油气集输课程设计某低温集气站工艺设计凝析油回收量的计算.docx
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油气集输课程设计某低温集气站工艺设计凝析油回收量的计算
重庆科技学院
《油气集输工程》
课程设计报告
学院:
石油与天然气工程学院专业班级:
学生姓名:
学号:
设计地点（单位）_____石油与安全科技大楼K802___
设计题目:
____某低温集气站工艺设计——凝析油回收量的计算
完成日期：
年月日
指导教师评语:
_____________________________________
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
成绩（五级记分制）:
____________________________
指导教师（签字）:
________
摘要
本课程设计说明书主要是关于某低温集气站的工艺设计中凝析油回收量的计算，根据所给的课题条件，经过小组成员的齐心协力的设计流程和数据共享，可以获取低温集气站中原气井物料在经过节流阀前的温度和压力以及通过分离器后的温度和压力。
整个计算过程中需要以蒸汽压、气液平衡两相定律、闪蒸-平衡气化的公式为基础，先是利用泡点和露点方程式校验此混合物在冷却前后均是气液两相状态，最后根据物料平衡方程用试算法求得凝析油回收量。
关键词：
凝析油石油化工物料平衡方程回收量
目录
摘要Ⅰ
1前言1
2工艺流程设计2
3基本设计数据资料3
3.1原料气基础资料3
3.2凝析油回收计算所需参数3
4凝析油回收量计算相关原理及计算公式4
4.1蒸汽压4
4.2气液两相平衡定律4
4.3泡点5
4.4露点5
4.5闪蒸-平衡汽化5
5天然气凝析油回收量计算8
5.1气体参数及组成8
5.2凝析油回收量计算过程8
5.2.111.5MPa和20℃条件下露点校验8
5.2.26MPa和-16.6℃条件下泡点校验9
5.2.3假设法求凝析油含量10
5.31-5井节流后凝析油总回收量11
6结论和收获12
参考文献13
1前言
从气井中出来的天然气（包括气田气，油田伴生气）是由多组分烃类组成的混合物,其组成结构复杂。
如果把气井原气中的较重烃类组分提取出来，可以降低天然气的露点，调整天然气的发热量，改善商品气的质量，同时还可以提高整个天然气的经济价值[2]。
提取出来的乙烷、丙烷、丁烷，以及丙丁烷混合物（即液化石油气LPG）和天然汽油，其中含有少量的大于C8的烃类以及二氧化硫、噻吩类、硫醇类、硫醚类和多硫化物等杂质,这些混合物统称为天然气凝液（NGL）[1]。
有时油田伴生气和湿性天然气，由于温度降低而得到的冷凝液，也可称为凝析油，或称为天然汽油。
NGL的用途十分广泛，是化工化学行业重要的原材料，具有比天然气高得多的市场价值。
因此，重视天然气中液烃的提取及分离工作，对于提高天然气原气的经济价值具有相当重要的意义。
目前主要采用的凝析油提取方法有：
吸附法、油吸收法和低温分离法[2]。
本课程设计主要涉及低温分离法中采用节流阀进行降压降温，从而达到气液分离，回收凝析油的目的。
2工艺流程设计
根据本次低温集气站工艺流程课程设计要求内容，经过参考相关资料以及小组讨论，整个设计流程采用低温分离法对凝析油进行分离计算，首先运用节流阀制冷工艺对原料气进行制冷、然后加入抑制剂防止混合物中水合物的生成，接下来进入两相分离器对混合物进行气液分离，最后液相流入闪蒸罐分离凝析油和醇类物质（抑制剂）。
值得一提的是，节流阀制冷属于直接膨胀制冷法，其特点是通过气体本身的压力能转变为冷能，气体自身温度降低，将轻烃从天然气中分离出来。
适用于压力很高的气藏气（大于10MPa）[5]，符合课程设计总任务书中原料气井30~35MPa的来气压力要求，并且节流后的压力无太高要求，在不适于采用膨胀机的工况条件下采用，虽然其降温效果相对较差，NGL回收率较低，但是投资费用低。
3基本设计数据资料
