天然气加工技术及其应用本科生论文.docx
《天然气加工技术及其应用本科生论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《天然气加工技术及其应用本科生论文.docx（32页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
天然气加工技术及其应用本科生论文
天然气加工技术及其应用-本科生论文
————————————————————————————————作者：
————————————————————————————————日期：
分类号单位代码
密级学号
学生毕业设计（论文）
题目
天然气加工技术及其应用
作者
院（系）
专业
指导教师
答辩日期
年月日
榆林学院
毕业设计（论文）诚信责任书
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文），是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。
毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人毕业设计（论文）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。
论文作者签名:
年月日
摘要
天然气作为一种宝贵的资源，在能源日益紧张的今天发挥着越来越重要的作用。
因此，在保护天然气资源的同时，研究开发先进的天然气加工技术对于提高天然气生产的经济性和促进天然气加工工业的发展具有重要的意义。
天然气加工是天然气工业的一个重要的组成部分，是从井口开发出来的天然气安全平稳而经济地进入输气管网或用户之前的一个必要的中间环节。
主要包括凝液回收、天然气液化和天然气提氦过程。
本文介绍了天然气的基础知识，并从天然气加工生产的实际情况出发，结合国内外天然气加工工艺现状，着重介绍了天然气凝液回收、液化、提氦工艺的基本原理、加工方法，同时简要阐述了国内外天然气加工技术的最新发展及其应用。
关键词：
天然气；凝液回收；液化；提氦
NaturalGasProcessingTechnologyandItsApplication
ABSTRACT
Asakindofvaluableresource,naturalgashasbeenexertedimportantlytodaywhensourcesareonedge.Therefore,itisessentialfortheresearcherstostudyanddevelopadvancednaturalgasprocessingtechnologyinordertomakesurethecost-effectivenessofproductionandtoguaranteenaturalgassuppliesformanyindustries.
Thegasprocessingofnaturalgasindustryisoneoftheimportantcomponentparts.Itisanecessaryintermediatelinksthatnaturalgasexploitedfromthewellhead,stablyandeconomically,followedintothepipelinenetworkoruser.Itmainlyincludesnaturalgascondensaterecovery,liquefiednaturalgasandnaturalgashelium.
