一种回收甲烷的装置和方法与流程

1.本发明涉及石油化工领域，具体而言，涉及一种回收甲烷的装置和方法。


背景技术：

2.天然气是指天然蕴藏于地层中的烃类和非烃类气体的混合物，通常指油田气和气田气，其组成以烃类为主。轻烃是从天然气中分离出来的，轻烃回收是指将天然气中比甲烷更重的组分以液态形式回收的过程。其目的一方面是为了控制天然气的烃露点(在规定压力下，气态烃开始形成液态烃的温度)以达到商品气质量指标，避免气液两相流动；另一方面，回收的液烃有很大的经济价值，可进一步分离成乙烷、丙烷、丁烷或丙丁烷混合物(液化气)、轻油等产品，即可以直接用作燃料，也可用作化工原料。我国已建的深冷凝液回收装置较少，多数采用液相过冷工艺(lsp)回收乙烷，其缺点是脱甲烷塔顶完全采用低温分离器液相作为回流，造成轻烃的收率较低。
3.现存的一些油田气和气田气为火山岩气藏，其表现为非均质性强，产能差异大，部分气井因产水、井控储量小，压力、产量递减较快，受进站压力限制过早的停关或间开生产。随着高压气量逐年降低，低压气开发刻不容缓。这些气田原料气中乙烷和丙丁烷的含量较高，并且具备良好的天然气深加工条件。目前采用“j-t阀节流 注醇防冻”的处理工艺，由于受制冷温度的限制，因此难以由天然气原料气中高效地回收甲烷，并分离回收其他烃类物质，大大降低了气井开采效率和气田的生产指标，严重影响气田开发效益，造成资源的浪费。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种回收甲烷的装置和方法，以解决现有技术中的难以由天然气原料气中高效地回收甲烷，并分离回收其他烃类物质的问题。
5.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种回收甲烷的装置，包括：第一换热器，用于对天然气进行冷却，具有连通的待冷却气入口和冷却气出口；气液分离器，具有气液分离器入口、气液分离器液相出口和气液分离器气相出口，其中气液分离器入口与冷却气出口连接；第二换热器，具有第二换热器第一入口、第二换热器第一出口，其中第二换热器第一入口与气液分离器气相出口连接；以及脱甲烷塔，具有脱甲烷塔气相入口、脱甲烷塔液相入口、脱甲烷塔气相出口和脱甲烷塔液相出口，其中脱甲烷塔气相入口与第二换热器第一出口连接，脱甲烷塔液相入口与气液分离器液相出口连接。
6.进一步地，在上述回收甲烷的装置中，第一换热器还具有冷却介质入口，冷却介质入口与脱甲烷塔气相出口连接。
7.进一步地，在上述回收甲烷的装置中，第一换热器还具有与冷却介质入口连通的冷却介质出口，第二换热器还具有第二换热器第二入口，第二换热器第二入口与冷却介质出口连接。
8.进一步地，在上述回收甲烷的装置中，第一换热器还具有待冷却气第二入口，气液
分离器气相出口与待冷却气第二入口连接，优选第一换热器还具有与待冷却气第二入口连通的冷却气第二出口，冷却气第二出口与脱甲烷塔气相入口相连。
9.进一步地，在上述回收甲烷的装置中，第二换热器为膨胀压缩机，第二换热器第一入口和第二换热器第一出口设置在膨胀压缩机的膨胀端；第二换热器第二入口设置在膨胀压缩机的压缩端。
10.进一步地，在上述回收甲烷的装置中，第二换热器还具有与第二换热器第二入口连通的第二换热器第二出口；回收甲烷的装置还包括压缩机，具有压缩机入口和压缩机出口，其中第二换热器第二出口与压缩机入口连接。
11.进一步地，在上述回收甲烷的装置中，压缩机出口与待冷却气第二入口连接。
12.根据本发明的另一个方面，提供了一种回收甲烷的方法，包括步骤s1，将经过冷却的天然气分离为气相流和液相流；步骤s2，将至少部分气相流冷却，得到冷却气相流；步骤s3，将液相流和冷却气相流进行脱甲烷处理，得到甲烷气相流和分离液相流。
13.进一步地，在上述回收甲烷的方法中，步骤s1包括将天然气冷却到-40℃至-60℃的温度范围内，优选天然气冷却时所用至少部分冷却介质包括甲烷气相流；优选将冷却的天然气原料流在-40℃至-50℃的温度下分离为气相流和液相流。
