主 讲 游 赟

1. 提取天然气中的液烃 主 讲 游 赟 石油与天然气工程学院油气储运工程系

2. 第一节 天然气凝液回收目的 • 1.1轻烃回收相关产品和利用价值 • 1.2凝液对天然气集输的不良影响 • 1.3凝液回收的前提条件

3. 相关概念 天然气凝液（NGL，natural gas liquids） 或天然气液体，简称凝液或液烃，我国习惯上称其为轻烃（ligth hydrocarbons），从天然气中提取出来的乙烷、丙烷、丁烷、丙丁烷混合物（LPG Liquified Potroleum Gas）、天然汽油和凝析液等的统称，主要成分为c2－c6。 天然气凝液回收(NGL回收) 或天然气液回收，我国习惯上称为轻烃回收，天然气中回收凝液的过程。 回收到的天然气液或是直接作为商品，或是根据有关商品质量要求进一步分离成乙烷、丙烷、丁烷(或丙、丁烷混合物)及天然汽油等产品。

4. 轻烃回收产品的用途 轻烃回收后产品分为天然气(商品气)、液化石油气和稳定轻烃。 商品气作为一种资源在人民生活和工业部门中有着广泛泛的应用。 商品天然气中的烃类用作化工原料是经济效益最高的使用方式，主要是裂解制炭黑、乙炔及其系列产品，氯化制氯化烷烃，硝化制硝基甲烷，氧化制甲醛和与水蒸气反应制合成气及其系列产品等。天然气的化学加工是当代化工技术的热点课题。

5. 我国商品天然气主要技术指标 （GB 17820-1999）

6. 轻烃回收产品的用途 液化石油气（LPG）是一种优良的民用燃料，也可用于驱动汽车，也可用作切割气．还可以进一步将其分馏成丙烷和丁烷，并分别使用。 主要成分是丙烷、丙稀、丁烷和丁烯。常压下是气体，加压至0.79～0.97MPa（7～8个大气压）时就变成液体。 常压常温下呈气态，但升高压力或降低温度就可以转化为液态，体积约缩小250～300倍。 热值高，低热值约为45200～46100KJ/kg（液态）或92100～121400KJ/kg（气态）。 气态液化石油气比空气重，约为空气的1.5倍。 爆炸下限低（1.5％～9.5％），极易形成爆炸性气体。

7. 我国油气田液化石油气质量要求（GB9052.1—1998）我国油气田液化石油气质量要求（GB9052.1—1998）

8. 轻烃回收产品的用途 稳定轻烃一般也称天然汽油(natural gasoline)，其组成为C5+，可直接调合作为车用汽油使用，也可作为小城镇居民燃料。 轻烃也可用作乙烯工程的裂解乙烯原料或进行催化改质，通过脱氢芳构化生产成高附加值的芳烃。

9. 我国稳定轻烃质量要求（GB 9053—1998）

10. 轻烃的利用价值 1．石油化工装置的基础原料 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，同时也在单体烃的化学转化以生产其它石油化工、有机化工、精细化工产品也取得了很大发展。 目前国内外对轻烃的综合利用有以下7种途径。

11. 轻烃用做石化原料的7种途径 (1)作为乙烯装置的原料 (2)分离成单体烃或分馏作为优质溶剂油 (3)低碳烷烃催化脱氢和氧化脱氢，生产石油化工、有机化工、精细化工产品 (4)利用丁烷生产MTBE(甲基三丁基醚)产品 (5)轻烃芳构化，生产混合芳烃(BTX) (6)利用C5、C6异构化生产高辛烷值汽油组份 (7)用作其它化工原料

12. 轻烃的利用价值 2．优质的燃料 用作燃料的轻烃主要成份为C3+C4，也称其为液化石油气（LPG）。 在世界LPG消费结构中主要用于住宅及商业燃料。 LPG还可以用作车用燃料。 3．其他用途 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等。

13. 轻烃对天然气集输过程的不良影响 1．影响天然气的烃露点 烃露点决定于压力及天然气的组成、特别是重烃含量。《输气管道工程设计规范》(GB 50251－2003)的气质标准中则规定烃露点应低于最低环境温度。 2．影响管输效率和安全 液烃在输气管道内析出将会聚集在管道的低洼处，从而使管道流通截面减少，影响输气能力，降低管输效率。 天然气凝液具有易燃易爆性，若输气管道中凝液的排放不规范则容易引发燃烧和爆炸事故。 3．影响天然气净化 凝液如不能很好分离而随粗天然气进入净化装置将可能导致产生严重的操作问题。 对于常规的胺法或砜胺法脱硫装置，烃液体将可能导致溶液发泡；对于采用其他工艺的脱硫装置，烃液体导致催化剂性能降低乃至出现“黑”硫磺。

