天然气凝液回收第1节

1 天 然 气 凝 液 是 从 天 然 气 中 回 收 C2+的 烃 类 混合 物 的 总 称 。 一 般 包 括 乙 烷 、 液 化 石 油 气 和 天然 汽 油 。NG Lnatural gas liquid ， 天 然 气 凝 液 。LPG Liquefied Petroleum G as 液 化 石 油 气 。LNG Liquefied Natural G as,液 化 天 然 气 。 2 天 然 气 凝 液 回 收 方 法 低 温 分 离 法 工 艺 多 元 汽 液 平 衡 和 精 馏 制 冷 技 术 主 要 工 艺 设 备 3 了 解 天 然 气 凝 液 回 收 方 法 和 工 艺 特 点 ； 掌 握 制 冷 工 艺 的 原 理 和 特 点 ； 掌 握 天 然 气 凝 液 回 收 流 程 及 其 应 用 。 4 回 收 天 然 气 凝 液 的 必 要 性 ； 天 然 气 凝 液 回 收 方 法 ； 5 有 利 于 改 善 天 然 气 质 量 ， 降 低 烃 露 点 ，防 止 在 管 输 中 有 液 态 烃 凝 结 。 回 收 凝 液 的 产 品 是 重 要 的 民 用 燃 料 和 化工 原 料 ； 提 高 资 源 的 综 合 利 用 率 ， 有 良 好 的 经 济效 益 和 社 会 效 益 。 6 吸 附 法 油 吸 收 法 低 温 分 离 法 7 吸 附 法 是 利 用 具 有 多 孔 结 构 的 固 体 吸 附剂 （ 如 活 性 氧 化 铝 或 活 性 炭 ） 对 烃 类 组 分 吸附 能 力 强 弱 的 差 异 而 实 现 气 体 中 重 组 分 与 轻组 分 的 分 离 。 主 要 用 于 天 然 气 中 回 收 重 烃 类 ，且 处 理 规 模 较 小 (小 于 60 104m3/d)及 较 贫 的天 然 气 (液 烃 含 量 1314mL/m3)。 8 工 艺 装 置 简 单 ， 投 资 费 用 较 小 ； 但 生 产 产 品 单 一 （ 液 化 气 和 天 然 汽 油 ） ，再 生 能 耗 高 ， 运 行 成 本 较 高 。 吸 附 剂 的 吸 附 容 量 等 问 题 未 能 得 到 很 好解 决 。 未 得 到 广 泛 的 应 用 。 曾 在 美 国 用 过 。 9 工 业 上 常 用 于 回 收 天 然 气 液 烃 的 吸 附 剂有 活 性 炭 、 硅 胶 、 硅 藻 土 等 。 1kg的 活 性炭 具 有 106m2的 有 效 吸 附 面 积 ， 其 吸 附 能力 很 强 。 因 此 ， 活 性 炭 就 成 为 工 业 上 提取 液 烃 的 重 要 吸 附 剂 。 10 图 8-3 吸 附 法 提 取 液 态 烃 的 流 程 I原 料 气 ； II液 体 （ 冷 凝 液 +水 ） ； III再 生 气 ； IV） 脱 去汽 油 的 气 体 ； V在 原 料 气 流 中 的 经 过 分 离 的 再 生 气 ； 1原 料 气入 口 分 离 器 ； 2加 热 再 生 气 的 部 分 ； 3、 4吸 收 塔 ； 5换 热 器 ；6再 生 气 分 离 器 11 油 吸 收 法 是 基 于 天 然 气 中 各 组 分 在 吸 收油 中 的 溶 解 度 的 差 异 而 使 轻 、 重 烃 组 分 得以 分 离 的 方 法 。 通 常 采 用 石 脑 油 、 煤 油 或柴 油 作 吸 收 油 。 按 照 吸 收 操 作 温 度 的 不 同 ，油 吸 收 法 往 往 分 为 常 温 油 吸 收 和 低 温 油 吸收 法 （ 冷 油 吸 收 法 ） 两 种 。 12 常 温 油 吸 收 法 的 操 作 温 度 为 常 温 或 略低 于 常 温 ， 多 用 于 中 小 型 天 然 气 凝 液 回 收装 置 ； 冷 油 吸 收 法 利 用 制 冷 将 吸 收 油 冷 至0 -40 进 行 操 作 ， 该 法 比 常 温 油 吸 收 法可 多 回 收 C2+液 烃 ， C3的 回 收 率 可 达85%90%， 常 用 于 较 大 型 的 气 体 加 工 厂 。 13 工 艺 流 程 复 杂 ； 投 资 费 用 和 运 行 成 本 高 ； 直 至 20世 纪 60年 代 中 期 还 是 天 然 气 分 离工 艺 中 使 作 最 多 的 方 法 ； 但 随 着 制 冷 技 术 的 发 展 ， 自 1970年 以 后 ，油 吸 收 法 在 新 建 装 置 中 已 很 少 采 用 。 