3.1原料气基础资料
某低温集气站原料气相关信息见表3.1原料气基本参数：
表3.1原料气基本参数
井号
产量（104m3/d）
进站压力（MPa）
进站温度（00C）
1
18
16
31
2
22
16
30
3
20
16
32
4
16
16
32
5
7
16
30
6
14
10
31
7
19
10
30
出站压力：
6Mpa；天然气露点：
<-50C。
气体组成（%）：
表3.2原料气气体组成
组分
C1
C2
C3
C4
C5
C6
CO2
H2S
C1～C6
分子，%
85.33
2.2
1.7
1.56
1.23
0.9
6.3
0.78
92.92
凝析油含量：
20g/m3SL=0.78。
3.2凝析油回收计算所需参数
根据其他组节流阀和分离器的设计，本人的某低温集气站凝析油回收工艺设计是天然气低温分离工艺第二次节流前在11.5MPa（绝）、20℃的条件下变化到低温分离器压力为6MPa（绝）和温度为-16.6℃状态时，天然气凝析油回收量的计算。
4凝析油回收量计算相关原理及计算公式
4.1蒸汽压
在开口容器中，所有液体都会或快或慢地蒸发着，但在留有空间的密闭容器内，由于液体的蒸发和蒸汽的凝结，在某一条件下，在液体和生成的蒸汽之间建立平衡。
在平衡时，单位时间内离开液体的分子数和回到液体中的分子数相等，这时在液体上面形成的蒸汽叫做饱和蒸汽，此时的蒸汽压力叫做饱和蒸汽压或简称蒸汽压。
在一定温度时，各种液体的蒸汽压是不同的[2]。
4.2气液两相平衡定律
通过查找资料可知，当气相和液相达平衡时，两相间的关系可用道尔顿—拉乌尔定律来表达：
（4.1）
式中
——作用在混合物上的总压力；
——在气相中组分i的摩尔分数；
——纯组分i在给定温度下的饱和蒸汽压；
i——在液相中组分i的摩尔分数。
但是道尔顿－拉乌尔定律只限于在比较低的压力和中等温度下使用，同时还需要知道所求组分在给定条件下的蒸汽压，故使用范围受到一定限制[7]。
另外的，液相和气相间的平衡关系，也可以用亨利定律来表示，即：
（4.2）
为相平衡常数，它是压力和温度的函数，一些碳氢化合物的相平衡常数可查图获得。
由于亨利定律中使用了一个随压力和温度而变化的平衡常数k，因而亨利定律使用于任何系统，本设计便是以亨利定律为基础，对凝析油回收量进行分析计算。
4.3泡点
在给定压力下，液体混合物逐渐被加热，当有一个气泡出现时的温度叫泡点温度。
根据所研究系统的k值和任何混合物的摩尔分数之和等于1.0这个概念，即
（泡点方程），就可以确定互溶混合物的泡点[2]。
因为温度在泡点方程中是隐函数，因此只能通过试算法来求泡点温度。
还基于这样一个事实，即在计算液体混合物的泡点时，只有无限小量的液体被汽化，这样，可视液体组成同原始组成[6]。
4.4露点
在给定压力下，气体混合物逐渐被冷却，当有一滴液体出现时的温度叫露点温度。
其计算步骤类同于泡点计算。
计算准则仍然是：
混合物中各组分的摩尔分数之和为1.0，即
（露点方程）[2]。
4.5闪蒸-平衡汽化
进料以某种方式被加热至部分气化，经过减压设施，在一个容器的空间内，在一定温度和压力下，气－液两相迅速分离，得到相应的气相和液相产物，此即谓之闪蒸。
闪蒸又叫平衡汽化或平衡蒸馏。
其特点是，所形成的汽、液两相都处于同样温度和压力下，并呈平衡状态。
所有组分都同时存在于汽、液两相之中，而两相中的每一个组分也都处于平衡状态[3]。
即可用亨利定律表示为
（5.2），两相之间的汽液平衡关系为
总而言之，求定凝析液回收量问题也就是计算在一定压力下处于泡点之上、露点之下的汽、液混合物中到底含有多少液体和蒸汽的问题[5]。
为了解决此问题需关联物料方程，即：
（4.3）
式中F——进料的流量，kmol/h；
V——器顶产品的流量，kmol/h；
L——器底残液的流量，kmol/h。
对某一组分来说，则有：
（4.4）
式中
——进料的流量，kmol/h；
——器顶产品的流量，kmol/h；
——器底残液的流量，kmol/h。
