天然气处理

第八章 天然气处理及轻烃回收 第八章第八章 天然气处理及轻烃回收天然气处理及轻烃回收 主要内容 第一节 概述 第二节 天然气净化技术——天然气脱水 第三节 天然气轻烃回收工艺 第一节 概述－天然气预处理及轻烃回收的目标 1.11.1天然气地层渗流、垂直管流天然气地层渗流、垂直管流 1.21.2天然气井场工艺：天然气井场工艺： 气液固分离、天然气计量、水合物防治气液固分离、天然气计量、水合物防治 2.12.1天然气净化：脱水、脱硫天然气净化：脱水、脱硫 2.22.2轻烃回收和精馏：轻烃回收和精馏： 3.13.1天然气的管道输送天然气的管道输送 3.23.2天然气的储存天然气的储存 天然气天然气 开采开采((上游上游)) 天然气天然气 化工化工((下游下游)) 天天 然然 气气 工工 业业 44天然气加工利用：天然气加工利用： 1.1.天然气开采天然气开采 2.2.天然气处理天然气处理 （预处理、初加工）（预处理、初加工） 3.3.天然气储运天然气储运 井流物 天 然 气 脱 水 节 流 调 压 轻轻 烃烃 回回 收收 分分 馏馏 塔塔 天然汽油天然汽油 液化石油气液化石油气 LPGLPG：： 凝析油：凝析油： 天 然 气 脱 酸 气 天然气预处理 轻 烃 回 收 工 艺 气 液 分 离 水 合 物 防 治 天 然 气 计 量 井 场 工 艺 计量站-集气站 天然气处理厂 2.12.1天然气净化：天然气净化： 指脱水、脱酸（指脱水、脱酸（COCO22、、HH22SS等酸性气体）工艺过程。等酸性气体）工艺过程。 天然气中的水：可能在管线和设备中形成水合物、堵塞管线和阀门，影响操天然气中的水：可能在管线和设备中形成水合物、堵塞管线和阀门，影响操 作的稳定性。作的稳定性。 H2S会损坏管道，其燃烧会污染环境，损害人类健康。另一方面，它又是一 种化工原料。 2.22.2轻烃回收和精馏：轻烃回收和精馏： 将将CC22以上的轻质组分从天然气（气态）中液化、分离的工艺过程称为轻烃回以上的轻质组分从天然气（气态）中液化、分离的工艺过程称为轻烃回 收，其工艺称为轻烃回收工艺。收，其工艺称为轻烃回收工艺。 回收得到的烃类混合物通常称为天然气凝析液（回收得到的烃类混合物通常称为天然气凝析液（NGLNGL）。）。 将轻烃回收的天然气凝析液，经过分馏塔分馏，切割成不同密度和组成的产品将轻烃回收的天然气凝析液，经过分馏塔分馏，切割成不同密度和组成的产品 的过程叫精馏。的过程叫精馏。 液化石油气液化石油气LPGLPG：指：指C2C2、、C3C3、、C4C4为主的烃类混合物。为主的烃类混合物。 天然汽油天然汽油 凝析油：凝析油：C5C5以上的烃类混合物。以上的烃类混合物。 制成商品天然气、乙烷、制成商品天然气、乙烷、LPGLPG、、天然汽油、凝析油。天然汽油、凝析油。 8大基础原料：乙烯、丙稀、丁稀、乙炔、苯、甲苯、二甲苯、萘 1414种有机原料：甲醛、乙醇、乙醚、乙醛、醋酸、环氧乙烷、种有机原料：甲醛、乙醇、乙醚、乙醛、醋酸、环氧乙烷、 环氧氯丙烷、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇、环氧氯丙烷、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇、 辛醇、苯酚、苯酐辛醇、苯酚、苯酐 3大合成材料：塑料、合成橡胶、合成纤维 其它化工产品：化肥、农药、合成药物、染料、溶剂、助剂 44、天然气加工利用：、天然气加工利用： 定义：～是定义：～是天然气及初加工的产物，经过裂解、汽化、分离、抽提、聚天然气及初加工的产物，经过裂解、汽化、分离、抽提、聚 合和缩聚等工艺过程，获得二次以上产品而使经济价值升高的工艺过程。