Thisarticledescribesthebasicsofnaturalgas.Italsobasedontheactualsituationofnaturalgasprocessing,combinedwiththepresentsituationofnaturalgasprocessingcraftathomeandabroad,emphasisonthebasicprinciples,processingmethods,majorequipmentsofthesetechnology.Simultaneously,itbrieflyelaboratesthelatestdevelopmentsofnaturalgasprocessingtechnologyandapplicationathomeandabroad.
Keywords：
Naturalgas;Condensaterecovery;Liquefaction;Helium
1概论
1.1天然气的组成
广泛的天然气泛指自然界存在的一切气体，它包括大气圈、水圈、生物圈、岩石圈以及地幔和地核中所有自然过程形成的气体[1]。
狭义的天然气是指从资源利用角度出发，是指气态的石油，在岩石圈、特定的水圈中生成并蕴藏于其中的以气态烷烃混合物为主的可燃性气体，以及对人类生产、生活有重要经济价值的非烃类气体。
1.烃类
（1）烷烃：
绝大多数天然气是以CH4为主要成分，占60%～90%（V）。
同时也含有一定量的乙烷、丙烷、丁烷。
有的天然气还含有戊烷以上的组分，如C5～C10的烷烃。
（2）烯烃和炔烃：
天然气有时含有少量低分子烯烃如乙烯和极微量的低分子炔烃（如乙炔）。
（3）环烷烃：
天然气中有时含有少量的环戊烷和环己烷。
（4）芳香烃：
天然气中的芳香烃多为苯、甲苯和二甲苯。
2.非烃类
（1）硫化物：
H2S、CS2、COS、RSH、C4H4S。
（2）含氧化合物：
CO2、CO、H2O。
（3）其它气体：
He、N2、H2。
1.2天然气的分类
天然气的分类方法不一，从天然气的净化与处理角度出发，天然气的分类依据不同的原则有三种方式，即按矿藏特点分类、按烃类组成分类和酸气含量分类。
1.按矿藏特点分类
按矿藏特点的不同可将天然气分为气井气、凝析井气和油田气。
前两者合称非伴生气，后者又称为油田伴生气。
（1）气井气：
即纯气田天然气，气藏中的天然气以气相存在，通过气井开采出来，其中甲烷含量高，属于干气。
（2）凝析井气：
即凝析气田天然气，在气藏中以气体状态存在，是具有高含量可回收烃液的气田气，其凝析液主要为凝析油，其次可能还有部分被凝析的水。
这类气田井口流出物中除含有甲烷、乙烷外，还含有一定量的丙烷、丁烷及C6以上的烃类。
（3）油田气：
即油田伴生气，它伴随原油共生，是在油藏中与原油呈相平衡接触的气体，包括游离气（气层气）和溶解在原油中的溶解气，从组成上讲属于湿气。
在油井开采情况中，借助气层气来保持井压，而溶解气则伴随原油采出。
当油田气随原油一起被开采到地面后，由于油气分离条件（温度和压力）和分离方式（一级或多级）的不同，以及受气液平衡规律的限制，气相中除含有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷外，还含有戊烷、己烷，甚至C9、C10组分。
液相中除含有重烃外，仍含有一定量的丁烷、丙烷，甚至甲烷。
与此同时，为了降低原油的饱和蒸气压，防止原油在储运过程中的蒸发损耗，油田上往往采用各种原油稳定工艺回收原油中的C1～C6组分，回收回来的气体，称为原油稳定气。
2.按天然气的烃类组成分类
按烃类组成即按天然气中液烃含量的多少来分类，天然气可分为干气、湿气和贫气、富气。
（1）C5界定法——干、湿气的划分
据天然气中C5以上烃类含量的多少，用C5界定法划分干气和湿气。
①干气：
指在1基方（101.325kPa，20℃）井口流出物中，C5以上烃类含量低于13.5cm³的天然气。
②湿气：
指在1基方井口流出物中。
C5以上烃类含量高于13.5cm³的天然气。
（2）C5界定法——贫、富气的划分
据天然气中C3以上烃类液体的含量多少，用C3界定法划分贫气和富气。
