LNG轻烃分离的专利技术与设备

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：近年来,在美日等国又注册了很多LNG轻烃分离专利。图7-55 美国专利US6941771B2的轻烃分离流程图该装置主要包括LNG泵1和泵2,换热器、闪蒸塔、脱甲烷塔及压缩机等设备。脱甲烷塔塔底的C+2轻烃节流降压到0.2MPa,进入脱乙烷塔进一步分离,该塔塔顶压力为0.12MPa。图7-57 利用LNG冷量的轻烃分离高压流程

目前世界贸易中许多LNG都是湿气(乙烷、丙烷等C+₂轻烃的摩尔含量在10%以上),湿气中的C⁺₂轻烃是优质清洁的乙烯裂解原料,用其代替石脑油生产乙烯,装置投资可节省30%,能耗降低30%,综合成本降低10%。利用LNG的冷量分离出其中的轻烃资源,还可以省去制冷设备,以很低的能耗获得高附加值的乙烷和由C+₃组成的液化石油气(LPG)产品,同时实现LNG的气化,是LNG冷量利用的一种有效方式。

国外早在1960年就有从LNG中分离轻烃的专利了。近年来,在美日等国又注册了很多LNG轻烃分离专利。美国专利US6941771B2^[54]的轻烃分离流程如图7-55所示。

图7-55 美国专利US6941771B2的轻烃分离流程图

该装置主要包括LNG泵1和泵2,换热器、闪蒸塔、脱甲烷塔及压缩机等设备。LNG原料首先经泵1增压,再由分流器分为大小两股:较大的一股(约为总流量的85%～90%)在换热器中预热而部分气化,然后进入闪蒸塔中进行气液分离,甲烷气体从闪蒸塔顶部分出,富含C⁺₂轻烃的LNG从塔底分出后,输入脱甲烷塔中进一步分离;而从分流器中分出的另一小股LNG(约为总流量的10%～15%),则作为脱甲烷塔顶回流;经脱甲烷塔的分离,剩余的甲烷全部以气相从塔顶分出,塔底分出的液体则为C⁺₂轻烃产品。将从闪蒸塔和脱甲烷塔顶分离出来的两股甲烷气体混合后,经压缩机压缩提高压力,然后在换热器中与增压过冷的LNG原料换热而全部液化,再用高压泵2将液体甲烷增压到外输要求后,送入气化装置。在此流程中,LNG的冷量主要用于轻烃分离及分离出来的甲烷气体的再液化。另外,从闪蒸塔和脱甲烷塔顶分离出来的甲烷气体,其压力和经泵1增压后的LNG压力基本相当,由于LNG的显冷不足以将全部的甲烷气体液化,故甲烷液化需要利用一部分LNG的潜冷。为了能够利用LNG的潜冷,必须提高甲烷气体的压力,使其液化温度高于换热过程LNG部分气化的温度。文献[54-58]都是通过采用压缩机做功来提高甲烷气体的压力,所以能耗较高。

近年来,我国对于LNG冷量利用于轻烃分离也已经开展了一些研究工作。华南理工大学华贲等提出了多种改进流程。文献[59]提出了一种低温换热网络与轻烃分离过程相集成的LNG轻烃分离流程,即通过优化换热网络及热集成,使分离流程的能耗大为降低,但该流程分离获得的C₂⁺轻烃压力仍然较高。文献[60]对换热网络进行优化改进,设计了一种完全不用压缩机的LNG轻烃分离工艺,同时利用LNG的冷量使分离获得的轻烃产品过冷,使其在低压下仍保持为液相,方便产品的储运和销售;但该流程未将C⁺₂进一步分离成乙烷和C+3,不利于产品的直接利用。此外,这些流程通过复杂的换热网络实现能量的最大化利用,虽然大大降低了能耗,但结构复杂,设计也更具有针对性,适应性较差。

针对轻烃分离流程普遍存在的压缩机能耗过大、轻烃压力过高或未能完全分离这两大缺陷,上海交通大学高婷等提出了两种改进流程。

第一种改进流程借鉴文献[60],提出了一种利用LNG冷量的轻烃分离改进流程:通过梯级利用LNG的冷量将分离出的富甲烷天然气全部重新液化,使其可使用泵增压到管输压力,降低了能耗,并将重新液化后的天然气为脱乙烷塔中的冷凝器提供冷量。分离出的C⁺₂进一步在常压下的脱乙烷塔中分离出液态高纯乙烷和液态C+₃(LPG),方便产品的储运。该流程如图7-56所示。

图7-56 从LNG中获得液态乙烷和LPC的无压缩机流程

常压LNG首先通过泵P-101加压到1.5MPa,之后经过两次加热,分别利用其显冷和潜冷,成为气液两相,在气液分离器V-100中分成富含甲烷的天然气5和富含C⁺₂轻烃的LNG8。前者利用LNG的显冷被液化并通过泵P-103加压到2.4MPa,后者通过泵P-102加压到2.5MPa后进入脱甲烷塔T-101。脱甲烷塔塔顶压力为2.4MPa,精馏分离后塔顶得到富甲烷天然气,利用LNG的潜冷将其液化,并与加压后的富甲烷天然气7混合,之后通过泵P_-104将其进一步加压到5MPa。脱甲烷塔塔底的C+₂轻烃节流降压到0.2MPa,进入脱乙烷塔进一步分离,该塔塔顶压力为0.12MPa。通过精馏分离在脱乙烷塔顶得到纯度为99.99%的常压液态乙烷产品,塔底得到常压LPG产品(C+₃)。脱乙烷塔中冷凝器所需的冷量由富甲烷LNG13提供,使其升温到-90℃左右,之后该LNG使用泵P-105增压到管输压力,成为-80℃左右的LNG,其冷量还可进一步加以利用。该流程中脱乙烷塔再沸器的温度为-30℃左右,可直接使用空气或水加热;脱甲烷塔再沸器的温度为25℃左右,可利用低温废热加热,如果没有低温废热,则可牺牲一部分天然气燃烧加热。

另一种改进流程则是在较高压力下(4.5MPa)进行轻烃分离,分离出的甲烷能以较小的能耗直接使用压缩机增压到管输压力。分离出的C+₂进一步在常压下的脱乙烷塔中分离出液态C⁺₃产品,塔顶则可直接得到常压下的高纯液态乙烷产品。流程不需要复杂的换热集成,结构较简单,如图7-57所示。

常压LNG通过泵加压到4.5MPa,预热后进入脱甲烷塔(T-101),该塔的操作压力为4.3MPa。通过脱甲烷塔99.99%以上的甲烷被回收,浓缩后的天然气4通过压缩机加压到管输压力并进入天然气管网。分离出的C⁺₂5节流降压至0.2MPa,之后进入脱乙烷塔(T-102)。该塔的操作压力为0.11MPa,通过精馏分离在塔顶得到纯度为99.99%的常压液态乙烷产品,塔底得到常压LPG产品(C+₃)。脱甲烷塔中再沸器的温度大约为50～70℃,其热耗可由轻烃分离后的天然气燃烧提供;脱乙烷塔中冷凝器所需的冷量由LNG提供,再沸器的温度大约为-20～-35℃,可直接使用空气或水加热。

图7-57 利用LNG冷量的轻烃分离高压流程

LNG轻烃分离的专利技术与设备

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