14. 轻烃回收的前提条件 1．资源条件 在各种类型的天然气中，特别是油田伴生气和凝析气中含有丰富的NGL组分。显然，富含NGL的天然气有着更好的加工价值。 天然气的日产量以及可开采的年限也是决定是否可以建设NGL回收装置的主要依据。 2．市场条件 我国乙烯装置的生产能力及产量还远远不能满足国民经济发展的需要。 我国的LPG市场潜力很大。 C5+凝析油可用于生产溶剂油。

15. 第二节 天然气凝液回收工艺 • 2.1概述 • 2.2冷凝分离法 • 2.3其它工艺法

16. 轻烃回收方法分类图

17. 轻烃回收方法介绍 轻烃回收方法基本上可分为吸附法、油吸收法和冷凝分离法三种。 轻烃回收装置所采用的工艺方法，在不同的历史时期，各不相同，最早发展起来的是吸附法，之后为水冷却法和浅度冷冻法，70年代逐渐被轻烃收率较高的油吸收法所代替。近二十年来，由于膨胀制冷技术的发展，并应用于天然气工业，冷凝分离法更因其对原料气组分变化的适应性大、投资低、效率高、操作方便等突出优点而越来越被广泛采用。

18. 冷凝分离法简介 冷凝分离法 (低温分离法)是利用原料气中烃类组分冷凝温度的不同，通过将原料气冷至一定温度从而将沸点较高的烃类冷凝分离并经凝液精馏分离成合格产品的方法。 最根本的特点是需要提供较低温位的冷量使原料气降温。 按照制冷温度的不同，低温分离法又分为浅冷分离和深冷分离工艺。 该法目前由于有较高的收率而居于主流地位。

19. 冷凝（低温）分离法 原理： 利用一定压力下天然气中各组分的挥发度不同，将天然气冷却至露点温度以下，得到一部分富含较重烃类的天然气液，并使其与气体分离的过程。分离出的天然气液又往往利用精馏的方法进一步分离成所需要的液烃产品。 通常，这种冷凝分离过程是在几个不同温度等级下完成的。 特点：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。

20. 冷剂制冷法 冷剂制冷法（外加冷源法）：由独立设置的冷剂制冷系统利用物质相变吸热效应制冷向原料气提供冷量。 相变：指物质聚集态的变化。相变制冷就是利用某些物质相变时的吸热效应：固体物质的融解或升华；液体的汽化等都是吸热的相变过程。 在天然气分离工业中最常见的是利用物质由液态转化为蒸汽的吸热效应制冷，称之为汽化制冷，相变介质称为制冷剂。 普遍采用制冷系统：蒸汽压缩式、吸收式和蒸汽喷射式

21. 蒸气压缩制冷循环 （1）蒸发过程 （2）压缩过程 （3）冷凝过程 （4）膨胀过程 蒸气压缩制冷循环系统包括四个主要设备：压缩机、冷凝器、膨胀机或节流阀、蒸发器。设备之间用管道连接成为一个完全封闭循环。

22. 冷剂 理想的冷剂应当是易冷凝，蒸发潜热大，沸点及压力适当，临界温度较高，且应不爆炸、无毒、无腐蚀且价格便宜。 常用冷剂： （1）无机化合物：氨、水、CO2 （2）氟利昂：四氯化碳（CCl4）、四氟化碳（CF4） （3）碳氢化合物：甲烷、乙烷、丙烷 （4）共沸溶液：混合冷剂

23. 冷剂制冷法 在轻烃回收中，根据原料气的压力、组成及天然气液的回收深度，冷剂可以分别是氨、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。 制冷循环可以是单级或多级串联（单一冷剂），也可以是阶式制冷循环（复叠式制冷）。 单一冷剂制冷法一般乙烷收率为25％，丙烷收率为55％，丁烷收率为93％，天然气汽油（C5＋）为97％；阶式制冷法一般乙烷收率为70％，丙烷收率为85％，丁烷收率为95％，天然气汽油（C5＋）为100％。