14.进一步地，在上述回收甲烷的方法中，步骤s2包括将至少部分气相流冷却至-90℃至-100℃的温度，得到冷却气相流，优选采用膨胀冷却的方式冷却至少部分气相流。
15.进一步地，在上述回收甲烷的方法中，步骤s3包括在-105℃至-110℃的温度范围内进行脱甲烷处理。
16.进一步地，在上述回收甲烷的方法中，步骤s2包括将气相流分为两部分，其中步骤s2处理的部分气相流为第一流，剩余的气相流为第二流，第二流在热交换后与液相流和冷却气相流共同进行分馏处理，优选使第二流在步骤s1中与天然气共同进行冷却，进一步优选基于气相流的总流量，第一流占气相流的85％至90％，第二流占气相流的10％至15％。
17.进一步地，在上述回收甲烷的方法中，在部分甲烷气相流完成热交换后对其进行增压得到甲烷产品；优选将部分甲烷产品返回步骤s1中冷却后返回步骤s3进行脱甲烷处理；进一步优选地，基于甲烷产品的总流量，部分甲烷产品占甲烷产品的5％至20％，优选部分甲烷产品占甲烷产品的10％至15％。
18.在使用本发明的回收甲烷的装置和方法的情况下，克服了现有技术中的上述问题，并且实现了有效地由天然气中回收甲烷以及降低能耗节省成本的技术效果。
附图说明
19.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
20.图1示出了根据本发明的回收甲烷的装置示意图。
具体实施方式
21.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
22.通过前面的背景技术可以了解到，现有技术中的方法不能有效地由天然气原料气
中高效地回收甲烷。针对前文描述的技术问题，本技术提供了一种回收甲烷的装置和回收甲烷的方法。
23.在本技术一种典型的实施方式中，提供了一种回收甲烷的装置，如图1所示，其包括第一换热器1、气液分离器2、第二换热器3和脱甲烷塔4。第一换热器1用于对天然气进行冷却，其具有连通的待冷却气入口和冷却气出口。气液分离器2具有气液分离器入口、气液分离器液相出口和气液分离器气相出口，其中气液分离器入口与冷却气出口连接。第二换热器3具有第二换热器第一入口、第二换热器第一出口，其中第二换热器第一入口与气液分离器气相出口连接。脱甲烷塔4具有脱甲烷塔气相入口、脱甲烷塔液相入口、脱甲烷塔气相出口和脱甲烷塔液相出口，其中脱甲烷塔气相入口与第二换热器第一出口连接，脱甲烷塔液相入口与气液分离器液相出口连接。
24.在一些实施例中，天然气原料进入到第一换热器1中，并在其中被冷却。冷却后的天然气经由冷却天然气出口和气液分离器入口进入到气液分离器2中以进行气液分离。在进行气液分离后，产生的气相流经由气液分离器气相出口和第二换热器第一入口进入到第二换热器3中，从而将气相流进一步冷却。由气液分离器2产生的液相流经由气液分离器液相出口和脱甲烷塔液相入口，直接被引入到脱甲烷塔4中。在第二换热器3中进一步冷却的气相流经由第二换热器第一出口和脱甲烷塔气相入口进入到脱甲烷塔4中。由第二换热器3进一步冷却的气相流和由气液分离器2产生的液相流在脱甲烷塔4中进行脱甲烷处理。在脱甲烷塔4中分离而成的甲烷气相流经由位于脱甲烷塔4顶部的脱甲烷塔气相出口导出，分离而成的分离液相流经由位于脱甲烷塔4下部的脱甲烷塔液相出口导出。
25.在使用本技术的回收甲烷的装置的情况下，不受冷却温度的限制，可以将作为原料气的天然气有效地分离为高纯度甲烷气(气相)和c2-c5烃流(液相)。在将原料天然气引入到脱甲烷塔4之前，首先通过气液分离装置，将原料流中c3-c5烃类冷却液化以进行第一步分馏。然后，分馏而成的气相流(包含c1-c2烃类)和液相流(包含c3-c5烃类)被分别引入到脱甲烷塔4的不同位置(不同塔板处)，从而针对不同的烃类进行有效分馏。优选地，分离出的甲烷气相流中甲烷的含量在95％-99％的范围内。此外，由于使用了第一换热器对原料流进行冷却，并且使用第二换热器3对由气液分离器2分离得到的气相流进行冷却，因此在气液分离器2和脱甲烷塔4中不需要配备任何其他的制冷设备，从而有效地降低了能耗并节省成本。
