天然气中存在大量重组分，这些重组分易于液化、积聚，对天然气的输送安全造成影响；也由于天然气组成复杂，增加了下游企业的用气困难。采用合适的工艺，脱除、回收天然气中的重组分，一方面可增加供气单位的经济效益，也为下游企业用气提供了方便。

下文结合中海油某陆上天然气处理厂的海上天然气处理项目，基于油吸收工艺回收天然气中的液化气组分，采用流程模拟软件进行了优化，目的是找到易于实施，投资较少，操作费用比较低的的工艺操作条件。

1　基础数据

该天然气处理厂原料气处理规模为4.2 km3/a，同时处理输送过程携带的凝析油，规模为40 kt/a。进气压力3.3 MPa;进气温度19.2 ℃;年开工按7 300 h计算。

招财与杏子的游击战没有万岁，一个多月后麻烦就来了。这个月，杏子的大姨妈没来，开头几天，她也没在意，可过了二十多天，还不见踪影，她有点急了，偷偷地一个人去公社卫生院作了检查，一位眼镜医生说，恭喜你，怀孕了。杏子一听，脑壳里嗡地一声，一身冷汗就出来了。她把这消息告诉招财，招财也慌了神，怎么就怀了呢？这时候怎能怀呢？杏子说，别这个呢那个呢的了，你是男人，快拿个主意吧！招财想了想说，去医院打掉。

1.1　原料组成

原料气组成及条件见表1。凝析油密度为0.736 g/cm3，D86蒸馏馏程分析数据见表2。

1.2　原料分析

从表1的原料气组成可以看出，需要回收的组分C3,C4只占原料摩尔分数的3.893%，远远低于常规炼油厂所处理气体的关键组分组成，预示着需要的吸收剂用量很大，吸收塔和解吸塔负荷非常大，原料中C3,C4的回收难度很大。

由于要处理油气携带的凝析油，吸收剂只能采用该凝析油组分，该凝析油终馏点温度较高，解吸塔和稳定塔底温度也比较高。

 

表1　原料气组成及条件Table 1　Composition of feedstock gas and operating conditions

  

温度/℃19压力/MPa3．3摩尔流量/(kg·mol·h-1)2367．4质量流量/(kg·h-1)43936．8χ，%　N20．225　CO20．149　C188．645　C26．607　C32．760　nC40．712　iC40．421　nC50．153　iC50．00328

 

表2　凝析油分析数据Table 2　Analysis data of condensate oil　%

  

蒸馏百分比温度/℃0245%4510%6220%7330%8640%96蒸馏百分比温度/℃50%12760%15370%17690%196100%205

2　工艺流程

2.1　基本原理

油吸收法是基于天然气中各组分在吸收油中的溶解度差异而使不同烃类组分得以分离的工艺方法。根据操作温度，油吸收法可分为常温吸收和低温吸收。常温吸收多用于中小型装置，而低温吸收是采用通过外部制冷系统冷却的吸收油与原料气直接接触，将天然气中的轻烃吸收下来，解吸后的贫吸收油可循环使用。该法常用于大型天然气加工厂，低温油吸收法的C3收率可达到85%～90%。

2.2　基本工艺流程

吸收塔操作压力的确定一方面要结合对工艺本身的影响，另一方面要结合装置上下游的压力条件。下文参照常规炼油厂设计，对1.2,1.4和1.8 MPa吸收压力的工况进行模拟计算分析，确定装置的操作压力。

德国从1972年开始倡导垃圾分类，经过了10 a的摸索期，1982年前后才算正式开始，1990年能规范化运作，从2010年至今一直保持世界领先水平，这与他们持续不断的努力实践有很大关系，其经验也能给我国开展垃圾分类提供很多启示。

  

图1　吸收工艺流程Fig.1　Process flow of absorption

原料气与经过冷却的解吸塔顶气混合后进入油气分离器，在此与从吸收塔底来的富吸收油进行气液平衡分离，油气分离器顶部出来的气体直接进入吸收塔底部，在吸收塔内与经过冷却的贫吸收油逆流接触，C3以上组分被吸收，吸收塔顶气为装置外输天然气，吸收塔底油返回油气分离器。油气分离器底部出来的富吸收油用泵抽出，与原料凝析油混合后在解吸塔进料换热器中被预热后进入解吸塔，在此解吸出凝析油及富吸收油中的C2组分。解吸塔底脱乙烷油经过稳定塔进料换热器预热后进入稳定塔；稳定塔顶气相经冷凝后，一部分作为塔顶回流，另一部分作为LPG产品送出装置；稳定塔底凝析油经过冷却后，部分作为吸收塔的吸收剂，另一部分作为稳定凝析油产品。

