轻烃膜回收过程中参数波动对系统的影响研究

摘要

随着现代工业的发展，石油和天然气等不可再生资源的消耗不断增长，从油田伴生气及天然气中回收高附加值的轻烃资源的必要性和重要性日益凸显。油田伴生气及天然气中轻烃回收是一种重要的油气处理工艺，对减轻能源危机带来的压力和提高资源利用率有重要意义。在实际生产中，轻烃回收工艺经常会面临各种干扰，如原料气流量和组成的波动等。非稳态的运行环境会影响产品质量，甚至对生产设备造成损害。因此有必要借助于动态模拟技术正确及时地反映出各参数的变化情况，分析参数波动对系统操作的影响，为实际生产操作及操作条件的选择提供理论指导，使装置快速接近最优操作，减少物耗和能耗。本论文以油田伴生气轻烃回收工艺为主要研究对象，提出了膜-膨胀机耦合工艺的基本控制方案，采用UniSimDesign流程模拟软件建立了稳态和动态模型，实现了工艺参数的优化，并分析了系统的动态波动行为。
　　针对国内某油田采出的伴生气中的轻烃回收问题，对传统的浅冷工艺流程和改造后的膜-膨胀机耦合工艺进行了稳态模拟，并得到如下模拟结果:在最优冷凝温度为-30℃的条件下，浅冷工艺的经济效益为3525万/年，轻烃回收率为37.4％，外排干气中轻烃含量为6.91mol％，年回收轻烃量为1854.4吨;膜-膨胀机耦合工艺选取最优冷凝温度为-33℃，渗透侧压力为145kPa，膜面积为130m2，在此条件下，膜-膨胀机耦合工艺的年经济效益为4093万元/年，轻烃回收率约为78.4％，外排干气中轻烃含量为2.37mol％，年回收轻烃量为3738吨。膜-膨胀机耦合工艺的年经济效益比浅冷工艺增加568万元，轻烃回收率提高了41％。膜耦合过程的经济效益明显，同时提高了轻烃回收率，减少了资源浪费。
　　在稳态流程结构的基础上，本文对轻烃回收工艺涉及的膜分离器、冷箱、精馏塔等操作模型进行了合理的动态设置，对管路和阀门进行了设置，设计了基本的控制方案，然后以稳态模拟结果为初始值，将稳态流程转换为动态流程。通过改变油田伴生气流量、C3组分组成和膜面积，考察了动态模式下参数波动对系统的影响。结果表明所有的监测变量在初始状态时呈现一定的波动，随着时间的推移，逐渐趋于平稳。工艺系统具有一定的抗干扰能力，对各个单元操作动态参数的动态规定是合理的;膜分离的加入没有对整个工艺系统的稳定性和弹性产生不利影响，并且膜分离模型本身也具有很好的工作稳定性和可操作性。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 轻烃回收简介

1．1．1 轻烃回收的必要性

1．1．2 国内外轻烃回收技术进展

1．2 轻烃回收的技术

1．3 气体分离膜

1．3．1 气体分离膜的分类及分离机理

1．3．2 气体分离膜应用

1．4 化工流程动态模拟

1．4．1 动态模拟简介及应用

1．4．2 动态模拟和稳态模拟的主要区别

1．4．3 稳态模拟转换为动态模拟的步骤

1．5 UniSim模拟计算系统

1．6 选题依据及研究内容

2 流程模拟的工艺背景及计算基础

2．1 热力学方法的选择

2．2 重要参数的定义

2．2．1 有机蒸汽膜特征参数

2．2．2 轻烃回收率的定义

2．2．3 经济性参数定义

2．3 操作模型的选择

2．3．1 稳态膜分离模型的建立

2．3．2 动态膜分离模型的建立

2．4 小结

3 轻烃膜回收过程的稳态模拟

3．1 基础设计数据

3．2 浅冷流程

3．2．1 浅冷工艺流程描述

3．2．2 冷凝温度的选取

3．3 膜-膨胀机耦合工艺流程

3．3．1 膜-膨胀机耦合工艺流程描述

3．3．2 冷凝温度的选取

3．3．3 渗透侧压力的选取

3．3．4 膜面积的选取

3．4 模拟结果对比

3．5 小结

4 轻烃膜回收过程的动态模拟

4．1 UniSim中单元操作的动态模型及参数确定

4．1．1 混合器

4．1．2 冷却器

4．1．3 阀门

4．1．4 气液分离罐

4．1．5 冷箱

4．1．6 膨胀机／压缩机

4．1．7 精馏塔

4．2 轻烃回收动态流程基本控制方案

4．3 控制器参数设定

4．3．1 PID控制器

4．3．2 控制器参数对系统动态行为的影响

4．4 全流程动态模拟转化

4．5 动态模拟结果与分析

4．5．1 流量波动影响

4．5．2 关键组分组成波动影响

4．5．3 膜面积改变

4．6 小结

结论

论文创新点与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