26.在进一步的实施例中，如图1所示，第一换热器1还具有冷却介质入口，冷却介质入口与脱甲烷塔气相出口连接。在一些实施例中，在脱甲烷塔4中分离得到的甲烷气相流经由脱甲烷塔气相出口和冷却介质入口进入到第一换热器1中。在第一换热器1中，甲烷气相流与天然气进料流进行热交换，从而使得天然气进料流被降低至目标温度。由于采用了甲烷气相流作为冷却介质对天然气原料流进行热交换，由于甲烷气相流的低温时的该热交换可以充分进行，实现了对天然气原料流的充分降温；同时甲烷气相流吸收了天然气原料流的热量，温度升高，有利于下游的利用。可见，上述过程有效地降低了能源消耗，节省了能源成本。
27.在一些实施例中，如图1所示，第一换热器1还具有与冷却介质入口连通的冷却介质出口，第二换热器3还具有第二换热器第二入口，第二换热器第二入口与冷却介质出口连接。在第一换热器1中换热后，使升温后的甲烷气相流经由冷却介质出口和第二换热器第二
入口进入到第二换热器3中进行升温，并由此升压至目标压力。
28.在本技术的另一些实施例中，如图1所示，第一换热器1还具有待冷却气第二入口，气液分离器气相出口与待冷却气第二入口连接，优选第一换热器1还具有与待冷却气第二入口连通的冷却气第二出口，冷却气第二出口与脱甲烷塔气相入口相连。由气液分离器2分离得到的气相流可以被分离第一流和第二流，其中第一流经由第二换热器第一入口进入到第二换热器3中，第二流经由冷却气第二入口进入到第一换热器1中，并在其中被脱甲烷塔4中分离而成的甲烷气相流冷却。冷却后的第二流处于过冷状态。冷却后的第二流通过冷却气第二出口和脱甲烷塔气相入口直接引入到脱甲烷塔4中。由于将过冷状态的第二流引入到了脱甲烷塔4中，进一步优化了脱甲烷塔4的分离效果，从而更有效地进行甲烷的分离。
29.在本技术的一些实施例中，第二换热器3为膨胀压缩机，第二换热器第一入口和第二换热器第一出口设置在膨胀压缩机的膨胀端；第二换热器第二入口设置在膨胀压缩机的压缩端。在第二换热器3为膨胀压缩机的实施例中，由气液分离器2分离得到的气相流经由气液分离器气相出口和膨胀压缩机的膨胀端入口进入到膨胀压缩机中。在膨胀压缩机中，气相流在膨胀的作用下冷却为冷却气相流。冷却气相流经由膨胀压缩机的膨胀端出口和脱甲烷塔气相入口进入到脱甲烷塔4中。经由脱甲烷塔4的脱甲烷处理后，甲烷气相流经由脱甲烷塔气相出口和第一换热器1的冷却介质入口进入到第一换热器1中。在第一换热器1中，甲烷气相流与天然气原料流进行热交换以冷却天然气原料流。热交换后的甲烷气相流经由冷却介质出口与膨胀压缩机的压缩端入口进入到膨胀压缩机中，从而在膨胀压缩机中进行升温压缩。由于采用膨胀压缩机，进入膨胀端和压缩端的气相流不仅可以进行热交换，还可以根据需要控制其输出的压力，从而减少工艺中的步骤。
30.在本技术的进一步的实施例中，第二换热器3还具有与第二换热器第二入口连通的第二换热器第二出口；并且如图1所示，回收甲烷的装置还包括：压缩机5，具有压缩机入口和压缩机出口，其中第二换热器第二出口与压缩机入口连接。在一些实施例中，经由第二换热器3换热的甲烷气相流通过第二换热器出口和压缩机入口进入到压缩机5中，并在压缩机5中被压缩至合适的压力。增压后的增压流经由压缩机出口引出。增压后的增压流可以直接引入到下游管路中，以用作甲烷产品对其进行灌装保存。
31.在本技术的进一步的实施例中，压缩机出口与待冷却气第二入口连接。通过压缩机5压缩甲烷气相流后，产生的增压流可以分为第一增压流和第二增压流。第一增压流经由第一换热器1的待冷却气第二入口进入到第一换热器1中，从而使其被脱甲烷塔4塔顶引出的甲烷气相流冷却。冷却的第一增压流经由待冷却器第二出口和脱甲烷塔气相入口进入到脱甲烷塔4中，从而与脱甲烷塔4中的其他物料一起进行脱甲烷处理。第二增压流直接引出回收甲烷装置并引入到下游管路中以用作甲烷产品对其进行灌装保存。
32.在本技术的一些实施例方式中，脱甲烷塔4可以进一步包含一个或多个脱甲烷塔气相入口。在一个实施例中，进入脱甲烷塔4的气相流可以经由同一个脱甲烷塔气相入口进入脱甲烷塔4中。在另一些实施例中，进入脱甲烷塔4的气相流可以分别经由不同的脱甲烷塔气相入口进入脱甲烷塔4中。
