天然气加工工程轻烃回收课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,天然气加工工程轻烃回收,天然气加工工程轻烃回收天然气加工工程轻烃回收天然气处理与加工的范畴天然气处理与加工指从井口到输气管网的全部过程。包括采气管线、井场分离、集气管线、净化处理、脱水、轻烃回收、输气管网等，如下图。,单元过程：节流、闪蒸、吸收、解吸、精馏、换热、反应、吸附等。2021/1/18,天然气处理与加工的范畴,天然气处理与加工指从井口到输气管网的全部过程。包括采气管线、井场分离、集气管线、净化处理、脱水、轻烃回收、输气管网等，如下图。,井场处理,液体分离,天然气脱硫,水、烃露点控制,烃回收,硫回收,脱硫再生,H,2,O,LPG,凝液,硫,H,2,S,CO,2,外输气,节流阀,气藏,井口装置,地面,单元过程：节流、闪蒸、吸收、解吸、精馏、换热、反应、吸附等。,2024/11/24,概述,如前所述，天然气(尤其是伴生气及凝析气)中除含有,CH,4,外，还含有一定量的,C,2,H,6,、C,3,H,8,、C,4,H,10,、C,5,H,12,以及更重烃类，为了满足商品气或管输气对烃露点的质量要求，或为了获得宝贵的化工原料，需将天然气中除甲烷外的一些烃类予以分离与回收。,1、天然气凝液(,natural gas liquids，NGL)：,从天然气中回收的液烃混合物，也称天然气液或天然气液体，我国习惯上称其为轻烃(,light hydrocarbon liquids)。,2、,轻烃组成：含有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及更重烃类，有时还可能含有少量非烃类。,2024/11/24,概述,3、轻烃回收：从天然气中回收凝液的过程，亦称之为天然气凝液回收或天然气液回收(,NGL,回收)。,4、轻烃回收产品的用途,轻烃回收后的产品分为：天然气（商品气）、液化气（,C3,、,C4,）和轻油。,(1)燃料：可作为城市居民的清洁能源或作发动机燃料，如驱动汽车、压缩机和发电厂燃料。,(2)化工原料：商品天然气中的烃类用作化工原料是经济效益最高的使用方式。,液化气可以作为优良的石油化工基础原料。,2024/11/24,概述,(3)工业溶剂：轻油可进一步分馏而得到一系列优质工业溶剂。,这些溶剂基本上都是饱和烃，化学安定性好，溶解能力强，广泛应用于化工、医药、航空等诸多部门。,5、轻烃回收现状,(1)国外现状,国外天然气加工厂中美国和加拿大合计约占8,0,。美国在上世纪80年代末期的天然气加工率在8,0,以上，而且其天然气液产量与原油产量之比在1:5左右，具有举足轻重的地位。,2024/11/24,概述,(2)国内现状,我国的天然气液回收装置始建于上世纪60年代，到了 80年代有了迅速发展。,就天然气加工率来讲，我国已达到先进水平。但是，由于我国天然气产量很低，天然气液产品又主要来自伴生气，故其总产量不大，仅为原油产量的0.51。,此外，除少数天然气液回收装置规模较大及个别装置回收乙烷外，大多数装置规模较小，而且仅回收丙烷以上烃类。,2024/11/24,1,轻烃回收的目的和方法,轻烃回收是天然气处理与加工中一个十分重要而又常见的过程。然而，并不是在任何情况下进行轻烃回收都是经济合理的。,它取决于天然气的类型和数量、轻烃回收的目的、方法及产品价格等，特别是取决那些可以冷凝回收的天然气组分是作为液体产品还是作为商品气中组分时的经济效益比较。,一、天然气类型对天然气液回收的影响,我国习惯上将天然气分成气藏气、伴生气和凝析气三种类型，其组成有很大差别。,2024/11/24,1,轻烃回收的目的和方法,1、气藏气,主要由,CH,4,组成，,C,2,H,6,及更重烃类含量很少。因此，只是气体中乙烷及更重烃类成为产品高于其在商品气中的经济效益时，一般才考虑进行天然气液回收。,2、伴生气,通常含有很多可以冷凝回收的烃类，为了满足商品气或管输气对烃露点和热值的要求，同时也为了获得一定数量的液烃产品，故必须进行轻烃回收。,3、凝析气,一般含有较多的戊烷以上重烃类。,当其压力降低至相包络区的露点线以下时，就会出现反凝析现象。,2024/11/24,1.1,轻烃回收的目的和方法,因此，在凝析气田开采过程中，储层中的凝析气由井底经生产管柱流向井口时，由于压力,、,温度降低就会有凝析油析出，故需在井场或加工厂中进行相分离，以回收析出的油。,如果分离出的气体还要经过压缩回注到储层中的话，由于气体中仍含有不少可以冷凝回收的烃类，因而也应进行轻烃回收，从而额外获得一定数量的液烃。,2024/11/24,Phase Behavior of Natural Gas,(1),纯组分,p,-,-,T,图,右图是典型三维相图，由一系列面组成，每一个表示一个给定的单相或由两相组成的混合相。,HbCdI,描述气,-,液可以共存的条件。,CbH,或,CdI,在压力,-,温度平面上的投影重合成一条曲线，称之为蒸气压曲线。固体及液体两相面,BDHG,与其类似。,2024/11/24,Phase Behavior of Natural Gas,泡点线,露点线,液气,临界点,(1),多组分相图的特点,纯组分的泡点线和露点线重合为单一的蒸气压曲线，而多组分则存在露点线和泡点线；,混合物的临界点,C,，既不是气,-,液相能够共存的最高压力，又非气,-,液相能够平衡共存的最高温度。