2.3　操作条件选择

由于所供原料气压力远高于常规轻烃吸收稳定压力，原料气体须首先经过膨胀降压后进入吸收塔，因此首先需要对吸收塔操作压力进行选择。

吸收温度对吸收效率影响较大，吸收温度决定吸收剂用量、吸收稳定设备大小以及吸收稳定过程装置的消耗，因此确定合适的吸收温度决定着装置投资和经济效益。

2.3.1　吸收压力

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轻烃油吸收工艺流程如图1所示，关键设备为吸收塔、解吸塔及稳定塔。

吸收塔、解吸塔及稳定塔计算的塔径随吸收温度的变化如图3所示。与吸收剂用量类似，塔径随吸收温度的降低而减小，在温度低于-30 ℃以后基本不变。

首先需要对原料气进行膨胀而获得目标压力，由于目标压力对应不同的气体温度，所以该压力条件下原料气进装置的温度是一定的。

考虑到冷却器、换热器的压力降，三种吸收塔压力工况下原料气分别需要膨胀到1.3,1.5和1.9 MPa，膨胀机效率设置为85%，得到膨胀后的温度依次为-30,-25和-22 ℃，吸收剂的进料温度按照20 ℃(冷却水温度为15 ℃)考虑。

吸收塔设一个中段冷却器，冷却至吸收剂的进料温度。不同压力条件下的模拟结果见表3。由表3可以看出，吸收塔中段取热较少，因此设计取消了吸收塔中段取热。取消后三个吸收压力工况的模拟结果见表4。由表3、表4可以看出，吸收塔在1.2,1.4,1.8 MPa压力条件下，装置操作参数变化不大。

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吸收压力1.8 MPa的工况总加热负荷最小，但解吸塔底温度过高，很难找到合适的热源。

(4)公曰：“然则後世孰将[把]齐国？”对曰：“服牛死，夫妇哭，非骨肉之亲也，为其利之大也。欲知[把]齐国者，则其利之者邪？”(战国《晏子春秋》)

与常温吸收的区别在于，流程中需要增加原料气冷却器、贫吸收油冷却器及解吸塔中间再沸器等换热器。

 

表3　吸收塔设一个中段冷却器的主要工艺参数Table 3　Main process parameters of absorber with one intercooler

  

项　目吸收塔顶压力1．2MPa1．4MPa1．8MPa天然气进料温度/℃-30-25-22吸收剂进料温度/℃202020吸收塔温度(顶/底)/℃23/2023/2024/20解吸塔温度(顶/底)/℃56/23357/24659/264稳定塔温度(顶/底)/℃55/24955/24855/247吸收剂用量/(t·h-1)239．1209．7169．6吸收塔塔径/m2．02．01．8解吸塔塔径/m3．13．13．0稳定塔塔径/m2．92．82．7解吸塔底再沸器热负荷/kW34040．431900．529681．8稳定塔底再沸器热负荷/kW9409．27942．36530．1装置所需总加热负荷/kW43449．639842．836211．9吸收塔中段取热负荷/kW378．6358．9338．8

 

表4　吸收塔无中段冷却器的主要工艺参数Table 4　Main process parameters of absorber without intercooler

  

项　目吸收塔顶压力1．2MPa1．4MPa1．8MPa天然气进料温度/℃-30-25-22吸收剂进料温度/℃202020吸收塔温度(顶/底)/℃23/2323/2324/24解吸塔温度(顶/底)/℃56/23557/24859/266稳定塔温度(顶/底)/℃55/24955/24855/247吸收剂用量/(t·h-1)256．7225．0184．4吸收塔塔径/m2．12．01．9解吸塔塔径/m3．23．23．1稳定塔塔径/m2．92．82．7解吸塔底再沸器热负荷/kW32287．429975．427750．8稳定塔底再沸器热负荷/kW9334．27869．66457．1装置所需总加热负荷/kW41621．637845．034207．9

根据经验，下文详细模拟分析-10 ℃、-20 ℃和-30 ℃的吸收进料温度这三个工况。装置的热能消耗主要为解吸塔和稳定塔塔底再沸器，冷量消耗主要来源于贫、富吸收油的浅冷。在不考虑流程冷热物流换热的情况下，对装置所需的主要加热量和冷量结果进行总结,见表6。

吸收塔操作压力为1.4 MPa情况下，原料气的进料温度为-25 ℃。

在原料气处理量和操作条件相同、且规定相同吸收率的情况下，对常温(循环水冷却)吸收以及低温吸收的工况进行模拟研究。主要考察不同温度下吸收剂用量及设备尺寸，模拟后的主要操作条件和设备参数如表5所示。