33.在本技术的另一个典型实施方式中，提供了一种回收甲烷的方法，包括步骤s1，将经过冷却的天然气分离为气相流和液相流；步骤s2，将至少部分气相流冷却，得到冷却气相流；步骤s3，将液相流和冷却气相流进行脱甲烷处理，得到甲烷气相流和分离液相流。
34.在使用本技术的方法的一些实施例中，首先将天然气原料流进行冷却，然后对冷却的天然气原料流进行气液分离以产生气相流和液相流。在一些实施例中，将全部的气相流进行进一步的冷却，并将冷却的气相流和液相流进行脱甲烷处理。在另一些实施例中，将部分的气相流进行进一步的冷却，并将冷却的部分气相流和液相流进行脱甲烷处理。经历脱甲烷处理后，产生甲烷气相流和分离液相流。
35.本技术的回收甲烷的方法可以使用开采得到的未经处理的天然气作为原料流，或使用已经进过分离处理但其中仍包含c2-c5烃类物质的天然气作为原料流。在经过本技术的方法处理之后，原料流中的甲烷气将有效地被分离出来，优选地，分离后的成品甲烷流中包含95％-99％的范围内的甲烷。此外，分离出液态流中包含c2-c5烃类，其可以在后处理中进一步进行分离，以实现最大化的经济效益。
36.在进一步的实施例中，步骤s1包括将天然气冷却到-40℃至-60℃的温度范围内；优选天然气冷却时所用冷却介质包括部分甲烷气相流，优选将冷却的天然气在-40℃至-50℃的温度下分离为气相天然气流和液相天然气流。在一些实施例中，将18℃至25℃的天然气冷却到-40℃至-60℃的温度范围内，从而有效地使原料流进行液化。在优选-40℃至-50℃的温度下对原料流进行分离，能够有效地使原料流中c1-c2烃类保持气态，以进行初步分离。此外，由于使用脱甲烷处理分离出的甲烷气相流对天然气原料流进行冷却，因此不需要配备任何其他的制冷设备，从而有效地降低了能耗并节省成本。
37.在进一步的实施例中，步骤s2包括将至少部分气相天然气流冷却至-90℃至-100℃的温度，得到冷却气相天然气流，优选采用膨胀冷却的方式冷却至少部分气相流。在将天然气原料流分离为气相流和液相流之后，在-90℃至-100℃的温度下对至少部分的气相流进行冷却，从而使得该部分气相流处于过冷状态。在对该部分气相流进行脱甲烷处理时，可以有效地将c2-c3烷烃由甲烷流中分离出去。在采用膨胀冷却实施例中，可以有效地节省因为制冷而产生的能源损耗。
38.在进一步的实施例中，步骤s3包括在-105℃至-110℃的温度范围内进行脱甲烷处理。在将由天然气分离出的液相流和冷却后的气相流进行脱甲烷处理的过程中，在-105℃至-110℃的温度范围内对上述料流进行脱甲烷处理。在上述温度范围内，c2-c5烃均能够有效地由甲烷流中分离出去，从而使得生成的气相流基本上完全由甲烷构成，c2-c5烃构成了液相流。
39.在本技术方法的另一些实施例中，步骤s2包括将气相流分为两部分，其中步骤s2处理的部分气相流为第一流，剩余的气相流为第二流，第二流在热交换后与液相流和冷却气相流共同进行分馏处理，优选使第二流与天然气在步骤s1中与天然气共同进行冷却，进一步优选基于气相流的总流量，第一流占气相流的85％至90％，第二流占气相流的10％至15％。在将由气液分离得到的部分气相流进行进一步冷却的实施例中，将s2步骤中进行冷却的部分气相流称为第一流，剩余的部分气相流称为第二流。在气液分离之后，直接将第一流进行冷却，并将冷却后的第一流与液相天然气流一起用于脱甲烷处理。分离出的第二流与天然气原料流一起进行热交换，以使第二流冷却至过冷状态。在进行热交换后，使过冷状态的第二流和冷却后的第一流以及液相气流一起进行分馏处理。由于在第二流进行脱甲烷处理前进行冷却，并使其在过冷状态下进行分馏处理，因此在脱甲烷步骤中，不需要使用额外的冷却设备和步骤对的液相和气相进行冷却，从而有效地降低了能耗并节省成本。在优
选的实施例中，基于气相流的总流量，第一流占气相流的85％至90％，第二流占气相流的10％至15％。
