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基于Hysys的LNG轻烃分离流程模拟及参数优化
发布时间:2015-10-08 18:10 作者: 阅读次数: 文章出自:

基于HysysLNG轻烃分离流程模拟及参数优化

何友祥,王晓丹,聂子豪,张永虎,王聚才

西安石油大学

摘要:为了充分利用进口LNG中所潜藏的巨大资源——冷能及C2+轻烃,本文以流程软件Hysys为工具,按照冷能梯级利用原理,设计了一种LNG轻烃分离流程,其特点在于系统能耗低,产品浓度高,同时分离获得轻烃产品为低温低压的液相,便于产品的运输和储存。本文以我国典型进口LNG组分为例,通过模拟计算和优化,乙烷及LPG回收率均在95%左右,而系统能耗仅为1.8MW

关键词:LNG轻烃分离;冷能;参数优化

The Simulation and Operation Optimization of the C2+ Recovery Process from LNG Based On Hysys

Youxiang He, Xiaodan Wang, ZihaoNie, Yonghu Zhang, Jucai Wang

Xi’an Shiyou University

AbstractIn order to Utilizing C2+ light hydrocarbons and cryogenic energy. An improved light hydrocarbons separation process is proposed in this paper by utilization of LNG cryogenic with Hysys.In the processthe separated C2+ products is in liquid phase of low pressure and temperature for convenient storage and transportation.Here the simulation and operation optimization are applied to the LNG, and the recovery rate of ethane and LPG is about 95%,andthe system energy consumption is only 1.8 MW.

Keywords:LNG;Light hydrocarbon separation;cryogenic energy; Parameter optimization

 

作者简介:何友祥,1988年生,男,在西安石油大学读研究生,研究方向:LNG轻烃回收流程工艺研究

 

随着我国LNG产业的不断发展,其进口量逐年增加,2013年我国LNG进口量约1700吨,同比增长22.4%,根据已签署的合同和建成的LNG接收站,预计到2015年将达3000万吨[1]。目前我国进口的LNG大部分为湿气,其中含有大量的C2+轻烃,如深圳大鹏LNGC2+轻烃摩尔组分高达11%[2]。C2+轻烃是一种优质的化工原料,用其作为乙烯原材料,乙烯装置投资可节省30%,能耗降低30%~40%,综合成本降低10%[3]。通过进一步研究发现在LNG气化过程中会释放大量的冷能,约833860KJ/kg[4]。此外,考虑到我国LNG是以热值购买,而天然气以体积出售,这样不但增加企业运行成本,还浪费LNG所潜藏的巨大资源——冷能及C2+轻烃。利用LNG冷能分离出C2+轻烃是LNG冷能的有效利用途径。国外早在上个世界60年代就有LNG轻烃分离的专利。近年来,我国对于LNG冷能利用于轻烃分离也已经开展了一些研究工作。熊永强等[4-5]提出了多种改进流程。提出的几种流程相对美国专利US6941771B2大大降低了系统能耗,但产品压力高不利于运输,用途较单一,灵活性较差。本文在此基础上应用Hysys模拟软件通过冷能梯级利用原则将分离出来的天然气及C2+轻烃全部液化,使其便于运输和储存,同时,分离出的C2+轻烃经过脱乙烷塔分离出常压下高纯度的液态乙烷和液态C3+轻烃(LPG)。

1. 轻烃分离流程

LNG增压过冷后的显冷仅能将部分低压甲烷气体液化,其他甲烷气体的液化需要利用LNG的潜冷,利用潜冷必须提高甲烷压力以使其液化温度高于LNG部分气化的温度。本研究在现有轻烃分离专利流程的基础上,按照冷量梯级利用的原则对换热网络进行优化,使用Hysys软件构建流程并进行计算,得到如图1所示的LNG轻烃分离流程。

 

1  LNG轻烃分离流程图

该流程的设备主要包括LNGP1P2P3,换热器E1E2E3,闪蒸塔V1,脱甲烷塔T1及脱乙烷塔T2。轻烃分离流程可分为四个部分:原料预热、轻烃分离、天然气液化输送、乙烷分离。

1)原料预热。常压LNG原料通过LNGP1增压后,在换热器E1中与从E2E3流出并经混合器M1混合后的甲烷物流进行热交换,之后在换热器E2E3中依次与从闪蒸塔V1及脱甲烷塔T1分离出来的两股甲烷气体换热而部分气化,然后进入闪蒸塔预分离。

2)轻烃分离。LNG预热部分气化后送入闪蒸塔V1内预分离,从塔顶分离出甲烷气体,而塔釜液体中仍含有大量甲烷,这部分物流经泵P2增压后通过管道将其输送至脱甲烷塔T1进一步分离。通过脱甲烷塔的分离,甲烷组分几乎全部从塔顶分出,塔釜的液相出料为C2+轻烃。

3)天然气液化输送。将从闪蒸塔V1分离出的甲烷气体进入换热器E2LNG进料换热;从脱甲烷塔T1分离出的甲烷气体进入换热器E3LNG进料换热;之后两股物流合并后进入换热器E1再次同LNG进料换热而全部液化,全部液化的甲烷通过LNGP3加压至管网压力要求后外输。

4)乙烷分离。将脱甲烷塔T1的塔釜液相C2+轻烃节流降压后送入脱乙烷塔T2进一步分离,通过精馏分离在脱乙烷塔顶得到高纯度的常压液态乙烷产品,塔底得到常压LPG产品