,2024/11/24,Phase Behavior of Natural Gas,(2),反凝析现象,在纯组分体系中，当等温增压或等压降温时，都会导致凝析的液体产生；但在多组分体系中则常常会出现一种有悖于常理的逆变现象，即在等温降压或者等压升温的情况下，反而会引起液体的凝析。,等温压缩由液体变为气体的反常现象，称为“等温反凝析现象”；,与此类似，随压力的减小，气体反而液化的现象称作“等温反蒸发现象”；,等压加热过程中，已蒸发的蒸汽又全部凝析的反常现象称为“等压反凝析现象”；,与此类似，随温度的降低，液体反而蒸发的析的反常现象称为“等压反蒸发现象”；,将上述四种反常现象统称作“反凝析现象”。即多组分体系在等温降压或等压升温过程会中出现蒸汽液化现象。,2024/11/24,1,轻烃回收的目的和方法,二、轻烃回收的目的,从天然气中回收液烃的目的是：,生产管输气；,满足商品气的质量要求；,最大程度地回收天然气液。,1、生产管输气,对于在海上或内陆边远地区生产的天然气来讲，为了满足管输气质量耍求，有时需就地初步处理，然后再经过管道输送至天然气加工厂进一步加工。如果天然气在管输中有液烃析出，将会带来下述问题：,2024/11/24,1,轻烃回收的目的和方法,当压降相同时，两相流动所需的管线直径比单相流动要大；,当两相流体到达目的地时，必须设置段塞捕集器以保护下游的设备。,为了预防管输中有液烃析出，可考虑采用下述几种方法：,适度地回收天然气液：使天然气的烃露点满足管输要求，以保证天然气在管道中输送时为单相流动。此法也叫做露点控制；,采用两相流动输送天然气；,2024/11/24,1,轻烃回收的目的和方法,密相输送：将天然气压缩至临界冷凝压力以上冷却后再用管道输送，从而防止在管输中形成两相流动，即所谓密相输送。,此法所需管道直径较小，但管壁较厚，而且压缩能耗很高。,在上述三种方法中，应对其进行综合比较后从中选择最为经济合理的一种方法。,2、满足商品气的质量要求,为了满足商品气的质量要求，需对从井口采出或从矿场分离器分出的天然气进行下述处理与加工,：,2024/11/24,1,轻烃回收的目的和方法,脱水以满足商品气对水露点的要求。,如天然气需经压缩才能达到管输压力时，通常是先经压缩机的后冷却器与分离器脱除游离水，再用甘醇脱水法等脱除其余的水分,。,这样，可以降低甘醇脱水的负荷与成本。,如天然气中的酸性组分(,H,2,S,及,CO,2,),含量较多时，则需脱除这些酸性组分。,当商品气质量要求中有烃露点这项指标时，还需进行轻烃回收(天然气液回收)。,当天然气中可以冷凝回收的烃类很少，只需适度回收天然气液进行露点控制即可。,2024/11/24,1,轻烃回收的目的和方法,如果天然气中氮气等不可燃组分含量较多，则应保留一定量的较重烃类以满足商品气的热值要求。,3、最大程度地回收天然气液,在下述几种情况下需要最大程度地回收天然气液：,在从伴生气中回收液烃的同时，需要尽可能地增加原油产量。换句话说，将伴生气中回收到的液烃送回原油中时价值更高。,加工凝析气的目的是回收液烃，而回收液烃后的残余气则需回注到储层中以保持储层压力。,具有良好的经济效益。,2024/11/24,1,轻烃回收的目的和方法,从轻烃回收过程中得到的液烃产品比其作为商品气中的组分时价值更高。,目前，轻烃的市场价值远高于同体积的天然气的价格。从天然气中提取1,kg,天然气液烃，其天然气的体积减少不到1,m,3,。,由此可知，由于回收凝液的目的不同，对凝液的组成及收率要求也有不同。,根据是否回收乙烷而将轻烃收装置分为两类：,一类以回收乙烷及更重烃类(,C,2,+,),为目的；,一类以回收丙烷及更重烃类(,C,3,+,),为目的。,2024/11/24,1,轻烃回收的目的和方法,三、轻烃回收方法,轻烃回收的工艺方法包括吸附法、油吸收法和低温分离法。,1、吸附法,原理：利用具有多孔结构的固体吸附剂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。,该法一般用于重烃含量较少的天然气与伴生气的加工，处理规模较小。,其原理和流程与分子筛双塔脱水差不多。,2024/11/24,1 轻烃回收的目的和方法,在北美，有时用这种方法从湿气中回收较重的烃类，且多用于处理量较小(57,l0,4,m,3,/d),及较重烃类含量较少的天然气，也可用来同时从天然气中脱水及回收重烃，使天然气的水露点及烃露点都符合管输的要求。,优点：装置比较简单，不需特殊材料和设备，投资较少。,缺点：需要几个吸附塔切换操作，产品的局限性大，能耗较大，成本较高，燃料气消耗高，吸附剂的吸附容量一般较小。,该法在世界范围内未得到广泛应用。,2024/11/24,1 轻烃回收的目的和方法,目前，国外开发了短同期吸附法，使用硅胶吸附剂，吸附周期为2030,min。,可回收天然气中60%70%的,C,5,+,组分。,2 、油吸收法,原理：天然气中各组分在吸收油中的溶解度的差异而使轻重关键组分得以分离的方法。,该法在20世纪5060年代前得到了广泛应用，至今仍有装置在运行，特别是对于石油炼制工业中的石油裂解气的分离具有优势。,图为油吸收法原理流程。