工艺技术_伴生气轻烃回收液化气工艺设计

(北京)CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM毕 业 设 计100104 Nm3/d伴生气轻烃回收液化气工艺设计院系名称： 化学工程学院 专业名称： 化学工程与工艺 学生姓名： 郭小丰 学 号： 指导教师： 张文慧 完成日期 2012 年 6 月 6 日 我们总羡慕别人的幸福，却常常忽略自己生活中的美好。其实，幸福很平凡也很简单，它就藏在看似琐碎的生活中。幸福的人，并非拿到了世界上最好的东西，而是珍惜了生命中的点点滴滴，用感恩的心态看待生活，用乐观的态度闯过磨难。 100104Nm3/d伴生气轻烃回收液化气工艺设计 摘要辽河油田拟新建一套处理规模为100104 Nm3/d的轻烃回收液化气装置。通过模拟计算，分析了液化气的收率与制冷温度和总能耗之间的关系，确定了制冷温度为-92，丙烷收率为81.00%，液化气收率为87.83%的最优工艺参数。针对本工程特点，最终确定了双低温分离器和膨胀机制冷加节流膨胀制冷的同轴增压的轻烃回收方案。该方案采用了冷箱系统，增强了流程装置对组分波动的适应性，减少了冷剂装置的投资，能量利用率高；采用双低温分离塔减少了脱乙烷塔的进料，从而减少了塔设备的投资；回收一级与二级压缩后的原料气的高焓值来加热脱乙烷塔和脱丁烷塔的再沸器，节约1177.8 kW。关键词：天然气；轻烃回收装置；方案设计中国石油大学（北京）本科毕业设计 第 V页Recovery of Liquefied Petroleum Gas From 1 millionm3 / d Natural GasAbstract Liaohe Oilfield plans to build an installation about light hydrocarbon recovery of liquefied petroleum gas which processes a scale of 1 million m3/d natural gas. The relationship between the yield of liquefied petroleum gas and refrigeration temperature and total energy consumption by simulation is analyzed to determine the optimal process parameters that the refrigeration temperature of -92 , propane yield of 81.00% and liquefied gas yield of 87.83%. Because of characteristics of this project, coaxial pressurized light hydrocarbon recovery program is ultimately determined that is with the pairs of low temperature separation column and the expansion plus throttle expansion cooling mechanism. The program uses a cold box system, so it enhances the adaptability of the process device to component fluctuations and efficiency of energy and reduces the cost of the refrigerant system. Adding dual low temperature separation machines can reduce the feed of off ethane tower, thereby reducing the cost of the tower equipment. Large energy of the recovery of the feed after compression can be used to heat off ethane tower and off butane tower re-boilers to save 1177.8 kW.Key words : natural gas；an installation