2. 流程模拟与优化

本研究在已有工作的基础上,按照冷量梯级利用的原则对换热网络进行优化,将LNG的显冷和潜冷分开使用,利用LNG的显冷液化压力较低的甲烷气体,而利用潜冷来液化高压的甲烷,流程结构相对复杂。为确定该流程的最优参数,需借助HYSYS软件对各工艺单元进行模拟分析,最后通过综合比较获得系统最优化参数。再以典型LNG组分为例计算:甲烷78%,乙烷12.4%,丙烷6.3%,异丁烷1.4%,正丁烷1.8%,氮0.1%装置处理量为360t/h

通过Hysys模拟软件计算系统参数优化如下:LNG原料首先通过泵P1升压至1.7MPa,之后流经换热器E1E2E3进行三次加热,分别利用其显热和气化潜热,经过加热后的LNG原料部分气化,其气相摩尔分数约为35%,压力损失约0.1MPa。部分气化的LNG进入闪蒸塔V1中分成富含甲烷的天然气和富含C2+轻烃的LNG,其中甲烷摩尔含量为98.71%,纯度很高,可直接外输使用,富含C2+轻烃中仍含有摩尔分数达67%的甲烷,因此需再次分离。该股富含甲烷的物流通过泵P2升压至2.5MPa后进入脱甲烷塔T1,该塔操作压力为2.25MPa,理论塔板数为12。精馏分离后在塔顶得到甲烷摩尔分数为98.2%的富甲烷天然气,可直接外输使用,塔釜为液相C2+轻烃,其中乙烷摩尔含量约55%,其余部分为C3+轻烃。该股物流节流降压至0.2MPa后进入脱乙烷塔T2进一步分离。通过精馏分离在脱乙烷塔顶得到摩尔分数为98.37%的常压液态乙烷产品,塔釜为常压液相LPG产品。闪蒸塔塔顶气在换热器E2中与LNG进料换热,两者压力相近,温差为47℃,利用LNG进料的显热进行冷却。脱甲烷塔塔顶气在换热器E3中与LNG进料换热,其压力比LNG进料高0.87MPa,此时甲烷相变温度比LNG泡点温度高10℃以上,可充分利用LNG的潜热进行冷却。这两股物流分别与LNG进料热交换后相混合,之后经换热器E1再次与LNG进料换热而全部液化,随后由泵P3加压至7MPa后气化外输。

通过该轻烃分离装置的处理,LNG原料分成外输天然气,乙烷产品及LPG产品三部分。该流程得到的天然气产量为222.1t/h,其中甲烷摩尔含量为98.42%,压力为7MPa,温度约为-115℃,需进一步通过气化加热装置加热升温后进入天然气高压管网,其冷能还可进一步加以利用;乙烷产量为60.90t/h,其摩尔含量为97.36%,压力为0.11MPa,温度约为-86.7℃;LPG产量为77.03t/h,压力为0.15MPa,温度约为-24.47℃。该流程乙烷回收率为94.88%LPG回收率为95.86%

通过对系统能耗的分析可知,三个泵的功率共计1.805MW,这部分的能耗主要用于提高LNG压力,使之符合天然气管网的压力要求,以及提供流程压力损失和工艺流程各环节对压力参数的要求。脱甲烷塔再沸器的热耗为25.08MW,再沸器中的物流温度为30℃左右,可利用低温废热加热,或使用轻烃分离后的天然气燃烧加热。脱乙烷塔再沸器的热耗为12.86MW,温度为-20℃左右,可直接使用空气或水加热。

3. 结论

本文根据液化天然气(LNG)冷量的特性,按照冷量梯级利用的原则,设计了一个新型轻烃分离流程,该流程具有如下特点:

1) 利用LNG的显热液化与其压力相近温差较大的闪蒸汽,而后通过脱甲烷塔进料泵提高LNG的入塔压力来提高脱甲烷塔塔顶气的压力,从而提高塔顶气的相变温度,加大塔顶气露点和进料泡点的温差,这样可以利用LNG的部分潜热来液化过冷塔顶气,避免了压缩机的使用,使设备投资和能耗均有所下降。

2) 通过将LNG原料与闪蒸汽进行热交换来提高脱甲烷塔的进料物流温度,有效减少了脱甲烷塔再沸器的热负荷。

3) 通过精馏分离获得的乙烷及LPG为常压液态,方便产品的储存和运输。

4) 该流程乙烷回收率达94%以上,且装置能耗较低,经济效益非常显著。

参考文献

[1] 杜琳琳.我国LNG冷能利用技术和发展前景.中国化工贸易[J].2012,5(5),257-258.

[2] 花贲,熊永强,李亚军,杨晓梅液化天然气轻烃分离流程模拟与优化[J]. 天然气工业. 2006,26(5)127-129.

[3] Yang C C, Kaplan A L, Huang Z P. Cost-effective designreduces C2 and C3 at LNG receiving terminal [J]. Oil &Gas Journal, 2003, 101(21): 50-53.

[4] 熊永强,李亚军,华贲. Integration and optimization for recovery lighthydrocarbons from liquefied natural gas wit hit s cryogenicenergy utilized. Modern Chemical Indust ry,2006,26(3):50-53.

[5] 华贲,熊永强,李亚军,杨晓梅. Simulation and optimizationof t he process oflight hydrocarbon recovery fromLNG.N atural Gas I ndustry .2006,26(5):127-129.

 








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