,2024/11/24,1 轻烃回收的目的和方法,富油,原料气,冷冻,吸收,干气,富油稳定,富油稳定,不需要组分,NGL,冷冻,贫油,图 采用低温油吸收法的,NGL,回收原理流程,2024/11/24,2024/11/24,1 轻烃回收的目的和方法,吸收油一般采用石脑油、煤油或柴油，其相对分子质量为100200。吸收油相对分子质量越小，天然气液收率越高，但吸收油蒸发损失越大。因此，当要求乙烷收率较高时，一般才采用相对分子质量较小的吸收油。,按照吸收温度不同，油吸收法又可分为常温、中温和低温油吸收法(冷冻油吸收技)三种。,常温油吸收：温度一般为30左右，以回收,C,3,+,为主要目的；,中温油吸收：温度一般为-20以上，,C,3,收率为40左右；,低温油吸收：温度在-40左右，,C,3,收率一般为8090，,C,2,收率一般为3550。,2024/11/24,1 轻烃回收的目的和方法,油吸收法主要设备：吸收塔、富油稳定塔和富油蒸馏塔。如为低温油吸收法，还需增加制冷系统。,油吸收法是上世纪五六十年代广为使用的一种天然气轻烃回收方法，尤其是在上世纪60年代初期以前低温油吸收法一直占主导地位。,优点：系统压降小，允许采用碳钢，对原料气预处理没有严格要求，单套装置处理量较大,。,缺点：油吸收法投资和操作费用较高。,2024/11/24,1 轻烃回收的目的和方法,3、低温分离法,原理：利用在一定压力下天然气中各组分的挥发度不同，将天然气冷却至露点温度以下，得到部分富含较重烃类的天然气液烃，使其与气体分离的过程。,分离出的天然气液烃又往往利用精馏的方法进一步分离成所需要的液烃产品。通常，这种冷凝分离过程又是在几个不同温度等级下完成的。,特点：需要向气体提供足够的冷量使其降温。,按照提供冷量的制冷系统不同，低温分离法可分为：,冷剂制冷法、,直接膨胀制冷法,联合制冷法。,2024/11/24,2024/11/24,1 轻烃回收的目的和方法,(1)冷剂制冷法,冷剂制冷法也称为外加冷源法(外冷法)。它是由独立设置的冷剂制冷系统向原料气提供冷量，其制冷能力与原料气无直接关系。,根据原料气的压力、组成及天然气液烃的回收深度，冷剂可以分别是氨、丙烷及乙烷，也可以是乙烷、丙烷等烃类混合物，而后者又称为混合冷剂。,制冷循环可以是单级或多级串联，也可以是阶式制冷(覆叠式制冷)循环。,2024/11/24,2024/11/24,1 轻烃回收的目的和方法,采用丙烷作冷剂的低温分离法,NGL,回收原理流程,2024/11/24,1 轻烃回收的目的和方法,(2)直接膨胀制冷法,直接膨胀制冷法也称膨胀制冷法或自制冷法(自冷法)。此法不另外设经独立的制冷系统，原料气降温所需的冷量由气体直接经过串接在该系统中的各种类型膨胀制冷设备来提供。,因此，制冷能力直接取决于气体的压力、组成、膨胀比及膨胀制冷设备的热力学效率等。,常用的膨胀制冷设备有节流阀(也称焦尔一汤姆逊阀)、透平膨胀机及热分离机等。,节流阀制冷：采用节流阀制冷的低温分离法的工艺流程示意图见图所示。,2024/11/24,1 轻烃回收的目的和方法,节流阀膨胀制冷的低温分离工艺流程示意图,1、,分游离水分离器,2、,低温分离器,3、,蒸汽发生器,4、,乙二醇再生器,5、醇油分离器,2024/11/24,1 轻烃回收的目的和方法,在下述情况下可考虑采用节流阀制冷：,A、,压力很高的气藏气(10,MPa,或更高)，特别是其压力会随开采过程逐渐递减时，采用节流阀制冷。,节流后的压力应满足外输气要求，不再另设增压压缩机。如气源压力不够高或已递减到不足以获得所要求低温时，可采用冷剂顶冷。,B、,气源压力较高，或适宜的冷凝分离压力高于干气外输压力，仅靠节流阀制冷也能获得所需的低温，或气量较小不适合用膨胀机制冷时，可采用节流阀制冷。如气体中重烃较多，靠节流阀制冷不能满足冷量要求时，可采用冷剂预冷。,2024/11/24,1 轻烃回收的目的和方法,C、,原料气与外输气有压差可供利用，但因原料气较贫故回收凝液的价值不大时，或采用节流阀制冷，仅控制其水露点及烃露点以满足管输要求。若节流后的温度不够低，可采用冷剂预冷。,热分离机制冷,热分离机是上世纪70年代由法国,ELF-Bertin,公司研制的一种简易有效的气体膨胀制冷设备，由喷嘴及接受管组成，按结构可分为静止式和转动式两种。,自上世纪80年代未期以来，热分离机已在我国一些天然气轻烃回收装置中得到应用。在下述情况下可考虑采用热分离机制冷：,2024/11/24,1 轻烃回收的目的和方法,A、,原料气量不大且其压力高于外输气压力，有压差可供利用，但靠节流阀制冷达不到所需要的温度时，可采用热分离机制冷。,热分离机的气体出口压力应能满足外输要求，不应再设增压压缩机。热分离机的最佳膨胀比约为5，且不宜超过7。如果气体中重烃较多，可采用冷剂预冷。,B、,适用于气量较小或气量不稳定的场合，而简单可靠的静止式热分离机特别适用于单井或边远井气藏气的天然气液回收。,膨胀机制冷,2024/11/24,1 轻烃回收的目的和方法,当节流阀或热分离机制冷不能达到所要求的凝液收率时，可考虑采用膨胀机制冷。其适用情况如下：,原料气量及压力比较稳定。,原料气压力高于外输气压力，有足够的压差对供利用。,气体较贫及凝液收率要求较高。,天然气采用膨张机制冷回收液烃时的原理流程见图所示。