30104 m3d天然气凝液回收装置工程设计.docx

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30104m3d天然气凝液回收装置工程设计

30×104m3/d天然气凝液回收装置工程设计说明书

1.概述

1.1设计任务及要求

设计任务：

本工程设计是完成油气储运工程专业课程学习之后，为使学生能对油气储运工程专业有一个更加系统、全面的了解，并综合利用所学知识进行工程设计而开设的的实践环节课。

通过本课程的学习和训练，使学生深入理解油气储运工程的基本理论和技术，掌握油气储运工程的设计思路及方法。

设计的基本要求：

工程设计应符合现代执行的技术规范和技术标准。

要求绘制的工艺流程图和相关图样完整和规范。

在工艺计算及设备选型时，确保理论依据充分，使用的图表和公司正确，计算步骤简明，计算结果正确、可靠。

尽可能采用国内外油气储运工程的新技术、新工艺和设备。

1.2设计原则

采用透平膨胀机法的前提条件是有自由压力能供利用的场合，当具有一定压力的天然气流通过透平膨胀机时，其膨胀过程近似于等熵膨胀过程，发出膨胀功的同时，气流的温度将急剧下降，因此，气流中的烃组分将被冷凝下来。

按照一定的方式组合工艺流程，可以使产生的冷量得到合理利用，天然气凝析液将充分回收，这就是透平膨胀机法加工天然气的理论基础。

1.3遵循的标准、规范

1　干气：

符合《天然气》（GB17820-1999）中的要求

2　液化石油气：

符合《油田气液化石油气》（GB9052.1-1998）的要求

3　稳定轻烃：

符合《稳定轻烃》（GB9053-1998）中的要求

4　气液分离器的直径按GB50350-2005《油气集输设计规范》

5　脱乙烷塔直径和高度的计算公式采用《容器和液液混合器的工艺设计》

6　冷凝器选型依据GB151-1999《管壳式换热器》、JB/T4714-92《浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数》

7　重沸器选型依据GB151-1999《管壳式换热器》

8　加热炉的设计计算方法依据SY/T0538-2004《管式加热炉规范》

1.4设计内容

1.4.1膨胀机制冷工艺研究内容

本项目在完成了天然气凝液回收工艺技术研究的基础上，进一步研究了膨胀机制冷在天然气凝液回收工程中的应用。

根据给定的天然气气质工况和处理规模，以SY/T0076-2003《天然气脱水设计规范》、SY/T0077-2003《天然气凝液回收设计规范》及其相关技术设计规范为依据，对30×104m3/d膨胀机制冷天然气凝液回收工程进行了工艺流程设计、流程模拟、工艺参数研究和主要工艺设备设计计算。

本应用工程完成了以下的研究内容：

（1）膨胀机制冷凝液回收工艺方案研究；

（2）工艺流程设计及流程模拟；

（3）工艺参数研究及优选；

（4）主要工艺设备设计计算。

1.4.2气质工况及处理规模

气体处理规模：

30×104m3/d

进站压力：

3.5～4.0MPa

进站温度：

20～30℃

干气外输压力：

1.8～2.0MPa

天然气气质组成见表7-1。

表1-1天然气组成表（干基）

组分

CO2

iC4

mol%

1.439

0.120

89.716

5.805

1.827

0.245

组分

nC4

iC5

nC5

mol%

0.461

0.146

0.140

0.0602

0.0408

天然气凝液回收装置产品为石油液化气、稳定轻烃、商品天然气，其产品质量符合国家质量指标。

装置的操作范围为80～120%。

1.4.3工艺方法选用

根据天然气组成表7-1，丙烷及丙烷以上组分含量为2.92mol%，该天然气属于贫气。

原料气压力为3.5～4.0MPa，干气外输压力为1.8～2.0MPa，有压差可利用，由于膨胀机制冷工艺具有流程简单、能耗低、技术成熟等特点，膨胀机制冷是目前国内外天然气凝液回收工艺中应用最广泛的回收工艺，因此该凝液回收装置工艺首选膨胀机制冷工艺。

应用软件HYSYS2004，对工艺流程进行了模拟计算，丙烷收率达80%以上，因此该制冷工艺选用膨胀机制冷是合理可行的。

为了防止在天然气凝液回收装置中形成水合物，堵塞管道和设备，在工艺流程中必须选用合适的脱水工艺。

经模拟计算，膨胀机出口温度达-80℃以下，所以必须控制天然气水合物的形成温度-80℃以上，其脱水装置必须满足深度脱水，在目前天然气脱水的主要方法有三甘醇脱水和分子筛脱水，三甘醇脱水的露点降只能达到50℃左右，而分子筛脱水能满足该装置脱水要求，因此装置选用4A分子筛脱水工艺。