合和缩聚等工艺过程，获得二次以上产品而使经济价值升高的工艺过程。 第二节 天然气净化技术 ——天然气外输前脱水 一、天然气脱水一、天然气脱水 天然气中水的存在是因扰生产的问： (1)水可以与天然气生成固体水合物而堵塞管线， (2)会增加设备、管线的腐蚀性； (3)冷凝水和杂质水的局部聚集会降低管线的输气量； (4)水的存在也会增加不必要的动力消耗。 因此，天然气必须进行脱水处理，使之达到规定的含水气量指标。 天然气的饱和含水蒸气量取决于天然气的温度、压力和气体 组成等条件。 1、绝对含水汽量是指单位体积天然气中含有的水汽重量，单 位为毫克／标米3 (mg/m3）。 美国110 mg/m3 2、天然气露点温度，则是指在一定的压力下，天然气中水蒸 气开始冷凝结露的温度。 P T 露点：（1）大气压下，大气中出 现露珠的温度 （（22）某一压力下，湿天然气出现）某一压力下，湿天然气出现 液滴的温度液滴的温度 A B 天然气外输前脱水 二、天然气气质指标 GB/T 17283GB/T 17283规定规定 ‘天然气气质指标’ -7-5=-12 第二章 天然气的高压物理性质 三、天然气脱水的方法 1、液体吸收法-溶剂吸收法 项 目 甲 醇 乙二醇 二甘醇 三甘醇 四甘醇 分子式 CH3OH CH2CH2(OH)2 O（CH2CH2OH）2 （C2H2O）2C2H4(OH)2 （C2H2O）3C2H4(OH)2 羟基：-OH 乙醇：CH3CH2OH 或C2H5OH 水合物，节流前 脱水：集输站 项 目 甲 醇 乙二醇 二甘醇 三甘醇 四甘醇 分子式 CH3OH CH2CH2(OH)2 O（CH2CH2O H）2 （C2H2O） 2C2H4(OH)2 （C2H2O） 3C2H4(OH)2 分子量 冰点，℃ 沸点（760mmHg）℃ 32.04 64.7 62.07 -11.5 197.3 106.1 -8.3 245.0 150.2 -7.2 287.4 194.2 -5.6 327.3 相对密度 0.7915 ( ) 1.1088 1.1184 1.1254 1.1282 与水溶解度（20℃） 绝对粘度（20℃） mpd.s 汽化热，J/g 比热，J/(g.K) 理论热分解温度，℃ 实际使用再生温度， ℃ 形状 完全互溶 0.593 1101 2.5 无色易挥发 的 易 燃 液 体 完全互溶 21.5 2.3 165 125 甜味无色的粘 稠液体 完全互溶 35.7 348 2.3 164.4 148-162.8 无色无溴的 粘稠液体 完全互溶 47.8 416 2.2 206.7 176.7-196.1 中等溴味的稠 粘液体 完全互溶 237.8 204.4-223.9 中等溴味的稠 粘液体 20 20d 20 4d 表6－6 常用水化物抑制剂的物理化学性质 湿天然气 吸收塔 再生釜 甘醇循环泵 缓冲-散热器 过滤器 重沸器 三 甘 醇 脱 水 原 理 流 程 图 醇类的亲水性、低冰点、高沸点 1、液体吸收法 连续过程 液体吸收法——溶剂吸收法 液体吸收法——溶剂吸收法 2、固体吸附法（干燥法） 吸附作用吸附作用主要是基于吸附剂的表面作用力。根据吸附剂与被 吸附物质之间作用力的不同，而把它分为物理吸附和化学吸附。 物理吸附是由分子间的引力作用引起的。 化学吸附化学吸附是吸附剂表面与被吸附介质间靠化学键的作用而达 到吸附的目的。由于化学吸附是不可逆的，故目前天然气净化的 吸附过程多为物理过程。