费 翔

(中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266101)

1 概 述

为满足天然气长输管线的烃露点要求,回收天然气中有价值的乙烷、丙烷、丁烷及轻油，油气田轻烃回收作为各气田新的经济增长点,一直以来受到人们的重视，轻烃回收工艺也得到了长足发展。在众多的轻烃回收方法中,低温回收工艺是当前主要采用的方法。低温回收工艺过程中最主要、最关键的步骤就是制冷工艺，它直接影响装置的投资、能耗和回收率三大指标。制冷的方法有多种，如压缩制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷等[1]。由于压缩制冷具有流程简单、工艺成熟等特点，被广泛应用。丙烷压缩循环制冷常用于-60～0℃的制冷领域中。本文通过对某处理量200x104Nm3/d天然气处理厂轻烃回收中三种不同丙烷压缩制冷工艺的压缩功耗进行比较和分析。

2 丙烷压缩制冷工艺

2.1 丙烷性质

制冷剂是制冷循环的基础，影响制冷机的工作特性。了解制冷剂的热力学性质对模拟计算参数的选择有着重要的影响。表1为丙烷的热力学性质参数[2]。

表1 丙烷的热力学性质

表1(续)

从丙烷的性质发现，在天然气处理装置中，利用丙烷作为制冷工质具有较多有利条件。

(1)丙烷具有较低的沸点温度，可使原料气达到较低的制冷温度，从而提高装置的轻烃收率。

(2)丙烷对环境友好，泄漏危害小；

(3)获取丙烷非常便利，节省投资。

2.2 丙烷制冷工艺

目前，在轻烃回收丙烷制冷工艺上主要分为一级制冷、二级制冷及三级制冷三种工艺。本文通过对某处理量为200×104Nm3/d天然气处理厂的丙烷制冷系统进行分析研究,分析这三种制冷工艺的区别，选出适合本项目的丙烷压缩制冷工艺。利用Aspen Hysys软件对该厂轻烃回收装置进行模拟计算，要达到该厂的C3收率要求，丙烷系统低温冷却温度为-35℃ ,原料气冷却温度为-30℃，冷箱冷却负荷为5989kW。

2.2.1 丙烷一级制冷

丙烷压缩机一级制冷工艺流程如图1所示，丙烷储罐内的丙烷(35℃，1250 KPa)经过节流,压力降至137.4KPa,温度降为-35℃ ,经冷箱换冷后,进入压缩机入口一级分离器, 再经丙烷压缩机增压至1270KPa,经空冷器冷却至35℃后,回丙烷储罐，完成循环。

图1 丙烷压缩机一级制冷工艺流程

2.2.2 丙烷二级制冷

丙烷压缩机二级制冷工艺流程如图2所示, 丙烷储罐内的丙烷(35℃，1250 kPa)经过一级节流,压力降至635.7kPa,温度为10℃，进入二级分离器,气相去二级压缩机入口，液相经过二级节流,压力降至137.4kPa,温度为-35℃,经冷箱换冷后, 进入压缩机入口一级分离器, 经丙烷一级压缩机增压至730.8kPa 与二级分离器气相丙烷汇合,经丙烷二级压缩机增压至1270kPa,经空冷器冷却至35℃后,回丙烷储罐，完成循环。

图2 丙烷压缩机二级制冷工艺流程

2.2.3 丙烷三级制冷

丙烷压缩机三级制冷工艺流程如图3所示, 丙烷储罐内的丙烷(35℃，1250 kPa)经过一级节流,压力降至730.8kPa,温度为15℃，进入三级分离器,气相去三级压缩机入口，液相经过二级节流,压力降至344.6kPa,温度为-10℃，进入二级分离器,气相去二级压缩机入口，液相经过一级节流,压力降至137.4kPa,温度为-35℃,经冷箱换冷后, 进入压缩机入口一级分离器, 经丙烷一级压缩机增压至344.6kPa,与二级分离器气相丙烷汇合,经丙烷二级压缩机增压至730.8kPa,与二级分离器气相丙烷汇合，经丙烷三级压缩机增压至1270kPa,经空冷器冷却至35℃后,回丙烷储罐，完成循环。

图3 丙烷压缩机三级制冷工艺流程

3 计算结果

利用Aspen Hysys模拟软件对这三种流程进行计算，计算对比如表2所示。

表2 三种工艺计算对比表

由上表的计算结果发现，在相同制冷负荷下，一级丙烷制冷压缩机总功耗为3630kW，二级丙烷制冷压缩机总功耗为3075kW，三级丙烷制冷压缩机总功耗为2900.8kW。从压缩机的功耗上看三级丙烷制冷压缩机总功耗最少,且一次丙烷循环量为1894 kmol/h，也是最少的。

4 小结

三种丙烷压缩制冷工艺的压缩机功耗分析：

(1)丙烷制冷的原理主要是利用低温液相丙烷气化潜热作为冷源,通过换热方式冷却热介质的温度。本项目的液相丙烷在137.4kPa时,其饱和温度为-35℃ ,释放出来的潜热可以将天然气冷却至-30℃。

(2)丙烷压缩制冷过程中,节流后的液态丙烷气化率是丙烷冷量高低的关键因素,气化率越高,丙烷冷量低；反之气化率越低,丙烷中冷量越高。本项目，一级制冷工艺中,节流后的气化率0.43；二级制冷工艺中,分为两次节流, 两次节流的综合气化率为0.4；三级制冷工艺中,分为三次节流, 两次节流的综合气化率为0.39。

(3)通过比较，在相同的换热负荷下，三级制冷工艺制冷的压缩功耗和丙烷循环量最小，结合本项目实际情况，建议采用三级丙烷压缩制冷工艺。

[1] 肖敦峰，李 舒，夏 吴.制冷装置节能降耗影响因素及设计方案优化[J].化肥设计，2011:49(3)：19-21.

[2] 陈睿谦，武丽娜．氨、丙烯、丙烷压缩制冷能耗分析[J]．化工设计，2015,25(4):3-8．