部件，运行可靠，维修方便，可有效地降低中小型轻烃提取装置投资和运行成本，解决了为获得较高轻烃提取率，不得不采用制冷系统二级压缩而带来设备投资和运行成本增加的问题。

3、涡流管喷嘴出口气流速度可达到超音速及通过热阀可调节涡流管冷流率的设计，有效地提高了涡流管制冷效率。

涡流管是由喷嘴、涡流室、分离孔板、冷端管和热端管组成。工作时压缩气体通过一个或数个喷嘴流道膨胀并沿管壁切向进入涡流管，沿涡流管内壁高速旋转形成涡旋。气流在涡流管内高速旋转时,经过涡流变换后分离成温度不相等的两部分气流，处于中心部位的气流温度低，而处于外层部位的气流温度高，这种过程可视为不可逆的绝热节流降温过程。涡流管的降温过程分为两步考虑：即高压气体在喷嘴内的绝热节流降温过程和涡流室内高速气流的速度变化产生温度分离效应过程。

高压气体在喷嘴内的节流降温过程，因为气体从喷嘴出来的速度非常大，热量来不及传导出去，故过程可视为绝热的。因为在节流前后气体的流速变化很大，所以不能忽略气体的温度效应。根据热力学第一定律，对于单位质量的气体，在节流前后，有：

（1）

式中，

，

是气体节流前后单位质量的焓值，，是气体节流前后的速度。

根据假设，理想气体的焓值仅是温度的单值函数，即：

（2）

把式（2）代入式（1），可得节流前后气体的温降

为：

（3）

在喷嘴前后，有

，故进入喷嘴气体的初速度可以忽略，即有：

（4）

或者：

（5）

从式（5）可以看出：要想降低涡流管冷端的温度（降低喷嘴出口气体温度），可以通过两条途径来实现：降低涡流管的入口温度和提高喷嘴出口的气流速度。

本实用新型采用切向缩放型喷嘴来提高喷嘴出口气流速度。

涡流管降温的第二步：涡流室内高速气流的速度发生变化产生温度分离效应过程。

气体从涡流室的边缘向中央运动时，是克服离心力场的过程，气体分子从低位能向高位能运动，这样使气体分子的平均动能转化成分子的位能，从而使得温度降低。

由于刚进入涡流室的气体是做自由涡旋运动，靠近涡流室边缘气体的角速度比靠近内部的大，又因为气体的粘滞效应，最终趋于平衡状态时，气体的内外角速度将一致。形成强制涡旋。气体从边缘向中心运动时，因过程进展迅速，因而可以看做是绝热的。根据能量守恒方程，有：

（6）

式中，

是气体冷端出口单位质量的焓值；

，

是喷嘴出口处和涡流管冷端出口处气体的位能。

气体在任意一点的运动可以分成切向和径向运动，径向运动是不做功的，而切向力做功，是克服离心力场所做的功。设涡流中的气体以角速度

运动，那么克服离心力场的位能为：

（7）

设涡流室的半径为

，涡流管冷端出口半径为

，把式（7）代入式（6），可得：

（8）

因此，由于高速气流的速度发生变化产生的温差

为：

（9）

由于气体进入涡流室时是沿切向进入的，在涡流室的边缘处，有：

（10）

把式（10）代入式（9），可得：

（11）

结合式（10）和式（11），可得：

（12）

从上式可以明显看出：当

时，涡流管内的温度即为喷嘴出口温度；当

时，涡流管的中心温度最低。其值为：

（13）

本实用新型采用在热端管出口处安装有流量调节阀（热阀）可调节冷、热端流体流量，从而调节冷热端的出口温度；也可通过调节得到最佳制冷效应或制热效应。

附图说明

附图1是本实用新型的一种流程示意图；

附图2喷嘴结构示意图；

附图3是涡流管制冷模块示意图；

附图4是热阀示意图。

附图标记说明：10-热阀调节杆，20-热阀体，101-进口离心分离器，102-原料气压缩机，103-第一冷却器， 104-第二冷却器，105-分液罐，106-干燥塔，107-第一换热器，108-第二换热器，109-低温分离器，110-稳定器，201-制冷压缩机，202-冷凝器，203-节流阀，204-蒸发器，301-涡流管，3011-喷嘴，3012-热端，3013-冷端，302-热阀，a-原料气，b-冷却水，c-干气，d-轻烃，e-冷气，f-热气。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图1，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