14 油 吸 收 剂 常 温 油 吸 收 工 艺 使 用 的 吸 收 油 ， 其 相 对分 子 质 量 可 达 180 200， 在 低 温 吸 收 条件 下 （ -18 ） 则 大 都 为 100 130， 都是 大 于 C5组 分 的 烷 烃 。 常 温 油 吸 收 法 由于 轻 烃 收 率 低 、 消 耗 指 标 高 ， 已 不 再 使用 。 15 低 温 油 吸 收 法 工 艺 流 程 （ 补 充 ） 16 低 温 分 离 法 （ 冷 凝 分 离 法 ） 是 利 用 原料 气 中 各 烃 类 组 分 冷 凝 温 度 的 不 同 ， 通 过将 原 料 气 冷 凝 至 一 定 温 度 ， 将 沸 点 较 高 的烃 类 冷 凝 分 离 出 来 ， 并 经 凝 液 精 馏 分 离 成合 格 产 品 的 工 艺 。 17 提 供 冷 量 的 方 式 有 外 部 制 冷 法 、 自 制 冷法 和 混 合 制 冷 法 等 多 种 形 式 。 18 工 艺 流 程 简 单 ， 投 资 少 ， 效 益 好 ； 回 收 率 高 ， C3的 回 收 率 可 达 90%以 上 ； 适 应 性 强 ， 管 理 方 便 。 19 随 着 制 冷 技 术 的 发 展 ， 特 别 是 1964年 ，美 国 首 次 将 透 平 膨 胀 机 用 于 天 然 气 凝 液回 收 ， 使 天 然 气 回 收 凝 液 技 术 开 始 了 新的 发 展 阶 段 。 目 前 ， 低 温 分 离 法 已 广 泛 应 用 于 天 然 气凝 液 回 收 装 置 。 20 国 标 9052.188规 定 了 丙 烷 、 丁 烷和 丙 丁 烷 混 合 物 的 质 量 标 准 21 22 根 据 提 供 冷 量 方 式 不 同 分 成 三 大 类 方 法 1.外 加 制 冷 循 环 法 ， 亦 即 直 接 冷 凝 法 2.直 接 膨 胀 制 冷 法 ， 即 膨 胀 冷 凝 法 3.混 合 制 冷 法 23 图 8-4 低 温 分 离 法 三 种 类 型 流 程 示 意 图 24 冷 剂 制 冷 工 艺 流 程 逆 升 压 式 膨 胀 机 制 冷 工 艺 流 程 正 升 压 膨 胀 机 制 冷 工 艺 流 程 丙 烷 预 冷 与 膨 胀 制 冷 结 合 的 混 合 制 冷 工 艺 25 中 高 压 气 原 料 气 低 压 气 预 分 离 压 缩 净 化 冷 凝 分 离 液 烃 分 馏 制 冷 产 品 储 配 26冷 剂 制 冷 工 艺 流 程1原 料 气 分 离 器 ； 2压 缩 机 ； 3、 11、 14冷 却 器 ； 4气 液 分 离器 ； 5脱 水 吸 附 器 ； 6冷 箱 ； 7丙 烷 蒸 发 器 ； 8低 温 分 离 器 ；9脱 乙 烷 塔 ； 10脱 丙 丁 烷 塔 ； 12回 流 罐 ； 13回 流 泵 ； 15、16、 17、 18节 流 阀 。 27逆 升 压 式 膨 胀 机 制 冷 工 艺 流 程1原 料 气 分 离 器 ； 2吸 附 器 ； 3换 热 器 ； 4、 6气 液 分 离 器 ； 5、8节 流 阀 ； 7泵 ； 9脱 乙 烷 塔 ； 10、 14再 沸 器 ； 11脱 丙丁 烷 塔 ； 12冷 凝 器 ； 13回 流 罐 ； 15膨 胀 机 膨 胀 端 ； 16膨胀 机 增 压 端 28 正 升 压 膨 胀 机 制 冷 工 艺 流 程1原 料 气 分 离 器 ； 2吸 附 器 ； 3换 热 器 ； 4气 液 分 离 器 ； 5节流 阀 ； 6脱 乙 烷 塔 ； 7、 11再 沸 器 ； 8脱 丙 丁 烷 塔 ； 9冷 凝器 ； 10回 流 罐 ； 12冷 却 器 ； 13膨 胀 机 增 压 端 ； 14膨 胀 机膨 胀 端 29 图 8-5 蒸 汽 压 缩 制 冷 循 环 30 四 个 过 程 ： 1.蒸 发 过 程 2.压 缩 过 程 3.冷 凝 过 程 4.膨 胀 过 程 31 按 化 学 成 分 分 类 ， 可 分 为 四 类 ： 无 机化 合 物 制 冷 剂 （ 表 8-2） ； 氟 利 昂 制 冷剂 （ 表 8-3） ; 碳 氢 化 合 物 制 冷 剂 （ 表8-4） ； 共 沸 溶 液 制 冷 剂 （ 表 8-5） 。 