我们定义：
;
;
（4.5）
式中Xf——进料中某组分的组成（摩尔分数）；
Yf——器顶产品中某组分的组成（摩尔分数）；
Xi——器底残液中某组分的组成（摩尔分数）。
将式（4）代入式
（2），可得：
（4.6）
解出
：
（4.7）
将
代入式（3）中，得到：
（4.8）
解出
：
（4.9）
对全部液相组分有：
（4.10）
按照类似的步骤，对式（5）解出
，然后代入方程式（3）中，得到：
（4.11）
对全部气相组分有：
（4.12）
利用方程式（4.9）、式（4.11）就确定在给定的混合物中有多少汽相和液相。
由于方程式中含有总液量与总气量之比项，该项正式欲求项。
因此，只能试算求解，其计算步骤如下：
（1）用泡点方程和露点方程校验该混合物是否同时存在气、液两相。
（2）在给定温度和压力下查图，得到系统中各组分的k值。
（3）假设L、V或L/V值。
（4）利用式（4.8）和（4.10）计算液相（或气相）中各组分的千摩尔数。
（5）用式（4.9）计算总液量，用式（4.11）计算总蒸汽量。
（6）将第五步计算出来的总液量和总蒸汽量同第三步假定值相比较，如果两个值很接近，误差<1.0%.则计算值为所求值,否则,需从第（3）步开始重新计算。
5天然气凝析油回收量计算
5.1气体参数及组成
综合其他组设计计算结果，本人选取1-5气井第二次节流处节流阀前压力为11.5MPa，温度20℃；经过节流后，变化到低温分离器压力为6MPa，温度-16.6℃。
气体组成（%）表：
表5.1原料气气体组成
组分
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C1～C6
分子，%
85.33
2.2
1.7
1.56
1.23
0.9
92.92
5.2凝析油回收量计算过程
5.2.111.5MPa和20℃条件下露点校验
对气体混合物在11.5MPa和20℃条件下用露点方程（∑
=1）进行露点校验，碳氢化合物的相平衡常数K可查图5.1平衡常数，校验结果见表5.2校验露点计算表：
表5.2校验露点计算表
组分
分子,%
K值（16.5℃,11.5MPa）
C1
85.33
1.4
60.95
C2
2.2
0.39
5.64
C3
1.7
0.075
22.67
C4
1.56
0.021
74.29
C5
1.23
0.0064
192.19
C6
0.9
0.0024
375
∑92.92
∑730.74
图5.1平衡常数K
由于∑
=730.74>>92.29，故该混合物的露点在20℃以上，说明此气体混合物中存在着液相。
5.2.26MPa和-16.6℃条件下泡点校验
在p=6MPa，t=-16.6℃时，查图得C1的平衡常数Kc1=2.15
故yc1=2.15×85.33=183.46>>92.29
足以说明该混合物的泡点远在-16.6℃以下，液体混合物中存在着气相。
即证明表1所示的混合物在冷冻前、后均处于气、液相混合态。
5.2.3假设法求凝析油含量
假定进料为100Kmol，对在20℃、11.5MPa和-16.6℃、6MPa的条件下进行闪蒸计量，利用方程式（4.9）、式（4.11）及图5.1，确定冷冻前气体混合物的带液量和冷冻后天然气液烃生成量。
表5.3在20℃时的闪蒸
组分
分子，％
k值
（16.5MPa，11.5℃）
（1）
（1）
（2）
（2）
（2）
C1
C2
C3
C4
C5
C6
85.33
2.2
1.7
1.56
1.23
0.9
1.4
0.39
0.075
0.021
0.0064
0.0024
8.7
3.145
1.413
1.116
1.035
1.013
9.808
0.699
1.204
1.398
1.188
0.888
8
2.95
1.375
1.105
1.032
1.012
10.666
0.746
1.236
1.412
1.192
0.889
74.66
1.45
0.46
0.14
0.04
0.01
