华贲1, 2 熊永强1, 2 李亚军1, 2 杨晓梅1, 2
（1、华南理工大学强化传热与过程节能教育部重点实验室 2、华南理工大学天然气利用研究中心）
摘 要 为利用进口液化天然气（LNG）湿气中的轻烃资源来发展我国的乙烯工业，文章介绍了一种改进的LNG轻烃分离流程。其特征在于：通过优化换热网络使压缩机的功耗比现有技术降低约40％，将脱甲烷塔的再沸器同脱乙烷塔的冷凝器进行热集成，使分离流程的能耗大为降低；同时，为提高乙烯原料裂解的选择性和转换率，此流程中将分离得到的C2+轻烃进一步分离，从而获得较纯的乙烷和丙烷作为乙烯裂解原料。随着中国开始大量进口LNG，应用本流程将LNG湿气中的轻烃分离出来，不仅可为我国的乙烯工业提供大量的优质原料，降低乙烯的生产成本，而且可以替代生产乙烯的石脑油，减少原油进口。
关键词 液化天然气（LNG），轻烃，分离，乙烯工业，模拟，优化
21世纪是天然气的世纪，世界各国都在大力发展天然气，由于受到天然气产地和用户地理位置的局限，因而液化天然气（LNG）的国际贸易发展尤为迅速。我国已初步规划于2010年之前在沿海地区建设7处LNG接收终端站，预计每年将进口上千万吨的LNG。根据LNG中C2+轻烃含量的不同，LNG可分为干气和湿气。目前，国际LNG市场上有相当一部分是湿气（含有10 wt％以上的C2、C3及少量C4烃）[1]。如深圳LNG接收站进口的澳大利亚西北大陆架LNG，其C2+轻烃摩尔组分高达11％。湿气中的C2+轻烃是一种优质的化工原料，用其代替石脑油作为乙烯原料，乙烯装置投资可节省30％，能耗降低30～40％，综合成本降低10％[2]。产业链的优化组合决定，我国未来LNG的进口量中湿气将占有相当的比例[3]。因此，发展LNG轻烃分离技术，不仅能够为我国的石化企业提供大量优质的原料，优化我国乙烯工业的原料路线，增强乙烯装置的市场竞争力，而且可以节省大量用于生产乙烯的原油，缓解我国石油资源的短缺 [4]。
一、LNG轻烃分离流程
从LNG中分离出轻烃，目前国内还没有相关的技术报道，而国外早在1960年，就有利用LNG轻烃分离的专利了。在美国，从LNG中分离C2+轻烃已成为调节天然气热值，使之符合国家燃气标准的重要手段[1]。近年来，在美日等国又注册了很多有关的LNG轻烃分离专利，如美国专利US6604380B1[5]，US2003/0158458A1[6]，US2003/0188996A1[7]等。由此可见，利用LNG技术比较成熟的国家对从LNG中分离出轻烃已经十分的普遍，并且拥有比较稳定和可靠的技术，这为我国从沿海引进的LNG湿气中分离轻烃起到了良好的指导作用。上述的专利流程主要用于调节天然气的热值，若用于从LNG湿气中分离轻烃作为原料发展乙烯工业，则还存在以下不足：
(1) 分离出来的甲烷气体全部需要压缩，压缩机的功耗非常大，分离成本较高。
(2) 以调节热值为目的，故只对LNG进行粗略分离，并未将乙烷和丙烷等进一步分离；而在乙烯生产中，乙烷和丙烷的裂解工艺条件不同，将乙烷同丙烷等组分分开，有利于提高原料的利用率。
为利用进口LNG湿气中的优质轻烃资源发展我国的乙烯工业，本文在对现有流程基础上，利用过程能量综合优化技术优化流程的换热网络以及分馏塔系，提出了一种低温换热网络与轻烃分离过程相集成的LNG轻烃分离流程，能够较好的解决现有技术的不足。流程如图3所示。本流程包括四部分：原料预热，预分离，脱甲烷和脱乙烷。
（1）原料预热：常压下-162℃的LNG通过泵增压后进入分离流程，LNG进料先后与脱甲烷塔及闪蒸塔分离出来的甲烷气体换热， LNG温度升高而部分气化，然后进入预分离装置。