about light hydrocarbon recovery；the conduction of the project目 录第1章 前言11.1 油田伴生气回收的目的11.2 天然气轻烃回收的主要产品11.2.1干气11.2.2液化气21.2.3 轻油21.3 国内外LPG工艺技术概况21.3.1国内技术51.3.2国外技术6第2章 工艺流程设计72.1 辽河油田轻烃回收简述72.1.1 轻烃回收液化气设计背景72.1.2 原料组成72.1.3 主要产品及产品质量要求82.2 HYSYS流程模拟82.2.1 状态方程82.2.2 工艺流程介绍92.3关键设备工艺参数的确定112.3.1 三级压缩压力的确定112.3.2 确定物料经冷箱冷却后的温度112.3.3 脱乙烷塔参数的确定122.4 相关产品产率及回收率14第3章 工艺装置主要设备的选型153.1 压缩机153.1.1 离心式压缩机153.1.2 往复压缩机153.2 换热器163.2.1换热器的选型计算173.2.1 空冷器183.2.2 水冷器193.2.3 换热器203.2.4 再沸器203.3气液分离器213.4 膨胀机223.5 塔223.5.1 脱乙烷塔243.5.2 脱丁烷塔243.6 泵25参考文献27致谢29附录30附录 A30附录 B32附录 C36附录 D43附件45附件 A 天然气轻烃回收液化气工艺流程P&ID图45附件 B 文献翻译46附件 C 英文文献46 第1章 第1章 前言1.1 油田伴生气回收的目的随着石油资源的日渐枯竭和石油化学工业的快速发展，人们对石油资源的利用也越来越精细化。而在油田开发中，除了开采出大量原油，还附带着丰富的油田伴生气和凝析气。天然气进行轻烃回收过程，不但可降低天然气的露点，还可以改良天然气质量，避免腐蚀管道设备，还可避免天然气在输送的过程中因发生烃类凝结造成的管道阻塞1，还可以获得廉价、高纯度的化工原料，因此轻烃回收工艺对天然气的经济效益的提升具有十分重要的现实意义，它在化工生产过程中占据也越来越重要的位置2。1.2 天然气轻烃回收的主要产品 天然气轻烃回收的主要产品有高纯度甲烷，高纯度乙烷，合格的液化气（主要是丙烷和丁烷），高纯度丙烷，高纯度丁烷，轻油（C5+），还有稀有气体3。对于本工艺而言轻烃回收的产品为干气，液化气，轻油。1.2.1干气油田伴生气经过脱水、净化和轻烃回收工艺即提取出液化气和轻油之后，主要成分为甲烷的天然气叫干气。一般来说，天然气中含90%以上甲烷的叫干气，而甲烷低于90%，乙烷、丙烷等含量大于10%的叫湿气。 1.2.2液化气液化石油气，英文简称LPG（Liquefied Petroleum Gas ），是石油天然气产品之一，是由炼厂气或油田伴生气经过加压、降温、液化、分离等步骤得到的一种无色、挥发性气体。由天然气所得的液化气的成分主要为丙烷和丁烷（含少量的乙烷和戊烷）。随着石油化学行业的快速发展，液化石油气作为一种基本化工原料和新型燃料，已经越来越受到人们的重视4。在化工方面，液化石油气经过催化裂化可以分离得到乙烯、丙烯、丁烯等产品，可以用来生产合成塑料、合成橡胶、合成纤维及生产染料等产品5。液化石油气用作燃料，由于其无烟尘、热值高、操作使用方便等特点，已广泛地进入人们的生活领域。此外，液化石油气还可用来用于有色金属冶炼、窑炉焙烧、作汽车燃料、居民生活燃用。 当前我国的经济发展与能源紧缺矛盾仍显突出，而液化石油气的使用范围越来越广，使用量越来越大。因此，加强对液化石油气的生产，提高天然气的利用价值是非常有必要的。 1.2.3 轻油轻油可以作为石化原料，既可以去管式炉裂解制取乙烯、丙烯，还可以去催化重整制取苯，甲苯，二甲苯的重要原料。 1.3 国内外LPG工艺技术概况 回收天然气中的烃类通常采用的工艺包括油吸收法、吸附法和冷凝法6。国内外近30多年已建成的轻烃回收装置大多数是采用冷凝法。冷凝法回收轻烃工艺是根据原料气中各组分沸点温度不同原理，在不同的温度下将较高沸点的组分分离出来从而达到轻烃回收的目的。冷凝法分离可分成浅冷分离和深冷分离两大类型。通常最低温度一般在-60 -40 左右为浅冷工艺；最低温度一般在-100 左右为深冷工艺。当原料气的量较小，其中C3+烃类含量较多，NGL回收装置对丙烷的收率要求不高时，通常采用浅冷分离工艺。若只是为了控制天然气烃露点，对烃类收率没有特殊要求的露点控制装置，一般也采用浅冷分离工艺。深冷工艺多用于大规模地回收高纯度气体，特点是耗能高，处理量大。冷凝回收工艺过程主要包括原料气预处理、压缩、降温、脱水、制冷和冷凝液回收部分7。