∑92.92
L设=15.0
=5.5
∑15.186
L设=16.0
=5.0
∑16.141
计算说明：
①第一次试算，假设：
L设=15.0，V/L=5.5。
而∑
算=L算=15.186，L设/L算=15.0/15.186=0.987。
误差大于1.0%，需重新试算。
②第二次试算，假设：
L设=16.0，V/L=5.0。
而∑
算=L算=16.141，L设/L算=16.0/16.141=0.991，误差小于1.0%。
计算结果表明：
第二次试算的误差小于1.0%，所以第二次假设正确。
则在给定条件（11.5MPa，20℃）下，该气体混合物含16.141Kmol凝析液。
表5.4 在-16.6℃时的闪蒸计算
组分
分子，％
k值
（8.5MPa，8.5℃）
（1）
（1）
（2）
（2）
（2）
C1
C2
C3
C4
C5
C6
85.33
2.2
1.7
1.56
1.23
0.9
2.15
0.365
0.0873
0.0249
0.007
0.00089
23.575
4.833
1.917
1.261
1.074
1.009
3.620
0.455
0.887
1.237
1.146
0.892
22.5
4.65
1.873
1.249
1.07
1.0089
3.792
0.473
0.908
1.249
1.150
0.892
81.54
1.73
0.79
0.31
0.08
0.008
∑92.92
L设=8
=10.5
∑8.236
L设=8.5
=10
∑8.463
计算说明：
①第一次试算，假设：
L设=8，V/L=10.5。
而∑
算=L算=8.236，L设/L算=8/8.236=0.971。
误差大于1.0%，需重新试算。
②第二次试算，假设：
L设=8.5，V/L=10。
而∑
算=L算=8.463，L设/L算=8.5/8.463=10.04，误差小于1.0%。
计算结果表明：
第二次试算的误差小于1.0%，所以第二次假设正确。
则在给定条件（6MPa，-16.6℃）下，该气体混合物含8.463kmol凝析液。
5.31-5井节流后凝析油总回收量
根据其他组同学的数据，1-5井第二次节流前管道中天然气流量为406.8m3/h，利用5.2.3的计算结果进行换算，得到凝析油回收量：
6结论和收获
此次油气集输课程设计，本小组主要负责有关低温集气站工艺设计中凝析油回收量的计算。
根据本大组同学计算得出气体在节流阀前的压力和温度以及到达低温分离器温度和压力的值，根据蒸汽压、气液平衡两相定律、平衡气化，利用相平衡常数求得在液相中组分ｉ的摩尔分数，首先进行露点和泡点的校验，证明混合物在冷却前后均处于气、液相的混合态，然及后再用试算法计算出凝析油的回收量。
本课程设计最后结论：
第二次节流前管道中天然气流量为406.8m3/h，节流前压力为11.5MPa，温度16.5℃；经过节流后，变化到低温分离器压力为6MPa，温度-16.6℃，计算得到凝析油的回收量为34.427m3/h。
此次课程设计是我们进入大学以来第一次以团队分工的形式完成的一项课程设计，在为期两周的设计时间中，大组的同学齐心协力、互帮互助，从整个流程的设计到小组的分工计算结果，都经过大家多次讨论后得出最终数据。
整个过程不仅巩固了所学的专业知识、增进了同学间的友谊，而且更重要的是锻炼了我们团队协作的能力，大家都受益匪浅。
最后，还要感谢在我们课程设计过程中给予我们帮助的所有老师，是你们的倾囊相助我们才可以顺利的完成此次课程设计。
参考文献
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石油工业出版社，2008.5.43-53；
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石油工业出版社，1999.4；
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