①贫气：
指在1基方井口流出物中，C3以上烃类含量低于94cm³的天然气。
②富气：
指在1基方井口流出物中，C3以上烃类含量高于94cm³的天然气。
3.按酸气含量分类
按酸气（CO2和硫化物）含量多少，天然气可分为酸性天然气和洁气
①酸性天然气指含有显著量的硫化物和CO2等酸性气体，这类气体必须经处理后才能达到管输标准或商品气质量指标。
②洁气是指含硫化物和CO2甚微或根本不含的气体，它不需净化就可外输和利用。
1.3天然气在能源结构中的重要性
天然气是一种优质、经济、清洁的能源和化工原料，是当今世界能源的三大支柱之一。
2007年天然气、煤、石油三者消费量之和占世界一次能源消费总量的88.0﹪，其中天然气消费总量占23.7%。
天然气是重要的清洁燃料和化工原料，已广泛应用于民用燃料、工业煤炉燃料、煤气发电、合成液体燃料和化工燃料等领域[2]。
天然气作为清洁燃料和化工原料具有突出的优势，与煤炭相比，不但使用方便、燃烧效率高，而且不产生废渣，CO2、硫化物排放量很少，与燃煤相比，CO2
减少52.1%，SO2减少98.3%，是环境友好型燃料。
因此，以天然气代替煤炭、石油，减少对煤炭和石油的依赖程度具有重要而现实的意义。
近年来，在国际原油价格居高不下的形势下，积极开发利用天然气资源，不断提高天然气的产量和在能源中的消费比例，对合理调整世界能源消费结构、缓解石油危机、改善大气环境和应对全球气候变暖是现实可行的重要措施。
天然气以其高效、洁净、方便等优势在整个能源结构中逐步进入鼎盛时期，开发和利用天然气是当今世界的发展潮流。
在世界能源结构贡献比例已经从1971年的16.1%上升到2002年的21.2%，并继续保持增长趋势。
估计到2020年，可达24%，从而超过煤炭成为继原油之后的第二大能源，到2030年，天然气在世界能源中的贡献比例可达到25%以上[3]。
1.4天然气加工过程
天然气是在不同的地质条件下形成、运移、并以一定压力埋藏在深度不同的地层中的气体[4]。
它是由有机物质生成的，这些有机物是海洋和湖泊中的动、植物遗体，在特定环境中经物理和化学作用而形成的碳氢化合物。
天然气生成后，呈分散状态储集在地下岩石的孔隙、裂缝中，形成天然气的气藏。
从矿藏中采出的各类天然气，是一个组分十分复杂的烃类混合物，且含有少量的非烃杂质。
此外，在油气藏中，由于天然气和矿层水长期相接触，因而在矿层条件下天然气为水所饱和，天然气采出后，含饱和水。
天然气在用作商品气供给之前，必须满足各项技术规定，例如气体混合物的烃露点、水含量、热值含量、CO2和H2S的最大允许浓度等。
因此从油、气田采出的原料天然气（或油田伴生气）到成为可利用的商品天然气必须经过一系列的加工处理过程，此过程一般包括气体处理和气体加工两个部分。
目前，无论天然气是用作化工原料还是燃料，一般都要经过加工处理，或者被冷凝成液化天然气或者从中提取氦气等。
未经加工处理而直接被用作燃料的天然气只有很少一部分，因此天然气加工在天然气工业中具有重要的地位。
天然气加工工业大约是从本世纪初开始的。
1904年，美国建立了世界上第一座轻汽油回收工厂，这可能是全世界第一套天然气加工装置。
经过80多年的发展，现在加工装置的数量大为增多，又因天然气资源比较分散，加工装置的容量差别很大，处理方法和产品品种也名目繁多。
在一些地区的天然气中氦的含量很高，从天然气中提氦已是当前获得氦气的主要途径。
天然气加工是从井口开发来的天然气安全平稳而经济地进入输气管网或用户之前的一个必要的中间环节。
它是指从天然气中回收某些组分，并使之成为商品的工艺过程，例如天然气凝液回收、天然气液化以及提氦等过程。
加工的任务是从天然气中分离、回收有用的组分，有代表性的是C2+的烃类分离、回收氦等稀有气体，乃至从N2和CO2很高的天然气中除去N2和CO2，使天然气的热值提高作商品气输出[5]。