40.在本技术方法的另一些实施例中，本技术的回收甲烷的方法还包括在甲烷气相流完成热交换后对其进行增压得到甲烷产品；优选将部分甲烷产品返回步骤s1中冷却后返回步骤s3进行脱甲烷处理；进一步优选地，基于甲烷产品的总流量，部分甲烷产品占甲烷产品的5％至20％，优选部分甲烷产品占甲烷产品的10％至15％。在一些实施例中，对与天然气原料流进行热交换后的甲烷气相流进行增压处理，从而得到甲烷产品。由于进行了增压处理，因此，得到的甲烷产品具有2.35帕斯卡至3.5帕斯卡的压力，以及20℃至30℃的温度。增压之后的甲烷产品可以直接引入到下游的管路中或直接进行灌装，从而节省了工艺步骤。在一些优选实施例中，使部分增压后的甲烷产品返回到步骤s1中，并与天然气原料流一起冷却，冷却后的甲烷产品返回到步骤s3中与液相流和冷却气相一起进行进一步的脱甲烷处理。冷却后的甲烷作为脱甲烷处理的回流液，不仅回流液组份较贫，且降压后的甲烷发生闪蒸，形成了更低的脱甲烷处理温度。在脱甲烷处理较低的情况下，可以有效地使其中的c2-c5组分冷却，从而提高由脱甲烷处理的效率，提高甲烷气相流的纯度。此外，由于将甲烷产品作为回流液，因此，与甲烷的沸点近似的c2-c3组分的将更容易地回收到分离的液相流中，从而提高c2-c3的回收率，例如，乙烷回收率提高到95％以上。同时，将甲烷产品作为回流液降低了深冷回收装置的能耗。优选地，基于甲烷产品的总流量，部分甲烷产品占甲烷产品的5％至20％，更优选地，部分甲烷产品占甲烷产品的10％至15％。
41.以下结合具体实施例对本技术作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本技术所要求保护的范围。
42.实施例1
43.采用图1所示的装置实施以下过程：将18℃的天然气原料流经由第一换热器1的待冷却气入口引入到第一换热器1中，并在其中被冷却至-50℃，其中天然气原料流中甲烷的含量为87％。冷却后的天然气原料流经由冷却气出口和气液分离器入口进入到气液分离器2中，在-45℃的温度下进行气液分离，产生-45℃的气相流和液相流。在进行气液分离后，将产生的气相流分为第一流和第二流，其中基于气相流的总流量，第一流占气相流的85％，第二流占气相流的15％。经由气液分离器气相出口和膨胀压缩机的膨胀端入口，将第一流引入到膨胀压缩机的膨胀端中，从而将第一流进一步冷却至-90℃。将进一步冷却后的第一流直接引入到脱甲烷塔4中。第二流经由第一换热器1的待冷却气第二入口进入到第一换热器1中，并在其中进行热交换以冷却至-105℃。经换热的第二流通过冷却气第二出口和脱甲烷塔气相入口直接引入到脱甲烷塔4中。
44.将由气液分离器2产生的液相流经由气液分离器液相出口和脱甲烷塔入口，直接引入到脱甲烷塔4中。在脱甲烷塔4中，液相流、冷却后的第一流和换热后的第二流(过冷)混在-105℃的温度下进行脱甲烷处理。经过脱甲烷处理后，由顶部的脱甲烷塔气相出口将甲烷气相流引出，并通过底部的脱甲烷塔液相出口将分离液相流引出。
45.将-105℃的甲烷气相流经由脱甲烷塔气相出口和却介质入口引入到第一换热其中，从而对天然气原料流、第二流进行冷却。热交换后的甲烷气相流经由冷却介质出口和膨胀压缩机的压缩端入口引入到膨胀压缩机的压缩端中。在压缩端中甲烷气相流被增压至2.35帕斯卡，并加热至26℃。
46.将增压后的气相流经由压缩端出口和压缩机入口引入到压缩机5中，并增压至3.5帕斯卡，将压缩后的甲烷流直接导入到下游管路中，从而形成甲烷产品。甲烷产品的产率为99.7％，并且甲烷产品中甲烷的含量为97％。
47.将基于甲烷产品的总流量，将10％的甲烷产品经由待冷却气第二入口引入到第一换热器1中。在第一换热器1中，甲烷产品冷却至-105℃。经由待冷却气第二出口与脱甲烷塔气相入口，将甲烷产品引入到脱甲烷塔4中进行进一步的脱甲烷处理。
48.实施例2-5
49.与实施例1相同，区别参照以下表1。
[0050][0051]
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例在使用本技术的方法和装置的情况下有效地由天然气原料流中分离出了甲烷，在甲烷产品中甲烷的含量达到了95％至99％。
[0052]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。