1.5主要技术经济指标

天然气凝液回收装置主要生产干气、液化石油气和稳定轻烃产品，各产品的质量标准均满足国家相关标准规范的要求。

装置理论计算的C3收率为86.11%。

干气外输压力为1.8～2.0MPa，产品指标符合《天然气》（GB17820-1999）中一类天然气的要求。

液化石油气符合《油田气液化石油气》（GB9052.1-1998）的要求。

稳定轻烃符合《稳定轻烃》（GB9053-1998）中1号稳定轻烃的要求。

表1-2干气、液化石油气、稳定轻烃指标

项目

干气

液化石油气

稳定轻烃

温度，℃

44.10

44.82

45.31

压力，kPa

2033.72

1300

300

质量流量，kg/h

14490

978.21

258.84

标况下气体体积，m3/h

20270

—

饱和蒸汽压（37.8℃），kPa

—

1114.89

101.71

分子量

17.16

47.82

77.04

流体密度，kg/m3

13.77

485.64

612.45

低位热值，MJ/m3

36.29

—

摩尔组成

氮气

0.014796

0.000000

二氧化碳

0.001234

0.000001

0.000000

甲烷

0.922454

0.000001

0.000000

乙烷

0.058841

0.034929

0.000000

丙烷

0.002609

0.668001

0.000003

异丁烷

0.000039

0.102293

0.000687

正丁烷

0.000027

0.191726

0.017684

异戊烷

0.000001

0.002477

0.362161

正戊烷

0.000000

0.000571

0.358372

己烷

0.000000

0.155620

庚烷

0.000000

0.105473

水

0.000000

2.天然气凝液回收工艺流程

2.1工艺方案

根据天然气组成表3-1，丙烷及丙烷以上组分含量为2.92mol%，该天然气属于贫气。

应用软件HYSYS2004，对工艺流程进行了模拟计算，丙烷收率达80%以上，因此该制冷工艺选用膨胀机制冷是合理可行的。

为了防止在天然气凝液回收装置中形成水合物，堵塞管道和设备，在工艺流程中必须选用合适的脱水工艺。

经模拟计算，膨胀机出口温度达-80℃以下，所以必须控制天然气水合物的形成温度-80℃以上，其脱水装置必须满足深度脱水，

在目前天然气脱水的主要方法有三甘醇脱水和分子筛脱水，三甘醇脱水的露点降只能达到50℃左右，而分子筛脱水能满足该装置脱水要求，因此装置选用4A分子筛脱水工艺。

2.2工艺流程

2.2.1工艺流程简述

通过对多种工艺流程方案的优化组合，在上述工艺参数研究及优选基础上，对全流程进行了模拟计算和优化，确定了膨胀机制冷工艺流程，如图1-4和图1-5所示。

本装置采用了膨胀机制冷工艺和分子筛脱水工艺，液烃分馏采用脱乙烷塔和脱丙丁烷塔。

脱乙烷塔重沸器和脱丙丁烷塔重沸器热源由水蒸汽提供，再生气加热炉采用燃气管式加热炉。

天然气处理装置通过对原料气进行脱水、制冷及分馏等处理单元，分离出液化石油气和稳定轻烃等高附加值组分。

本次设计天然气处理装置采用分子筛脱水、膨胀机制冷工艺流程。

具体流程描述如下：

原料气（3.5MPa，30℃）进分子筛吸附器（X-301A/B）进行吸附脱水。

原料气自上而下吸附，分子筛吸附器出口原料气含水小于1ppm（V）。

分子筛出口原料气经分子筛出口过滤器（F-301A/B）除去其中夹带的分子筛粉尘和杂质后进制冷单元。

分子筛干燥器采用两塔操作流程，8小时自动切换1次，原料气切换到已再生完毕的分子筛X-301B进行吸附脱水，X-301A经再生、冷吹完成再生过程。

X-301B吸附周期为8小时，再生加热时间为4小时30分钟，冷吹时间为3小时12分钟，备用切换时间为18分钟。

分子筛再生过程为同压再生。

再生气及冷吹气引自膨胀压缩机增压端出口管线。

再生气经燃气加热炉（H-301）加热至275℃，从下部进入X-301A/B对分子筛进行再生，分子筛出再生气经再生气冷却器（E-307）冷却至45℃，进入再生气分离器（D-303），分出游离水后作为生活及装置用气。