,2024/11/24,1 轻烃回收的目的和方法,采用膨胀机制冷法的,NGL,回收原理流程,2024/11/24,1 轻烃回收的目的和方法,(3)联合制冷法,联合制冷法又称为冷剂与直接膨胀联合制冷法。此法是冷剂制冷法与直接膨胀制冷法二者的联合，即冷量来自两部分：一部分由膨胀制冷法提供；一部分则由冷剂制冷法提供。,当原料气组成较富，为了允分、经济地回收天然气液，应采用有冷剂预冷的联合制冷法。,我国的伴生气大多具有组成较富，自上世80年代以来新建或改建的轻烃回收装置普遍采用膨张制冷法及有冷剂预冷的联合制冷法，而其中的膨胀制冷设备又以透平膨胀机为主。,2024/11/24,2024/11/24,2024/11/24,1 轻烃回收的目的和方法,需要指出的是，由于天然气的压力、组成及要求的液烃收率不同，因此，天然气轻烃回收中的冷凝分离温度也有不同。,根据天然气在冷凝分离系统中的最低冷冻温度，通常又将冷凝分离法分为浅冷分离与深冷分离两种。,浅冷分离的冷冻温度一般在-20-35；,深冷分离的冷冻温度一般均低于-45，最低达-100以下。,各种,NGL,回收方法的烃液回收率的对比如表所示。,2024/11/24,1 轻烃回收的目的和方法,2024/11/24,2 制冷方法,由上可知，采用冷凝分离法回收天然气液的特点之一是需要向原料气提供足够的冷量，使其降温至露点以下(即进人两相区)部分冷凝，而向原料气提供冷量的任务则是通过制冷系统来实现的。,因此，冷凝分离法通常又是按照制冷方法不同来分类的。,制冷(致冷)是指利用人工方法制造低温(低于环境温度)的技术。,制冷方法主要有三种：,2024/11/24,2 制冷方法,利用物质相变(如融化、蒸发、升华)的吸热效应实现制冷,。,利用气体膨胀的冷效应实现制冷。,利用半导体的热电放应实现制冷,。,在天然气液回收过程中广泛应用液体蒸发和气体膨胀来实现制冷。,利用液体蒸发实现制冷称做蒸气制冷,。,蒸气制冷又可分为蒸气压缩式(机械压缩式)、蒸气喷射式和吸收式三种类型，目前多采用蒸气压缩式。,2024/11/24,2 制冷方法,气体膨胀制冷目前广泛采用透平膨胀机制冷，也有采用节流阀制冷和热分离机制冷的。,一、蒸气压缩制冷,蒸气压缩制冷也称做机械压缩制冷或简称压缩制冷，是天然气液回收过程中最常采用的制冷方法之一。,1、压缩制冷循环热力学分析,为了制冷，可以选择一种沸点低于环境温度的液体使其蒸发(即汽化),。,例如，选用液态丙烷在蒸发器内于常压下汽化，则可获得大约-40的低温。,2024/11/24,2 制冷方法,2024/11/24,2 制冷方法,在蒸发器中液态丙烷被待冷却的工艺流体(如天然气)加热汽化，而工艺流体则被冷冻降温。然后，将汽化的丙烷压缩到一定压力，经冷却便其冷凝，冷凝后的丙烷再膨胀到常压下汽化，由此构成由压缩、冷凝、膨胀、蒸发组成的单级膨胀的压缩制冷循环。,如果循环中的各个过程都是无损失的理想过程，则此单级制冷循环正好与理想热机的卡诺循环相反，称为逆卡诺循环或理想制冷循环。,制冷系数,根据热力学第二定律，在制冷循环中的压缩功肯,2024/11/24,2 制冷方法,肯定大于膨胀过程回收的功，而制冷循环的效率则用制冷系数来衡量,。,通常用制循环获得的制冷量,Q,2,与输入净功(压缩功与膨胀功之差),W,的比值表示制冷循环的制冷系数,：,2024/11/24,2 制冷方法,由此可知，在相同,T,l,下，理想制冷循环的制冷系数随制冷温度(,T,2,),的降低而减少,。,或者说，相同净功获得的制冷量，将随制冷温度的降低而减少。,2024/11/24,2 制冷方法,实际单级压缩制冷循环与逆卡诺循环相比,带节流膨胀的实际单级压缩制冷循环与逆卡诺循环相比，主要差异如下：,A、,压缩过程：逆卡诺循环是等熵压缩过程，压缩机进口为湿气，出口为饱和蒸气,。,实际压缩过程为多变过程，有一定的熵增和不可逆损失。压缩机进气一般为饱和蒸气，甚至有一定过热度，出口蒸气则有相当过热度。显然，实际压缩过程的能耗高于理想过程。,B、,冷凝过程：逆卡诺循环的冷凝过程是无温差、无压差的理想传热过程。实际冷凝过程存在一定温差和压力降，相应存在一定的不可逆损失。,2024/11/24,2 制冷方法,C、,膨胀过程：逆卡诺循环是湿蒸气在膨胀机中做外功的等墒膨胀过程，而实际膨胀过程多采用节流阀进行等焓膨胀，膨胀过程中不对外做功，相应产生一定的能量损失。,D、,蒸发过程：逆卡诺循环的蒸发过程是无温差、无压差的理想传热过程，而实际蒸发过程则存在一定的温差和压力降，相应存在一定的不可逆损失。,实际单级压缩制冷循环的制冷系数,带节流膨胀的实际单级压缩制冷循环的制冷系数为蒸发器实际制冷量与压缩机实际压缩功之比，即,2024/11/24,2 制冷方法,由于各种损失的存在，带节流膨胀的实际单级压缩制冷循环的制冷系数总是低于逆卡诺循环的制冷系数。,2024/11/24,2 制冷方法,由上可知，工业上采用的压缩制冷系统是用机械对冷剂蒸气进行压缩的一种实际制冷循环系统，由制冷压缩机、冷凝器、节流阀(或称膨胀阀)、蒸发器(或称冷冻器)等设备组成。,压缩制冷系统按冷剂不同可分为丙烷制冷系统、氟里昂制冷系统、氨制冷系统和其它冷剂(如混合冷剂)制冷系统；按压缩级数又有单级和多级(通常为双级)之分。,此外，还有分别使用不同冷剂的两个以上单级或多级压缩制冷系统覆叠而成的阶式制冷系统(覆叠制冷系统)。