1、2022-7-211天然气净化与加工天然气净化与加工中国石油大学（华东）储建学院中国石油大学（华东）储建学院李琦瑰李琦瑰2022-7-212气体加工气体加工 气体加工包括两方面内容：气体加工包括两方面内容：从天然气内回收较重的、高热值组分，把气体燃烧热值从天然气内回收较重的、高热值组分，把气体燃烧热值控制在商品气要求的范围内；控制在商品气要求的范围内；把从气体中回收的重组分，即天然气凝液（把从气体中回收的重组分，即天然气凝液（natural gas liquids，NGL）或称）或称“轻烃或轻油轻烃或轻油”，分馏成各种附加值高的，分馏成各种附加值高的产品，增加油气田利润。产品，增加油气田利润。
2、2022-7-213第一节第一节 凝液回收的目的和方法凝液回收的目的和方法第二节第二节 冷凝分离轻烃回收工艺冷凝分离轻烃回收工艺第三节第三节 凝液的稳定切割凝液的稳定切割2022-7-214第一节第一节 凝液回收的目的和方法凝液回收的目的和方法一、凝液回收的目的凝液回收的目的二、凝液回收的方法二、凝液回收的方法2022-7-215一、凝液回收的目的一、凝液回收的目的 从天然气中回收凝液的目的有三种：从天然气中回收凝液的目的有三种：1、满足管输要求、满足管输要求 气井气或油田伴生气在管输过程中，随压力和温度条件的变化将气井气或油田伴生气在管输过程中，随压力和温度条件的变化将产生凝液，使管内产生两
3、相流动，从而降低输量，增大压降。为使输产生凝液，使管内产生两相流动，从而降低输量，增大压降。为使输气管道内不产生两相流动，气体进入干线输气管前，一般需脱除较重气管道内不产生两相流动，气体进入干线输气管前，一般需脱除较重组分，组分，使气体在管输压力下的烃露点低于最低管输温度使气体在管输压力下的烃露点低于最低管输温度。这就需要对。这就需要对天然气进行轻烃回收。天然气进行轻烃回收。为安全起见，有些国家和输气公司要求临界凝析温度低于最低管为安全起见，有些国家和输气公司要求临界凝析温度低于最低管输温度。输温度。2022-7-216 2 2、满足商品天然气的质量要求、满足商品天然气的质量要求 各国或气体销
4、售合同对商品天然气的各国或气体销售合同对商品天然气的热值和重组分含量热值和重组分含量都有规定。都有规定。对较富的天然气，特别是油田伴生气和凝析气，一般都需要回收轻油，对较富的天然气，特别是油田伴生气和凝析气，一般都需要回收轻油，否则将不能达到商品天然气的质量要求。可以用烃露点控制气体内重组否则将不能达到商品天然气的质量要求。可以用烃露点控制气体内重组分含量和热值。分含量和热值。3 3、追求最大经济效益、追求最大经济效益 从天然气内回收的天然气凝液（从天然气内回收的天然气凝液（NGLNGL），经稳定后可作为产品直接），经稳定后可作为产品直接外销，或将分散在各处的外销，或将分散在各处的NGLNGL
5、集中至中心气体加工厂分割成各种产品，集中至中心气体加工厂分割成各种产品，以追求规模效益。以以追求规模效益。以NGLNGL为原料可分馏出各种产品，如：为原料可分馏出各种产品，如：C C2 2、C C3 3、C C4 4和和C C5 5+。C C2 2主要用作化工原料生产乙烯，乙烯是有机合成产品的基础原料，可生主要用作化工原料生产乙烯，乙烯是有机合成产品的基础原料，可生产数百种合成材料；产数百种合成材料；C C3 3主要用做燃料，其次为化工原料；主要用做燃料，其次为化工原料；C C4 4主要用于生主要用于生产乙烯和作为车用汽油的添加剂；产乙烯和作为车用汽油的添加剂；C C3 3+C+C4 4是液化