制冷、冷凝液回收是轻烃回收工艺的重要环节，这些环节对提高产品收率，合理利用能量，保证产品合格、降低能耗起着关键作用。脱水系统 脱水工艺有三甘醇脱水法、分子筛吸附脱水法、甲醇脱水法或乙二醇防冻法。其中吸附法脱水有较好的适应性，脱水后的气体露点会降低。在深冷型轻烃回收工艺中，深冷温度最低一般都在-100 左右，为防止在超低温状态下出现天然气水合物堵塞管道现象，必须在制冷前脱去原料中的水蒸气。深冷型轻烃回收工艺一般采用吸附法脱水中的分子筛干燥脱水法。脱水压力越高，温度越低，则分子筛的吸附能力越强，所以为保持分子筛高吸水量，操作温度要在室温。美国、意大利、加拿大等国家在浅冷装置中多采用甘醇脱水法和乙二醇防冻脱水法；国内外深冷装置中多采用分子筛脱水法或分子筛脱水法与其它脱水方式相结合的方法。制冷系统 制冷工艺主要有3种：外冷源制冷工艺；膨胀制冷工艺；膨胀制冷与外冷源制冷相结合的制冷工艺。浅冷工艺一般采用外冷源制冷工艺。深冷工艺一般采用膨胀制冷工艺或膨胀制冷与外冷源制冷相结合的制冷工艺。但如果原料气进装置时压力很高(一般大于5.0 MPa)，有足够压差可供利用，或者原料气进料较少，所需制冷量较小时，可采用单一膨胀制冷工艺，制冷的温度一般在-80 -110 左右。外冷源制冷工艺中冷源包括氨气、丙烷和氟利昂。在选用冷剂时主要考虑以下几个方面：（1）制冷剂的蒸发潜热，这关系到冷剂循环量和压缩机的能耗；（2）冷剂的冷凝压力，以关系到压缩机的装置费用；（3）冷剂的毒性；（4）冷剂的获取难易程度。所以首选冷剂就是氨和丙烷，二者的优缺点及使用情况如下表所示：表1.1 氨制冷和丙烷制冷工艺比较表制冷温度C2+收率/%工艺优缺点应用情况氨制冷（-30-25 ）2535优点：工艺成熟，设备性能可靠缺点：能耗高，氨的腐蚀性等较少使用丙烷制冷（-40 -30 ）8085优点：制冷系数大，丙烷容易获得缺点：价格高，技术不够成熟广泛应用丙烷循环压缩制冷工艺是新制冷工艺，最低温度在-35 -30 左右。丙烷由轻烃回收装置获得或外部买进。丙烷无刺激性气味。 膨胀制冷工艺采用小膨胀比单级膨胀制冷技术。膨胀机的膨胀比一般为3 6，高效区的膨胀比一般为3 4，深冷工艺要求膨胀机在高效区下运行。若膨胀比大于7，那么膨胀机的等熵效率明显偏低。此时可考虑采用两级膨胀压缩。膨胀机入口物流温度一般在-30 -7 左右，压力一般不高于6 MPa。 凝液回收 原料组成和制冷后的温度是凝液回收的关键因素。在相同温度、压力条件下，气体越重，则天然气液化率越高，轻烃收率越高；对同一种原料气，制冷后的温度越低，则越容易回收高品质的凝液；但从另一方面说，制冷付出的代价也就越大。对于组分不同的原料气、不同的轻烃收率要求，应该进行多方案的经济和操作技术上的分析对比，以确定合适的操作压力和轻烃收率。如对于回收丙烷的装置，丙烷收率为60908；对于回收乙烷的装置，乙烷收率一般为85。一旦收率超出此等范围越多，能耗越大9。1.3.1国内技术（一）我国有采用浅冷分离的冷剂法回收LPG装置典型工艺流程。此工艺的优点是流程较简单，投资较少；缺点是丙烷收率较低，一般仅为50%65%。主要原因是大量丙烷从低温分离器、脱乙烷塔塔顶进入干气中。因此，我国一些已建或新建采用浅冷分离工艺的NGL回收装置大多对此流程进行了改造。有的在低温分离器与脱乙烷塔中间增加重接触塔，采用脱乙烷塔塔顶回流罐的低温凝液作为吸收油；有的则在低温分离器与脱乙烷塔之间增加了吸收塔，采用本装置经过冷冻后的轻油作为吸收油，从而提高丙烷收率。 (二) 采用透平膨胀机制冷法的工艺流程对于高压原料气，当进料的压力远远高于外输压力，有足够压差可供利用，且压力和气量较稳定时，采用膨胀制冷就可满足凝液回收的制冷要求。我国川渝气区已建的5套LPG回收装置即采用膨胀机制冷法。装置的丙烷收率达75%以上，LPG收率为1619 t/d，轻油收率为5.47 t/d。由于原料气具有可利用的压力能，所以该流程能耗很小，只需少量干气作为脱水系统再生加热炉的燃料气。（三）膨胀制冷与外冷源制冷相结合的制冷工艺流程原料气较富，且对丙烷收率要求较高的轻烃回收装置，大多采用膨胀制冷与外冷源制冷相结合的制冷工艺。现以我国胜利油田的一套采用氨预冷与膨胀机制冷的工艺流程为例介绍如下10：原料气为伴生气，处理量为50104 m3/d，其组成见下表 。最低制冷温度在-90 -85 左右，丙烷收率为80% 85%，液烃产量为110130 t/d。该原料气中C3+烃类含量为8.42 v% ，丙、丁烷含量为6.86 v%，仅采用膨胀机制冷所得冷量不能满足需要。