基于HYSYS的轻烃分离工艺流程模拟及性能分析

李宏武，高继峰，耿 直，金光彬，梁 莉，孙 冲

（1.中石化新星 （北京）新能源研究院有限公司，北京 100083；2.中石化中原石油工程设计有限公司天然气技术中心，河南 郑州 450000）

简 要：随着大型LNG接收站的快速发展，LNG冷能利用的研究也日益迫切。轻烃分离就是一种较为常见的可行应用技术方案。提出了一种新型的利用LNG冷能回收轻烃的工艺流程，并采用流程模拟软件HYSYS对各分离流程进行模拟计算，论证了主要参数及关键指标对与系统工艺流程的影响，为LNG冷能的实际工程化应用提供了一定参考。

根据我国能源战略规划，国家将加速引进国外天然气或液化天然气 （LNG）来优化整体的能源结构［1］。2020年前，我国将投资2200多亿元人民币建成5×104km天然气管线和千万吨级LNG接收站，形成年进口5000万吨规模的LNG接收设施，使天然气消费在我国一次能源消费结构中的比例从现在的2.97%提高到12%［2］。然而，由于液化天然气存在普遍的气化问题，接收站产生大量的冷能。如果对这部分冷能进行得到高效的回收便能获取较高经济效益，否则就会产生大量的浪费。现如今，常见的冷能利用方式主要有冷能发电 （上海洋山LNG）、空气分离 （江苏如东LNG、广东珠海LNG）、海水淡化、轻烃分离 （福建莆田LNG）和制取干冰 （河北唐山）等［3-5］。相较而言，轻烃分离尤其是C2＋分离的冷能利用效率高，技术较成熟，回收的部分烷烃类有机物可为化工行业提供必备的紧缺原料，同时可大大降低化工行业的基础成本。

基于国内外轻烃回收利用技术，本文提出了一套完整的LNG冷能利用工艺方案，建立了各设备的数学模型，并通过借助计算机拟合软件HYSYS，建立了完善的轻烃分离流程模型，开展了模拟计算及参数的优化，得到了轻烃分离流程的物流结果。该研究对LNG冷能接收站的实际工程化应用及运行管理具有一定的借鉴意义。

1 工艺流程系统建模

1.1 状态方程

能广泛应用于天然气组分计算的状态方程主要有Soave RK（SRK）、Peng-Robinson（PR）、Benedict-Webb-Rubin（BWR）、Starling-Han BWR（SHBWR）及Lee-Kesler-Plocker（LKP）状态方程等，其中PR方程对烃类气-液相平衡计算有较好的温度函数，而且在预测稠密区的摩尔体积方面，PR方程模拟拟合良好。因此本文选取PR方程进行计算，状态方程公式如下：

1.2 传热设备

1）空冷器

基于空气与过程物流的能量平衡关系，对于一个逆流空冷器的计算可按照以下方程式计算能量平衡：

式中，Mair-空气物流质量流量，kg／s；Mprocess-过程物流质量流量，kg／s；H-焓，J／kg。

用总传热系数U、有效换热面积A和对数平均温差ΔTLM来定义空冷器负荷Q，可得如下关系：

式中，U为总传热系数，W／m2·K；A为有效传热面积，m2；ΔTLM为温差对数 （LMTD），K；Ft为更新因子。其中LMTD和更新因子Ft可根据空冷器的结构参数计算得出。

2）冷却器／加热器

冷却器中出口的能量等于进口能量减去冷却器的负荷值 （过程物流的能量取绝对值）；加热器中出口的能量等于进口能量加上加热器的负荷值，即

3）换热器

换热器的计算原理是基于冷热流体的能量守恒。基于换热器进行冷热两种流体之间的能量交换与物料平衡，管程和壳程总传递的热量计算方程式如下：

式中，各符号的表达含义同空冷器。

4）液化天然气

LNG的相关计算是基于冷热物流的能量平衡来完成，可釆用下式计算：

式中，M为物流流量，kg／s；ρ为密度，kg／m3；H为焓，J／kg；Qintemal为从周围层获得的热量，J／s；Qextemal为从外部获得的热量，J／s；V为持液的体积，m3。