6、石油气的主要成分：少量是液化石油气的主要成分：少量C C5 5用于化工原料，多数用于生产汽油；用于化工原料，多数用于生产汽油；C C5 5+称为天然汽油。称为天然汽油。2022-7-217二、凝液回收的方法二、凝液回收的方法 凝液回收首先要把需要凝析的组分液化，然后与以凝液回收首先要把需要凝析的组分液化，然后与以C1或或C1+C2为主为主体的气体分离。其方法主要有油吸收法、固定床吸附法和冷凝分离法。体的气体分离。其方法主要有油吸收法、固定床吸附法和冷凝分离法。1、油吸收法、油吸收法 油吸收法是利用油吸收法是利用烃类互溶烃类互溶的特点制定的。的特点制定的。烃类互溶的特点：分子量和沸点愈接近的烃类
7、互溶性愈大；压力愈烃类互溶的特点：分子量和沸点愈接近的烃类互溶性愈大；压力愈高、温度愈低，溶解度愈大。高、温度愈低，溶解度愈大。利用烃类的互溶特性，在高压、低温下用吸收油吸收天然气内的天利用烃类的互溶特性，在高压、低温下用吸收油吸收天然气内的天然气凝液（然气凝液（NGL）组分。吸收了天然气凝液组分的富吸收油在低压、高）组分。吸收了天然气凝液组分的富吸收油在低压、高温下与吸收质蒸馏分离，使吸收油得到再生，循环使用。温下与吸收质蒸馏分离，使吸收油得到再生，循环使用。油吸收法系统压降小，对原料气预处理没有严格要求，单套装置处理油吸收法系统压降小，对原料气预处理没有严格要求，单套装置处理量较大，但是投
8、资和操作费用较高，逐步被更加经济有效的冷凝分离法所量较大，但是投资和操作费用较高，逐步被更加经济有效的冷凝分离法所取代。取代。1一气气换热器；一气气换热器；2一一冷剂蒸发换热器；冷剂蒸发换热器；3一吸一吸收塔；收塔；4一富油脱乙烷塔；一富油脱乙烷塔；5一贫油泵；一贫油泵；6一分馏塔：一分馏塔：7一贫富油换热器；一贫富油换热器；8一一空冷器；空冷器；9一回流罐；一回流罐；10一回流泵；一回流泵；11一重沸器一重沸器贫油贫油贫油贫油富油富油C3+冷剂蒸发换热器冷剂蒸发换热器2：用制冷剂为介质提供冷量的换热器。：用制冷剂为介质提供冷量的换热器。吸收塔吸收塔3：通常为板式塔，贫油与富气逆流在各层塔板上
9、接触，气体内的：通常为板式塔，贫油与富气逆流在各层塔板上接触，气体内的较重烃类溶入吸收油。较重烃类溶入吸收油。富油脱乙烷塔富油脱乙烷塔4：两股进料，中部富油进料在热烃蒸气的汽提作用下释放：两股进料，中部富油进料在热烃蒸气的汽提作用下释放出出C1、C2和部分和部分C3+，顶部贫油进料的作用是再次吸收解吸组分，顶部贫油进料的作用是再次吸收解吸组分C3+。贫富油换热器贫富油换热器7：起重沸器的作用，提供塔底热量产生烃蒸气。：起重沸器的作用，提供塔底热量产生烃蒸气。分馏塔分馏塔6：塔底温度略低于吸收油的沸点，蒸出：塔底温度略低于吸收油的沸点，蒸出C3+。贫气贫气可作为燃料或进入气体干线可作为燃料或进入
10、气体干线2022-7-219 2、固定床吸附法、固定床吸附法 固定床吸附法是利用固体吸收剂对各种烃类的吸附量不同而固定床吸附法是利用固体吸收剂对各种烃类的吸附量不同而制定的。制定的。常用的固体吸附剂有硅土、分子筛、活性炭。固定床回收轻常用的固体吸附剂有硅土、分子筛、活性炭。固定床回收轻烃时，吸附周期常为烃时，吸附周期常为23小时，称为小时，称为“快循环快循环”。吸附床笨重而且昂贵，固体吸附剂的再生能耗大，因而应用吸附床笨重而且昂贵，固体吸附剂的再生能耗大，因而应用很少。很少。2022-7-2110第二节第二节 冷凝分离轻烃回收工艺冷凝分离轻烃回收工艺一、冷凝分离法分类一、冷凝分离法分类二、凝液