故必须与冷剂(氨)联合制冷。当然，我国还有许多以回收C2+烃类为目的LPG回收装置工艺流程,如我国大庆油田在20世纪80年代从Linde公司引进两套处理量均为60104 m3/d的NGL回收装置，原料气为伴生气，采用两级透平膨胀机制冷法，制冷温度一般为-90 -100 ，最低-105 ，乙烷收率为85%，每套装置混合液烃产量为5104 t/a。辽河油田在20世纪80年代从日本挥发油公司引进的120104 m3/d NGL回收装置采用透平膨胀机与丙烷制冷联合制冷法工艺流程，产品有干气、丙烷、LPG和轻油。1.3.2国外技术国外轻烃回收装置的除了上文提到的三种工艺，还有节流膨胀制冷工艺，气体过冷工艺（GSP），液体过冷工艺（LSP），直接换热工艺（DHX）,混合工艺制冷工艺等。但是最主要的是膨胀机与冷剂联合制冷工艺。 直接换热工艺是脱乙烷塔顶气与膨胀制冷后的低温原料气直接换热，使塔顶气中的C2+烃类冷凝，再进入直接接触塔（DHX塔），在与原料接触的过程中，乙烷选择性好，吸收能力强，所以在冷量与原料直接换热的作用下，原料气的温度进一步降低，从而获得较高的丙烷收率。DHX塔相当于一个吸收塔。工艺的实质是将脱乙烷塔回流罐的凝液经过换冷、节流降温后进入DHX塔顶部，用以冷却低温分离器进该塔中的C3+烃类，从而提高C3+收率。将常规膨胀机制冷法(ISS)装置改造成DHX法后，在不回收乙烷的情况下，实践证明在相同条件下C3+收率可由72%提高到95%，而改造的投资却较少。一套由Linde公司设计的NGL回收装置，采用膨胀机与丙烷制冷联合制冷，还引入了DHX工艺。该装置以丘陵油田伴生气为原料气，处理量为120104 m3/d。 美国福陆公司(FLUOR) 设计加工能力为200104 m3/d的天然气深冷装置采用的是两级膨胀和氨吸收辅助冷剂制冷工艺。日本日辉公司(JGC) 设计了加工能力为120l04 m3/d的天然气深冷装置采用的是单级膨胀加丙烷辅助冷剂制冷工艺。第2章 工艺流程设计 第15 页第2章 工艺流程设计2.1 辽河油田轻烃回收简述2.1.1 轻烃回收液化气设计背景 辽河油田在1987年开始建造200104 Nm3/d天然气轻烃回收装置，于1989年正式投产。当时的辽河油田天然气轻烃回收装置是国内规模最大的深冷轻烃回收装置。装置原先设计的处理规模为200104 Nm3/d，目前实际原料只有120104 Nm3/d。据辽河油田“十一五”天然气开发规划，天然气产量还将继续下降。因而存在装置设计规模与实际处理量不匹配、现有装置能力过大、操作费用高、能耗过高、经济效益降低等问题。而且装置大部分重要设备老化严重，已不能满足生产运行要求。因此根据天然气减量情况，拟新建一套处理规模为100104 Nm3/d 的轻烃回收装置。现根据辽河油田实际情况，对辽河油田新建100104 Nm3/d 天然气轻烃回收工艺技术进行研究。通过优化方案，推荐最佳工艺技术方案，做到“满足技术要求下的最低成本”即降低能耗，降低投资，现场操作简单易行，实现最佳经济效益的目标。2.1.2 原料组成进料原料天然气组成见表2.1。 表2.1 辽河油田天然气的组成11组分摩尔分数组分摩尔分数甲烷0.868 2正己烷0.002 9乙烷0.054 8正庚烷0.001 8丙烷0.032 3正辛烷0.000 9异丁烷0.008 6正壬烷0.0000正丁烷0.011 6二氧化碳0.003 1异戊烷0.004 0氮气0.008 4正戊烷0.003 4注：原料天然气进装置的压力为0.125 MPa，进站温度为20 。由表可知，该原料气中C3+烃类含量为6.55 mol%。原料气中丙、丁烷含量为5.25 mol%，含量较少。2.1.3 主要产品及产品质量要求本项目中轻烃回收设计的产品为液化气、外输天然气。 干气符合外输天然气标准12； 液化气符合油田气液化气标准13。2.2 HYSYS流程模拟2.2.1 状态方程因为需要对轻烃回收液化气流程设计进行模拟，所以使用Aspen HYSYS模拟软件。模拟过程中选用的状态方程是Peng-Robinson方程。P-R方程的表达式是： p= （2.1）其中方程参数：a(T)=a(T)ac ac=aR2Tc2/pc，a=0.45724b=bRTc/pc，b =0.07780a(T)=1+m(1-Tr0.5)2m=0.37464+1.54226-0.269922PR方程可同时应用于气液两相，是目前石化工行业中经常使用的状态方程之一。PR方程的临界压缩因子是0.301，比较接近于真实流体的临界压缩因子，而且PR方程能够满足气液平衡计算精度要求，所以本流程模拟采用的状态方程是PR方程。