天然气凝液回收是天然气工业的重要组成部分，目前，世界上有很多座天然气凝液回收工厂，除中国和前苏联外，大约有1475座，其中有85%的工厂主要集中在北美。
凝液回收主要是把天然气中乙烷以上的烃类以凝液形式回收下来，从回收下来的液体中可分离成为天然汽油、丁烷及丙烷等产品。
回收工艺主要包括吸附法、油吸收法和冷凝分离法。
吸附法由于缺点较多，因而目前应用很少。
油吸收法是20世纪五六十年代广为使用的一种NGL回收方法，其优点是系统压降小，允许使用碳钢，对原料气的处理没有严格要求，单套装置处理能力大等；缺点是投资、能耗及操作费用较高。
因此，在20世纪70年代后已逐渐被更加经济与先进的冷凝分离法所取代。
NGL具有很高的经济利用价值，它不仅是石油化工和石油精细化工的重要原料，也是优秀的燃料，用途十分广泛。
NGL是国内外首选的乙烯装置优质裂解原料，用以生产乙烯、丙烯及一系列其他产品，同时在单体烃的化学转化以生产其他石油化工、有机化工、精细化工产品方面也取得了很大发展，例如丙烷脱氢制丙烯、丁烷异构脱氢制异丁烯、丙烷硝化制硝基烷烃等。
NGL除用作石化原料和燃料外，还有多种其他重要用途。
例如，掺入原油以降低其粘度而便于输送；生产多种牌号的溶剂油及气雾剂；丙烷是常用的冷剂及溶剂，还可用作金属切割气体；乙烷也可作为冷剂使用等[6]。
中国提氦工业始于20世纪60年代初，由于国外对新中国实行氦气禁运政策和国防用氦安全的需要，70年代在四川I威远气田建成国内唯一的氦气生产装置，威远气田也是我国唯一具有氦气工业开采价值的气田。
但该装置限于当时科技水平和天然气利用水平，采用低温冷凝法从氦含量仅为0.2的天然气中单纯提氦的成本较高。
天然气提氦工业主要集中在美国、俄罗斯等氦气资源丰富、氦含量高的极少数国家。
美国是世界上以天然气为原料生产氦气产量最多的国家，基本上采用低温分离法。
加拿大、苏联、波兰及法国也有天然气提氦工业，荷兰曾建以氨厂尾气为原料的提氦工厂，这些国家的生产能力远比美国小。
从天然气中分离出来的氦是世界上氦气的主要来源。
由于液氦沸点为4K，接近绝对零度，同时氦又无放射性和具有良好的导热性，因此大量地被应用于低温超导技术、巨变核反应堆、航天飞机空间技术、氦飞船、核磁共振、低温电子学等基础学科的研究，在冶金、焊接、光纤技术、医疗、激光等方面也有极广泛的应用[7]。
早在60年代，国家科委就制订了LNG发展规划，60年代中期完成了工业性试验，四川石油管理局威远化工厂拥有国内最早的天然气深冷分离及液化的工业生产装置，除生产He外还生产LNG，1991年该厂为航天部提供30tLNG作为火箭试验燃料。
与国外情况不同的是，国内天然气液化的研究都是以小型液化工艺为目标。
国外的液化装置规模大工、艺复杂、设备多、投资高，基本都采用阶式制冷和混合冷剂制冷工艺，目前两种类型的装置都在运行，新投产设计的主要是混合冷剂制冷工艺，研究的主要目的在于降低液化能耗。
液化天然气便于储运，以甲烷为主的天然气液化后的体积只有原来的1/625，比储存和输送常态气体更为经济。
由于液化天然气具有体积小、储量大、气化速度快等优点，所以它也是解决大工业园区的峰值用气不均衡的最有效手段和最经济的方法。
液化天然气也便于气体的分离，经分离就可得到所希望的单体烃或混合烃，尤其是便于经济地提取氦气等稀有气体[8]。
天然气加工从天然气自井口开发来到安全平稳而经济地进入输气管网或用户，已经成为一个必要的中间环节，所以研究此加工过程对提高天然气的综合利用水平具有十分重要的现实意义。
例如凝析天然气和伴生气中含有大量的丙烷及丙烷以上重烃组分，从中回收和合理利用这部分烃类资源，将提高油气田开发的经济效益。
2天然气凝液回收
2.1概述
天然气的组成因油气田或层系不同而异，油田气、部分气田的气井气含有较多的乙烷（C2H6，常简略为C2）、丙烷（C3）、丁烷（C4）、戊烷及戊烷以上（C5+）的烃类，这些天然气称为“富气”。