32 氟 利 昂 ； 氨 ； 丙 烷 、 丙 烯 、 乙 烷 、 乙 烯 等 。 因 环 保 的 要 求 ， 其 中 氟 利 昂 、 氨 将 逐 步限 制 使 用 。 33 （ 一 ） 理 想 制 冷 循 环 在 TS图 上 的 表 达1.等 熵 可 逆 压 缩 （ 绝 热 可 逆 压 缩 ） 2.等 压 等 温 可 逆 冷 凝 q2=T2(S2 S3) 3.等 熵 可 逆 膨 胀 （ 绝 热 可 逆 膨 胀 ） 4.等 压 等 温 可 逆 蒸 发 q1=T1(S1 S4) 压 缩 机 对 1公 斤 制 冷 剂 所 做 的 净 功 W e为 We=W1 W2=q2 q1=T2(S2 S3) T1(S1 S4) (8-4) 34图 8-7 实 际 制 冷 循 环 在 温 熵 图 上 的 表 示 35 （ 1） 等 熵 可 逆 压 缩 制 冷 剂 的 饱 和 蒸 汽 于 状 态 1(P1,T1)下 进 入 压 缩机 进 行 绝 热 压 缩 ， 此 压 缩 过 程 近 于 等 熵 ， 因 此制 冷 剂 的 状 态 沿 等 熵 线 变 到 点 2（ P2、 T2） 而 成为 过 热 蒸 汽 。 （ 2） 等 压 冷 却 与 冷 凝 ， 以 线 段 2-2 -3 -3表示 （ 3） 节 流 膨 胀 ， 在 图 8-7上 以 线 段 3-4表 示 (4)等 压 、 等 温 蒸 发 ， 以 线 段 4-1表 示 36 2.实 际 制 冷 循 环 在 lgP-H(压 焓 )图 上 的 表达 图 8-8 实 际 制 冷 循 环 在 压 焓 图 上 的 表 示 37 (1)压 缩 过 程 ， 以 线 段 1-2表 示 (2)冷 却 、 冷 凝 及 过 冷 过 程 ， 以 线 段 2-2 -3 -3表 示 (3)节 流 膨 胀 过 程 ， 以 线 段 34表 示 (4)蒸 发 过 程 ， 以 线 段 4-1表 示 38 （ 三 ） 制 冷 过 程 的 热 与 功 (1)单 位 质 量 制 冷 剂 的 吸 热 量 q1 q1=H 1 H 4 (8-5) q1值 相 当 于 面 积 1-4-d-a-1 （ 2） 单 位 质 量 制 冷 剂 的 放 热 量 q2 q2=H 2 H 3 (8-6) q2值 相 当 于 面 积 22 3 3ea2 39 （ 3） 净 功 we we=H 2 H 1 （ 8-7） we的 大 小 相 当 于 面 积 1-2-2 -3 -3-e-d-4-1 (四 )制 冷 循 环 过 程 的 制 冷 系 数 制 冷 剂 从 被 冷 却 物 体 中 吸 取 的 热 量 与 循 环 过 程 消 耗 的净 功 之 比 值 称 为 制 冷 系 数 ， 用 代 号 表 示 ： =Q1/We (8-8) 式 中 ： 制 冷 系 数 Q1单 位 时 间 内 制 冷 剂 的 吸 热 量 ， KJ/h； W e单 位 时 间 内 压 缩 机 对 制 冷 剂 所 做 的 净 功 ，KJ/h。 40 2.实 际 制 冷 循 环 的 制 冷 系 数 实 实 qw H HH He1 1 42 1 (8-12) 4.制 冷 效 率 实 理 41 五 、 制 冷 能 力 制 冷 能 力 也 称 制 冷 量 ， 一 般 是 指 在 一 定 的 操 作条 件 下 (即 一 定 的 制 冷 剂 蒸 发 温 度 t1,冷 凝 温 度 t2，过 冷 温 度 tc),单 位 时 间 内 制 冷 剂 由 被 冷 物 体 中 所取 出 的 热 量 Q,单 位 是 kJ/h,它 可 表 示 为 (8-14) 式 中 :q1制 冷 剂 的 制 冷 量 ,kJ/kg; G 制 冷 剂 的 循 环 量 ,kg/h 1Q Gq 42 对 于 一 定 规 格 的 往 复 式 单 级 压 缩 制 冷 机 而 言 ,制冷 能 力 Q可 以 表 示 为 : Q=Vnqv (8-15)式 中 :Q制 冷 机 的 制 冷 能 力 ,kJ/h; qV进 入 压 缩 机 前 ， 单 位 容 积 制 冷 剂 蒸 汽 的 制冷 能 力 ， KJ/m3 Vh单 位 时 间 内 压 缩 机 活 塞 所 扫 过 的 容 积 m3/h; 进 入 压 缩 机 的 实 际 容 积 系 数 ,可 根 据 经 验公 式 确 定 或 由 图 表 查 取 。 