1.3 旋转装置

离心压缩机用来增加入口气体的压力，一般要求送风量大和压缩比低。对于离心压缩机，压缩过程中等熵效率是等熵 （理想）需用功率与实际需用功率之比，即：

1.4 泵

泵起到输送液体物流或使其增压的作用，它可以将机械能或其它外部能量传给液体。泵的功率和效率可分别由下式计算：

式中，Pout为泵出口压力，kPa；Pin为泵入口压力，kPa。

1.5 分离设备

通过对出口物流进行P-H闪蒸来测定出口物流的工况和相位，达到分离器计算的要求。闪蒸压力是最小进口压力减去容器中的压降。焓值是进口焓加上负荷 （加热时，负荷为正；冷却时，负荷为负）。在稳态模式下分离器的能量平衡方程如下：

式中，Hfeed为进料物流的热流量，W；Hvapour为气体出料物流的热流量，W；Hheavy为重液出料物流的热流量，W；Hlight为轻液出料物流的热流量，W。

2 模拟计算及结果分析

2.1 系统方案及流程分析

在构建了上述理论模型基础上，本节搭建了LNG轻烃分离的系统工艺，系统方案如图1所示。基本流程是：LNG原料首先经过泵P-100进行增压，由0.1MPa增至1.2MPa。再由分流器TEE-100分流成大小两股：较大的一股 （约占90%的总流量）首先在换热器LNG-100中预热，通过控制换热器温度使液相物流转换为部分气化的物流，部分气化后进入闪蒸塔V-100中进行气液分离。从闪蒸塔V-100顶部获得的是分离出的气态甲烷，在塔釜液体中仍然含有部分液态甲烷。富含C2＋轻烃的LNG从闪蒸塔底分出，之后进入脱甲烷塔T-100中进一步分离。经过脱甲烷塔后，物料中甲烷和C2＋组分彻底分离。从分流器中分出的另一股LNG（约占10%的总流量）作为脱甲烷塔顶回流直接进入脱甲烷塔；经脱甲烷塔的分离，剩余的甲烷全部以气相从塔顶分出，塔底分出的液体则为C2＋轻烃产品。从闪蒸塔顶和脱甲烷塔顶分离出的两股甲烷气体通过混合器进行合流，然后在压缩机K-100的压缩机械功作用下提高压力，之后甲烷混合气与增压过冷的LNG原料在换热器中换热使气态甲烷全部液化，并通过高压泵P-101将LNG增压，外输送入气化装置。上述流程中LNG通过换热，其冷量集中在轻烃分离和闪蒸塔与脱甲烷塔分离出来的气态甲烷的再次液化。

基于本系统的物理结构方案，在本研究中使用流程模拟软件HYSYS进行相应的分析模拟计算。其中，计算的基础参数如下：

①C2＋轻烃回收装置设计规模：360 t／h；

②LNG进装置 （见图1中物流1）压力：0.1 MPa；

③LNG进装置 （见图1中物流1）温度：-162°C；

④LNG组分摩尔比如表1所示。

图1 轻烃分离工艺流程图

表1 系统计算参数设定值LNG气源组分

2.2 工艺参数变化规律

图2所示为LNG和甲烷的P-T相图。由图2可见，在压力一定的情况下甲烷的沸点比LNG低，因此可以通过蒸馏与精馏技术对其进行分离。通过图2看出，压力对天然气的沸点有明显影响，选用低压分离工艺时 （如压力低于1 MPa），甲烷相变线与LNG泡点线相接近，两者沸点相差较小，此时进行蒸馏分离，系统效率将会很低，因此闪蒸的操作压力应调高，使LNG在进入闪蒸塔分离之前，进料压力调至大于1 MPa。本方案仅对LNG中的甲烷进行分离与提纯，系统较为简单，需设定的参数较少，故可给定泵P-100的出口压力为1.2MPa，将换热器LNG-100的出口温度 （物流5）作为变量，使用HYSYS进行流程模拟获得压力为1.2MPa下最优化的换热器出口温度值。在此基础上，分别得到以下各指标的计算结果及变化特性。

