天然气丙烷回收工艺是指从天然气中回收丙烷及丙烷以上重组分的低温分离工艺，其产品为丙烷、丁烷及液化石油气、稳定轻烃。从天然气中回收丙烷可改善天然气产品质量，保证天然气管道输送安全，生产的液烃产品(丙烷、丁烷及液化石油气、稳定轻烃)是重要的化工原料，可提高油气田开发的经济效益。我国从20世纪70年代开始建设天然气丙烷回收装置，国内油气田已有几十套丙烷回收装置正在运行，已取得一定的研究成果和装置设计及建设经验。但国内丙烷回收主要采用膨胀机制冷、冷剂制冷+膨胀机制冷工艺，存在回收工艺单一、单位产品能耗偏高、产品回收率不高、系统冷热集成不合理等技术问题[1-4]。
单塔塔顶循环(Single Column Overhead Recycle，简称SCORE)工艺是一种用于回收丙烷及更重组分的低温分离工艺，是Ortloff公司于20世纪90年代末在塔顶循环(Overhead Recycle, 简称OHR)工艺的基础上改进而来，并在2000年首次得到应用的单塔凝液回收流程，现已有大量SCORE丙烷回收装置在国外运行，部分SCORE工艺应用情况如表 1所示[5]。为推动SCORE丙烷回收工艺在国内凝液回收装置的应用，本研究分析SCORE工艺流程组成、工艺原理及流程特征，通过实例模拟，分析流程中主要参数对丙烷回收率的影响，有利于工程设计人员掌握其流程设计的关键。
OHR工艺流程如图 1所示。该工艺采用典型双塔结构(吸收塔和脱乙烷塔)，低温分离器分离气相经透平膨胀机组膨胀端降温降压后进入吸收塔底部，脱乙烷塔塔顶气相出料经与吸收塔气相出料换热降温后进入吸收塔顶部，在塔内乙烷气化吸收制冷。吸收塔塔底液相出料经低温泵增压后进入脱乙烷塔顶部作为脱乙烷塔回流[6]。OHR工艺的主要缺陷是吸收塔底部液相出料经低温泵直换进入脱乙烷塔顶部作为脱乙烷塔回流，此股物流中含有大量丙烷及丙烷以上重组分，导致脱乙烷塔塔顶气相出料丙烷含量高，吸收塔中的冷凝吸收效果差，使得丙烷回收率偏低。
OHR流程中的吸收塔和脱乙烷塔在概念上可视为一个带有中部侧线抽出气相回流的复合塔，SCORE工艺正是基于这一复合塔的概念发展而来的[7]，即将吸收塔堆叠在脱乙烷塔上部，取消了吸收塔，气体侧线抽出经脱乙烷塔塔顶气体冷凝后作为脱乙烷塔回流，低温液相侧线抽出为原料气降温提供部分冷量，有效优化热集成，提高丙烷回收率，降低了工程投资[8]。
SCORE工艺流程图如图 2所示。SCORE工艺中的脱乙烷塔包含两部分，即上部的吸收段和下部的分馏段。上部吸收段中的塔盘或填料为膨胀制冷后的进塔物料中的气相和脱乙烷塔塔顶流下的低温液相提供充分接触，使得气相中的丙烷及更重组分冷凝吸收下来。下部分馏段中的塔盘或填料则为上升的气相物流和流下的液相物流提供充分接触。
SCORE流程从脱乙烷塔分馏段的上部侧线抽出一股液相流进入原料气冷箱中为原料气提供冷量(通常这股液体可通过热虹吸进行循环，有时也使用泵强制循环)后[9]，被加热部分气化为脱乙烷塔分馏段的中部进料。脱乙烷塔的分馏段上部侧线抽出一股气相，该气相流被脱乙烷塔塔顶气冷却后的冷凝液作为塔顶回流。通常当处理量较大时，将改变回流分流比，使部分回流凝液进入分馏段上部为侧线气相抽出提供物料。
SCORE流程将脱乙烷塔的回流由气相侧线抽出物流冷凝产生，液相侧线抽出物流产生冷量以优化系统热集成。其丙烷回收率可超过97%，甚至达到99%以上。SCORE工艺对进气压力大于4 MPa的运行工况效果较佳。较富的原料气需增加外部制冷系统[10]。
SCORE流程的主要特点有[11]：①流程采用单塔结构，取消了传统双塔流程中的吸收塔，可以有效减少投资和占地面积；②流程侧线气相抽出经冷凝后作脱乙烷塔回流，侧线抽出气相量及丙烷含量对装置的丙烷回收率影响较大；③流程侧线液相抽出，降低了低温分离器温度及重沸器负荷，提高了系统热集成度。
与常规的双塔丙烷回收流程相比，主要区别在于SCORE流程控制合理的侧线气相抽出量、侧线液相抽出量和脱乙烷塔塔顶回流的两股分流量。为分析这些因素对于SCORE流程丙烷回收率和能耗的影响，采用HYSYS软件对SCORE流程进行了模拟分析。其模拟基础数据如下：处理规模500×104 m3/d；进料压力6 MPa；外输压力9 MPa；进料温度30 ℃。原料气组成如表 2所列。