它不与被吸附质发生反应，吸附和脱附 都进行得很快；吸附过程为瞬间平衡过程，它为一放热过程，其 放出的热量通常与气体的液化热相近。 性能 硅胶 活性氧 化铝 活性炭 沸石分子筛 细孔 粗孔 4A 5A 13X 堆密度， kg/m3 视密度，kg/L 真密度，kg/L 空隙率，℅ 670 1.2-1.3 2.1-2.3 43 450 50 750-850 1.5-1.7 2.6-3.3 44-50 400-540 0.7-0.9 1.6-2.1 44-52 500-800 0.9-1.2 2-2.5 孔隙率，℅ 孔径，A 24 25-40 30 80-100 40-50 72 50-60 12-32 47 4.8 47 5.5 50 10 粒度，mm 2.5-7 4-8 3-6 1-7 3-5 比表面积m2/g 500-600 100-300 300 800-1050 80 0 750-800 800- 1000 导热系数， W/(m.K) 比热， KJ/(kg.K) 再生温度，K 机械强度，％ pH 值 0.198 1 453-473 94-98 0.198 1 453-473 80-95 7-9 0.13 0.897 533 95 0.14 0.837 378-393 0.589 0.879 423-573 790 9-11.5 表 6-7 常用吸附剂性能表 2、固体吸附法（干燥法） 1号吸附器 2号吸附器 干 燥 剂 床 层 再生气体 加热炉 再生气体 冷却器 再生气体 分离器 去污水处理 湿天然气 进口 2．固体吸附法 固体干燥剂及吸附剂广泛地用于天然气的脱水。 尽管液体溶剂吸收脱水法具有设备投资及操作费用低廉的优点， 但其脱水深度有限。固体吸附法可将露点降至一73℃以下。 甘醇溶液法用于大型天然气液化装置中脱除原料气所含的大部分水 分。因此，对于大流量高压天然气脱水，假定需要的露点降仅为22- 28℃，一般情况下用二甘一醇和三甘醇脱水较经济。 与溶剂法相比，固体吸附法脱水深度高，对进料处理量变化极不 稳定较适应，装置操作、设计简单，占地面积小，无严重腐蚀、发泡 等。 目前天然气净化过程中，主要使用的吸附剂有活性铝土矿、活性 氧化铝、硅胶、分子筛等。其中，分子筛比其它几种吸附剂效果都 好，但成本高。在天然气液化或深冷之前，需将天然气干燥至低露 点，此时用分子筛脱水较合适。 3、冷却法 原理： 冷却降温后，使一部分水汽冷凝为水，经分离器排出。 制冷方法： 氨循环制冷、节流膨胀制冷、膨胀机制冷、天然冷却 第三节 天然气轻烃回收工艺 一、轻烃回收的重要意义 回收液态烃 将将CC22以上的轻质组分从天然气（气态）中液化、分离的以上的轻质组分从天然气（气态）中液化、分离的 过程称为轻烃回收，其工艺称为轻烃回收工艺。过程称为轻烃回收，其工艺称为轻烃回收工艺。 轻轻 烃烃 回回 收收 分分 馏馏 塔塔 天然汽油天然汽油 液化石油气液化石油气LPGLPG：：C2C2、、C3C3、、 C4C4为主的烃类混合物。为主的烃类混合物。 凝析油：凝析油：C5C5以上的烃类以上的烃类 混合物混合物 NGL 天然气凝析液 8大基础原料：乙烯、丙稀、丁稀、乙炔、苯、甲苯、二甲苯、萘 14种有机原料：甲醛、乙醇、乙醚、乙醛、醋酸、环氧乙烷、 环氧氯丙烷、甘油、异丙醇、丙酮、丁醇、 辛醇、苯酚、苯酐 3大合成材料：塑料、合成橡胶、合成纤维 其它化工产品：化肥、农药、合成药物、染料、溶剂、助剂 天然气初加工的产物天然气初加工的产物NGLNGL ，，经过裂解、汽化、分离、抽提、聚合和缩聚经过裂解、汽化、分离、抽提、聚合和缩聚 