图2 LNG与甲烷P-T相图

2.2.1 系统功耗

图3给出了压力为1.2 MPa时换热器出口温度与系统功耗的关系。由图3看出，当换热器出口温度低于-108°C时，系统功耗随换热器出口温度的升高而急剧降低，在-108°C时系统功耗取得最小值，在-106°C至-98°C之间，温度的变化对系统功耗影响不大。考虑到换热器出口温度对系统热负荷及甲烷纯度等其它指标均会产生影响，因此从系统功耗方面考虑，换热器出口温度在-108°C至-98°C之间均属于合理范围。

图3 系统功耗与换热器出口的关系变化图

2.2.2 系统热负荷

图4给出了压力为1.2 MPa时换热器出口温度与系统热负荷的关系。由图4看出，随着换热器出口温度的升高，系统热负荷呈单调递减的趋势，在换热器出口温度为-112°C时系统热负荷为26.11 MW，而当换热器$口温度升高至-98°C时系统热负荷降低至15.5 MW，仅相当于原热负荷的60%。因此，提高换热器出口温度可有效减小系统耗热量。

图4 系统热负荷与换热器出口的关系变化图

2.2.3 甲烷摩尔质量

图5给出了压力为1.2 MPa时换热器出口温度与外输天然气 （物流13）甲烷摩尔分数的关系。由图5看出，随着换热器出口温度的升高，外输天然气甲烷纯度呈下降趋势，但是下降幅度并不大，在换热器出口温度为 -112°C时甲烷纯度为98.42%，而当换热器出口温度升高至-98°C时甲烷纯度为97.46%，降幅仅为1%。因此，从外输天然气纯度角度考虑，降低换热器出口温度可提高外输天然气的纯度，但是提高幅度有限，因此换热器温度的确定需综合考虑其它因素的影响。

图5 甲烷摩尔质量与换热器出口的关系变化图

2.2.4 C2＋轻烃回收率

下图6给出了压力为1.2 MPa时换热器$口温度与C2＋轻烃回收率的关系。由图6看出，换热器出口温度为-110°C时C2＋轻烃回收率最高，为95.61%。之后随着温度升高，回收率呈降低趋势，当温度升高至-98°C时C2＋轻烃回收率降为最小值92.56%，降幅为3.2%。因此，从C2＋轻烃回收率的角度考虑，降低换热器出口温度可提高C2＋轻烃回收率的回收率，在工艺参数设定上需考虑这一因素的影响。

图6 C2＋轻烃回收率与换热器出口的关系变化图

2.2.5 轻烃分离流程物流结果分析

通过该轻烃分离装置的处理，LNG湿气分成外输天然气 （物流13）及轻烃产品 （物流9）两部分，其物流模拟结果见表2所示。轻烃分离流程得到的每小时流量为222.1 t天然气，其中甲烷摩尔含量为98.40%；回收 C2＋轻烃产量为137.9 t／h，C2＋轻烃回收率为95.41%。轻烃分离装置获得的轻烃产品为1.15 MPa的液体，方便进行低压储存和运输，也可以通过保温管线输送到附近的乙烯裂解装置。

表2 物流模拟结果

3 结论

针对LNG站的冷能利用，本文提出了一套轻烃分离的可行性方案，通过HYSYS搭建了系统的工艺流程数学模型，并针对系统功耗等四项指标进行重点模拟分析，得到如下结论：

系统功耗方面，轻烃分离的较佳换热器出口温度主要分布在-108°C至-98°C之间；

系统热负荷方面，适当地提高换热器出口温度可有效减小系统耗热量。

甲烷的摩尔质量方面，降低换热器出口温度可提高外输天然气的纯度，

C2＋轻烃回收率方面，降低换热器出口温度可有效提高C2＋轻烃回收率的回收率。

综上，上述指标从不同角度为LNG的轻烃分离工艺参数的优化指明了一定方向。