,2024/11/24,2 制冷方法,在压缩制冷系统中，压缩机将蒸发器来的低压冷剂饱和蒸气压缩为高压、高温的过热蒸气后进入冷凝器，用水或空气作为冷却介质使其冷凝为高压饱和液体，再经节流阀节流变为低压液体(同时也有部分液体蒸发)，使其蒸发温度相应下降，然后进入蒸发器中蒸发吸热，从而使工艺流体冷冻降温。,吸热后的低压冷剂饱和蒸气重返压缩机入口，进行下一个循环。因此,，,压缩制冷系统包括压缩、冷凝、节流及蒸发四个过程，冷剂在系统中经过这四个过程完成一个制冷循环，并将热量从低温传到高温，从而达到制冷的目的。,2024/11/24,2 制冷方法,2、,简单压缩制冷系统,2024/11/24,2 制冷方法,冷剂在,3,点为高压饱和液体，其压力或温度取决于冷剂蒸气冷凝时所采用的冷却介质是水、空气还是其它物质。,冷剂由3,点经节流阀等焓膨胀至4,点时将有部分液体蒸发，在压焓图上是一条垂直宜于横坐标的3,4,线。,4,点位于气、液两相区，其温度低于3,点。此冷剂蒸气和液体混合物进入蒸发器后，剩余的液体在等压下蒸发吸热，从而使待冷却的工艺流体冷冻降温,。,通常，冷剂在蒸发器内的蒸发温度比待冷却工艺流体所要求的最低温度低3,6。,2024/11/24,2 制冷方法,(1),冷剂循环量,Q,2,为由待冷却工艺流体决定的蒸发器热负荷。由热平衡可知：,Q,2,m,h,3,m,h,1,有：,m,Q,2,/(,h,1,h,3,),(2),压缩机的功率,首先计算压缩机的理论压缩功率,W,S,：,W,S,m,(,h,2,h,1,),再计算压缩机的实际功率,W,act,：,W,act,W,S,/,S,2024/11/24,2 制冷方法,压缩机的等墒效率,S,应由制造厂提供。当无确切数据时，对于离心式压缩机此效率可取0.75，对于往复式压缩机此效率可取0.85。,h,2,为压缩机理论压缩时冷剂在压缩机出口处的焓。,(3)冷凝器的负荷,Q,1,为冷剂蒸气在冷凝器中冷凝时放出的热量或冷凝器的热负荷，由冷凝器的热平衡知：,Q,1,m,(,h,3,h,2,),h,2,为压缩机实际压缩时冷剂在压缩机出口处的焓。,h,2,(,h,2,h,1,)/,S,2024/11/24,2 制冷方法,上述各项计算均需要确定冷剂在 3,、1,、2,点的比焓。冷剂在各点的比焓目前多用有关软件由计算机完成，也可查取热力学图表。,3、,带节能器的压缩制冷系统,下图为由同样类型设备组成的更为复杂的压缩制冷系统，该系统由两级节流、两级压缩制冷循环构成。,系统增加了一个节流阀和一个在冷凝压力和蒸发压力之间的中间压力下对冷剂进行部分闪蒸的分离器。,2024/11/24,2 制冷方法,2024/11/24,2 制冷方法,2024/11/24,2 制冷方法,由图可知，冷剂先由4点等焓膨胀至某中间压力5点。5点压力的确定原则应该是使制冷压缩机每一级的压缩比相同。,5点处于气液两相区，其温度低于4点,。,膨胀产生的饱和蒸气由分离器分出后去第二级压缩，而离开分离器的饱和液体则进一步等焓膨胀至7点。,可以看出，此系统中由7点至0点(饱和蒸气)的可利用焓差,h,比简单压缩制冷系统要大。,在这个系统中，单位质量冷剂在蒸发器中所吸收的热量(即单位制冷量)所需的能耗较少。,2024/11/24,2 制冷方法,其原因是循环的冷剂中有一部分气态冷剂未经过一级压缩，故进入蒸发器的冷剂中含蒸气较少。,这些流经蒸发器的冷剂蒸气基本上不起制冷作用，却会增加压缩能耗。,(1),冷剂循环量,假定流经冷凝器的冷剂循环量为,m,，,节流至5点压力下由分离器分出的冷剂蒸气量为,m,1,，,离开分离器的冷剂液体量,m,2,。,由热平衡可知,m,h,4,m,1,h,1,m,2,h,6,由于,m,=,m,1,+,m,2,，,故可取,m,=1.0，,并定义,x,为离开分离器的液体冷剂相对量，于是,2024/11/24,2 制冷方法,h,4,(1-,x,),h,1,x,h,6,通过压焓图求得各点焓以后，即可解出,x,，,然后根据热平衡求出,m,2,：,m,2,Q,2,/(,h,0,h,6,),x,和,m,2,已知后，即可求出,m,和,m,1,。,(2),确定压缩机功率,在计算压缩机功率时，可先由,m,2,求出第一级压缩的功率，再由,m,求出二级压缩的功率，两者相加即为压缩机的总功率。不同级的蒸气在汇合后进入第二级压缩前的温度变化可忽略。,2024/11/24,2 制冷方法,(3),确定冷凝器热负荷,冷凝器热负荷的计算方法与简单压缩制冷系统相同。,4、,分级制冷(分级蒸发)的压缩制冷系统,当工艺流体需要在几个温度等级下冷冻降温，或者说需要提供几个温度等级的制冷量时，可采用分级制冷(分级蒸发)的压缩制冷系统。,下图所示的制冷系统由两级节流、两级压缩及两级制冷(蒸发)的制冷循环构成。,2024/11/24,2 制冷方法,1-,吸入罐,2-闪蒸分离器,3-冷凝器,4-冷剂凝液罐,5-一级蒸发器,6-二级蒸发器,7,8,9-节流阀,10,11-压缩机一、二级,2024/11/24,2 制冷方法,(1)优点：能耗低,这种制冷系统与带有节能器的制冷循环相似，也是只有一部分冷剂去低压蒸发器循环，故可降低能耗。,(2)缺点：总传热面积较大,这种制冷系统需要两台蒸发器(高压与低压)，而且由于平均温差较小，其总传热面积较简单制冷系统要大。,(3)应用：在乙烯装置中广泛应用。