考虑到气井、油井储量有限和分散，本系统配置的装置（轻烃提取模块、蒸汽制冷循环模块以及涡流管制冷模块之间）采用软管和法兰连接，便于安装拆卸。

全部采用撬装式设计。

参见图1所示，原料气a常温低压状态进入轻烃提取装置，首先进入进口离心分离器101，进行油、水及机械杂质的分离，净化后的原料气进入原料气压缩机102一级压缩段102-1进行一级压缩，升压后的原料气经第一冷却器103降温至40℃以下，再经分液罐105脱除液相后进入干燥塔106深度脱水至10PPm以下，脱水后的天然气进入原料气压缩机102二级压缩段102-2，压缩后的天然气进入稳定器110、第二冷却器104降温至40℃以下，再依次进入第一换热器107、蒸发器204、第二换热器108降温至-51℃，最后进入低温分离器109进行气液分离，分离液相后的干气进入涡流管301二次制冷，涡流管301 （见图3），冷端的干气（-70℃，0.3MPa）依次进入第二换热器108、第一换热器107回收冷量，复热后的干气部分用于干燥塔再生，其余干气直接外输，低温分离器109分离出的液烃进入稳定器110，脱除溶解的C1和C2，经稳定后的液烃d进入产品罐成为混合烃产品，稳定器110出来的气体重新汇入原料气中。

图2所示的a图是四流道切向收缩型喷嘴结构，即亚音速喷嘴；b图是六流道切向缩放型喷嘴结构，即超音速喷嘴。

实施例2：

与实施例1不同的是：当原料气含有硫组分时，原料气先进入干式脱硫器脱硫后进入进口离心分离器，将涡流管热端的干气作为干式脱硫器的再生气源。

实施例3：

与实施例1不同的是：当原料气气源不稳定时，进口离心分离器前加一原料气稳压储气罐。

按照本实用新型，根据装置实施场合的自然条件，用于系统某些冷却装置的冷却剂可以选用空气、水及已具有相当冷量的天然气。

Claims

1. 一种采用涡流管二次制冷的撬装式中小型轻烃提取系统，其特征在于：所述系统由轻烃提取模块、蒸汽制冷循环模块和涡流管制冷模块连接组合而成；

所述轻烃提取模块由进口离心分离器（101）、原料气压缩机（102）、第一冷却器（103）、第二冷却器（104）、分液罐(105)、干燥塔(106)、第一换热器(107)、第二换热器(108)以及低温分离器(109)和稳定器(110)组成；所述进口离心分离器（101）通过管道依次连接原料气压缩机（102）一级压缩段（102-1）、第一冷却器（103）、分液罐(105)、干燥塔(106)、原料气压缩机（102）二级压缩段（102-2）、稳定器(110)、第二冷却器（104）、第一换热器(107)、第二换热器(108)、低温分离器(109)以及稳定器(110)；

所述蒸汽制冷循环模块由制冷压缩机(201)、冷凝器(202)、节流阀(203)和蒸发器(204)组成；所述制冷压缩机(201)通过管道依次连接节流阀(202)、冷凝器(203)和蒸发器(204)，然后返回制冷压缩机(201)，组成一个循环；

所述涡流管制冷模块由涡流管(301)和热阀(302)组成：所述涡流管(301)包括喷嘴本体和位于两侧的冷端、热端，所述的热端管连接一热阀(302)。

2.根据权利要求1所述的采用涡流管二次制冷的撬装式中小型轻烃提取系统，其特征在于：所述轻烃提取模块、蒸汽制冷循环模块和涡流管制冷模块通过软连接组合而成。

3.根据权利要求1或2所述的采用涡流管二次制冷的撬装式中小型轻烃提取系统，其特征在于：进口离心分离器(101)前设有干式脱硫器。

4.根据权利要求1或2所述的采用涡流管二次制冷的撬装式中小型轻烃提取系统，其特征在于：进口离心分离器(101)前加一原料气稳压储气罐。

5.根据权利要求1或2所述的采用涡流管二次制冷的撬装式中小型轻烃提取系统，其特征在于：所述喷嘴采用切向收缩型喷嘴结构。

6.根据权利要求1或2所述的采用涡流管二次制冷的撬装式中小型轻烃提取系统，其特征在于：所述喷嘴采用切向缩放型喷嘴结构。

7.根据权利要求1或2所述的采用涡流管二次制冷的撬装式中小型轻烃提取系统，其特征在于：所述热阀(302)包括阀体(20)和安装在阀体内的调节杆(10)。