24. 直接膨胀制冷法 直接膨胀制冷法：也称膨胀制冷法或自制冷法，这种方法所需冷量由原料气(或经过分离后的干气)通过串入系统中的各种类型膨胀制冷设备来提供，不需要独立设置制冷系统。 膨胀制冷元件：指使通过它的物流降低温度的机械设备。最简单的是节流阀；最常用的是膨胀机，包括一般透平、活塞式膨胀机和热分离机。 节流阀制冷法一般乙烷收率为70％，丙烷收率为90％，丁烷收率为97％，天然气汽油（C5＋）为100％。 透平膨胀机制冷法一般乙烷收率为85％，丙烷收率为97％，丁烷收率为100％，天然气汽油（C5＋）为100％。

25. 直接膨胀制冷法 制冷能力：取决于气体的压力、组成、膨胀比及膨胀制冷设备的热力学效率等。 特点：工艺流程简单、设备紧凑、启动快，建设及操作费用低，制冷过程中最低温位可以适当调节，是一种目前正在大力发展的方法。

26. 联合制冷法 联合制冷法：又称为冷剂与直接膨胀联合制冷法。冷量来自两部分：一部分由膨胀制冷法提供；一部分则由冷剂制冷法提供。 优点：（1）有两个冷源，因此运转适应性大，即使外加制冷系统发生故障，装置也能保持较低收率情况下继续运转； （2）外加的制冷系统比前面第一种方法简单，容量小； （3）相互配合有更好的效果，外加冷源解决高沸点较重烃类冷凝问题，膨胀制冷又可用在较低的温度位上。 这种流程组合既可以提高乙烷、丙烷的收率，又可以大大提高装置有效能效率。

27. 冷凝分离法原则流程

28. 冷凝分离法原则流程 (1)原料气预处理 目的:脱除原料气中携带的油、游离水和泥砂等杂质，以及脱除原料气中的水蒸气和酸性组分等。 (2)原料气增压 当原料气为低压伴生气时，由于压力通常仅为0．1～0．3MPa，为了提高天然气的冷凝率，以及干气要求在较高的压力下外输时，需要将原料气增压至适宜的冷凝分离压力后再进行冷凝分离。 通常，原料气压缩通常都与冷却脱水结合一起进行。

29. 冷凝分离法原则流程 (3)净化 目的：脱除气态水分和C02等，防止在冷凝操作时，由于温度过低而在管道或设备中出现冰堵。 水分的脱除近年来多采用分子筛吸附干燥，效果显著。 C02的脱除应根据需要来安排。若只将天然气分为干气、液化气和轻油产品，则CO2不必清除；如需提供纯甲烷及纯乙烷，CO2易形成干冰而堵塞管线和设备，故需考虑脱碳。 H2S的脱除往往由净化厂或脱硫厂承担，通常在轻烃回收之前就已经被脱除。

30. 冷凝分离法原则流程 (4)多级冷凝与分离 净化后的原料气，在某一压力下经过一系列的冷却与冷冻设备不断降温，进行分离后，物料分成两部分；一部分是以Cl、C2为主的干气，另一部分是由各级分离器分出的凝液（其中包含一定数量的C3和C4），通常是按其组成、温度、压力和流量等，分别送至凝液分馏系统的不同部位进行分馏，也可直接作为产品出装置。 多级分离的原因： ①可以合理利用制冷系统不同温度等级的冷量。 ②可使原料气初步分离，这样可将其按组成、温度、压力分别送到分馏系统的不同位置。

31. 冷凝分离法原则流程 (5) 凝液分馏 目的：按照各种轻烃产品的质量要求，利用精馏方法对天然气液进行分离。 凝液分馏系统的主要设备就是分馏塔，以及相应的冷凝器、重沸器和其他配套设施等。 凝液回收装置的分馏系统大多采用按烃类相对分子质量从小到大逐塔分离的顺序流程，依次分出乙烷、丙烷、丁烷(或丙、丁烷混合物)、天然汽油等。如对于回收C2＋的装置，应先从凝液中脱出甲烷；需要生产乙烷时，再从剩余凝液中分出乙烷；对于回收c3＋的装置，应先从凝液中脱除甲烷和乙烷。