（2）预分离：被预热的LNG进入闪蒸塔中预分离，从塔顶分离出来的气体是甲烷，甲烷气体通过压缩机压缩后与LNG进料换热而被全部液化，并以液相输出。闪蒸塔的釜液中还含有部分甲烷，将其输入到脱甲烷塔中进一步分离。
（3）脱甲烷：经过预分离后，LNG通过泵进一步提高压力，然后进入脱甲烷塔。在脱甲烷塔中，甲烷全部从塔顶分离出来，甲烷气体通过同LNG进料换热而被全部液化，以液相输出。脱甲烷塔的釜液含有乙烷、丙烷以及少量的C4+轻烃，将其输送到脱乙烷塔中进一步分离。
（4）脱乙烷：脱甲烷塔的釜液通过液体泵增压后进入脱乙烷塔中，气体乙烷从塔顶分离出来，通过管线可以输送到乙烯裂解装置，而塔釜的液体主要含有丙烷，丁烷等组分，这些也都是非常好的石化原料。
图1 LNG轻烃分离流程图
二、流程模拟与优化
某LNG接收站的进口量为300万t/a， LNG为轻烃含量较高的湿气，其摩尔组分为：甲烷88.0％，乙烷8.5％，丙烷2.5％，异丁烷0.4％，正丁烷0.5％，C5+ Nil，氮0.1％。现接收站使用图1所示的LNG轻烃分离装置，从0.1MPa、-162℃的LNG中将C2+轻烃分离出来作为乙烯裂解原料，分离流程的处理量为342.5 t/h。本文采用Aspen Plus流程模拟软件作为工具，通过对换热网络和分馏塔系进行集成优化以获得较优的操作条件。具体包括以下两个方面：
（1）通过调整LNG进料、脱甲烷塔和压缩机的操作压力，优化换热网络，使得利用LNG的冷量可将分离出来的两股甲烷气体全部重新液化。目前，天然气长输管道都是采用超高压输送的方式，如 “西气东输”的输气压力为10MPa，LNG气化后进入的输气管道也要求有很高的压力。液体甲烷可以使用泵增压使之达到天然气长输管网的压力要求，而气体甲烷则是通过压缩机压缩气体来提高压力。增加同样的压力，气体压缩机的功耗远远大于泵的能耗，所以将分离出来的甲烷气体再液化，有利于LNG的气化输送。并且，在将甲烷气体液化的同时能够使LNG预热部分气化，提高了能源利用效率，减少热公用工程的消耗，降低流程的操作费用。通过模拟计算，当LNG进料通过泵1增压到1.1MPa、脱甲烷塔的塔顶压力为1.6MPa、压缩机将预分离出来的甲烷气体压缩至1.6MPa时，利用LNG原料的冷量可将分离出来的两股甲烷气体全部液化。此时，预热后的LNG气化了50％左右，压缩机将约150.6t/h的甲烷气体从1.0MPa压缩至1.6MPa的功耗为1.93MW；脱甲烷塔再沸器的热负荷约为18.79MW。
（2）优化脱乙烷塔的工艺条件，使脱甲烷塔的再沸器同脱乙烷塔的部分冷凝器能够进行热集成，降低操作费用。脱甲烷塔再沸器的热负荷为18.79MW，塔釜温度为-13.7℃。当脱乙烷塔的操作压力不同时，其部分冷凝器及塔顶温度也不一样，而两个塔要进行热集成，两者的温位必须匹配。应用流程模拟软件模拟脱乙烷塔的在不同的操作压力条件下其部分冷凝器的热负荷和塔顶温度，模拟结果如表1所示。从表1可见，当脱乙烷塔的操作压力不小于1.6MPa时，脱甲烷塔的再沸器同脱乙烷塔的部分冷凝器的温位能够匹配，可以进行热集成。为使传热温差大于10℃以节省换热器的换热面积，而且考虑到压力较高的乙烷气体有利于使用管道输送，但压力太高又会增加脱乙烷塔的设备投资，所以在本文中脱乙烷塔的塔顶操作压力取2.4MPa。此时理论塔板数为25，回流比为1，脱乙烷塔能够达到乙烷的分离要求。两个塔进行热集成后，脱乙烷塔的部分冷凝器所需的冷量可以全部由脱甲烷塔的再沸器供应，而且脱甲烷塔的再沸器能节省公用工程3.95MW。
在上述的工艺条件下，用流程模拟软件模拟整个流程，模拟结果如表2所示。
表1 脱乙烷塔在不同操作压力下其部分冷凝器的热负荷及塔顶温度
