天然气深冷分离 cryogenic separation of natural gas

　　利用天然气所含各组分沸点的差别，在约-100°C以下的低温分离回收其中某些组分的过程。工业上通常将-100°C以下的低温冷冻，称为深度冷冻，简称深冷。在天然气化工中，深冷分离法用于分离回收湿性天然气中C2以上烃，即天然气凝析液（NGL）；生产液化天然气以方便天然气的贮存和运输；用于富氮天然气的脱氮以提高热值；以及从富氦天然气中分离回收氦。
　　天然气凝析液的分离　早期主要采用吸附法、常温油吸收法和低温油吸收法，现在广泛使用深冷法，采用以下两种工艺流程。
　　冷凝法　用高压天然气的节流致冷效应，使C2以上烃冷凝分离。由于单纯的节流效应是一个等焓过程，冷凝效率低，往往须同时用外加的辅助冷冻循环来提高制冷效果。如丙烷制冷循环冷却至-37°C，此时约有50％的重烃被冷凝；未凝气体进一步用乙烯制冷循环，冷却至-93°C，全部丁烷、约99％丙烷和约87％乙烷从原料天然气中冷凝析出。冷凝液再分别在脱乙烷塔、脱丙烷塔和脱丁烷塔中精馏，得到乙烷、丙烷、丁烷馏分和凝析油。
　　膨胀机法　利用天然气在透平膨胀机中降压膨胀作外功，而使温度急剧下降，达到低温。在其工艺流程（图1)中，天然气在5.1MPa压力下经过一系列换热，冷却至-54°C，此时约有54％的C2以上烷烃冷凝。未凝气体进入透平膨胀机膨胀至1.67MPa，温度下降至-93°C，使余下的C2以上烷烃此时液化。然后再经逐级精馏可得到乙烷、丙烷、丁烷馏分。该工艺过程是等熵过程，不但能提高烃的回收率，而且能作外功，可用来带动压缩机输送气体。因此，能合理回收利用天然气本身的机械能，具有先进的经济性，在美国得到广泛应用。
　　天然气中提氦　目前世界各国从天然气提取氦气，广泛采用部分冷凝法（图2），使天然气中除氦和氢外其余组分全部冷凝脱除而获得粗氦。生产过程包括天然气预净化（脱除水分、二氧化碳和硫化氢）、粗氦制取及氦精制。有时还与天然气的液化或氮的液化过程相结合。

　　粗氦的制取通常需经二次冷凝过程。第一次冷凝得到氦含量为5％以上的一次粗氦(自氦汽提塔顶出来)，再经第二次冷凝得到氦含量为60％～90％的二次粗氦（自氦精馏塔顶出来）。第一次冷凝的冷源通常为沸腾的液甲烷，冷凝压力按天然气组分的气－液相平衡条件确定，一般要求粗氦中无C2以上的烷烃馏分。净化后并经预冷的天然气，在冷凝蒸发塔中借釜液的蒸发，将溶于液烃中的氦释放出来，釜液中溶解的氦要求小于10ppm。提取二次粗氦的冷源，通常为常压沸腾的液氮或负压沸腾的液甲烷，冷凝压力仍由相平衡条件确定。工艺上要求二次粗氦中的甲烷含量小于 1％。提取二次粗氦的设备也系冷凝蒸发塔，同样要求釜液中溶解的氦量越少越好。
　　当天然气的压力为2.1MPa，冷凝温度为-153°C时，气相中氦浓度被浓缩到60％左右，此时溶解于液相中的氦量约为总氦量的14％，因此氦的提取率最高不超过86％。为了提高收率，60年代以后对冷凝法作了许多改进，如采用带有汽提和精馏的部分冷凝、部分冷凝与液体逐级膨胀相结合、复式精馏塔等新工艺，以最大限度地回收溶解的氦。（见彩图）

　　天然气液化　采用深冷法将天然气液化，以满足天然气的输送和城市煤气高峰负荷的调节。有两种基本制冷循环工艺：阶式循环和膨胀机循环。世界上广泛采用的方法是阶式制冷循环法，常用液态丙烷、乙烯和甲烷蒸发所产生的低温使天然气逐级冷却、液化。
　　天然气经预处理用分子筛干燥脱水至露点(-73°C)，再经各级冷冻制冷循环逐步冷却至－147°C，此时天然气中乙烷、丙烷、丁烷等大部分都已冷凝分离，只有甲烷在此温度下仍为气体，随后把 -147°C 的天然气压力从4.12MPa快速降至常压，温度进一步下降，使甲烷液化。
　　60年代后期出现了混合制冷剂循环工艺，用天然气中分离出来的乙烷、丙烷、丁烷和氮的混合物作为制冷剂，以提高制冷循环的效率。