分子筛脱水单元来原料气（3.45MPa，30℃）进入冷箱（E-301），与脱乙烷塔顶来气和低温分离器分出的凝液换冷至-60.9℃后进低温分离器（D-302）。

D-302分出的气体经膨胀压缩机组（K-301）膨胀端膨胀至1.7MPa、-87.7℃，进脱乙烷塔（T-301）上部，低温分离器分出的低温凝液节流降温至1.76MPa、-75.0℃进冷箱（E-301）复热至5℃进脱乙烷塔（T-301）中部。

脱乙烷塔（T-301）顶气相（1.7MPa，-81.6℃）经冷箱复热至1.67MPa、25℃作为干气产品外输，脱乙烷塔（T-301）底凝液经脱乙烷塔重沸器加热至67.5℃后进脱丙丁烷塔（T-302）上部。

制冷系统最低操作温度为-87.7℃，CO2的冰点为-152℃，因此不会发生CO2冻堵现象。

脱乙烷塔塔底来的轻烃（1.75MPa，67.5℃）进脱丙丁烷塔（T-302）。

脱丙丁烷塔为全塔，脱丙丁烷塔塔底操作压力为1.35MPa，塔底操作温度147.2℃。

脱丙丁烷塔顶气相经脱丙丁烷塔塔顶液化气冷凝器（E-304）冷凝至44.8℃后进脱丙丁烷塔塔顶回流罐（D-304），液体经脱丙丁烷塔塔顶回流泵（P-301）提升后，部分回流入塔，部分作为液化石油气产品去液化石油气储罐。