43 (六 )制 冷 操 作 所 需 功 率 (1)制 冷 操 作 中 压 缩 机 的 理 论 功 率 NT 36003600 eeT wGWN (8-17) 2.实 际 功 率 NP亦 称 轴 功 率 ,即 电 机 所 输 的 实 际功 率 。 N N P T 44 一 、 等 焓 （ 节 流 ） 膨 胀 二 、 等 熵 膨 胀 45 节 流 制 冷 是 工 业 上 最 早 采 用 的 制 冷 工 艺 ，由 于 节 流 制 冷 设 备 简 单 ， 运 转 可 靠 、 节 流效 率 低 ， 同 一 差 压 下 温 降 较 小 ， 在 天 然 气凝 液 回 收 中 常 多 数 作 为 一 种 辅 助 制 冷 手 段 。 46 节 流 膨 胀 过 程 如 图 8-9所 示 ， 流 体 在 流经 相 当 于 孔 板 的 缩 口 或 节 流 阀 时 ， 由 于 通径 截 面 积 缩 小 ， 流 速 增 加 ， 经 过 缩 口 或 节流 阀 后 截 面 积 和 流 速 恢 复 到 原 来 状 态 。 47图 8-9 节 流 膨 胀 过 程 示 意 图 48 如 果 忽 略 势 能 变 化 ， 对 缩 口 前 、 缩 口 后应 用 热 力 学 稳 定 流 动 的 能 量 守 恒 方 程 式 有 ：gCHgCH 22 222211 H 1、 H 2缩 口 前 后 两 截 面 处 流 体 的 焓 值 ； C1、 C2缩 口 前 后 两 截 面 处 的 流 速 ； g重 力 加 速 度 。 (8-19) 49 由 于 节 流 前 、 后 两 截 面 面 积 相 等 ， 故 得 ： 因 此 ， 节 流 膨 胀 过 程 是 等 焓 过 程 。 节流 时 ， 微 小 压 力 变 化 所 引 起 的 温 度 变 化 称为 微 分 节 流 效 应 。 一 般 用 H 表 示 微 分 节 流效 应 系 数 ： 21 HH )( pTa H (8-20)(8-21) 50 内 能 变 化 项 由 于 气 体 压 力 降 低 ， 比 容 增 大 ，分 子 间 的 平 均 距 离 也 增 大 ， 此 时 必 须 消 耗 功 克 服分 子 间 的 引 力 ， 分 子 间 的 位 能 就 增 加 。 但 由 于 外界 无 能 量 供 给 气 体 ， 分 子 间 位 能 的 增 加 只 能 来 自分 子 动 能 的 减 少 。 因 此 ， 产 生 使 气 体 温 度 降 低 的效 应 。 TpTpH ppVcpuca )(11 (8-23) 51而 对 大 多 数 气 体 ， 其 中 包 括 天 然 气 ， 流 动 功是 随 压 力 的 降 低 而 增 加 的 。 01 Tp puc 0)(1 Tp ppVc 52 0Ha 所 以 ， 大 多 数 气 体 （ 除 氢 、 氦 等 外 ） 经过 节 流 阀 产 生 压 降 时 也 相 应 发 生 的 温 降 。 53 典 型 的 节 流 工 艺 过 程 如 图 8-17所 示 。 流量 为 F（ kmol/h） ， 组 成 为 fi（ 摩 尔 分 数 ）的 物 料 在 压 力 PI、 温 度 TI下 经 节 流 阀 在 绝热 情 况 下 减 压 至 P2， 工 艺 计 算 的 任 务 是 求节 流 后 的 温 度 T2， 平 衡 汽 、 液 相 组 成 yi、 xi，汽 、 液 相 量 V、 L及 焓 值 HV， HL等 。 54 55 物 料 平 衡 : F=V+L (8-36) 某 一 组 分 有 : fi=vi+li (8-37) xf=fi/Fi yi=vi/Vi xi=li/L (8-38) 56 汽 液 平 衡 yi=KiXi yi=kixi=1.0 l fk V Li i i ( / )1 )/( iiii kVL fkV L1=li V=Vi 57 热 量 平 衡 方 程 ： LV LHVHFHf 58 其 计 算 程 序 如 下 :(1)用 泡 点 方 程 和 露 点 方 程 校 验 该 混 合 物 是 否 同 时 存 在 汽 、 液 两 相 。(2)在 给 定 温 度 和 压 力 下 查 图 ,得 到 系 统 中 各 组 分 的 k值 。