,此分级制冷的压缩制系统也可与透平膨胀机制冷一起用于天然气液回收装置中，如下图。,2024/11/24,2 制冷方法,2024/11/24,2 制冷方法,5、,阶式(覆叠式)制冷系统,采用丙烷、氨等冷剂的压缩制冷系统，其制冷温度最低仅约为-30-40。如果要求更低的制冷温度(例如，低于-6080)，必须选择像乙烷、乙烯这样的冷剂(其常压下蒸发温度分别为-88.6与-1,03.7),但是，由于乙烷、乙烯的临界温度较低(乙烷为32.2,，,乙烯为9.1,)，,在压缩制冷循环中其蒸气不可能在环境温度(空气或温度为35,4,0,的冷却水)下冷凝。,为此，乙烷或乙烯蒸气需要采用丙烷、丙烯或氨制冷循环蒸发器中的冷剂提供冷量使其冷凝。,2024/11/24,2 制冷方法,这样，就形成了由几个单独而又互相联系的不同温度等级冷剂压缩制冷循环组成的阶式(覆叠式)制冷系统。,在阶式制冷系统中，用较高温度等级制冷循环蒸发器中的冷剂来冷凝较低温度等级制冷循环冷凝器中的冷剂。这种制冷系统可满足-70-140制冷温度(即蒸发温度)的要求。,阶式制冷系统常用丙烷、乙烯(或乙烷)及甲烷作为三个温度等级的冷剂。,下图为阶式制冷系统的工艺流程示意图,2024/11/24,2 制冷方法,2024/11/24,2 制冷方法,(1)优点：制冷温度低,(2)缺点：流程及操作复杂，投资较大,目前，在乙烯装置中由于制冷温度等级多，冷剂又是乙烯装置的产品，故仍广泛采用。,6、混合冷剂制冷系统,混合冷剂是指由甲烷至戊烷等烃类混合物组成的冷剂。因此，在一定蒸发压力下其蒸发过程是在一个很宽的温度范围而不是在一个恒定的温度下完成的。,下图为采用混合冷剂制冷系统的天然气液回收工艺流程示意图。,2024/11/24,2 制冷方法,2024/11/24,2 制冷方法,(1)优点,可以获得所要求的不同制冷温度等级，降低换热系统的传热温差，提高制冷系统的,Yong,效率；,具有阶式制冷系统的优点，由于只有一台或几台同样类型的压缩饥，又使工艺流得大大简化，投资也可减少。,(2),缺点,混合冷剂制冷系统的能耗高；,加之操作比较复杂。,2024/11/24,2 制冷方法,7、冷剂的选择,(1)冷剂的分类,在制冷循环中工作的制冷工质称为制冷剂，简称冷剂。,卤化碳冷剂,：,它们是甲烷、乙烷、丙烷的衍生物。在这些衍生物中，由,F、Cl、Br,原子取代了原来化合物中全部或部分,H,原子，其中含,F,的一类化合物总称为氟里昂。,烃类冷剂,：,烃类冷剂主要有,CH,4,、C,2,H,6,、C,3,H,8,、,C,2,H,4,和,C,3,H,6,等，也有由两种或两种以上烃类组成的混合冷剂。,2024/11/24,2 制冷方法,无机化合物冷剂：属于此类的冷剂有,NH,3,、CO,2,、CS,2,和空气等。,共沸溶液冷剂,：,这是由两种或两种以上的冷剂按一定比例相互溶解而成的冷剂。,(2)冷剂的选择,浅冷：如果工艺流体所需冷冻温度高于-25-35 时，一般选用,C,3,H,8,、NH,3,等作冷剂。,深冷：选用乙烷、乙烯、甲烷或混合烃类作为冷剂。,通常，任何一种冷剂的实际使用温度下限是其常压沸点(即正常沸点)。,2024/11/24,2 制冷方法,(3)冷剂的纯度,用作冷剂的丙烷中往往含有少量的乙烷与异丁烷。由于这些杂质尤其是乙烷对压缩机的功率有一定的影响，故应对丙烷中的乙烷含量加以限制。,2024/11/24,2 制冷方法,二、透平膨胀机制冷,透平膨胀机是一种输出功率并使压缩气体膨胀因而压力降低和能量减少的原动机。,通常，人们又把其中输出功率且压缩气体为水蒸气或燃气的这一类透平膨胀机称为蒸汽轮机或燃气轮机。,把输出功率且压缩气体为空气、天然气等，利用气体能量减少获得低温实现制冷目的的这一类称为透平膨胀机(涡轮膨胀机)。,本书所指的透平膨胀机即指后者。,2024/11/24,2 制冷方法,优点,流量大、体积小、冷损少、结构简单、通流部分无机械摩擦件、不污染制冷工质(即压缩气体)、不需润滑、调节性能好、安全可靠。,应用,自上世纪60年代以来已在天然气液回收及天然气液化等加工装置上广泛用做制冷机械。,1、透平膨胀机简介,(1)透平膨胀机结构,下图为目前广泛使用的透平膨胀机局部剖视图。,2024/11/24,2 制冷方法,1-蜗壳；2-喷嘴；3-工作轮；4-扩压器；5-主轴；6-风机轮；7-风机蜗壳；,8、风机端盖；9-测速器；10-轴承轮；11-机体；12-中间体；13-密封设备,2024/11/24,2 制冷方法,(2)透平膨胀机制冷原理,向心反作用式透平膨胀机的工作过程基本上是离心压缩机的反过程。,从能量转换的观点来看，透平膨胀机是作为一种原动机来驱动它的制动器高速旋转，由于膨胀机工作轮中的气体对工作轮做功，使工作轮出口气体的压力和焓值降低(即产生焓降)。,把气体的能量转换为机械功输出并传递给制动器接收，以转换为其它形式能量的一种高速旋转机械。,具有定可利用压力能的压缩气体、在喷嘴环的,2024/11/24,2 制冷方法,喷嘴中膨胀，压力降低，速度增加，将一部分压力能和焓降转换为动能。在喷嘴环山口处的高速气流推动工作轮高速旋转，向时在工作轮流道中继续膨胀,压力和焓值继续降低。,由于气体在工作轮进出口处的速度方向和大小发少变化，即动量矩发生变化，工作轮中的气体便对工作轮做功，从而把气体的能量转换为机械功输出并传递给制动器接收，因而降低了膨胀机出口气体的压力和温度。