表5　吸收温度对油吸收工艺参数的影响

Table 5　Effect of absorption temperature on process parameters

  

项　目吸收剂进料温度40℃15℃0℃原料气进料温度/℃-25-25-25吸收剂用量/(t·h-1)352．7200．9139．5吸收塔塔径/m2．42．01．8解吸塔塔径/m4．33．02．4稳定塔塔径/m3．32．52．4

首先考察不同温度下吸收剂用量变化，初步确定深入研究的温度范围。在以上计算基础上，进一步对-10～-40 ℃的工况进行模拟，得到吸收剂用量变化如图2所示。由图2可以看出，温度降低后，吸收剂用量减小的趋势开始变得平缓。且吸收温度小于-30 ℃以后，吸收剂用量变化很小。

吸收温度从40 ℃逐步降低到0 ℃，吸收剂用量及所有塔的塔径均大幅度减小，因此，可以通过改变吸收温度对油吸收工艺进行优化。

可以看出，常温吸收时，吸收剂用量达到352.7 t/h，设备尺寸较大，设备投资和操作成本均较大。

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图2　吸收温度对吸收剂用量的影响Fig.2　Effect of absorption temperature on absorbent flow rate

  

图3　吸收温度对塔径的影响Fig.3　Effect of absorption temperature on tower diameter

虽然低温有利于吸收，但是温度过低，对投资及操作的要求显著提高。例如设计温度达到-40 ℃以下，设备材料需要提高一个等级，增加了工程投资费用。

2.3.2　操作温度

 

表6　吸收剂进料温度对装置主要消耗的影响Table 6　Effect of absorbent feeding temperature on unit consumption

  

项　目吸收剂进料温度-10℃-20℃-30℃原料气进料温度/℃-25-25-25解吸塔底再沸器热负荷/kW12273．88947．86624．8稳定塔底再沸器热负荷/kW4111．23275．82713．0贫吸收油冷却负荷/kW2676．72484．02265．0富吸收油冷却负荷/kW410431450装置所需总加热负荷/kW16385．012223．69337．8装置所需总冷却负荷/kW3086．72915．02715．0

可以看出，随着吸收温度的降低，解吸塔和稳定塔塔底再沸器热负荷均降低，总的加热负荷降低；吸收温度降低，吸收剂用量减少，使得贫吸收油的冷却负荷减少，总的冷却负荷减少。根据以上分析，确定吸收剂的设计进料温度为-30 ℃。

3　节能措施及流程优化

3.1　优化低温油吸收流程及换热网络

确定低温吸收流程后，进一步研究流程的节能方式。考虑到富吸收油的冷量及稳定塔底物料热量的回收，对流程中冷、热物流进行换热网络匹配，包括利用稳定塔底出口物流的热量来预热解吸塔进料、稳定塔进料，以及给解吸塔中间再沸器供热，同时降低贫吸收油及出口稳定凝析油的温度；利用富吸收油的冷量给贫吸收油降温的同时达到预热解吸塔进料的目的；利用出口干气的冷量给原料气和解吸塔顶气体降温，同时提高外输天然气的输送温度。最终使整个流程能量得到优化，尽量减少外加热量及冷量的需求，达到节能效果。优化后低温油吸收轻烃工艺流程如图4所示。

  

图4　优化后低温油吸收工艺流程Fig.4　Low temperature oil absorption process after optimization

因此选择吸收塔操作压力1.3 MPa进行设计，该装置可以在1.1 MPa吸收塔压力情况下进行操作，装置适应性较好。

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图4中红色虚线代表热量回收利用的过程，蓝色虚线代表冷量回收利用的过程。将换热网络单独进行模拟，有利于加速整个工艺流程循环的收敛，所采用的换热网络如图5所示。

  

图5　低温油吸收工艺的换热网络Fig.5　Heat exchange network for low temperature oil absorption process

对热物流热量的回收利用如下：稳定塔底230 ℃左右的热物流依次通过稳定塔进料预热器、解吸塔段间冷却器、副产热水换热器和解吸塔进料预热器，最终降温至40 ℃，一部分作为稳定凝析油采出，同时可副产80 ℃的热水。对低温物流冷量的回收利用分为液相和气相冷却，分别描述如下：来自油气分离器的低温富吸收油将40 ℃的贫吸收油在贫吸收油冷却器Ⅰ中进行冷却，得到初步降温后的贫吸收油，需要外加冷量进一步冷却至-30 ℃。吸收塔顶出的低温天然气依次通过原料气冷却器Ⅰ和解吸气冷却器升温至15 ℃作为出口干气，并得到降温后的原料气，再进入膨胀机，膨胀后的原料气与降温后的解吸气混合后进入油气分离器。