(3)假 设 L、 V或 L/V值 。(4)利 用 式 (8-41)或 式 (8-43)计 算 液 相 (或 汽 相 )中 各 个 组 分 的 千 摩 尔 数 。(5)用 式 (8-42)计 算 总 液 量 ;用 式 (8-44)计 算 总 蒸 汽 量 。(6)将 (5)步 计 算 出 的 总 液 量 和 总 蒸 汽 量 同 第 (3)步 假 定 值 相 比 较 。 如 果 两个 值 很 接 近 ,误 差 1.0%,则 计 算 值 为 所 求 值 ,否 则 ,需 从 第 (3)开 始 重 新计 算 。 59 气 体 进 行 等 熵 膨 胀 时 ， 由 于 压 力 变 化 而引 起 的 温 度 变 化 ， 称 为 等 熵 膨 胀 效 应 。 该效 应 又 分 为 微 分 等 熵 膨 胀 效 应 和 积 分 等 熵膨 胀 效 应 。 60 微 分 等 熵 膨 胀 效 应微 分 等 熵 膨 胀 效 应 是 指 微 小 压 力 变 化 所引 起 的 温 度 变 化 。 通 常 用 as表 示 微 分 等 熵膨 胀 效 应 系 数 表 示 。 )( ss pTa (8-26) 61 积 分 等 熵 膨 胀 效 应 积 分 等 熵 膨 胀 效 应 是 指 气 体 实 际 等 熵膨 胀 时 ， 压 力 变 化 为 一 有 限 值 所 引 起 的 温度 变 化 ， 以 Ts表 示 ： p pTpaTTT pp spp ss dd 212112 (8-28) 62 由 热 力 学 基 本 关 系 式 ， 可 导 出 表 示 微分 等 熵 膨 胀 效 应 系 数 as与 膨 胀 前 气 体 状 态参 数 p、 T、 V之 间 关 系 式 为 )( pps TVcTa (8-27) cp气 体 的 定 压 热 容 。 63 由 于 式 (8-27)中 0)(,0,0 pp TVTc 0 sa故 等 熵 膨 胀 过 程 总 是 产 生 冷 效 应 ， 膨 胀 结 果气 体 的 温 度 总 是 降 低 的 。 64 等 熵 膨 胀 时 ， 气 体 一 方 面 要 在 绝 热 情况 下 对 外 作 功 ， 大 量 消 耗 内 能 ； 另 一 方 面要 克 服 分 子 间 的 吸 引 力 ， 增 加 分 子 位 能 ，使 分 子 动 能 减 少 ， 由 于 这 两 方 面 原 因 ， 导致 气 体 温 度 大 幅 度 下 降 。而 这 时 流 动 功 的 变 化 对 气 体 温 度 的 影响 相 比 之 下 很 小 ， 因 此 ， 等 熵 膨 胀 的 结 果总 是 使 气 体 温 度 降 低 ， 且 同 时 产 生 冷 量 。 65 2. 绝 热 效 率 和 实 际 功等 熵 膨 胀 的 焓 降 H S是 气 体 等 熵 膨 胀 开始 状 态 p1、 T1时 的 焓 值 H 1与 膨 胀 终 了 状 态p2、 T2的 焓 值 H 2之 差 值 。 21 HHHS (8-29) 66 实 际 上 ， 压 缩 气 体 通 过 膨 胀 机 进 行 绝热 膨 胀 ， 在 对 外 作 功 的 同 时 存 在 着 摩 擦 、泄 漏 和 冷 量 损 失 等 各 种 现 象 。 因 此 ， 膨 胀过 程 实 际 不 是 等 熵 的 ， 而 是 熵 增 大 的 不 可逆 过 程 。 67 实 际 膨 胀 过 程 的 焓 差 H 等 于 气 体 绝 热 膨 胀 开始 状 态 的 焓 值 H 1与 膨 胀 终 了 状 态 的 焓 值 H 2的 差值 ， 即 膨 胀 机 对 外 的 单 位 功 。 21 HHH (8-30) 68 21 210 HH HHHHs 膨 胀 机 的 绝 热 效 率 是 衡 量 膨 胀 过 程 偏 离等 熵 过 程 的 尺 度 。 透 平 膨 胀 机 的 绝 热 效 率可 达 75% 85%。 (8-31) 69 HGW G 气 体 流 量 ， kg/h；H 实 际 膨 胀 过 程 的 焓 差 ， kJ/kg。 70 流 量 为 F（ kmol/h） ， 组 成 为 zi（ 摩 尔分 数 ） 在 压 力 P1、 温 度 T1下 进 入 膨 胀 机 ，膨 胀 机 等 熵 效 率 为 ， 出 口 压 力 为 P2， 等熵 出 口 温 度 为 T2， 实 际 出 口 温 度 为 T2。 