富气中的这些烃类可以以液体产品的形式从天然气中加以回收，这一过程称为天然气凝液（NGL）的回收，国内常称为轻烃回收。
回收天然气中的轻烃主要有两个目的，一是控制天然气中烃露点以达到商品天然气质量指标，防止管路中企业两相流的出现；二是从天然气中回收下来的轻烃可作为燃料和化工原料，带来更大的社会和经济效益[9]。
凝液回收技术的发展很快，回收方法包括吸附法、油吸收法、冷凝分离法。
吸附法由于缺点较多，因而目前使用很少。
油吸收法是20世纪50~60年代广泛使用的一种NGL回收方法，其优点是系统压降小，允许使用碳钢，对原料气的处理没有严格要求，单套装置处理能力大等；缺点是投资、能耗及操作费用高，因此在20世纪70年代后已逐渐被更加先进与经济的冷凝分离法所取代。
冷凝分离法是利用原料气中各烃类组分冷凝温度的不同，将原料气冷却到一定温度从而将沸点高的烃类分离出来，并经过轻烃精馏分离成合格产品的方法[7]。
该方法最根本的特点是需要提供较低温位的冷量使原料气降温，具有工艺流程简单、运行成本低、轻烃回收率高等优点，在轻烃回收技术中居于主流地位。
根据供冷量方法不同，冷凝分离法又可分为冷剂制冷法、直接膨胀制冷法和联合制冷法三种。
随着制冷技术的发展，特别是1964年，美国首次将透平膨胀机用于天然气凝液回收，使天然气回收凝液的技术开始了新的发展阶段，目前冷凝分离法已广泛用于天然气凝液回收装置。
膨胀机制冷法的优点是流程简单、操作方便、对原料气组成的适用性大、投资大、效率高。
无论在国外还是国内，有条件的新建或改建的NGL回收装置约有90%都采用透平膨胀机制冷法[9]。
国外轻烃回收工艺技术较先进，一些国家在提高加工深度、增加轻烃收率、合理利用油气资源上都取得了显著的成就。
例如美国是利用天然气凝液最早的国家，近年来，凝液产量虽有所下降，但在天然气加工量、加工深度、天然气凝液产量及消费方面仍居世界首位。
美国天然气凝液回收主要采用以下几种方法：
（1）常温和低温油吸收法；
（2）外部致冷法；（3）膨胀机法；（4）压缩法；（5）吸附法等[10]。
其中使用最多的是低温油吸附法，约占40%，其次是外部致冷法。
自1973年以来，美国在天然气凝液回收方法和装置上作了一系列改进，主要是：
（1）大量使用透平膨胀机法。
新建和改建的装置90%以上是采用此法，使得天然气凝液回收率达到最高水平；
（2）广泛采用处理能力不是很大的、更为紧凑的撬装型装置，这种装置有自动控制和调节系统，每班只需一人操作。
由于它具有轻便、灵活、节约等投资优点，小型油、气田回收凝液来说是一种理想形式。
上述改进加快了美国天然气加工工业的发展，尽管近年来美国天然气储量和产量一直在下降，但其天然气凝液产量一直保持稳定。
另外加拿大也是天然气加工发展较早的国家，近年来在气体储量，加工量和凝液加工回收方面都有很大增长。
苏联和中东地区今年来在天然气凝液回收方面也有很大发展。
我国的天然气液烃分离技术起步较晚，上世纪60年代四川气田开展了从天然气中分离、回收C3+液体产物的试验工作。
到20世纪70～80年代，随着北方大油田的开发，自油田伴生气中回收C3+的各种工艺装置陆续建成。
天然气加工对象也扩大到C2+产物。
近年来，在引进、吸收、消化国外先进回收工艺技术的基础上国内轻烃回收装置无论工艺技术还是设备制造、自动控制等水平都有了长足进步[11]。
目前国产装置采用的主要工艺方法，归纳起来有：
冷剂循环制冷、膨胀机制冷、冷剂制冷和膨胀制冷相结合的混合制冷。
2.2吸附法
吸附法是利用固体吸附剂对各种烃类的吸附容量不同，从而使天然气中一些组分得以分离的方法。
在北美，有时用这种方法从湿天然气中回收较重烃类，且多用于处理量较小及较重烃类含量少的天然气，也可用来同时从天然气中脱水和回收丙、丁烷等烃类（吸附剂多为分子筛），使天然气水、烃露点都符合管输要求[1]。
常用的吸附剂是硅胶和活性炭。
