膜-压缩冷凝耦合回收GTL尾气中轻烃的研究

摘要

天然气制液体燃料(GTL)工艺为天然气的综合利用提供了一条有效的途径，解决了过去天然气利用成本高的缺点。但在生产过程中存在一个问题：合成气中的N2等惰性气体在工艺流程中的循环积累降低了合成气的转化率和能量的利用率，因此有必要将部分累积了惰性气体的合成气作为弛放气排出。但这部分弛放气中仍含有大量已合成的轻烃资源，如果就此作为燃料气则降低了资源和能源的效率。所以，从弛放气中回收轻烃是一个亟待解决的问题。传统的深冷、油吸收等方法投资成本大、能耗高，不利于企业低能耗的发展方向。基于此，本文提出膜分离与压缩冷凝耦合的新工艺，并采用UniSimDesign对操作参数进行模拟优化，达到了低能耗高效率回收GTL弛放气中轻烃的目的。 本文基于国内某大型炼厂133000Nm3·h-1的GTL弛放气综合回收项目，提出了深冷工艺、氢膜(HM)-有机蒸汽膜(VOCM)-压缩冷凝耦合工艺和VOCM-HM-压缩冷凝耦合工艺三种方案回收弛放气中的轻烃，并确定了各方案的最佳操作条件：深冷工艺的冷凝温度为-70℃：HM-VOCM-压缩冷凝耦合工艺和VOCM-HM-压缩冷凝耦合工艺的冷凝温度、膜的总面积和两段膜的面积比分别为-30℃、-30℃；7000m2、11000m2和2.0、2.0。综合考虑各方案的经济效益和产出投入比，HM-VOCM-压缩冷凝耦合工艺为GTL弛放气中轻烃回收的最优方案，年经济效益和产出投入比分别为2.96亿元和1.283。 在此基础上，建立了精馏系统对轻烃进行进一步分离回收。脱甲烷塔、脱乙烷塔和脱戊烷塔的塔板数分别为36、37和34；进料位置分别为18、16和14；回流比分别为0.55、10和1；塔釜出料量分别为194kmol·h-1、170kmol·h-1和46kmol·h-1。轻烃回收结果为：乙烷、液化石油气(LPG)和轻油的产量分别为0.74t·h-1、6.18t·h-1和3.66t·h-1。C2H6、LPG中的C3H8和C4H10、轻油中的C5+的回收率分别为48.9％、85.3％和88.0％，达到了对GTL弛放气中轻烃的低能耗高效率回收，获得了很好的经济效益。 最后考察了各种因素等对轻烃回收效果的影响，结果表明：随着弛放气压力、流量和C2+组成的增大，年经济效益提高，但轻烃回收率变化不大，说明HM-VOCM-压缩冷凝耦合工艺随弛放气波动具有操作弹性大的优点。随着膜分离器价格的降低，轻烃产品价格的上升，年经济效益提高。可见随着膜科学的不断发展和石油的日益短缺，该工艺的经济性会越来越高。通过对各种影响因素的分析，为实际生产提供了一定的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

引言

1文献综述

1.1 GTL工艺概述

1.1.1 GTL工艺研究对象及产品

1.1.2 GTL工艺流程

1.1.3 GTL工艺发展现状

1.1.4 GTL工艺存在的主要问题

1.2轻烃回收方法

1.2.1深冷分离法

1.2.2油吸收法

1.2.3变压吸附法

1.2.4膜分离法

1.3有机蒸汽膜

1.3.1有机蒸汽膜的概述

1.3.2有机蒸汽膜材料及分离机理

1.3.3有机蒸汽膜的应用

1.3.4膜耦合工艺

1.4化工流程模拟

1.4.1化工流程模拟发展史

1.4.2 UniSim Design简介及应用

1.5选题依据与研究内容

2热力学方法和单元操作模型的选择

2.1热力学方法的选择

2.2单元操作模型的选择

2.3 小结

3 GTL弛放气中轻烃回收工艺的设计与优化

3.1工艺设计基础

3.1.1弛放气基础数据

3.1.2有机蒸汽膜特征参数

3.1.3管路能量损失

3.1.4经济性参数

3.2深冷工艺

3.3 HM-VOCM-压缩冷凝耦合工艺

3.3.1 HM-VOCM-压缩冷凝耦合工艺介绍

3.3.2冷凝温度的选取

3.3.3膜面积的选取

3.4 VOCM-HM-压缩冷凝耦合工艺

3.4.1 VOCM-HM-压缩冷凝耦合工艺介绍

3.4.2冷凝温度的选取

3.4.3膜面积的选取

3.5 工艺方案比较

3.6小结

4精馏塔分离系统的模拟

4.1塔参数

4.2脱甲烷塔的设计

4.2.1塔板数的确定

4.2.2进料位置的影响

4.2.3回流比的影响

4.2.4塔釜出料量的影响

4.3脱乙烷塔的设计

4.3.1塔板数的确定

4.3.2进料位置的影响

4.3.3回流比的影响

4.3.4塔釜出料量的影响

4.4脱戊烷塔的设计

4.4.1塔板数的确定

4.4.2进料位置的影响

4.4.3回流比的影响

4.4.4塔釜出料量的影响

4.5精馏系统模拟结果

4.6 小结

5轻烃回收效果的影响因素分析

5.1膜参数对轻烃回收效果的影响

5.1.1膜材料的影响

5.1.2渗透速率的影响

5.1.3分离系数的影响

5.1.4操作压力的影响

5.2弛放气波动对轻烃回收效果的影响

5.2.1压力波动的影响

5.2.2流量波动的影响

5.2.3组成波动的影响

5.3膜分离器价格和产品价格对轻烃回收效果的影响

5.3.1膜分离器价格的影响

5.3.2产品价格的影响

5.4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