膨胀 机 出 口 的 平 衡 汽 、 液 相 组 成 为 yi、 xi。 汽 、液 相 量 为 V、 L； 汽 、 液 相 焓 值 为 HV、 HL及 汽 、 液 熵 值 为 SV、 SL等 。 71 11 n 1 11 ni i ni i iii yx ixKy相平衡方程 72 iii LxVyFz 物 料 平 衡 方 程 ：热 量 平 衡 方 程 ： 1 LV LSVSFS 膨 胀 机 出 口 的 实 际 焓 值 ： )( 2112 HHHH 73 H1进 口 状 态 下 气 体 的 焓 值 ， kJ/kmol； S1进 口 状 态 下 气 体 的 熵 值 ， kJ/(kmolK)； SV等 熵 膨 胀 后 汽 相 的 熵 值 ， kJ/(kmolK)； SL等 熵 膨 胀 后 液 相 的 熵 值 ， kJ/kmol； H2等 熵 膨 胀 后 出 口 混 合 物 的 焓 值 ， kJ/kmol； H2 膨 胀 机 实 际 出 口 混 合 物 的 焓 值 ， kJ/kmol； 膨 胀 机 的 绝 热 效 率 。 74 计 算 膨 胀 机 入 口 条 件 下 的 H 1 、 S 1 在 膨 胀 机 出 口 压 力 P 2 下 假 定 出 口 温 度 T 2 作 平 衡 闪 蒸 计 算 ， 求 H 2 、 S 2 和 汽 化 率e 比 较 S 1= S2 ？ 计 算 等 熵 出 口 焓 差 H 1-H 2 计 算 实 际 出 口 焓 2H 计 算 实 际 出 口 温 度 和 实 际 功 是Y 否N 75 膨胀机 输 出功 类输 出热 类 活 塞 式 膨 胀 机 (容 积 型 )透 平 式 膨 胀 机 (速 度 型 )热 分 离 机气 波 制 冷 机 76 透 平 膨 胀 机 是 由 通 流 部 分 、 制 动 器 及机 体 三 大 部 分 组 成 。 透 平 膨 胀 机 的 结 构 示意 图 如 图 所 示 。 77透 平 膨 胀 机 的 结 构 图 78 该 部 分 是 获 得 低 温 的 主 要 部 件 。 压 力较 高 的 工 作 介 质 从 管 道 进 入 膨 胀 机 的 涡 壳 ，把 气 流 均 匀 地 分 配 给 喷 嘴 ， 气 体 在 喷 嘴 中 第一 次 膨 胀 ， 推 动 工 作 轮 输 出 外 功 ， 同 时 气 流在 工 作 轮 中 继 续 膨 胀 而 转 换 成 外 功 ， 因 此 ，气 体 的 流 速 就 降 低 了 ， 膨 胀 后 的 低 温 工 质 经过 扩 压 器 排 出 到 低 温 管 道 中 。 79 透 平 膨 胀 机 有 机 械 功 输 出 ， 需 要 有 一定 的 负 载 。 负 载 主 要 是 起 刹 车 即 制 动 作 用 ，一 般 称 负 载 为 制 动 器 。 制 动 器 可 以 是 鼓 风 机 、 机 泵 、 压 缩 机 、发 电 机 等 。 在 天 然 气 处 理 中 ， 制 动 器 大 多为 天 然 气 的 增 压 机 。 80 在 油 气 处 理 和 加 工 装 置 中 ， 制 动 器 采 用压 缩 机 ， 即 由 膨 胀 机 驱 动 离 心 式 压 缩 机 ，由 膨 胀 机 输 入 到 驱 动 端 的 净 功 率 ， 通 常 要减 去 约 2%的 轴 和 轴 承 的 损 失 。 同 轴 离 心 式压 缩 机 的 效 率 可 取 65% 80 。 81 根 据 气 流 流 入 压 气 端 和 透 平 膨 胀 端 的 先后 次 序 不 同 ， 可 分 为 正 升 压 透 平 膨 胀 机 和逆 升 压 透 平 膨 胀 机 两 种 型 式 。 正 升 压 透 平膨 胀 机 组 ， 气 体 先 压 缩 后 膨 胀 。 逆 升 压 透平 膨 胀 机 组 ， 气 体 先 膨 胀 再 压 缩 。 82 正 升 压 透 平 膨 胀 机 组 C压 气 机 ； T涡 轮 ； H 1 冷 却 器 ； H 2冷箱 ； S1一 级 分 离 器 ； S2二 级 分 离 器 83逆 升 压 透 平 膨 胀 机 组C压 气 机 ； T涡 轮 ； H 2冷 箱 ；S1一 级 分 离 器 ； S2二 级 分 离 器 84 绝 热 效 率 一 般 为 80%85%； 膨 胀 比 为 25； 出 口 带 液 量 大 （ 理 论 不 限 制 ， 但 小 于20%） ； 转 速 达 20000r/min以 上 ， 功 率 从 几 kW至几 千 kW； 处 理 量 可 达 106m3/d以 上 ； 流 量 可 调 （ 因 装 有 可 调 喷 嘴 ） ， 约 有20%的 可 调 范 围 。 