脱丙丁烷塔塔底重沸器（E-303）出来的轻烃经稳定轻烃冷却器（E-305）冷至45℃，节流至0.3MPa后，进轻烃储罐。

2.2.2工艺特点

在工艺流程设计中，采用成熟可靠的工艺技术，提高工程开发水平和装置的经济效益。

其工艺特点有以下几点：

（1）原料气气质较贫，有压差可利用，本装置采用膨胀机制冷工艺，工艺流程简单，制冷效果好，回收率高。

（2）工艺流程合理，充分利用国内成熟技术，所有塔器中均采用高效金属规整填料，降低了塔高，节省了设备投资。

（3）采用多股流板翅式换热器，充分回收制冷设备提供的冷量以提高丙烷收率。

（4）本装置采用的膨胀机凝液回收工艺具有能耗低、技术成熟、安全可靠、节省工程投资等优点。

2.3物料表、流程图

物料表

30×104m3/d膨胀机制冷天然气凝液回收装置物料平衡表

物料点

气体分率

0.8584

温度（℃）

243.4

压力（kPa）

3500

摩尔流量（㎏mole/h）

558.2

0.0000

558

0.2000

558.2

质量流量（㎏/h）

1.011e+004

0.0000

1.011e+004

3.603

1.011e+004

热流量（kJ/h）

-4.272e+007

0.0000

-4.267e+007

-4.817e+007

-4.272e+007

分子量

18.11

18.02

18.11

18.02

18.11

流体密度（㎏/m3）

27.51

846.7

27.51

19.68

27.51

分子量

0.9140

2.955e-002

0.9140

粘度（cP）

1.221e-002

0.7972

1.218e-002

1.221e-002

摩尔分数

0.0144

0.0000

0.0144

0.0000

0.0144

0.0012

0.0001

0.0012

0.0000

0.0012

0.8968

0.0000

0.8972

0.0000

0.8968

0.0580

0.0000

0.0581

0.0000

0.0580

0.0183

0.0000

0.0183

0.0000

0.0183

0.0024

0.0000

0.0024

0.0000

0.0024

0.0046

0.0000

0.0046

0.0000

0.0046

0.0015

0.0000

0.0015

0.0000

0.0015

0.0014

0.0000

0.0014

0.0000

0.0014

0.0006

0.0000

0.0006

0.0000

0.0006

0.0004

0.0000

0.0004

0.0000

0.0004

0.9999

0.0000

1.0000

0.0004

1.0000

30×104m3/d膨胀机制冷天然气凝液回收装置物料平衡表（续表）

物料点

气体分率

1.0000

0.0000

1.0000

0.0000

0.9385

温度（℃）

-60.22

压力（kPa）

3500

101.3

3450

3420

摩尔流量（㎏mole/h）

558.2

0.0000

1.0000

558

0.2000

558.0

质量流量（㎏/h）

1.011e+004

0.0000

18.11

1.011e+004

3.603

1.011e+004

热流量（kJ/h）

-4.272e+007

0.0000

-7.644e+004

-4.254e+007

-5.684e+004

-4.529e+007

分子量

18.11

18.02

18.11

18.02

18.11

流体密度（㎏/m3）

27.51

846.7

0.7550

26.51

1001

49.48

分子量

0.9140

2.955e-002

0.9971

0.9199

2.424e-002

粘度（cP）

1.221e-002

0.7972

1.1071e-002

1.232e-002

0.7185

摩尔分数

0.0144

0.0000

0.0144

0.0000

0.0144

0.0012

0.0001

0.0012

0.0000

0.0012

0.8968

0.0000

0.8959

0.8972

0.0000

0.8972

0.0580

0.0000

0.0580

0.0581

0.0000

0.0581

0.0183

0.0000

0.0182

0.0183

0.0000

0.0183

0.0024

0.0000

0.0024

0.0000

0.0024

0.0046

0.0000

0.0046

0.0000

0.0046

0.0015

0.0000

0.0015

0.0000

0.0015

0.0014

0.0000

0.0014

0.0000

0.0014

0.0006

0.0000

0.0006

0.0000

0.0006

0.0004

0.0000

0.0004

0.0000

0.0004

0.9999

0.0014

0.0000

1.0000

0.0000

1.0000

30×104m3/d膨胀机制冷天然气凝液回收装置物料平衡表（续表）

物料点

s10

s11

s12

s13

s14

气体分率

0.9385

0.0000

1.0000

0.2110

0.7032

0.9673

温度（℃）

-60.22

-74.06

5.000

-87.65

压力（kPa）

3420

1760

1730

1700

摩尔流量（㎏mole/h）

558.0

34.33

523.7

34.33

523.7

质量流量（㎏/h）

1.011e+004

1104

9001

1104

9001

热流量（kJ/h）

-4.529e+007

-3.813e+006

-4.148e+007

-3.813e+006

-3.447e+006

-4.188e+007

分子量

18.11

32.16

17.19

32.16

17.19

流体密度（㎏/m3）

49.48

506.28

44.55

146.8

37.50

23.69

分子量

0.1227

0.7454

粘度（cP）

0.1262

9.533e-003

摩尔分数

0.0144

0.0017

0.0152

0.0017

0.0152

0.0012

0.0019

0.0012

0.0019

0.0012

0.8972

0.4385

0.9272

0.4385

0.9272

0.0581

0.2169

0.0476

0.2169

0.0476

0.0183

0.1803

0.0076

0.1803

0.0076

0.0025

0.0303

0.0004

0.0303

0.0004

0.0046

0.0664

0.0006

0.0664

0.0006

0.0015

0.0228

0.0001

0.0228

0.0001

0.0014

0.0221

0.0000

0.0221

0.0000

0.0006

0.0097

0.0000

0.0097

0.0000

0.0004

0.0066

0.0000

0.0066

0.0000

1.0000

30×104m3/d膨胀机制冷天然气凝液回收装置物料平衡表（续表）

物料点

s15

s16

s17

s18

s19

s20

气体分率

1.0000

0.0000

1.0000

温度（℃）

-82.06

58.00

42.39

155.3

30.00

50.37

压力（kPa）

1700

1750

1500

1550

1670

2055

摩尔流量（㎏mole/h）

541.5

16.46

14.29

2.162

541.5

质量流量（㎏/h）

9275

829.8

663.3

166.5

9275

热流量（kJ/h）

-4.529e+007

-2.123e+006

-1.765e+006

-3.413e+005

-4.057e+007

-4.017e+007

分子量

17.13

50.42

46.40

77.02

17.13

流体密度（㎏/m3）

21.97

482.1

479.9

468.6

11.79

13.58

分子量

0.8341

6.648e-002

5.529e-002

7.150e-002

0.9623

0.9633

粘度（cP）

8.003e-003

9.478e-002

9.263e-002

8.339e-002

1.173e-002

1.246e-002

摩尔分数

0.0148

0.0000

0.0148

0.0012

0.0000

0.0012

0.9244

0.0000

0.9244

0.0569

0.0966

0.0112

0.0000

0.0569

0.0026

0.5350

0.6160

0.0000

0.0026

0.0000

0.0818

0.0940

0.0012

0.0000

0.1554

0.1763

0.0177

0.0000

0.0495

0.0023

0.3615

0.0000

0.0475

0.0003

0.3589

0.0000

0.0204

0.0000

0.1553

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工艺流程图：

2.3.1工艺参数研究及流程模拟

（1）膨胀机制冷回收原理流程

工艺流程是因原料气

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