2.2.2 工艺流程介绍本项目辽河油田伴生气回收液化气工艺属于深冷工艺。工艺设备主要包括进站预分离器、压缩机、空冷器、气液分离器，分子筛干燥器，水冷器，换热器、冷箱、膨胀机，节流阀、低温分离器、混合器、脱乙烷塔、脱丁烷塔和泵。其中膨胀机、脱乙烷塔和脱丁烷塔是关键装置，其中膨胀机的制冷程度以及两塔能否正常的操作对最终产品的质量和收率都有很大的影响。制冷温度越低，液化气的质量和收率都越高。具体的工艺流程如图2.1所示：图2.1 轻烃回收液化气流程图从辽河油田的文献中查得原料气组成中不含水蒸气，可能是测量方法中没有明确规定所造成的。将原料气与循环水混合，进入进料预分离器中将水分出，含有饱和水蒸气的原料气进入一级压缩机加压至500 kPa，再进入一级空冷冷却至50 进入二级压缩机加压至2000 kPa，再进入一级空冷冷却至60 再与冷箱的冷源出料换热到50 ，进入一级气液分离器，分出液态水，再进入一级水冷器降温到30 ，进入二级水冷器后，物料进入分子筛干燥器脱水，之所以在脱水器前面加两个气液分离塔，是为了降低分子筛干燥器的负荷，使脱水的效果更好，减少设备的尺寸，使流程更加合理。物料进入三级压缩机加压到4000 kPa。再与脱乙烷塔塔底出料换热，将塔底出料换到90 ，再经空冷器换热到40 ，在与进料与分离器的冷水换热，将冷水换到35 ，再进入二级冷水器换热到30 ，进入冷箱与二级低温分离器塔顶气相换热到-32 后，进入一级低温分离器，液相部分经节流阀降压到700 kPa，与脱乙烷塔顶气压相同。在深冷分离中，由于一级低温分离器分出的液体具有很高的压力，与塔的压差较大，所以考虑到利用节流阀来回收这部分能量，并且利用节流制冷获得一定的温降，提高液化气回收率。另外气相部分进入膨胀机降压到700 kPa。物料进入二级低温分离器，二级低温分离器的气相中中甲烷和乙烷的摩尔百分比约90%，且质量分数占进料的80%左右，将二级低温分离器的气相分离去到冷箱换热，这样即可以降低脱乙烷塔的进料量，减少塔的负荷，塔径，塔高与塔板数，又可以降低塔的能耗，降低流程的能耗问题14。二级低温分离液相进入脱乙烷塔，脱乙烷塔塔顶出料与脱丁烷塔塔底出料换热，再与二级低温分离气相混成出料作为外输天然气。脱乙烷塔塔底出料经换热到90 ，进入脱丁烷塔，脱丁烷塔塔顶出液化气，塔底出料经换热，空冷后到30 去催化重整车间。2.3关键设备工艺参数的确定表2.2 天然气组成的物理性质如下所示：组成沸点/甲烷-161.5乙烷-88.6丙烷-42.1丁烷-0.5伴生气回收液化气工艺的关键参数就是原料气经冷箱冷却后温度和脱乙烷塔、脱丁烷塔的参数。原料气经冷箱冷却后温度越低，那么膨胀后的温度越低，回收液化气的量就越多15。对于回收液化气的深冷装置，一般要求装置的丙烷回收率在60% 90%之间。当收率超出此范围时，能耗就会快速增加。所以在工艺设计中，要在保证产品质量和收率的前提下，要考虑节约装置的成本和运行的成本，从而获得最大的经济效益。2.3.1 三级压缩压力的确定根据气体外输的气压要求和膨胀机的高效膨胀运行区域，经查阅相关文献16，确定原料气进入脱乙烷塔的压力为700 kPa左右，三级压缩后的气体压力为4000 kPa。2.3.2 确定物料经冷箱冷却后的温度当物料经冷箱冷却后的温度为-35 时，流程不能运行，冷箱发生故障。表2.3的数据中所需要的总能耗不包括脱乙烷塔和脱丁烷塔的塔底再沸器。脱乙烷塔的塔底再沸器可用一级压缩后的原料气加热。在126.7 时，原料焓值为-7.621104 kJ/kgmol,当温度为100 时，原料焓值为-7.745104 kJ/kgmol，已知原料量为1877 kgmol/h,所以当原料降温从126.7 到100 时，焓变为2.33106 kJ/h,而脱甲烷塔塔底再沸器所需能量为2.186106 kJ/h，这是完全可行的。因为实际生产中温度会有2左右波动，根据表2.3确定物料经冷箱冷却后的温度为-32 表2.3 改变原料经冷箱冷却温度后产品的相关数据经冷箱冷却后的温度/流程需要的能耗/(107 kJ/h）液化气的产量/（kg/h）液化气中乙烷摩尔分率/%-203.43539510.42-223.43440380.42-243.43241220.42-263.43042000.42-283.47242740.42-303.42443430.43-323.42244060.43-343.41844640.432.3.3 脱乙烷塔参数的确定查阅相关文献，假设脱乙烷塔的理论板数为16块（不含再沸器）。 