,(3)透平膨胀机及共制动器的分类,2024/11/24,2 制冷方法,按气体在工作轮中的流向分,透平膨胀机可分为向心径流式(径流式) 、向心径-轴流式(径-轴流式)和轴流式三类，见图所示。,2024/11/24,2 制冷方法,按气体在工作轮中是否继续膨胀分,透平膨胀机可分为反作用式(反击式)和冲动式(冲击式)两类，见图所示。,2024/11/24,2 制冷方法,天然气加工装置中采用的透平膨胀机多为向心径-轴流反作用式,。,2、,透平膨胀机的等熵效率,压缩气体流过膨胀机进行膨胀时，如果与外部没有热交换(即绝热过程)，同时对外做功的过程又是可逆的，则必然是等熵过程。,这种理想过程的特点是气体膨胀并对外做功，且其熵值不变，膨胀后的气体温度降低，同时产生冷量。,气体等熵膨胀时，压力的微小改变所引起的温度变化称为微分等熵效应，以,S,表示，即,2024/11/24,2 制冷方法,由以上可知，,S,0。因此，气体等熵膨胀时温度总是降低，产生焓降，从而实现制冷的目的。,这是因为在膨胀过程中向外功输出，膨胀后气体的内位能增大，这些能量需要用内动能来补偿，故气体温度必然降低。,2024/11/24,2 制冷方法,通常，把气体在膨胀机中转换为外功的焓降称为膨胀机的制冷量。,对于天然气加工装置用的透平膨胀机来说，主要目的是要获得尽可能多的制冷量。,由于有各种内部损失存在，实际膨胀过程是熵增大的不可逆过程(多变过程)，因而使得透平膨胀机的实际制冷量比等熵膨胀时的理论制冷量更少。,透平衡膨胀机的实际焓降与等熵膨胀的理论焓降之比称为透平膨胀机的等熵效率(绝热效率)：,2024/11/24,2 制冷方法,实际制冷量：,由上式可知，对于进、出口条件和气体质量流速一定的透平膨胀机来说：等熵效率，所获得的实际制冷量。,因此，等熵效率是衡量透平膨胀机热力学性能好坏的一个重要参数,。,等熵效率一般应由制造厂家提供 。向心径-轴流反作用式透平膨胀机，其等熵效率一般为70%85%。,2024/11/24,2 制冷方法,实际上，影响透平膨胀机实际制冷量的因素除了内部损失外，还存在着外泄漏和外漏冷等外部损失的影响。,当透平膨胀机密封结构良好并有密封气体的情况下，外泄漏量并不大,。,外漏冷在机壳隔热良好时也可忽略不计。,外部损失除上述两部分外，还有机械损失，它不影响膨胀机的实际制冷量，但却影响透平膨胀机输出的有效轴功率或制动功率。,考虑机械损失后，透平膨胀机的有效轴功率,W,e,为,2024/11/24,2 制冷方法,式中：,m,为透平膨胀机的机械效率；,c,为透平膨胀机的有效效率；,W,e,为透平膨胀机的有效轴功率。,有效轴功率是选择制冷用透平膨胀机制动器容量大小的主要依据之一。,2024/11/24,2 制冷方法,三、节流阀膨胀制冷,当气体有可供利用的压力能，而且不需很低的冷冻温度时，采用节流阀(也称焦一汤姆逊阀)膨胀制冷是一种比较简单的制冷方法。,当进入节流阀的气流温度很低时节流效应尤为显著。,1、节流膨胀制冷原理,(1)节流过程的主要特征： 在管道内连续流动的压缩流体通过孔门或阀门时，由于局部阻力使流体压力显著下降，这种现象称之为节流,。,2024/11/24,2 制冷方法,工程上的实际节流过程，由于流体经过孔口、阀门时流速快、时间短，来不及与外界进行热交换，可近似看作是绝热节流。,右图为节流过程的示意图。由绝热稳定流动能量平衡方程得：,在通常情况下，动能与位能变化不大，且其值与比焓相比又极小，可忽略不计，因而可得：,h,1,h,2,2024/11/24,2 制冷方法,(2)节流效应,由于理想气体的焓值只是温度的函数，故理想气体节流前后温度不变。,对于实际气体，其比焓是温度和压力的函数，故实际气体节流前后的温度一般将发生变化，这一现象称之为节流效应或焦耳一汤姆逊效应。,流体在节流过程中由于微小压力变化所引起的温度变化称之为微分节流效应，以微分节流效应系数,h,表示，即,2024/11/24,2 制冷方法,当压力降为一有限值时，流体在节流过程中所产生的温度变化称为积分节流效应,，,即,对于等焓过程，有,对于理想气体,2024/11/24,2 制冷方法,即理想气体在节流过程中温度不变。,对于实际气体,所谓节流膨胀制冷，就是利用压缩流体流经节流阀进行等焓膨胀并产生节流冷效应，使气体温度降低的一种方法。,2024/11/24,3 天然气凝液回收工艺,前已述及，天然气液回收过程目前普遍采用冷凝分离法，故本节只介绍采用冷凝分离法的天然气液回收工艺方法。,一、工艺方法及设备,通常，天然气液回收工艺流程主要由原料气顶处理、压缩、冷凝分离、凝液分馏、干气再压缩以及制冷等部分组成。,1、原料气预处理,原料气预处理的目的：脱除原料气中携带的油、游离水和泥砂等杂质，以及脱除原料气中的水蒸气和酸性组分等。,2024/11/24,3 天然气凝液回收工艺,当采用浅冷分离工艺时，只要原料气中二氧化碳含量不影响商品天然气的质量要求，就可不必脱除原料气中的二氧化碳,。,当采用深冷分离工艺时，由于二氧化碳会在低温下形成固体，堵塞管线或设备，故应将其含量脱除到允许范围之内。,2、原料气压缩,(1)原料气压缩目的：满足工艺要求,对于高压原料气，进入装置后即可直接进行预处理和冷凝分离。