青少年特发性脊柱侧凸（AIS）是指冠状位弯曲＞10°并伴有椎体旋转的一种脊柱三维畸形［1］。AIS的病因仍然未知，双胞胎研究和家族聚集研究显示遗传作用在AIS的发生过程中起到了重要作用［2-4］。但截至目前，只有AKAP2基因和POC5基因被证实可以导致AIS［5-6］。此外，几项全基因组关联研究已经确定GPR126、CHL1和LBX1基因中的单核苷酸多态性（SNP）位点与AIS发生相关［7-8］。这些研究结果均表明AIS具有遗传异质性。本研究试图通过全基因组测序的方法来探索中国汉族AIS患者中呈复合杂合隐性遗传的致病基因。

3.2　换热网络优化

对于-10,-20和-30 ℃三个工况，设定相同的C3回收率、液化气规格及产量、稳定凝析油采出量，并按照图5所示的换热网络进行优化，得到吸收塔、解吸塔和稳定塔的塔顶、塔底和进料温度如表7所示。可以看出，随着吸收剂进料温度的降低，所有塔的操作温度及进料温度均降低，可以初步判断降低吸收温度有利于减小解吸塔和稳定塔的再沸器热负荷。

对于后期二铵的价格走势，郑冰表示，二铵后市的价格还是要看成本是否会出现大的波动。目前来看，经销商普遍都比较担心高价买入后，到了后期又出现大幅度跌落现象。后期二铵价格或将仍有一定的上升空间，但是目前价格已经涨到一个相对尴尬的高点，未来价格的不确定性还很多，如果说涨价带来了机遇，相对应的风险也还是很大。但相比较而言，如果前期有提前备肥的经销商，可操作的利润空间还是相对可观的。

进一步考察所需吸收剂用量的变化、关键设备尺寸、所需外加热量及冷量等结果。模拟结果对比见表8。

 

表7　不同吸收剂进料温度下塔的操作温度Table 7　Operating temperature of three columns under different absorbent feeding temperature　℃

  

项　目吸收剂进料温度-10℃-20℃-30℃吸收塔塔顶温度-4-12-20吸收塔塔底温度0-8-17解吸塔进料温度545147解吸塔塔顶温度595754解吸塔塔底温度208196181稳定塔进料温度210200189稳定塔塔顶温度404040稳定塔塔底温度226221216

 

表8　不同吸收剂进料温度对工艺主要参数影响Table 8　Effect of absorbent feeding temperature on main process parameters

  

项　目吸收进料温度-10℃-20℃-30℃吸收剂用量/(t·h-1)109．286．065．8吸收塔塔径/m1．81．71．6解吸塔塔径/m1．91．81．7稳定塔塔径/m2．41．81．6解吸塔再沸器热负荷/kW5668．73766．92492．0稳定塔再沸器热负荷/kW7827．25706．93920．6贫吸收油冷却负荷/kW1290．71064．7807．0富吸收油冷却负荷/kW574．2544．3449．9装置所需总加热负荷/kW13495．99473．86412．6装置所需总冷却负荷/kW1864．91609．01256．9稳定塔冷凝器冷却水用量/(t·h-1)360184122

由表8可以看出，吸收剂用量、塔径及稳定塔冷凝器冷却水用量均随吸收温度的降低而降低。与表6中初始流程模拟结果相比，通过换热网络优化，装置的总加热负荷和总冷却负荷均明显降低。以-30 ℃工况为例，装置所需总加热负荷降低31.3%，总冷却负荷降低53.7%，表明换热网络优化对装置节能改进具有重要作用。装置的热能消耗主要为解吸塔和稳定塔塔底再沸器，再沸器热负荷随吸收温度的变化如图6所示，可以看出再沸器热负荷随温度的降低明显下降。综上可知，结合换热网络优化，将吸收温度降低至-30 ℃，对于整个装置的热量及冷量消耗的降低均有显著作用。

  

图6　再沸器热负荷随吸收剂进料温度的变化Fig.6　Change of reboiler thermal load with absorbent feeding temperature

4　结束语

运用PRO Ⅱ模拟软件对海洋天然气轻烃回收装置进行模拟，研究了影响工艺性能的主要因素，即吸收压力和吸收温度对吸收剂用量及设备尺寸的影响。模拟分析确定1.4 MPa，-30 ℃为适合较贫天然气原料的操作条件。通过增加解吸塔中间再沸器、贫富油换热器等对换热网络进行优化，可将冷公用工程的消耗降低约50%，将热公用工程的消耗降低约30%，优化效果显著。