11、回收率二、凝液回收率三、浅冷法三、浅冷法四、中冷和深冷法四、中冷和深冷法2022-7-2111 根据凝液回收目的的不同，冷凝温度不同，所采用的冷凝分根据凝液回收目的的不同，冷凝温度不同，所采用的冷凝分离方法分为离方法分为浅冷法（浅冷法（-45以上以上）、中冷法（）、中冷法（-45-100）和深）和深冷法（冷法（-100以下以下）。浅冷法主要用于控制天然气烃露点，防止输送管线内产生气浅冷法主要用于控制天然气烃露点，防止输送管线内产生气液两相；或以回收天然气内的液两相；或以回收天然气内的C3+为目的，降低天然气热值，增为目的，降低天然气热值，增加油气田利润。加油气田利润。浅冷法只能使天然气内浅冷法
12、只能使天然气内C3的回收率达到中等至较大比例。欲的回收率达到中等至较大比例。欲进一步提高进一步提高C3收率并回收收率并回收C2，必须进一步降低天然气温度，采用，必须进一步降低天然气温度，采用中冷或深冷法。中冷或深冷法。一、冷凝分离法分类一、冷凝分离法分类2022-7-2112 用于描述回收装置从天然气中脱出凝液能力大小的指标用于描述回收装置从天然气中脱出凝液能力大小的指标凝凝液回收率液回收率，指回收装置单位时间内凝液的摩尔量与原料气摩尔量之，指回收装置单位时间内凝液的摩尔量与原料气摩尔量之比。有时也常说某烷烃的回收率，如比。有时也常说某烷烃的回收率，如丙烷回收率丙烷回收率，指得到的液体丙，指得
13、到的液体丙烷摩尔数与原料气中丙烷摩尔数之比。烷摩尔数与原料气中丙烷摩尔数之比。二、凝液回收率二、凝液回收率2022-7-2113 影响凝液回收率的因素影响凝液回收率的因素：气体组成、压力和制冷温度。：气体组成、压力和制冷温度。可见，压力愈高、温度愈低、气体内含可液化组分愈多，凝可见，压力愈高、温度愈低、气体内含可液化组分愈多，凝液回收率愈高。液回收率愈高。压力为压力为4.1 MPa 温度为温度为-23 气体组成、温度与气体组成、温度与 气体组成和压力气体组成和压力 凝液回收率的关系凝液回收率的关系 对凝液收率的影响对凝液收率的影响2022-7-2114 1、节流低温分离工艺、节流低温分离工艺
14、井口压力高、气流有富余压力可利用时，常用节流膨胀制冷，井口压力高、气流有富余压力可利用时，常用节流膨胀制冷，使天然气获得冷量，分出液态水和凝析烃，控制气体的水露点和烃使天然气获得冷量，分出液态水和凝析烃，控制气体的水露点和烃露点，使之符合管输要求。露点，使之符合管输要求。2、冷剂制冷分离工艺、冷剂制冷分离工艺 常用的制冷剂为氨（常用的制冷剂为氨（常压沸点常压沸点为为-33.3）和丙烷（）和丙烷（常压沸点常压沸点为为-42.1）。冷剂制冷流程有多种设计，有四种典型流程。其不同点：冷剂制冷流程有多种设计，有四种典型流程。其不同点：换换热方式不同；热方式不同；塔顶气排出方式不同（或掺入原料气或掺入残