等工艺过程，可获得二次以上产品等工艺过程，可获得二次以上产品（（8大基础原料、14种有机原料、3大合成材料）） 11、、NGLNGL是重要的石油化工原料，满足国民经济的发展需要是重要的石油化工原料，满足国民经济的发展需要 溶剂产品目录 类型 型号 说明 石油脱沥青溶剂 石油醚类 工业溶剂 其它溶剂 30、60、90号试剂级 30、60、90号工业 级 30号发泡剂 120号建材溶剂 120号橡胶溶剂 180号橡胶溶剂 190号工业溶剂 200号油漆溶剂 6号抽提溶剂 香花溶剂 油墨稀释剂 皮鞋油溶剂 260号煤油型溶剂 主要成分是丙烷 石油醚类的馏分范围是30～60℃ 初馏点不小于80℃，98℅馏出温度不大于 120℃，芳烃不大于3℅ 初馏点不小于140℃，98℅馏出温度不大于 200℃，芳烃不大于15℅ 初馏点不小于60℃，98℅馏出温度不大于 90℃ 初馏点不小于60℃，98℅馏出温度不大于 70℃ 70～95℃和100～160℃馏分 150～200℃馏分 轻烃的合理利用 燃料型 燃料－溶剂型 液化 气 轻质 油 液化 气 6 号抽 提油 30 号 发 泡 剂 120 橡 胶 溶 剂 年产量，t 4500 5500 4500 2500 2500 500 产品单价，元/t 300 650 300 1150 2500 1160 年产值，万元 135. 0 357. 5 135. 0 287.5 625.0 58.0 年总产值，万元 492.5 1105 建设投资，万元 500 600 设备折旧，万元/a 50 60 生产费用，万元/a 100 120 税金，万元/a 49.25 110.5 利润，万元/a 293.25 814.5 所得税，万元/a 20.53 57.02 投资回收时间 a 1..83 0.79 项目 方案及产品 22、获得较高的经济效益、获得较高的经济效益 二、轻烃回收方法与工艺 轻烃回收的方法，按工作原理可以分为四大类。 1)压缩法：早期压缩法仅能回收少量重烃（C5+以上）； 2)吸附法：吸附间歇操作，能耗高，应用不广； 3)吸收法：传统方法以油吸收为主，分常温和低温两类； 4)冷冻法：分外冷和内冷法，原理上有依靠气体压能膨胀制冷、外加制 冷及混合制冷等类型，膨胀致冷又有节流、膨胀机及热分离机等形式。 天然气轻烃回收可在单井井场进行，也可以在回注站 （厂）、天然气加工厂进行。 1、吸附法 原料气原料气 干气干气 高高 温温 气气 体体 再再 生生 吸吸 附附 剂剂 吸附塔吸附塔 吸附过程一直进行到吸附剂被重烃所饱和，然后吸附塔不再进入原吸附过程一直进行到吸附剂被重烃所饱和，然后吸附塔不再进入原 料气。料气。 通入通入260260℃℃的热气流，将烃类脱附并冷凝，最后分离成所需的产品。的热气流，将烃类脱附并冷凝，最后分离成所需的产品。 特点：不能连续工作、仅限于加工特点：不能连续工作、仅限于加工33～～6060××101044mm33/d/d、、适合回收重烃。适合回收重烃。 固定床吸附法是一种从湿固定床吸附法是一种从湿 天然气中回收较重烃类的方天然气中回收较重烃类的方 法。法。 吸附塔中填以粒状或片状吸附塔中填以粒状或片状 的活性氧化铝或活性炭作为吸的活性氧化铝或活性炭作为吸 附剂。附剂。 2、冷油吸收法 冷 油 冷 油 原料气 干气 冷油再生 •在较高压力下，通过外部冷冻装置冷却吸收油， 与原料天然气直接接触，将天然气中的轻烃洗涤 吸收下来。 •在较低压力下，将轻烃解吸出来，解吸后的贫油 循环使用。 效果： •丙烷收率为85%-90％， •乙烷收率为20%-60%。 