85 热 分 离 机 的 制 冷 装 置 由 气 体 分 配 器 （ 喷嘴 ） 和 接 收 管 组 成 。 具 有 高 能 量 的 气 体 喷入 接 收 管 中 ， 对 末 端 容 器 中 的 残 留 气 体 迅速 地 压 缩 和 加 热 。 入 口 气 体 的 动 能 传 递 给残 留 气 体 ， 由 于 压 缩 产 生 的 热 量 通 过 管 壁向 四 周 散 失 ， 使 入 口 气 体 的 温 度 降 低 ， 就能 实 现 制 冷 。 工 作 原 理 如 图 8-25所 示 。 868-25热 分 离 机 的 工 作 原 理 87 热 分 离 机 的 制 冷 过 程 分 为 三 个 阶 段 ：n 进 气 阶 段 ；n 压 缩 阶 段 ；n 流 出 阶 段 。 88 热 分 离 机 的 基 本 结 构 有 两 种 类 型 ： 静 止 式 热 分 离 机 （ static thermal separator 简 称 STS） ， 喷 嘴 和 接 收 管 都是 固 定 的 热 分 离 机 。 旋 转 式 热 分 离 机 （ rotary thermal separator 简 称 RTS） ， 喷 嘴 及 其 相 关 部件 都 可 旋 转 的 热 分 离 机 。 89 气 体 从 固 定 的 喷 嘴 喷 入 接 收 管 ， 在 喷嘴 两 侧 设 置 有 谐 振 器 ， 其 振 动 频 率 在 100700H z之 间 ， 使 喷 嘴 喷 出 的 高 速 气 流 发 生 振动 产 生 脉 冲 压 力 ， 调 节 着 喷 流 方 向 分 配 进入 各 列 接 收 管 中 。 是 一 种 简 单 耐 用 的 制 冷装 置 ， 其 最 大 效 率 可 达 等 熵 膨 胀 的 40%。 90 静 止 式 热 分 离 机 又 分 单 管 、 双 管 和 多 管三 种 型 式 ， 多 管 式 的 结 构 示 意 图 如 图 8-26。由 于 静 止 式 热 分 离 机 效 率 低 ， 最 高 只 能 达到 等 熵 膨 胀 的 40 ， 已 基 本 不 用 了 ， 目 前 ，旋 转 式 热 分 离 机 较 多 。 91 图 8-26 多 管 式 热 分 离 机 结 构 示 意 图l喷 嘴 ； 2共 鸣 箱 ； 3接 收 管 ； 4小 室 92 带 压 气 流 进 入 旋 转 式 气 体 分 配 器 中 ， 经过 喷 嘴 变 成 高 速 气 流 喷 射 到 膨 胀 管 中 ， 同时 由 于 气 流 在 气 道 中 的 方 向 发 生 变 化 ， 使旋 转 分 配 器 产 生 自 转 ， 实 现 对 膨 胀 管 依 次喷 射 循 环 。 其 结 构 示 意 图 如 图 8-27所 示 。 93 图 8-27 旋 转 式 热 分 离 机 结 构 示 意 图 94 绝 热 效 率 为 70 左 右 ； 膨 胀 比 宜 为 3 5， 不 宜 超 过 7。 转 速 低 ， 通 常 为 1000 3000 r/min。 转 速太 ， 造 成 轴 向 推 力 大 ， 轴 承 能 耗 增 大 。 轴 承 润 滑 可 以 使 用 润 滑 脂 ， 比 透 平 膨 胀机 的 润 滑 系 统 简 单 。 95 弹 性 大 ， 适 应 性 强 。 进 口 气 体 流 量 和 压力 波 动 对 机 组 的 稳 定 运 行 影 响 不 大 。 适 用 于 原 料 气 气 量 小 、 压 力 不 高 的 场 所 。 96图 8-19 膨 胀 机 过 程 的 原 理 流 程 图 97图 8-20 500低 温 分 离 工 艺 原 理 流 程 图 98图 8-21 杏 九 联 20万 Nm3/d油 田 气 深 冷 分 离 试 验装 置 流 程 图 99图 8-22 温 米 装 置 优 化 工 艺 流 程 图 100 （ 一 )当 进 气 压 力 与 干 气 输 出 压 力 之 间 有 剩 余 压 差 可 利用 时 ,透 平 膨 胀 工 艺 是 最 好 的 选 择 。 (二 )对 于 有 剩 余 压 差 可 利 用 的 很 贫 的 天 然 气 而 言 ,回 收液 烃 价 值 不 大 ,但 仍 可 采 用 节 流 制 冷 法 或 热 分 离 机 法 利用 此 剩 余 压 差 ,使 之 降 低 水 及 烃 的 露 点 ,以 满 足 气 体 长 输要 求 。 如 果 温 度 还 不 够 低 ,可 再 加 浅 度 冷 冻 。 (三 )对 于 要 求 回 收 乙 烷 ,而 又 没 有 多 余 压 力 差 可 利 用 者 ,须 要 根 据 具 体 条 件 ,对 膨 胀 机 法 、 外 加 冷 源 法 、 冷 油 吸收 法 等 作 周 密 比 较 后 决 定 取 舍 。 (四 )对 于 井 场 小 型 气 体 加 工 装 置 ,可 采 用 浅 冷 法 或 常 温吸 附 法 ； 如 果 是 较 贫 气 体 以 用 吸 附 法 同 时 脱 水 及 脱 液烃 更 为 经 济 合 理 。 101 可 以 把 无 回 流 的 稳 定 塔 看 作 “ 闪 蒸 分 离器 ” kevL fked ii )/( .式 中 di 某 个 被 分 离 组 分 之 流 量 ， kmol/h； ke烃 类 的 假 平 衡 常 数 ， 可 由 图 830查 得 ， 它 是 烃 类 沸 点 的 函 数 ； 102 图 829凝 析 油 稳 定 塔 示 意 图 103 液 化 天 然 气 的 必 要 性 一 、 便 于 贮 运 天 然 气 液 化 后 的 体 积 只 有 原 来 的 1/625左右 二 、 是 理 想 的 峰 值 调 节 气 三 、 便 于 气 体 的 分 离 104图 8-31 装 置 方 块 流 程 图 105 目 前 天 然 气 液 化 工 艺 主 要 有 三 种 类 型 ：重 叠 式 制 冷 液 化 循 环 （ 或 称 “ 逐 级 式 ” 、“ 阶 式 ” 循 环 ） 、 混 合 制 冷 剂 液 化 循 环和 带 膨 胀 机 的 液 化 循 环 。 106 这 是 一 种 常 规 的 循 环 ， 它 由 若 干 个 在 不同 低 温 操 作 的 蒸 汽 制 冷 循 环 复 叠 组 成 。对 于 天 然 气 的 液 化 ， 一 般 是 由 丙 烷 、 乙烯 和 甲 烷 为 制 冷 剂 循 环 复 叠 而 成 ， 来 提供 天 然 气 液 化 所 需 的 冷 量 。 它 们 的 制 冷温 度 分 别 为 -45 、 -100 、 及 -160 。该 循 环 的 原 理 流 程 如 图 8-32所 示 。 107图 8-32 复 叠 式 制 冷 液 化 循 环 原 理 流 程 108 这 种 混 合 制 冷 剂 的 组 成 一 般 主 要 为 C1C5的 碳 氢 化 合 物 ， 其 一 般 的 含 量 范 围 见表 8-18， 工 作 时 利 用 多 组 分 混 合 物 中 重组 分 先 冷 凝 ， 轻 组 分 后 冷 凝 的 特 性 ， 将它 们 依 次 冷 凝 、 节 流 、 蒸 发 得 到 不 同 温阶 的 冷 量 ， 使 天 然 气 中 对 应 的 组 分 冷 凝并 最 终 全 部 液 化 。 根 据 混 合 制 冷 剂 是 否与 原 料 气 相 混 合 ， 液 化 循 环 又 分 为 闭 式和 开 式 两 类 。 109 表 8-18 天 然 气 液 化 及 分 离 技 术 中 所 使 用 的 混合 制 冷 剂 的 大 致 组 成组 分 氦 甲 烷 乙 烯 丙 烷 丁 烷 戊 烷体 积（ %） 03 2032 3444 1220 815 3 8 110 闭 式 循 环 的 特 点 是 制 冷 剂 的 循 环 与 天 然气 液 化 过 程 分 开 ， 而 自 成 一 个 独 立 的 制冷 系 统 。 开 式 循 环 的 特 点 是 混 合 制 冷 剂 与 原 料 气混 合 在 一 起 ， 111图 8-33 闭 式 混 合 制 冷 剂 液 化 循 环 流 程 图TC-温 度 控 制 PC-压 力 控 制 LC-液 面 控 制 HC-手 动 控 制 112图 8-34 开 式 混 合 制 冷 剂 液 化 循 环 流 程 图TC-温 度 控 制 PC-压 力 控 制 LC-液 面 控 制