15、余塔顶气排出方式不同（或掺入原料气或掺入残余气）；气）；稳定塔类型不同（分馏塔或提馏塔）。共同点：塔顶产品稳定塔类型不同（分馏塔或提馏塔）。共同点：塔顶产品为为C1+C2，塔底产品为，塔底产品为C3+。三、浅冷法三、浅冷法2022-7-21151一气气换热器；一气气换热器；2一气液换热器；一气液换热器；3一冷剂蒸发器；一冷剂蒸发器；4一低温分离器；一低温分离器；5一稳定塔；一稳定塔；6一重沸器；一重沸器；7一压缩机；一压缩机；8一冷却器；一冷却器；C3+C1+C21）冷剂制冷典型流程一）冷剂制冷典型流程一 原料气与低温分离器来的气、液进行两级换热降温，使冷剂蒸发原料气与低温分离器来的气、液进行
16、两级换热降温，使冷剂蒸发器的冷凝负荷降低。分离器分出的低温液体为原料气提供冷量后进入器的冷凝负荷降低。分离器分出的低温液体为原料气提供冷量后进入稳定塔上部。由于稳定塔上部。由于塔顶温度较高塔顶温度较高，塔顶气内仍含有一定量应回收的凝，塔顶气内仍含有一定量应回收的凝液组分，经压缩冷却后掺入原料气。残余气的露点由低温分离器的温液组分，经压缩冷却后掺入原料气。残余气的露点由低温分离器的温度控制。度控制。2022-7-21161一气气换热器；一气气换热器；3一冷剂蒸发器；一冷剂蒸发器；4一低温分离器；一低温分离器；5一稳定塔；一稳定塔；6一重沸器；一重沸器；7一压缩机；一压缩机；8一冷却器；一冷却器；
17、9一气制冷剂换热器一气制冷剂换热器 C3+C1+C22）冷剂制冷典型流程二）冷剂制冷典型流程二 分离器分出的低温液直接进入稳定塔上部，分离器分出的低温液直接进入稳定塔上部，塔顶温度低于流程一塔顶温度低于流程一，塔顶气内凝液组分较少，故利用塔顶气的冷量使制冷剂降温、再压缩塔顶气内凝液组分较少，故利用塔顶气的冷量使制冷剂降温、再压缩冷却后掺入残余气。冷却后掺入残余气。稳定塔顶的温度总高于分离器温度稳定塔顶的温度总高于分离器温度，因而塔顶气，因而塔顶气掺入残余气后会使残余气露点升高。为保证残余气露点，流程二的分掺入残余气后会使残余气露点升高。为保证残余气露点，流程二的分离器温度应低于流程一。离器温度
18、应低于流程一。2022-7-21171一气气换热器；一气气换热器；2一气液换热器；一气液换热器；3一冷剂蒸发器；一冷剂蒸发器；4一低温分离器；一低温分离器；5一稳定塔；一稳定塔；6一重沸器；一重沸器；7一压缩机；一压缩机；8一冷却器；一冷却器；9一气制冷剂换一气制冷剂换热器热器；10一塔顶冷凝器；一塔顶冷凝器；11一回流罐一回流罐 C3+C1+C23）冷剂制冷典型流程三）冷剂制冷典型流程三 用用分馏塔分馏塔对凝液进行稳定，塔顶有外部液相回流，组分分割效果对凝液进行稳定，塔顶有外部液相回流，组分分割效果好，凝液回收率高，且塔顶气质量好，可直接掺入残余气，但建设和好，凝液回收率高，且塔顶气质量好，
19、可直接掺入残余气，但建设和操作成本相应提高。操作成本相应提高。2022-7-21181一气气换热器；一气气换热器；2一气液换热器；一气液换热器；3一冷剂蒸发器；一冷剂蒸发器；4一低一低温分离器；温分离器；5一稳定塔；一稳定塔；6一重沸器；一重沸器；12一进料泵。一进料泵。C3+C1+C24）冷剂制冷典型流程四）冷剂制冷典型流程四 将低温分离器液相增压后进入稳定塔上部，由于塔压高于原料气将低温分离器液相增压后进入稳定塔上部，由于塔压高于原料气压力，塔顶气无需压缩可直接掺入原料气内。压力，塔顶气无需压缩可直接掺入原料气内。2022-7-2119四、中冷和深冷法四、中冷和深冷法 节流膨胀制冷、冷剂制