由于脱乙烷塔的塔底出料会成为脱丁烷塔的进料，其中乙烷完全跑进液化气中，液化气的要求是乙烷的体积比小于2%。 确定脱乙烷塔塔板数与进料位置根据脱乙烷塔的生产工艺流程来看，脱乙烷塔并非是严格意义上的分馏塔，应该是接近于闪蒸塔，而对于闪蒸塔而言其上段进料位置又不尽合理，因为上段进料位置距离塔顶出口太近，上段进料因在塔内没有足够的停留时间进行闪蒸，塔顶气体便夹带着重组分从塔顶跑掉。保证物料经冷箱冷却后的温度为-32 ，脱乙烷塔16块板，一级低温分离液相进第9块板，脱丁烷塔进料为60 ，塔有10块塔板，进料在第三块塔板，回流比为1，脱乙烷塔设定塔顶乙烷含量占乙烷总含量的96%不变，改变脱乙烷塔塔板数与进料位置，数据如表2.4所示： 表2.4 不同塔板数、进料位置的液化气的质量 （kg/h）进料位置塔板数/块第2块板第3块板第4块板第5块板第6块板8246.1228.0222.2223.7240.69241.1221.3213.4210.8212.310239.0218.7210.2206.5205.311238.4217.9208.7204.6203.212237.9217.5207.9204.0202.613237.7217.3207.5203.9202.216237.7217.0207.0203.8202.0从上面数据可以看出，段进料位置距离塔顶出口太近，上段进料因在塔内没有足够的停留时间进行闪蒸，塔顶气体便夹带着重组分从塔顶跑掉。且当进料位置偏下时，塔顶的液化气损失会增大，因为塔从上往下的温度会增大，导致进料中重组分吸热变成气体，相当于进料气相分率增大。塔板数越多，脱乙烷塔塔顶液化气损失就会越少。脱乙烷塔选塔板为11块（不包括再沸器），一级低温分离液相从第五块塔板进料。 确定塔顶乙烷占整个乙烷含量的百分比在表2.3和表2.4所得结论数据下运行hysys模拟流程，改变塔顶乙烷占整个乙烷含量的百分比，得到表2.5数据：表2.5 塔顶乙烷占整个乙烷含量的百分比与塔底的能耗的关系塔顶乙烷占整个乙烷含量的百分比/%液化气中乙烷的摩尔百分比/%脱乙烷塔塔底的能耗/kW952564961.6568971.2572980.8575.4990.4580由表2.5数据可知，塔顶中乙烷的含量与塔底再沸器的能耗有密切联系，当要求塔顶中乙烷含量越高时塔底再沸器得温度就越高，所需能耗就越高。因此选塔顶乙烷占整个乙烷含量的百分比为96%。工艺流程设计为保证LPG产品质量提高了脱乙烷塔塔底的操作温度，以减少脱丁烷塔进料中乙烷的含量，而脱乙烷塔操作温度升高使塔顶产品中C3、C4的量增加。2.4 相关产品产率及回收率本流程在现有参数条件下，运行hysys流程模拟，结果得到相关液化气产品的产量、产率及回收率数据，如表2.6、表2.7所示。 表2.6 相关产品的C3、C4的含量 （kg/h） 产品C3、C4的量原料气4829.05干气中540.01液化气4267.61轻油中21.43液化气的产率=4267.61 4829=87.83% 表2.7 相关产品的丙烷含量 （kg/h）物料质量原料气中丙烷含量2647.5液化气中丙烷含量2144.2丙烷回收率=2144.2 2647.5=81.00% 第3章 工艺装置主要设备的选型需要选型的设备包括：压缩机、空冷器、换热器、气液分离器、膨胀机、泵、脱乙烷塔和脱丁烷塔。3.1 压缩机石油化工和炼油生产中所用的压缩机主要有离心式和往复式两大类。3.1.1 离心式压缩机离心压缩机又称透平压缩机，离心压缩机的特点是转速高（一般在5000 r/min以上）、级数多（最多可达10级以上），所以能产生高达1MPa以上的出口压力。由于压缩比较高，离心压缩机常分为几段，段中间油冷却器，一面气体温度过高。3.1.2 往复压缩机往复式压缩机主要部件有活塞、气缸及排除活门和吸入活门。因为气体易于压缩且密度较小，所以往复式压缩机的排除活门和吸入活门轻便灵活，易于启闭。如果往复式压缩机的压缩比较大，气体温度会急剧上升，此时需安装冷却装置，以降低气体温度。为防止活塞杆经受热膨胀后会与汽缸盖发生碰撞，活塞行程的终点与气缸端盖之间必须留有一定的容积。当往复式压缩机的压缩比太大时，压缩机的动力损耗会显著增加，排出气体的温度太高，有可能导致润滑油变质和机器损坏等，所以当生产上要求气体的压缩比大于8时，应采用多级压缩。 离心压缩机和往复压缩机的优缺点如表3.1所示。