32. 采用顺序分馏流程的原因： 冷凝分离法原则流程 （1）可以合理利用低温凝液冷量。采用顺序流程，将冷凝分离系统来的各级低温凝液以多股进料形式直接进入脱甲烷塔（或脱乙烷塔），既合理利用低温凝液的冷量减少脱甲烷塔（脱乙烷塔）的冷量消耗，又降低塔的负荷。 （2）可以减少分馏塔的负荷及热量消耗。在顺序流程中，除脱甲烷塔进料为冷凝分离系统来的各级低温凝液外，其余各塔的进料均为前一个分馏塔塔底来的剩余凝液。由于按凝液中烃类相对分子质量从小到大逐塔分离，故各塔的负荷及相应的冷凝器和重沸器的热负荷都较小。而且，除脱甲烷塔塔底温度通常为低温外，其它各塔塔底温度均高于常温，因而重沸器所需的热量也较小。

33. 冷凝分离法原则流程 (6) 干气再压缩 当采用透平膨胀机制冷时，由膨胀机出口物流分离出来的干气或由脱甲烷塔(或脱乙烷塔)塔顶馏出的干气压力一般可满足管输要求。若其压力仍不能满足外输要求时，则还要设置再压缩机，将干气增压至所需之值。 (7)制冷 制冷系统的作用是向需要冷冻至低温的原料气及分馏塔塔顶冷凝器提供冷量。当装置采用冷剂制冷法时，由单独的制冷系统提供冷量。当采用膨胀制冷法时，所需冷量是由原料气或分离出凝液后的气体直接经过工艺过程中各种膨胀设备来提供。

34. 冷凝分离法原则流程 (8)凝液稳定、切割 丙、丁烷的沸点较低，它们的存在会使轻油不稳定，不利储存和使用。为此，需将轻油进一步稳定，脱除其中的丙烷和丁烷。稳定操作一般在精馏塔内进行，塔顶产品即是液化气(丙烷和丁烷)，塔底为稳定轻油。 (9)产品储配 干气可直接外输，液化气和轻油应设置相应的储存和分配设施以供销售。

35. 吸附法简介 吸附法是利用具有多孔结构的固体吸附剂对烃类组分吸附能力强弱的差异而实现气体中重组分与轻组分的分离。 一般用于对重烃含量较少的天然气和伴生气进行加工，处理规模小。 由于吸附剂的吸附容量等问题未能得到很好解决，一直使其未得到广发的应用。

36. 吸附法 原理：利用固体吸附剂(如活性炭)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。 一般乙烷收率为5％，丙烷收率为40％，丁烷收率为75％，天然气汽油（C5＋）为87％。 特点： 优点是装置比较简单，不需特殊材料和设备，投资较少； 缺点是不能连续操作，产品的局限性大，能耗较大，成本较高，目前应用较少。

37. 吸附法 常用吸附剂：活性炭、硅胶、硅藻土等。 吸附法提取天然气液烃的主要依据：活性炭等吸附剂对天然气组分表现出较强的选择性，只是吸附C3+的烃类组分，而对其他较轻的组分不显示明显的吸附能力。

38. 活性炭的吸附过程大致分为四步进行： 活性炭吸附法轻烃回收工艺 1.用活性炭从气体混合物中吸附某些组分； 2.进行解吸，是用过热蒸气把凝析油从吸附剂中蒸脱出来，进行冷凝回收； 3.用高温气体对活性炭进行干燥； 4.活性炭冷却，重复上述过程。 I－原料气；II－液体（冷凝液＋水）；III－再生气； Ⅳ－脱去汽油的气体；Ⅴ－在原料气流中经过分离的再生气； 1－原料气入口分离器；2－部分再生气加热器； 3、4－吸附塔； 5－换热器；6－再生气分离器。

39. 吸附法 吸附流程的适宜操作条件： 1．吸附循环时间：15—20分钟、到60分钟； 2．吸附剂的再生温度：533－588k。 吸附装置一般只限于处理3—50万Nm3/d的小流量天然气或者大流量的贫气(液烃含量低于1-20g/Nm3)。

40. 油吸收法简介 油吸收法是基于天然气中各组分在吸收油中的溶解度的差异而使轻、重烃组分得以分离的方法。 该法在20世纪50～60年代前得到广发应用，至今仍有工业装置在运行，特别是应用在石油炼制工业中的石油裂解气的分离方面具有优势。 按照吸收操作温度的不同，油吸收法往往分为常温油吸收法和低温油吸收法两种。