,2024/11/24,3 天然气凝液回收工艺,当原料气为低压伴生气时，由于压力通常仅为,0.1,0.3MPa，,为了提高天然气的冷凝率(即天然气液的数量与原料气总量之比，一般以摩尔百分数表示)，以及干气要求在较高的压力下外输时，通常都要将原料气增压至适宜的冷凝分离压力后再进行冷凝分离,。,当采用膨胀机制冷时，为了达到所要求的冷冻温度，膨胀机进、出口压力必须有一定的膨胀比,，,因而也应保证膨胀机入口气流的压力,。,(2)压缩机出口压力的确定,原料气增压后的压力，应根据原料气的组成、要,2024/11/24,3 天然气凝液回收工艺,求的液烃收率(回收的凝液中某烃类或某产品的数量和原料气中该烃类或该产品组分数量之比，一般以摩尔百分数表示)，结合适宜的冷凝分离压力和干气外输压力，进行综合比较后确定。,(2)压缩工艺,原料气压缩通常都与冷却脱水结合一起进行，即压缩后的原料气冷却至常温后将会析出一部分游离水与液烃。,分离出游离水和液烃后的气体再进一步进行脱水与冷冻，从而减少脱水与制冷系统的负荷。,2024/11/24,3 天然气凝液回收工艺,3、,冷凝分离,(1)多级冷凝与分离,经过预处理和增压后的原料气，在某一压力下经过一系列的冷却与冷冻设备，不断降温与部分冷凝，并在气液分离器中进行气、液分离。,采用多级分离的原因是：,以合理利用制冷系统不同温度等级的冷量；,可以使原料气初步分离；,工艺流程组织的需要。,2024/11/24,3 天然气凝液回收工艺,(2)适宜的冷凝分离压力与温度,在确定压力及冷凝温度时，首先要考虑在较低的投资及运行费用下获得所要求的凝液冷凝率及收率。,因此，当原料气组成、进装置压力已知时，应在冷凝计算的基础上，根据工艺流程、外输压力、凝液或产品收率和要求，以及装置的投资和运行费用等因素确定适宜的冷凝分离压力与温度。,对冷剂制冷装置：指气体在蒸发器中冷冻后的,P,和,T。,对膨胀机制冷装置：指气体在低温分离器中的,T,和,P。,2024/11/24,3 天然气凝液回收工艺,适宜冷凝分离压力的确定,同一组成的原料气在不同冷凝压力和温度下，以及不同组成的原料气在同一冷凝压力和温度下，各组分的冷凝率及物流的总冷凝率也是不同的,。,为了确定适宜的冷凝分离压力与温度，应该进行平衡冷凝计算。,一般说来，冷凝压力,，被回收组分的冷凝率也,，但当压力提高到一定程度后，冷凝率的增加率却在变慢。而目，随着压力,，组分间的相对挥发度,，分离效果,。因此，压力过高是不合适的,。,根据冷凝率增加率显著变慢时的压力值，即可初步确定为适宜的冷凝分离压力。,2024/11/24,3 天然气凝液回收工艺,适宜冷凝分离温度的确定,冷凝分离压力初步确定后，就可确定冷凝温度,，,通过平衡冷凝计算绘制出原料气中各组分及总冷凝率与冷凝温度之间的冷凝曲线。,如图所示。,C,1,C,2,C,3,n-C,4,i-C,4,n-C,5,i-C,5,C,6,CO,2,N,2,A-1,87.92,6.48,2.46,0.60,0.51,0.12,0.21,0.08,0.21,1.38,A-2,9281,356,128,046,028,000,000,000,000,000,A-3,82.77,12.355,1.038,0.033,0.111,0.00,0.00,0.00,3.711,0.34,2024/11/24,3 天然气凝液回收工艺,A-1,冷凝温度与冷凝率的关系曲线（,P=2MPa）,2024/11/24,3 天然气凝液回收工艺,A-1,冷凝温度与冷凝率的关系曲线(,P=2MPa),2024/11/24,3 天然气凝液回收工艺,A-3,冷凝温度与冷凝率的关系曲线（,P=2MPa）,2024/11/24,3 天然气凝液回收工艺,(3)低温换热设备,冷凝分离系统中一般都有很多换热设备，这些换热设备除了采用管壳式、螺旋板式换热器外，在低温下运行时大多采用板翅式换热器。,板翅式换热器可作为气/气、气/液、液/液换热器，也可用作冷凝器或蒸发器，可用于逆流、并流和错流的情况，在同一设备内允许29股物流之间的换热。,由于低温设备温度低，极易散冷，通常把板翅式换热器、低温气液分离器及低温调节阀等，包装在一个或几个矩形箱子里，然后在箱内壁及低温设备外壁之间填充绝热材料，一般称之为冷箱。,2024/11/24,3 天然气凝液回收工艺,4、凝液分离,由冷凝分离系统获得的天然气液有些装置直接作为产品销售，有些装置则送至凝液分馏系统进一步加工成乙烷、丙烷、丁烷(或丙、丁烷混合物)、天然汽油等产品。,凝液分馏系统的作用就是按照上述各种产品的质量要求，利用精馏方法对天然气液进行分离。,5、干气再压缩,当干气压力不能满足外输要求时，则还要设置再压缩机，将干气增压至所需的值。,2024/11/24,3 天然气凝液回收工艺,二、以回收,C,3,+,烃类为目的轻烃回收装置工艺流程,1、采用冷剂制冷法的浅冷分离工艺流程,2024/11/24,3 天然气凝液回收工艺,2、采用透平膨胀机制冷法的工艺流程,原料气,干气,液化气,轻油,4,1,2,3,5,7,8,9,3,3,5,6,2024/11/24,本章主要内容,1、轻烃回收的主要目的；,2、轻烃回收的方法有哪些；,3、轻烃回收过程中，制冷方法有哪些？,4、节流膨胀和膨胀机膨胀制冷的原理？,5、绘制冷剂制冷和膨胀机膨胀制冷的轻烃回收的原则工艺流程图？说明各设备的作用。,5、分析影响轻烃回收装置收率的因素？,2024/11/24,谢谢观赏,