表3.1 离心压缩机和往复压缩机的优缺点设备优点缺点离心压缩机体积小、重量轻，运转平稳、操作可靠、流量大而均匀、调节性能好、维修方便、压缩气体与润滑油不接触、投资少、操作费用低制造精度要求高；不易加工；当流量偏离额定时效率较低往复压缩机使用压力范围广（包括低、中、高、超高压）、效率高、适应性较强、结构复杂易损件较多；维修麻烦；不适用于排气量较大的情况；会使气体带润滑油根据hysys软件提供的压缩机操作参数如表3.2所示。表3.2 压缩机的操作参数表设备标准状态气量/（m3/min）出口压力/MPa功率/kW一级压缩机703.50.52604二级压缩机70223023三级压缩机95241706 根据表3.2的数据可知一级压缩排气量太大，只能用离心压缩机。查离心式压缩机型号表，结果如表3.3所示： 表3.3 压缩机的型号规格表型号标准状态气量/（m3/min）吸气压力/MPa出口压力/MPa轴功率/kWH710-6.0/0.877100.0870.6029303.2 换热器换热器按照用途区分，有加热器、冷却器、冷凝器和再沸器。按照冷、热流体的接触方式基本可分为间壁式、直接混合式及蓄热式等三种。在化工原理上册25页表1.3查得经验数据：高压气体的流速范围在1525 m/s；在0.3 MPa左右，水的流速范围在11.5 m/s左右。 换热平衡是指一个换热设备中冷热流体之间的热量得失平衡，有时还需考虑传热过程中热损失。一般情况，热损耗小于5%。于保温良好的设备，热损耗约在2%。在设计中也可以不考虑热损失。3.2.1换热器的选型计算 热负荷的计算热介质的热负荷： （3.1）冷介质的热负荷： （3.2）式中，Q1、Q2 热负荷，单位W； Wh ，Wc为热、冷介质的质量流量，单位kg/s； Cph ，Cpc为热、冷介质的比热，单位J/（kg.）。 按逆流计算平均温度差 （3.3） (3.4)由R,P查参化工原理上册271页图6-8得换热器的温差修正系数；则平均温差为 (3.5) 选换热器假设查化工原理278页表6-7估计总传热系数K,则换热器的换热面积为： （3.6） 确定何种流体走壳程或管程，根据换热面积A，初选换热器型号。计算流体在所选换热器中壳程或管程的对流传热系数1、2，在化工原理上册390页查天然气的污垢热阻经验数据为1.719110-4m2W-1。计算实际的总传热系数K和实际所需传热面积A: （3.7）其中，、管内外的对流传热系数，单位Wm-2-1； 管壁导热系数，单位Wm-1-1； 厚度，单位m； 、管的内外直径，单位m。3.2.1 空冷器从hysys模拟上可查到各个空冷器所需的空气流量，如表3.4所示：表3.4 空冷器所需的空气流量设备换热量/（106 kJ/h）温差/初选总传热系数/（W.m-2-1）传热面积/m2一级空冷器44030926二级空冷器850302315三级空冷器5.1533 301445四级空冷器0.610 30555.6hysys模拟自定义夏天的环境温度为25 ，查得空冷器型号如表3.5所示：表3.5 空冷器的型号设备数目型号一级空冷器三台GP123-8-346-1.6S-23.4/L(DR)-I RF-D二级空冷器六台GP123-8-346-1.6S-23.4/L(DR)-I RF-D三级空冷器三台GP123-8-346-4.0S-23.4/L(DR)-I RF-D四级空冷器两台GP123-4-174-1.6S-23.4/L(DR)-I RF-D3.2.2 水冷器设计选用管壳式换热器中的固定管板式换热器。水冷器的部分数据如表3.6所示： 表3.6 原料气在一级和二级水冷器出的流量设备进料温度/出料温度/进料流量/（m3/s）一级水冷器50300.678二级水冷器38300.303初选两处水冷器的气体流速为20 m/s，估算它们的管径分别为20 mm，13.9 mm。所以一级水冷器用换热管25 mm2 mm，此时气速为17 m/s；二级水冷器用换热管19 mm2 mm，气速为17 m/s。天然气污垢热阻经验数据为1.719710-4 m2/W。初选一级与二级水冷器总传热系数都为200 W.m-2-1。冷水温度都从20 上升到25 。