吸附法的优点是装置比较简单，不需特殊材料和设备，投资费用较少[12]；缺点是要几个吸附塔切换操作，产品局限性大，能耗与成本高，燃料气量约为所处理天然气量的5％，吸附剂的吸附容量等问题未能得到很好的解决，所以这种方法未得到广泛利用，曾经在美国使用过。
2.3油吸收法
油吸收法是基于天然气中各组分在吸收油中溶解度的差异而使不同烃类气体得以分离的方法。
由于该法具有系统压降小、允许使用碳钢钢材、对原料气预处理没有严格要求、单套处理能力大等优点，在20世纪60年代中期之前一直是世界上轻烃回收的主要工艺方法，特别是对于炼油厂的石油裂解气分离具有优势。
油吸收法按照吸收操作温度的不同分为常温、中温和低温吸收法。
常温油吸收法的操作温度为30℃，多用于中小型天然气凝液回收装置，以回收C3+为主要目的；中温油吸收法的操作温度一般在﹣20℃以上，C3+回收率为40%左右；低温油吸收温度一般在﹣40℃左右，C3+回收率为80~90%。
后两种油吸收法常用于大型天然气加工厂。
常用的吸收油有石脑油、煤油或柴油，其相对分子质量为100~200。
吸收油相对分子质量越小，天然气液烃回收率越高，随干气挥发耗损的吸收油量越大。
所以，一般只有要求乙烷回收率较高时，才采用相对分子质量较小的吸收油。
同时，随干气挥发耗损的吸收油量因温度升高而增加，因此，只有低温才有利于采用较小相对分子质量的吸收油。
油吸收过程属物理吸收，吸收时采用高压低温有利，解吸时采用高温低压有利，但一般油吸收操作温度不宜低于塔操作压力下的烃露点[7]。
油吸收法主要设备有吸收塔、富油稳定塔、富油蒸馏塔，如为低温油吸收法，还需增加制冷系统。
图2-1为采用低温油吸收法的回收NGL原理流程图，图中原料气先与离开吸收塔的冷干气换热，再经冷剂制冷后进入吸收塔与冷吸收油逆流接触，使气体中大部分丙、丁烷及戊烷以上的烃类被吸收下来。
从吸收塔顶流出的冷干气与原料气换热后外输。
由吸收塔底部流出的富吸收油（富油）进入富油稳定塔中，由塔顶脱除甲烷等作为燃料，然后进入富油蒸馏塔蒸出NGL并去NGL蒸馏塔分离为液化石油气（LPG）和稳定天然汽油。
从富油蒸馏塔底流出的贫吸收油（贫油）经冷剂制冷后返回吸收塔循环使用。
如果采用装置自己得到的稳定天然汽油作为吸收油，则可取消富油吸收塔，将富油稳定塔塔底的NGL直接进入NGL蒸馏塔即可。
图2-1低温油吸收法回收NGL原理流程图
油吸收法的优点是系统压降小，允许使用碳钢，对原料气的处理没有严格要求，单套装置处理能力大等；缺点是工艺流程复杂，投资费用和运行成本高。
直至20世纪60年代中期还是天然气分离中使用最多的方法，但随着制冷技术的发展，自1970年以后，油吸收法在新建装置中已经很少采用。
2.4冷凝分离法
冷凝分离法是利用天然气中各烃类组分冷凝温度不同的特点，通过制冷将天然气冷凝至一定温度，从而将沸点较高的烃类冷凝分离出来，并将凝液精馏分离成合格产品的方法。
此法的特点是需要向气体提供足够的冷量使其降温。
按照提供冷量的制冷系统不同，冷凝分离法可分为冷剂制冷法、直接膨胀制冷法和联合制冷法三种。
冷凝分离法具有较高的轻烃回收率，在轻烃回收工艺中占有重要地位。
2.4.1冷剂制冷法
冷剂制冷法称为外加冷源法（外冷法），或蒸气压缩制冷，或机械制冷，该工艺是利用制冷剂汽化时吸收汽化潜热的性质，使之与天然气换热，使天然气获得低温的原理。
制冷剂可以分别是氨、氟利昂、丙烷及乙烷，也可以是乙烷、丙烷等烃类混合物，而后者又称为混合冷剂（混合制冷剂）。
制冷循环可以是单级或多级串联，也可以是阶式制冷（覆叠式制冷）循环[1]。
冷剂的制冷过程如图2-2所示，采用的主要设备有换热器、冷剂蒸发器和低温分离器。
原料气与来自低温分离器的销售气换热，使原料气降温之后，原料气进入冷剂蒸发换热器，在壳程内制冷剂汽化过程中吸收管程内天然气的热量，使气体获得低温。
低温天然气进入分离器分出NGL，流出分离器的冷贫气经换热器与原料气换热，提高贫气温度后进入销售管网。
为防止生成水合物，在原料气降
升级会员 