41. 油吸收法 原理：依据天然气混合物中各组分在吸收油中溶解度的差异而设计的。该法分离天然气的过程，是在一定传质推动力作用下的气液相间的扩散过程。 油吸收法系尤以回收丙、丁烷为主。吸收油一般采用石脑油、煤油或柴油，其相对分子质量为100～200。 特点：油吸收法的优点是系统压降小，允许采用碳钢，对原料气预处理没有严格要求，单套装置处理量较大(最大可达2800×104m3/d)。但是，由于油吸收法投资和操作费用较高，因而已逐渐被更加经济与先进的冷凝分离法所取代。

42. 油吸收法 分类： 常温油吸收的温度一般为30℃左右，以回收C3为主要目的，收率在70％左右； 中温油吸收的温度一般为-20℃以上，c3收率为40％左右； 低温油吸收的温度在-40℃左右，C3收率一般为80％～90％，C2收率一般为35％～50％。

43. 低温油吸收法的轻烃回收流程

44. 低温油吸收法的优越性 ①原料气的预冷可使较重的烃类冷凝，在分离器中分离出来，从而减轻了吸收塔的负荷。 ②采用较低温度的吸收工况，就有可能采用较轻的、吸收能力更强的吸收油(分子量100～140)，降低吸收剂耗量，从而降低再生和泵送吸收剂的动力费用。 一般低温油吸收法的压力即输气压力，其操作温度的温度位决定于所欲C3收率。 美国和加拿大所采用的低温吸收流程的典型操作参数为： 吸收塔的工作温度253～215K，工作压力为3.5～6.5MPa，解吸塔压力1～2MPa，吸收－蒸沸塔的压力≤3.5MPa。 吸收率：乙烷为25～50％，丙烷为80～89％，丁烷＋丁烷以上为100％。

45. Mehra法 马拉法则借助于特定溶剂，结合操作参数的调节，可回收C2+、C3+、C4+和C5。 马拉法吸收－闪蒸工艺流程图 马拉法吸收－汽提工艺流程图

46. 膜分离 膜分离技术包括反渗透、超过滤、微过滤、渗析、电渗析、过膜蒸发及气体的膜分离等。 膜分离过程就是使混合物中各组分在压力差或浓度，或电位差的作用下，通过特定的界面——“膜“进行传质。 膜分离技术的关键是膜本身的选择性。 膜分离过程与其它分离工艺相比较，所用的设备最少，装置建造投资最省，无须冷换和加热过程，能耗最低，因而生产成本低廉，经济效益最高。 中国石油大学利用膜分离技术脱除油田气中的CO2的室内研究工作，已取得了非常理想的效果。

47. 轻烃回收方法收率小结

48. 回收工艺方法选择应予考虑的因素 （1）原料气处理量 原料气处理量决定了装置规模，较大的装置可选择投资较大而效率较高的工艺，较小的装置则宜选择投资不大的工艺。 （2）原料气组成 原料气较富时，回收NGL需要更多的冷量。原料气中的杂质如二氧化碳、硫化氢含量以及比甲烷、乙烷更重烃类的含量对工艺方法的选择也有很大的影响。 （3）原料气压力及干气外输压力 原料气压力及干气外输压力是决定工艺方法有无压能可以利用并从而影响装置经济性的重要因素。 （4）产品方案 当装置需要回收乙烷供作乙烯原料，以及要求有高的丙烷收率时，需要深冷工艺；如只回收轻油及部分LPG，则可采用浅冷工艺。 （5）其他因素

49. 工艺方法选择的原则 4.在下述情况下可考虑采用膨胀机制冷法： （1）原料气量及压力比较稳定。 （2）当进气压力与输出干气压力之间有自由压差可供利用，且C3＋组份含量又不太多时，宜选用膨胀机制冷法。 （3）气体较贫及凝液收率要求较高，可采用膨胀机制冷法。若当原料气C2+含量较多，装置处理规模较大时，为了降低功率的消耗，宜采用膨胀制冷与冷剂制冷相结合的混合制冷方法。 注意：深冷装置的C2收率高于90％时，投资及操作费用明显上升。一般认为60％～85％的C2收率是比较合适的；对以回收C3＋液烃为目的的浅冷装置，一般情况下50％～80％的C3收率是比较合适的。

50. 第三节 天然气凝液回收相关问题分析 • 3.1工艺方法的选择 • 3.2天然气凝液的稳定 • 3.3天然气凝液分馏 • 3.4冷凝分离压力与温度的确定