计算结果如表3.7所示：表3.7 水冷器的基本数据以及选型设备换热面积/（m2）初选换热器型号实际的总传热系数/（W.m-2-1）实际所需换热面积/（m2）一级水冷器290AES-600-19-86.9-240-4170312二级水冷器127AET-800-40-138-158-11901233.2.3 换热器根据经验数据初选原料气流速20 m/s，液体油流速为2 m/s，水的流速为1m/s，换热器部分数据如表3.8所示： 表3.8 换热器的基本数据设备热进料流量/(m3/s)选管径/mm冷进料流量/（m3/s）初选总传热系数/(W.m-2-1)温差/一级换热器0.6782521.65 2020.4二级换热器0.41920.1520058.0三级换热器0.31920.000420013.4四级换热器0.0011920.0720089根据表3.8的换热器数据，查换热器的型号，如表3.9所示： 表3.9 换热器选型设备初选换热器一级换热器AES-1100-3-389.6-1895-6二台串联二级换热器AES-1000-5-311.0-1894-6二台串联三级换热器BES-450-31.7-16.7-315.8-4四级换热器AES-325-1-9.1-631-1 3.2.4 再沸器本设计选卧式热虹吸再沸器，加热管成棱形排列，直径为25 mm2 mm，脱乙烷塔与脱丁烷塔的再沸器部分数据如表3.10所示：表3.10 再沸器的基本数据以及选型塔的再沸器交换热量/kW初选总传热系数/（W.m-2-1）温差/传热面积/ m2脱乙烷塔 56920082.735.4脱丁烷塔60820039.677根据表3.10的数据，查再沸器的型号如表3.11所示：表3.11 再沸器的型号塔的再沸器选换热器实际总传热系数/（W.m-2-1）实际传热面积/m2脱乙烷塔 FLB500-30-25-224328.3脱丁烷塔FLB600-95-19-418682.63.3气液分离器一级与二级低温分离器的部分数据如表3.12所示：表3.12 低温分离器数据设备名称标准状况下进气量/（m3/min）进液量/(m3/min)一级气液分离器674.90二级气液分离器6640一级低温分离器519.10.172二级低温分离器579.50.0752本设计选择重力沉降型的分离器。 重力沉降的原理简述：由于气体与液体的密度不同，液体在与气体一起流动时，液体会受到重力的作用，产生一个向下的速度，而气体仍然朝着原来的方向流动，也就是说液体与气体在重力场中有分离的倾向，向下的液体附着在壁面上汇集在一起通过排放管排出。 重力沉降的优缺点如表3.13所示：表3.13 重力沉降的优缺点 设备优点缺点重力沉降分离器设计简单、设备制作简单、阻力小分离效率最低、设备体积庞大、占用空间多根据表3.12的数据，查分离器的型号，如表3.14所示： F表3.14 分离器的选型设备名称选型一级气液分离器ZCQF700/1二级气液分离器ZCQF700/1一级低温分离器ZCQF600/1二级低温分离器ZCQF600/13.4 膨胀机膨胀机是深冷装置的核心装备，它直接关系到制冷的最低温度和C3收率。天然气膨胀机用透平膨胀机。透平式膨胀机是用于低温调解下的气体透平机，其作用主要是为获得冷量，而不是功，与活塞式膨胀机相比，具有流量大、结构简单、体积小、效率高、耐高压、适应性强、连续运行周期长、等熵效率高等较多优点，膨胀机等熵效率可达85%，对处理量大的装置优势明显。本设计的膨胀机部分数据如表3.15所示： 表3.15 膨胀机的数据设备名称进口压力/kPa出口压力/ kPa标准状态进气量/(m3/min)膨胀机3900700514.7本设计选卧式膨胀机，因此膨胀机的型号为PLPT-514.7/397。3.5 塔目前石油、化工工程中使用的分馏塔根据分离元件分类有两种形式，即填料塔和板式塔。板式塔以塔板作为气液传质的基本构件，而填料塔属微分接触的气液传质设备，基本的传质元件是填料。板式塔与填料塔的优缺点比较如表3.16所示。 考虑到本工程的特点，为较好地适应各种操作工况，脱乙烷塔、脱丁烷塔都采用板式塔中的浮阀塔。浮阀塔是20世纪50年代开发的一种新塔型，其特点是在筛板塔基础上，在每个筛孔除安装一个可上下移动的阀片。当筛孔气速高时，阀片被顶起上升，空速低时，阀片因自身重而下降。阀片升降位置随气流量大小自动调节，从而使进入夜层的气速基本稳定。又因气体在阀片下侧水平方向进入液层，既减少液沫夹带量，又延长气液接触时间，故收到很好的传质效果。 3.16 板式塔与填料塔的比较项目塔型板式塔填料塔压力降压力降一般比填料塔大压力降小，较适用于减压系统以满足控制塔内较小压降的要求材质要求一般用金属材料制作可用非金属耐腐蚀材料安装维修较容易较困难造价以单位塔板面积计算的造价随塔径增大而减少与其体积成正比出料可以侧线出料不能侧线出料原料可处理有悬浮物的液体原料可处理有腐蚀、易发泡物料塔效率效率较稳定，大塔板效率比小塔板有所提高塔径1.5 m以下效率高，塔径增大效率常会下降液气比较小的液体流量对液体喷淋量有一定要求塔的高度计算根据公式： （3.8）其中：HT塔板之间的间距，单位m； H顶塔顶空间高度，单位m； H底进