20、冷和透平膨胀机制冷均可达到中冷和深冷节流膨胀制冷、冷剂制冷和透平膨胀机制冷均可达到中冷和深冷温度。冷剂制冷属外部制冷，制冷剂与天然气有各自的系统，相互间温度。冷剂制冷属外部制冷，制冷剂与天然气有各自的系统，相互间只存在热量或冷量的交换。而节流膨胀制冷和膨胀机制冷是利用天然只存在热量或冷量的交换。而节流膨胀制冷和膨胀机制冷是利用天然气本身具有的压能使天然气降温制冷，膨胀机的制冷温度和制冷量都气本身具有的压能使天然气降温制冷，膨胀机的制冷温度和制冷量都优于节流膨胀。膨胀机制冷在天然气凝液回收领域的使用占有主导地优于节流膨胀。膨胀机制冷在天然气凝液回收领域的使用占有主导地位。位。膨胀机在为天然气制冷
21、的同时，对外界输出机械能或热能，根膨胀机在为天然气制冷的同时，对外界输出机械能或热能，根据输出能量形式的不同，膨胀机分为两大类，即输出外功型据输出能量形式的不同，膨胀机分为两大类，即输出外功型透平透平膨胀机膨胀机和输出外热型和输出外热型热分离机热分离机。在天然气制冷中，透平膨胀机的。在天然气制冷中，透平膨胀机的使用更为广泛。使用更为广泛。利用天然气能量推动膨胀机叶轮旋转，气体等熵膨胀，在降压、利用天然气能量推动膨胀机叶轮旋转，气体等熵膨胀，在降压、降温的同时，在叶轮轴上输出外功，这种机械称降温的同时，在叶轮轴上输出外功，这种机械称透平膨胀机透平膨胀机（膨胀机（膨胀机-压缩机机组）。压缩机机组）
22、。2022-7-2120 1一冷箱；一冷箱；2一低温分离器；一低温分离器；3一膨胀机；一膨胀机；4一脱甲烷塔一脱甲烷塔 介绍两种流程：常规流程和双膨胀机流程。介绍两种流程：常规流程和双膨胀机流程。1、常规流程、常规流程 脱甲烷塔脱甲烷塔，没有外部塔顶冷凝器和回流，膨胀机出口的低温液体，没有外部塔顶冷凝器和回流，膨胀机出口的低温液体起塔顶内回流作用。从塔底附近的塔侧引出液体为原料气提供冷量，起塔顶内回流作用。从塔底附近的塔侧引出液体为原料气提供冷量，返回的气液混合物同时为塔底提供热量并产生塔底气相回流，这种返回的气液混合物同时为塔底提供热量并产生塔底气相回流，这种在在塔侧对塔内物流进行加热或冷却
23、的分馏塔称为非常规或复杂分馏塔塔侧对塔内物流进行加热或冷却的分馏塔称为非常规或复杂分馏塔。将多个换热器及其汇管、冷剂将多个换热器及其汇管、冷剂蒸发器等集中于一个长方形或筒形蒸发器等集中于一个长方形或筒形外壳内，实现多股流体间换热和换外壳内，实现多股流体间换热和换冷的设备称为冷的设备称为冷箱冷箱。如图，在冷箱。如图，在冷箱内对原料气降温的冷源有多股：脱内对原料气降温的冷源有多股：脱乙烷塔塔顶低温气体、塔底低温液乙烷塔塔顶低温气体、塔底低温液体（体（2股），还有冷剂。股），还有冷剂。常规流程的乙烷收率一般低于常规流程的乙烷收率一般低于80。2022-7-21211一原料气压缩机；一原料气压缩机；2
24、、6-冷却器；冷却器；3一分水器；一分水器；4、5-膨胀机制动压缩机膨胀机制动压缩机；7一凝液分离器一凝液分离器a；8一分子筛脱水器；一分子筛脱水器；9一粉尘过滤器；一粉尘过滤器；10一冷箱一冷箱a；11一凝液分离器一凝液分离器b；12一冷箱一冷箱b；13一凝液分一凝液分离器离器c；14一膨胀机一膨胀机a；15一脱甲烷塔一脱甲烷塔；16一膨胀机一膨胀机b；17一凝液泵一凝液泵双膨胀机流程乙烷收率约双膨胀机流程乙烷收率约85。2、双膨胀机流程、双膨胀机流程 2022-7-2122第三节第三节 凝液的稳定切割凝液的稳定切割一、凝液稳定一、凝液稳定二、凝液切割二、凝液切割 2022-7-2123一、