依据基础数据，模拟分析SCORE流程侧线液相抽出对系统热集成的影响。侧线液相抽出量对系统热集成的影响如图 3所示。由图 3可知，侧线液相抽出越多，原料气预冷越充分，低温分离器温度越低，原料气回收的冷量相应增加。当侧线液相抽出量从500 kmol/h增加到900 kmol/h时，低温分离器温度降低了2.6 ℃，入口冷箱中原料气从侧线液相抽出中回收的冷量增加了840 kW。
侧线液相的抽出量经原料气加热气化后可补充吸收段下部的侧线气相抽出，一定的侧线液相抽出量对应合理的侧线气相抽出量及丙烷回收率，不同侧线液相抽出量对应的最大侧线气相抽出量及丙烷回收率如图 4所示。由图 4可知，侧线液相抽出量的增加可以显著提高侧线气相抽出量并大幅提高丙烷回收率，当侧线液相抽出量从400 kmol/h增加到1 000 kmol/h时，最大侧线气相抽出量可从700 kmol/h增加到1 550 kmol/h，使得丙烷回收率从82%提高到98%。
脱乙烷塔塔顶两股分流对SCORE流程也有一定的影响，如图 5所示。由图 5可知，控制侧线液相抽出量在900 kmol/h，侧线气相抽出量越多，塔顶回流比(塔顶回流量/回流罐分离液相量)对丙烷回收率的影响越大，侧线气相抽出量越多，塔顶回流比可适当减少，在满足脱乙烷塔上端吸收段冷凝吸收作用所需的回流量下，增大下部回流用于补充气相抽出量，可进一步提高丙烷回收率。
由前述可知，侧线抽出量越大，丙烷回收率越高，但处理量不同，侧线气液相抽出量变化较大。在保证SCORE流程具有高回收率(＞98%)条件下分析SCORE流程侧线抽出规律。由图 6可知，随着原料气处理量的增加，侧线气相抽出量和液相抽出量均近似线性增长，不同处理量下侧线气相抽出比和液相抽出比均高于0.90，且变化不大(约0.95)。由此可见，大量的侧线抽出是SCORE流程的主要特征。
经上述对SCORE流程主要特性参数的研究，在保持高回收率的条件下，对所提供气质工况下的主要模拟参数见表 3。
为分析SCORE流程的适应性，选择3种不同进料条件和气质组成的原料气进行对比分析，其进料条件及气质组成如表 4所示。
通过3种不同贫富气质对SCORE流程进行模拟计算，控制合理的侧线气相和液相抽出量及塔顶回流比，其计算结果如表 5所示，模拟结果分析如下：
(1) SCORE流程对于3种气质均具有较好的适应性，丙烷回收率均高于98%。
(2) 气质的组成对SCORE流程侧线液相抽出比影响较小，均高于0.90。
(3) 气质的组成对侧线气相抽出比影响较大，原料气气质越富，侧线气相抽出比相应减少。针对计算条件C进行了详细模拟分析，侧线气相抽出量对脱乙烷塔回流温度及丙烷回收率的影响如图 7所示。由图 7可知，原料气较富，侧线气相抽出物流随之变富，随着侧线抽出量的增加，脱乙烷塔回流温度升高，吸收段的冷凝吸收效果变差，导致丙烷回收率下降。故当气质富到一定程度后，SCORE流程需要减小侧线气相抽出比以保证丙烷回收率。
(4) 3种气质的脱乙烷塔塔顶回流比控制在0.4~0.6，脱乙烷塔塔顶回流比应根据不同气质工况进行调节。
(1) 通过对SCORE的流程特性分析，侧线液相抽出可提高SCORE流程的热集成度，增大侧线液相抽出量可回收大量冷量，有效降低低温分离温度，提高丙烷回收率。侧线气相抽出量越多，可减小脱乙烷塔塔顶回流比，有助于提高回收率。随着原料气处理量增加，侧线气相和液相抽出量呈线性增长，而对于较贫气质的侧线气相和液相抽出比均高于0.90，且变化很小。
(2) 采用SCORE流程对3种不同气质进行适应性分析发现，SCORE流程对于不同气质均具有较好的适应性(丙烷回收率大于98%)。气质的贫富对SCORE流程侧线液相抽出比影响较小，而对侧线气相抽出比影响较大。
(3) 经过对SCORE流程的特性及适应性分析认为，SCORE流程是一种回收率高、适应范围较宽的高效丙烷回收流程，可在我国凝液回收工程领域推广使用。
2017, Vol. 46 Issue (6): 39-44
2017, Vol. 46 Issue (6): 39-44