特点： 该法广泛用于60年代中期，投资和操作费用都高，近年来已被更为先进合理的冷凝分 离法所取代。 3、冷凝分离法 根据原料气中各组分冷凝温度不同的特点，在逐步降温过 程中，依次将较高沸点的烃类冷凝分离出来。该种方法是凝 析气田开发过程中使用最广的一种方法。 天然气是混合气体，组分中有低沸点组分，也有高沸点组分。 混合气体并不是在纯组分的沸点温度下才能将它冷凝，混合气体的露 点（温度）与压力和组成有关。 例如，在1. 36MPa时，纯丙烷的沸点（冷凝温度）约为 33.7℃，纯甲烷的沸点约为一117℃，一旦将两者混合，不同组成的甲 烷和丙烷混合气有不同的露点。 1)冷凝分离的基本原理 天然气中含有大量低沸点的甲烷，冷凝分离时，主要将丙烷和丁烷等较重的轻烃冷凝下 来，大部分的甲烷和乙烷并未冷凝，因此称这种冷凝过程为部分冷凝过程部分冷凝过程。 通常根据天然气的组成以及要求回收液烃的程度不同，天然气的冷凝分离（或称冷冻分 离）工艺有浅冷与深冷分离之分。 浅冷分离：浅冷分离：一般指冷冻温度不低于－30℃的分离工艺； 深冷分离：深冷分离：当冷冻温度达到－75～－130℃时，称为深度冷冻或深冷分离。 2）冷凝分离方法 ①外加循环制冷法 冷凝分离法的关键是要提供较低温的冷量，使原料气降 温。根据提供冷量的方式不同，可分为以下3种冷凝分离方 法： 交换塔 ②直接膨胀制冷法 TcTc为冷库中需要保持的温度，为冷库中需要保持的温度，ToTo为环境温度。压缩机可为环境温度。压缩机可 以是活塞式的或是叶轮式的。以是活塞式的或是叶轮式的。 从冷库出来的空气（状态从冷库出来的空气（状态1)1)的的T1T1＝＝TcTc;;进入压气机后被绝进入压气机后被绝 热压缩到状态热压缩到状态2,2,此时温度已高于此时温度已高于To;To; 然后进入冷却器，在定压下将热量传给冷却水，达到状然后进入冷却器，在定压下将热量传给冷却水，达到状 态态33，，T3T3＝＝ToTo；； 再导入膨胀机绝热膨胀到状态再导入膨胀机绝热膨胀到状态44，此时温度已低于，此时温度已低于TcTc；； 最后进入冷库，在定压下自冷库吸收热量（称为制冷最后进入冷库，在定压下自冷库吸收热量（称为制冷 量），回到状态量），回到状态11，完成循环。，完成循环。 空气制冷循环 ③混合制冷法 （外加循环制冷+膨胀制冷） 4、冷凝分离工艺 典型冷凝分离工艺原理流程 原料气 在回收工艺示意流程图中，深冷分离部分可采用两种工艺： 一种为透平膨胀机分离，另一种为节流膨胀分离（如图）。 适合于高压、重烃含量不太富的气田。 三、轻烃回收方法的对比及应用情况 各类方法对不同半成品的回收率 可见，其中以70年代问世的透平膨胀法效率最高，此法发展迅速并不断淘汰油吸收法。 1、各方法的收率对比 膨胀机制冷适用范围：原料气较贫且又有压能可用，或者说需提高回收后的出口压力（如 外输要求，凝析气油开发中的干气回注） 四、轻烃回收方法的选择 取决于(1):气体压力、气体组成、日产气量、储量 (2):轻烃回收的目的与目标：产品类型、回收深度 多方案设计、多因素分析、综合计算和对比 满足技术和经济上最佳的效果 以美国为例，从20世纪70年代以来到80年代，各种NGL回收工艺发展 情况（以装置数统计）为： 1)吸附装置从近50套降低到15套左右； 2)常温吸收装置从120左右下降到50套左右； 3)低温油吸收装置从300减少到225; 4)低温节流装置从10套上升到25套左右； 5)冷冻致冷装置从200套增加到210套； 6)低温膨胀机装置从10套增加至近300套。 • 总的趋势是，低温膨胀制冷回收工艺得到迅速的发展低温膨胀制冷回收工艺得到迅速的发展。 • 近年来有多种方法综合使用的趋势。 • 国外主要的进展集中于降低能耗，提高轻烃回收率及降低地面站场投资等方面。 2、国外的发展趋势 我国的轻烃回收工作开始于60年代。 80年代后，各油田都有了迅猛的发展，装置增加到80多套。 回收深度已从回收凝析油、丙丁烷上升到乙烷。从乙烷半成品到凝析油半成品统称为天 然气凝液，它们是目前制备乙烯的原料。 各大油田：各大油田： 如大庆、辽河、中原等油田，采用国外引进的先进轻烃回收装置，将乙烷以上的轻 烃供给30 x 104t/d或10 x 104t/d的大、中型乙烯装置作原料。 各大气田： 吐哈丘陵凝析气藏建成轻烃回收的天然气处理厂。 塔西南柯克亚凝析气田建设轻烃回收装置和乙烯厂，把回收轻烃后的干气回注，以保持 地层压力。 四川各主要气田： 鄂尔多斯气田： 青海涩北气田： •引进的大型轻烃回收装置，全部采用了透平膨胀机深冷分离工艺，有5套用于回收乙烷，其回 收率达到85%。 33、国内应用情况、国内应用情况 前景： 据石油消息预测，石化原料乙烯和丙烯的需求量将会大大增加，而天然 气回收凝液可直接或间接地提供原料。 33、国内应用情况、国内应用情况 溶剂产品目录 本章结束 井流物 天 然 气 脱 水、 节 流 调 压 轻轻 烃烃 回回 收收 分分 馏馏 塔塔 天然汽油天然汽油 液化石油气液化石油气 LPGLPG：： 凝析油：凝析油： 天 然 气 脱 酸 气 天然气预处理 轻 烃 回 收 工 艺 气 液 分 离 水 合 物 防 治 天 然 气 计 量 井 场 工 艺 我国的轻烃回收工作开始于60年代。 回收深度已从回收凝析油、丙丁烷上升到乙烷。从乙烷半成品到凝析油半成品统称为天然气凝液，它 们是目前制备乙烯的原料。 进入80年代后，各油田都有了迅猛的发展，装置增加到80多套。 各大油田：各大油田： 如大庆、辽河、中原等油田，采用国外引进的先进轻烃回收装置，将乙烷以上的轻烃供给30 x 104t/d或10 x 104t/d的大、中型乙烯装置作原料。 各大气田： 吐哈丘陵凝析气藏建成轻烃回收的天然气处理厂。 塔西南柯克亚凝析气田建设轻烃回收装置和乙烯厂，把回收轻烃后的干气回注，以保持地层压力。 四川各主要气田： 鄂尔多斯气田： 青海涩北气田： •引进的大型轻烃回收装置，全部采用了透平膨胀机深冷分离工艺，有5套用于回收乙烷，其回收率达到 85%。 •我国最大的中压透平膨胀机致冷回收天然气液工厂，川西北矿区的轻烃回收厂。1994年正式投产，所有设 备完全采用国产设备，由四川空气分离设备厂全新设计，设计最大处理能力为120 x 104m3/d，最小处理能 力为60 x 104m3 /d，最佳工作范围为（80-100）x104m3/d。原料气经外部换冷到-65℃，经约2MPa压降透平 膨胀后，降温至约-92℃回收液烃。 33、国内应用情况、国内应用情况 我国轻烃回收工艺的发展几乎和国外是同步的，主要设备和工艺也达到 了国际水平。 问题： 1)相当大一部分产品来自油田伴生气，加工率已达先进水平，但总量不 大，与原油产量之比仅为1％～0.5%。 2)回收装置的规模，除少数装置较大外，大部分较小。 3)除少数大型装置外，普遍回收深度低，有时含硫量超标。 4)国产装置价格低，但无论在规模还是在水平上，都与引进装置有一定 差距。此外，对引进装置的消化吸收工作尚不足。 前景： 据石油消息预测，石化原料乙烯和丙烯的需求量将会大大增加，而天然 气回收凝液可直接或间接地提供原料。 33、国内应用情况、国内应用情况 2、固体吸附法（干燥法） 第三节 天然气轻烃回收工艺