25、凝液稳定一、凝液稳定 减少天然气凝液（减少天然气凝液（NGL）中轻组分含量，增加中间组分和重）中轻组分含量，增加中间组分和重组分含量的工艺，称凝液稳定。稳定处理后天然气凝液（组分含量的工艺，称凝液稳定。稳定处理后天然气凝液（NGL）的蒸气压降低。的蒸气压降低。根据凝液回收目的的不同，分离的轻组分不同。根据凝液回收目的的不同，分离的轻组分不同。工业上，常用工业上，常用提馏塔或分馏塔提馏塔或分馏塔对天然气凝液进行稳定处理。对天然气凝液进行稳定处理。2022-7-2124 1、提馏稳定、提馏稳定 天然气凝液（天然气凝液（NGL）常用的稳）常用的稳定塔是定塔是冷进料提馏塔冷进料提馏塔，可以是泡罩，可以
26、是泡罩塔、筛板塔或填料塔，使用规整填塔、筛板塔或填料塔，使用规整填料塔的较多。料塔的较多。天然气凝液经冷却后，由塔上天然气凝液经冷却后，由塔上部进入塔，稳定后的部进入塔，稳定后的NGL由塔底排由塔底排出，部分塔底出，部分塔底NGL经重沸器加热后经重沸器加热后产生塔底气相回流。产生塔底气相回流。1一凝液冷却器；一凝液冷却器；2一捕雾器；一捕雾器；3一降液管；一降液管；4一重沸器；一重沸器；5一泡罩一泡罩 2022-7-2125 2、分馏稳定、分馏稳定 凝液稳定也常用分馏塔进行。凝液与塔底产品换热后由塔的中部凝液稳定也常用分馏塔进行。凝液与塔底产品换热后由塔的中部进塔；塔顶气经冷凝器冷却后进入回流
27、罐，冷凝液用泵送回塔内作为进塔；塔顶气经冷凝器冷却后进入回流罐，冷凝液用泵送回塔内作为塔顶液相回流；部分塔底塔顶液相回流；部分塔底NGL经重沸器加热后产生塔底气相回流。经重沸器加热后产生塔底气相回流。1一换热器；一换热器；2一稳定塔；一稳定塔；3一冷凝器；一冷凝器；4一回流罐；一回流罐；5一回流泵；一回流泵；6一重沸器一重沸器 与提馏稳定塔相比，与提馏稳定塔相比，分馏稳定塔能够回收较多分馏稳定塔能够回收较多的中间组分，所得稳定凝的中间组分，所得稳定凝析油数量和质量都优于提析油数量和质量都优于提馏稳定塔，但其相应的设馏稳定塔，但其相应的设备投资、操作费用和能耗备投资、操作费用和能耗也大。也大。2
28、022-7-2126二、凝液切割二、凝液切割 凝液切割是气体加工的最后工序。凝液切割是气体加工的最后工序。所谓凝液切割，是指对稳定后的天然气凝液（所谓凝液切割，是指对稳定后的天然气凝液（NGL）用分馏）用分馏的方法得到纯度较高的产品。根据所要求的产品数量设置分馏塔的方法得到纯度较高的产品。根据所要求的产品数量设置分馏塔数，流程中最后一座分馏塔的塔顶和塔底出两种产品，其他分馏数，流程中最后一座分馏塔的塔顶和塔底出两种产品，其他分馏塔的塔顶出一种产品。塔的塔顶出一种产品。无论是浅冷法得到的无论是浅冷法得到的C3+凝液，或由中冷、深冷法得到的凝液，或由中冷、深冷法得到的C2+凝液，他们都是多组分混合烃液，应根据市场需求和产品设计方凝液，他们都是多组分混合烃液，应根据市场需求和产品设计方案，分割成各种可供使用的合格商品。案，分割成各种可供使用的合格商品。2022-7-2127 如图所示，生产丙烷、丁烷和天然汽油的流程例子，按各种烃如图所示，生产丙烷、丁烷和天然汽油的流程例子，按各种烃的挥发度递减顺序排列各塔，这是最常见的一种塔的排列方法的挥发度递减顺序排列各塔，这是最常见的一种塔的排列方法顺序流程顺序流程。C3+C4+C5+
